Einstellwinkel und Anstellwinkel Outline · [ Standard ] · Linear+

[Heli-Thorsten]

Moin,

ich möchte gerne ein paar Fragen zu dem Thema Winkel beim Hubschrauber stellen.

Zur besseren Darstellung habe ich mir von Mauch mal diese Zeichnung ausgeliehen



Begriffserklärung

PS = Profilsehne; VT = tangentiale Anströngeschwindigkeit aus der Rotornormalebene RNE oder Drehebene DE, Vd = Senkrechte Durchtrittsgeschwindigkeit, Veff = effektive Anströmgeschwindigkeit, Alpha eff = effektiver Anstellwinkel; alpha i = induduzierter Anstellwinkel, E Einstellwinkel, FA = Auftrieb, FW = Widerstand, FR resultierende Luftkraft, FT = Tangentialkraft, NS Normalschub

Einstellwinkel: Alle Blätter werden gleichzeitig verstellt. Diesen Winkel nennt man Einstellwinkel. Dieser Winkel liegt zwischen der Profilsehne PS und der Rotornormalebene RNE

So ich habe ein bisschen gebraucht, diese Zeichnung hoffe ich richtig verstanden zu haben.

Also solange der Pitch sich in Nullstellung befindet sind die Profilsehne PS und die Rotornormalebene RNE auf einer Höhe. Bedeutet das der Einstellwinkel dann Null ist.

Wenn ich jetzt den Pitch verändere, wird der Einstellwinkel E größer.
Dieses hat aber nun zur Folge das jetzt eine Anstörmung aus der Drehebene DE und gleichzeitig zu einer Anstörumg durch die Drehebene kommt., woraus sich dann die Anströmrichtung Veff ergibt.

Wenn ich das jetzt so deute, würde ich behaupten, das bei einer Änderung eines Pitch z.B. von 10 Grad der Anstellwinkel nur 5 Grad betragen würde.
Heißt dann für mich das oben am Rotorkopf dann ein wesentlich kleiner Winkel entsteht.

Liege ich da mit meinen Gedanken richtig ?

Gleichzeitig bedeutet diese, das wenn ich den Pitch erhöhe, das der Auftrieb FA zwar zunimmt, mit ihm aber gleichzeitig der Widerstand FW steigt, so das ich die Motorleistung erhöhen muss.

Aufgrund dieser beiden Kräft entsteht eine Resultierende FR. Die man Sprachlich Luftkraft nennt.
Heißt dieses, das diese Kraft FR die tragende Kraft ist die dann den Hubschrauber trägt ?

Lotrecht zum Abstand der resultierenden Kraft FR kommt dann noch die Tangentialkraft FT

Bei der Tangentialkraft habe ich das Prinzip so wie bei einem einseitigen Hebel verstanden. Von der Rotordrehachse wirkt der Hebel zum Rotorblattende. Wenn nur der Anstellwinkel Alpha eff ansteht wirkt dann die Tangentialkraft wie ein Fallschirm, so das die Umlaufgeschwindig des Rotors abnimmt. Bedeutet es muss auch die Triebswerkleistung hinzugefügt werden. Die Tangentialkraft wirkt so wie ich es sehe nur auf die Drehebene DE

Hier bin ich jedoch etwas unschlüssig, bzw. verstehe den Sachverhalt wohl nicht ganz richtig. Sind im Prinzip die Kräfte FW und FT vom Gedanklichen her nicht ein und die selbe Kraft mit der gleichem Größenverhältnis ?

Hoffe ich konnte mich einigermaßen verständlich ausdrücken, und meine Gedanken sind weitgehend richtig gedacht.

Danke für Eure Antworten

Thorsten

Dieser Beitrag wurde von Heli-Thorsten: 04. September 2007, 18:37 bearbeitet

[Heli-Thorsten]

Moin,

jetzt wurde diese Thema schon sooft gelesen, aber keiner scheint hier eine Antwort auf meine Frage zu haben.

Das finde ich schon komisch

Thorsten

[Heli-Mike]

Also, dass keiner antwortet liegt sicher nicht daran, dass Dir keiner die Antwort geben kann. Es ist nur so, dass es sich kaum vernünftig als Forumsbeitrag in Textform machen läßt. Das Thema solltest Du lieber mit einem Fluglehrer an einer Tafel oder einem Flipchart besprechen.

Und um Deine Fragen oberflächlich zu beantworten:

Liegst Du richtig bzgl. verringertem Anstellwinkel im Vgl. zu Einstellwinkel?
Im Prinzip Ja.

Trägt FR den Hubschrauber?
Nicht direkt. Die Komponente von FR, die senkrecht zur Rotokreisebene liegt bestimmt den sog. Rotorschub. Wiederum die Komponente vom Rotorschub, die in Schwerkraftrichtung wirkt, trägt den Hubschrauber.

