Kraftübertragung 2-Turbinige Helikopter

[Josh]

Hallo Forum!

Ich lese hier seit ein par Wochen mit!

Jetzt habe ich allerdings eine speziellere Frage, die ich mir bisher nicht beantworten konnte:

Wie kann ich TW1 und TW2 mit unterschiedlichen Drehzahlen laufen lassen(Notlauf/Sprit sparen)?
Macht man das außer beim Start überhaupt?
So wie ich mir das vorstelle, drehen die beiden Triebwerke in der Praxis immer mit leicht unterschiedlichen Drehzahlen. Bremst dann nicht das eine das andere immer ungünstig aus? Wie wird das geregelt(mechanisch oder über FADEC)?

Da diese Funktion bei allen Helikoptern ähnlich ist(denke ich), habe ich das mal bei "allgemein" gepostet (auch wenn mich dabei der Apache besonders interessieren würde)

MfG

Josh

 

[Chopper80]

Zwischen jedem TW und dem Getriebe sitzt ein Freilauf, so dass auch bei einem TW-Ausfall kein "Bremseffekt" auftreten kann. Wie beim normalen Fahrrad, da bleibt man ja auch nicht gleich stehen wenn man einen Krampf im Bein bekommt ;-))
Bei mehrmotorigen Hubschraubern werden die TW so eingeregelt ( manuell oder automatisch ), dass jedes TW das gleiche Drehmoment an das Getriebe abgibt.

C80

 

[Huey]

Bei zwei oder mehr Triebwerken ist (im Gegensatz zu einem Hubschrauber mit "nur" einem Triebwerk) eine sogenannte "combining Gearbox" zwischengeschaltet.

Grob gesagt liefert jedes Triebwerk über eine Welle die Leistung an eine gemeinsame combining GearBox, und von diesem Getriebe wird die Kraft über eine einzige Welle an den Hauptrotor übertragen.....(einfach ausgedrückt).

 

[cool]

Ist das dann ein "simples" Differential, sprich 2 Eingänge und 1 Ausgang, vieleicht teilgesperrt, so dass jeder Getriebeeingang nicht rückwerts drehen kann?

Ich davon aus, dass die Triebwerke synchronisiert werden, mittels Drehmomentanzeige/sensoren?

Gruss

 

[Chopper80]

Bei zwei oder mehr Triebwerken ist (im Gegensatz zu einem Hubschrauber mit "nur" einem Triebwerk) eine sogenannte "combining Gearbox" zwischengeschaltet.

Das ist aber nur bei der Bell 212/412 so ( PT6 TwinPack ). Üblicherweise wird auf eine zusätzliche combining GB verzichtet und der Hubschrauber hat, wie auch bei 1mots, ein Hauptgetriebe mit einer bis drei Eingangswellen, die jeweils mit einem Freilauf zur Absicherung versehen sind.

C80

 

[Gelöschtes Mitglied 7691]

Der Freilauf ist die eine Sache - speziell betreffend den Betrieb mit einem laufenden und einem stehenden (oder idle) Triebwerk.
Worauf "cool"s Frage vermutlich abzielt ist, wie das im Betrieb beider TW mit geringfügig unterschiedlichen Drehzahlen funktioniert.
Dazu muss man sich den Aufbau des Triebwerks anschauen.
Die Leistung wird aus dem Triebwerk mittels einer freilaufenden Turbine ausgekoppelt, welche nicht direkt mit der eigentlichen Triebwerkswelle verbunden ist.
Bei zwei TW können beide Freilaufturbinen also mit gleicher Drehzahl laufen (und auch Leistung bringen) obwohl die jeweiligen Kerntriebwerke mit geringfügig unterschiedlicher Drehzahl laufen. Die mechanische Trennung zwischen Kerntriebwerk und Freilaufturbine und deren Kopplung allein über das Heißgas am Austritt des Kerntriebwerks wirkt also als Fluidkupplung. Ein Sperrdifferential ist somit nicht nötig.

gruß
a.p.

 

[1qay]

Kerntriebwerk - Triebwerk/Turbine / Freilaufturbine - Freilauf

...Worauf "cool"s Frage vermutlich abzielt ist, wie das im Betrieb beider TW mit geringfügig unterschiedlichen Drehzahlen funktioniert...