Sind FT und FW gleich?
Nein. Die Tangentialkraft ist die Kraft, gegen die der Antrieb arbeiten muß, um die Rotordrehzahl aufrecht zu erhalten. Sie wirkt in Rotorkreisebene. FW wirkt per Definition in Gegen-Richtung der Anströmung des Rotorblattes. Diese Richtungen sind nur im Ausnahmefall identisch.

[Nichtflieger]

Hallo,

der Thread liegt Jahre zurück, aber ich habe diese Krankheit, die mich daran hindert, offene Fragen unbeantwortet zu lassen. Die habe ich mir gerade ausgedacht, aber ich hasse es, wenn etwas aufgeworfen und nicht beendet wird. Ich habe mich also hier schnell unter falschem Namen angemeldet, auf manuelle Authentifizierung gewartet und antworte jetzt, auch wenn das mein letzter Beitrag sein sollte.
Ich heiße Nichtflieger, weil ich weder eine Pilotenlizenz habe, noch irgendein abgeschlossenes Studium, ich bin bei der Wehrfliegertauglichkeitsprüfung durchgefallen und saß noch nie in einem Helikopter. Auf meine Angaben ist also kein Verlass, ich muss das hier nur loswerden. Der Threadersteller wird sich inzwischen informiert haben, aber der Thread ist noch offen und über kurze Suche erreichbar.
In etwa diese Darstellung wurde uns auch bei der Wehrfliegertauglichkeitsuntersuchung vorgelegt, ich hatte also mehrere Tage lang die Möglichkeit, mich mit den Begriffen vertraut zu machen. Trotzdem, wenn Fehler auftreten, bitte immer daran denken, dass ich ein Laie bin. Ich will nur zum Verständnis beitragen.

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Einstellwinkel

Richtig ist, dass der Einstellwinkel den Winkel zwischen Profilsehne und Rotornormalebene beschreibt. Rotorblätter sind allerdings oft in sich gedreht (Schränkung), der Querschnitt durch das Blatt ergibt also an jeder Stelle einen anderen Einstellwinkel um besonders starke Kräfte an den Blattspitzen durch negativen Einstellwinkel auszugleichen. Ist der kollektive Blattverstellhebel (Pitch) in Nullstellung, liegt die Profilsehne also nicht zwangsläufig auf der Rotornormalebene, wird aber schematisch meist so positioniert, wie hier zu sehen.
Das mag daran liegen, dass an der Blattwurzel die Profilsehne meist auf der Drehebene liegt oder daran, dass es einfach leichter zu betrachten ist, ich habe keine Ahnung, frag die Verantwortlichen.


Anströmung

Die Anströmung ist auf dem Bild etwas schwer verständlich schematisch nur als Gesamtströmung dargestellt, nicht als Komponenten, aus denen sie besteht: Einer horizontalen und einer vertikalen.

Die horizontale Strömungskomponente macht den Hauptteil der Effektivströmung aus und in Ruhe besteht sie nur aus der Rotation der Blätter durch die Luft. Beim Flug sorgt die Bewegung des Gesamtsystems durch die Luft noch für mitunter starke Unterschiede [siehe auch unten: Geschwindigkeitsbegrenzung] und der Wind hat natürlich auch noch ein Wort mitzureden, aber schematisch ist die horizontale Bewegung nur das, was die Blätter an Luft aufgreifen können. Veff ist ohne Einstellwinkel in Ruhe parallel zur Rotornormalebene. Wenn die Blätter entsprechend geformt sind, besteht so schon ein Auftrieb ohne Luftumwälzung nach unten.

Die vertikale Strömungskomponente bezeichnet die senkrechte Luftbewegung durch die Rotorebene. Die entsteht beim Anstellen der Blätter:
Die Luft prallt auf einen "vorne" an der Tragfläche gelegenen Stagnationspunkt und strömt oben und unten um die Tragfläche um sie irgendwo an der hinteren Spitze wieder zu verlassen. Da der Endpunkt niedriger liegt wird die Luft gewissermaßen von den Blättern nach unten gedrückt. Es entsteht ein Abwind, der Leuten die Frisur versaut.

"Veff", also V effektiv, die effektive Anströmung, bezeichnet nichts anderes als die Gesamtströmung der Luft in Bezug auf den Blattquerschnitt. Sie ergibt sich durch Addition beider Komponenten, der Anströmung von "vorne" auf das Blatt und dem Wind, der senkrecht durch den Rotor bläst. Je mehr Abwind, desto steiler der Vektor.

Die Größen und Richtungen der Vektoren hängen von diversen Faktoren ab. Jeder Blattquerschnitt erfährt abhängig vom Radius, der Rotordrehzahl und der momentanen Position im bewegten System eine eigene Luftströmung. Die Blattspitzen sind weitaus schneller und haben somit mehr Anströmung als der Bereich an der Blattwurzel.


Anstellwinkel

Wenn die Blätter angestellt werden, verändern sich die Strömungslinien, die man im Windkanal gut beobachten kann. Die Luft nimmt oben einen längeren Weg um die Tragfläche, solange die Strömung an der Tragfläche anliegt, als unten.

Der Anstellwinkel liegt zwischen Profilsehne und der effektiven Anströmrichtung. Er ist also nicht einfach nur halb so groß wie der Einstellwinkel, sondern unterliegt eigenen Prinzipien, auch wenn er natürlich vom Einstellwinkel beeinflusst wird. Die Luftströmung ist veränderlich wie die Luft selbst, also ist Veff sehr variabel, auch wenn der Einstellwinkel E starr bleibt.

Eine Anstellung einer Tragfläche ist immer gegeben, wenn die Strömung nicht parallel zur Profilsehne verläuft, einfach gesagt.
Der Anstellwinkel ist der relevante Teil bei der Berechnung des Auftriebs. Während der Einstellwinkel nur eine technische Komponente ist, geht es beim Anstellwinkel einer Tragfläche um den auf sie wirkenden tatsächlichen Effekt der Luftströmung.


Auftrieb nach Bernoulli

Hier kommt das Bernoulli-Prinzip zum Tragen, denn durch einen steileren Anstellwinkel wird ein stärkerer Auftrieb erzeugt, bedingt durch den Luftweg und die daraus resultierende Flussgeschwindigkeit. Unten ist kürzer, oben länger. Unten langsamer, oben schneller. Unten ist mehr Druck, oben weniger. Druck von unten nach oben, also Kraft von unten nach oben, also Auftrieb.
Mit Sicherheit ist das nicht korrekt ausgedrückt, aber offenbar ist das Thema der "Fluid Dynamics" nicht ganz erschlossen. Was nun was bedingt, weiß ich nicht, aber dass am Ende ein Druckdifferential vorhanden ist, ist empirisch.

Dieser Auftrieb ist in der Zeichnung als FA, als Auftriebskraft, gekennzeichnet. Sie ist senkrecht zur Luftströmung Veff. Je höher der Anstellwinkel, desto höher die Auftriebskraft, weswegen wir Blätter anstellen müssen um den Hubschrauber vom Boden zu kriegen. Wichtig: Der Auftrieb ist hier nicht der Schub, der den Helikopter vom Boden drückt, sondern bezeichnet nur den Krafteffekt auf den Teil der Tragfläche, den wir betrachten.


Luftwiderstand

Gleichzeitig wirkt aber auch eine fast schon triviale Komponente auf die Tragfläche: Der Luftwiderstand. Wenn Luft gegen etwas pustet, wirds nach hinten gedrückt. Wenn ich Fahrrad fahre, bedeutet hohe Geschwindigkeit, dass ich von der Luft stark gebremst werde, weil sich die Luft an meiner Front anstaut und wieder ein Druckdifferential entsteht. Die Widerstandskraft FW wirkt, wie in der Zeichnung zu erkennen, in Richtung der Luftströmung.
Ein höherer Anstellwinkel sorgt auch für mehr Luftwiderstand durch vergrößertes Profil.


Luftkraft

Nehmen wir Luftwiderstand und Auftrieb zusammen, haben wir die Gesamtkraft, die durch die Luftströmung auf die Tragfläche wirkt, richtig erkannt. FR ist die Resultierende, auch genannt die Luftkraft. Einfach, weil das die gesamte Kraft ist, die durch die Luftbewegung auf die Tragfläche wirkt, sowohl durch Luftwiderstand als auch durch Auftrieb.


Schub und Tangentialkraft

Diese resultierende Kraft FR ist an jeder Position des Rotors unterschiedlich, da sie starr in Bezug auf diesen Querschnitt ist, den wir betrachten. Der dreht sich aber, also dreht sich der Vektor mit. Um herauszufinden, was den Rotor anhebt, teilen wir den Vektor in zwei Komponenten: Wir nehmen die Tangentialkraft FT heraus, die an jeder Stelle des Rotors der Drehrichtung entgegenwirkt und erhalten einen senkrecht zur Drehebene stehenden Kraftvektor, den Nominalschub NS. Ob das der richtige Begriff ist, weiß ich nicht mehr, aber ich glaube schon. Fakt ist, das ist die Kraft, die an dem Teil des Rotorblattes nach oben wirkt und den Hubschrauber antreibt. Diese Kräfte addieren sich über den gesamten Rotor und ergeben den Gesamtschub des Systems.