...Die mechanische Trennung zwischen Kerntriebwerk und Freilaufturbine und deren Kopplung allein über das Heißgas am Austritt des Kerntriebwerks wirkt also als Fluidkupplung...

Was meinst du mit "Kerntriebwerk" und "Freilaufturbine"?
==> Triebwerk (Turbine) und Freilauf?
Ich will damit sagen, dass der Freilauf mit der Turbine in ihren eigentlichen Funktionen keinen Zusammenhang haben.

...Ein Sperrdifferential ist somit nicht nötig...

Falls ein Sperrdifferential mit einem Freilauf verglichen wird, verstehe ich das auch nicht. Wo könnte ein Sperrdifferential in einem Kraftübertrag des Helikopters zur Anwendung kömmen?

Freiläufe ermöglichen Treibern sich von der Kraftübertragung - hier besprochen von einem Triebwerks-Rotorsystemzusammenspiel an das Medium Luft - gleich nach dem Treiber zum Rotorsystem auszukoppeln, damit ein Triebwerk bei Ausfall oder Power-Reduktion nicht einfach die lebensnotwendige Drehzahl (Kraftübertragung Rotor-Luft)mindert. Das ganze ist unabhänig, ob die Triebwerke über eine "combining Gearbox" oder ein "Hauptgetriebe mit einer bis drei Eingangswellen" geschaltet werden.
Und ein Sperrdifferential hat ja die Funktion, die individuelle Kraftübertragung auf mehrere 'End-Systeme' --> Rad auf das 'Medium' Boden, zumindest auf zwei Räder.

 

[Gelöschtes Mitglied 7691]

Tach..

Also ein Exkurs Wellenleistungstriebwerk auf Gasturbinenbasis:

Das Triebwerk besteht aus: Verdichter, Brennkammer und einer Turbinenstufe, welche NUR den Verdichter antreibt. Dem nachgeschaltet, im gleichen Gasstrom, befindet sich die Leistungsturbine. Diese sitzt auf einer eigenen, getrennten Welle, dreht mit eienr EIGENEN Drehzahl und treibt (über einen Freilauf, aus den von dir genannten Gründen) einen von Zwei Eingangssträngen des Hauptgetriebes an.
Die Isolation eines stehenden Triebwerkes erfolgt über den Freilauf, die Anpassung an verschiedene Drehzahlen über die mechanische Trennung von Triebwerkswelle und Abtriebswelle.

Ein Differential dient (beim Kraftfahrzeug) dazu, einen Antrieb (motor) auf mehrere, ggf. geringfügig unterschiedlich drehende Abtriebe (Räder) zu verteilen. Es funktioniert aber genauso umgekehrt, man KÖNNTE es einsetzen, um zwei unterschiedliche ANtriebe (Hubschraubertriebwerke) auf einen gemeinsamen ABtrieb (Hauptgetriebe) wirken zu lassen. Eine solche Art Differential wäre zum Beispiel dann sinnvoll, wenn der Hubschrauber mit zwei Kolbenmotoren angetrieben werden würde, oder zwei Elektromotoren - immer dann, wenn der Antrieb keine ausreichend "nachgiebige" Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie hat, bzw. ein "Mitziehen" eines leistungsschwächeren Treiblings durch den stärkeren unerwünscht ist.

 

[Josh]

Hi!
Erst mal danke für für die vielen Antworten!
Allerdings bin ich noch nicht ganz dahintergestiegen.

müssen bei einem Heli im normalflug beide Turbinen immer mit gleicher drehzahl gefahren werden?