Die Tangentialkraft FT bremst den Rotor üblicherweise aus [außer bei der Autorotation, siehe unten]. Das ist die resultierende Komponente, die dich dazu zwingt, die Motorleistung zu erhöhen um die Rotordrehzahl konstant zu halten.

Heli-Mike hat also richtig erkannt, dass FT und FW nicht gleich sind. Der Luftwiderstand beeinflusst die Tangentialkraft direkt, kann aber abhängig von der Luftströmung überallhin wirken. Der Auftrieb selbst sorgt ebenfalls für eine Ausbremsung (oder positive Beschleunigung) des Rotorblattes, da auch er von der Luftströmung abhängt. Die gesamte Bremswirkung aus beiden Kräften ist FT. Und ja, die Kraft steigt mit steigendem Anstellwinkel, weswegen man für mehr Schub auch mehr Power ins System bringen muss.


Weiteres Klugscheißen

Geschwindigkeitsbegrenzung
Helikopter können deswegen nicht so schnell fliegen wie Flugzeuge, weil die von vorne (aus Sicht des Hubschraubers) auf das Rotorsystem wirkende Luftströmung bei steigender Geschwindigkeit links und rechts zu massiven Unterschieden in der schematisch dargestellten Effektivströmung Veff führt. Während beim vorschlagenden Rotorblatt die Strömung extrem ansteigt und für starken Auftrieb sorgt, dümpelt die Luft beim rückläufigen Rotorblatt einfach mit dem Blatt mit und der Auftrieb wird stark reduziert oder sogar negiert. Das sorgt für ein Ungleichgewicht, das den Helikopter um die Längsachse zu rotieren versucht wie wenn man den Stick zur Seite drückt. Dem muss man also beim Vorwärtsflug ständig durch zyklische Blattverstellung entgegenwirken, also durch seitlichen Ausgleich mit dem Stick (rollen). Helikopter müssten also entweder extreme Rotorgeschwindigkeiten im Überschallbereich haben, was erfahrungsgemäß aufgrund der Materialbelastung nicht funktioniert und zu maschinengewehrartigen Überschallknallkaskaden führt, oder die Taumelscheibe müsste die Blätter so extrem verstellen, dass sie auch bei höheren Geschwindigkeiten die Längsrotation (roll) ausgleichen können, was wieder aufgrund der Materialbelastung nicht funktioniert.

Alles nur wegen der Strömung.

Autorotation
lässt sich durch diese Vektordarstellung auch leicht verstehen. Beim Fallen dreht sich die Anströmrichtung nach oben, da keine Luft mehr durch den Rotor gesaugt wird, sondern der Rotor durch die Luft fällt, die vertikale Luftströmung also stark nach oben zeigt. Veff geht dadurch nach rechts oben statt rechts unten. Der Luftwiderstand folgt der Strömung, der Auftrieb steht senkrecht auf ihr, zeigt also nach vorne. Entsprechend neigt sich der Luftkraftvektor aus FW und FA ab einem bestimmten Luftstromwinkel ebenfalls nach vorne, natürlich abhängig vom individuellen Querschnitt auch mal nicht, aber gerade nach außen zu den Blattspitzen hin wirkt eine starke Luftkraft nach vorne. Man kann die auch wieder in ihre Komponenten zerlegen und erhält einen Schub NS, der den Hubschrauber ein wenig abbremst, und eine nach vorne gerichtete Tangentialkraft FT, die das Blatt anschiebt, statt es zu bremsen. Hier sieht man dann ganz eindeutig, dass FT und FW sich nicht gleichen, denn der Luftwiderstand wirkt immer noch gegen das Blatt, kann aber nichts gegen die starke, nach vorne geneigte Auftriebswirkung ausrichten.

Auch erkennbar: Wenn der Einstellwinkel zu hoch ist, prallt die von unten wirkende Luftströmung auf das Blatt und es kommt zum Strömungsabriss. Auch deswegen muss bei der Autorotation der Pitch nach unten gedrückt werden.

Diese kleine schematische Darstellung visualisiert eine Menge Phänomene. Ohne Erklärungen versteht sie aber kein Mensch. Ich hab auch während der Testwoche erstmal eine gute Stunde nur über dem Text und der Skizze gehangen und mir das Prinzip erarbeitet, aber wenn man es einmal verstanden hat, ergeben sich die Zusammenhänge.

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Es würde mich freuen, wenn ich jemandem helfen konnte. Wenn was falsch ist, Kritik an mich. Ich nehm sie gerne an. Anders lernt man nicht. -Nichtflieger