Kann ich da zusammenspiel beider Turbinen wie folgt ausdrücken?

beide turbinen wirken mit ihren leistungsturbinen über einen freilauf auf eine "rotorwelle" im hauptgetriebe.
(zwei zahnräder greifen im dem "Rotorzahnrad" ein)
bei turbine 1 ist die drehzahl (geringfügig) höher als bei turbine 2.
Dadurch, dass aber die beiden leistungsturbinen mechanisch verbunden sind, müssen sie gleiche drehzahlen fahren.
wenn nun aber in turbine 1 die leistungsturbine schneller dreht als die restlich turbine, wird von ihr keine kraft auf den rotor übertragen. die kraft von turbine 2 alleine reicht allerdings nicht aus. so sinkt die gesamtdrehzahl und turbine 1 kann wieder kraft auf den rotor übertragen. so pendelt die rotordrehzahl immer zwischen den 2 Turbinendrehzahlen(/ die übersetzung natürlich) hin und her,oder?

 

[J-B]

Ich weiß nicht ob es dir hilft, aber hier ist eine Animation vom Sea King.

Frohes Osterwochenende

 

[mariob]

Hallo,
mal anders ausgedrückt, wir haben an einer Zweiwellenturbine zum einen die N1, Gasgeneratordrehzahl und die N2, die der Leistungsturbine. Im unbelasteten Fall (der in der Praxis sicher nicht auftritt), läuft die Leistungsturbine mit einer definierten Leerlaufdrehzahl. Belastet man jetzt die Leistungsstufe, stellt sich entsprechend dem entnommenen Drehmoment eine niedrigere Drehzahl derselben ein. In der Elektrotechnik spricht man von Schlupf, dieser ist definiert aus der Differenz von der theoretisch erreichbaren Leerlaufdrehzahl und der aktuellen Drehzahl.
Es tritt also kein Pendeln der Last zwischen beiden Turbinen auf, sondern der Schlupf der beiden Turbinen ist lediglich verschieden und somit das an das Getriebe abgegebene Drehmoment jeder einzelnen für sich. Der schneller laufende Gasgenerator erzeugt also mehr Schlupf als der langsamere.
Das mal so von einem Nichtflugtechniker, sinnvoll wäre jetzt noch eine Ergänzung oder Korrektur von einem Praktiker, da ich nicht weiß ob es z.B. Rückwirkungen zwischen Leistungsturbine und Gasgenerator gibt.

Gruß
Mario

 

[Hirsch]

Ich denke mal, diese Beschreibung von @mariob trifft das Verhalten ganz gut.

Eine Rückkopplung von der Freilaufturbine ("Leistungsturbine") unter Last auf die Verdichterturbine ist nicht sehr groß und auf gar keinen Fall zu vergleichen mit direkt von der Verdichterturbine angetriebenen Rotoren. Sie kann sie gleichfalls nur über den Gasstrom wirken und ist aus konstruktiven Gründen eben nicht in diesem Maße vorhanden (was insgesamt überhaupt zu Konstruktionen wie einer ausschließlich gasdynamisch gekoppelten Turbine führte, um mal was Positives anzuführen).

In der Praxis sollte man allerdings auch nicht vergessen, dass die Triebwerke entsprechend aufwändig in ihrer Drehzahl und damit Leistungsabgabe gesteuert werden. Es ist nicht wie beim Auto, wo man "mal ein bisschen aufs Gas tritt". Es gibt Regelmechanismen, welche die Triebwerksdrehzahlen in Abhängigkeit von der Rotordrehzahl regeln und somit auch die Frage des "Schlupfes" schon in höchstem Maße berücksichtigen. Außerdem werden die Triebwerksdrehzahlen untereinander synchronisiert. Das nicht über eine mechanische Verkopplung, sondern über eine Regelung, indem die Abweichungen der Parameter voneinander gemessen werden und eine Gegensteuerung statt findet. Es ist nicht sinnvoll, dem einem mechanischen Zweig (Triebwerk, Freilaufturbine, Getriebe "Eingang A") erheblich mehr mechanische Arbeit und Belastung aufzubürden als dem anderen, das geht extrem auf Materialbelastung. Dass sie es können, steht außer Frage, denn das ist mit der Grund für Hubschrauber mit 1+ Triebwerken gewesen: Sicherheit beim Ausfall eines Triebwerkes. Das wiegt mehr als die generell verfügbare Leistung.

 

[Josh]

Nochmals Danke für die Antworten!
Allerdings hab ich immernoch eine Kleinigkeit die ungelöst ist.
Ich versuche mal die Frage anhand eines fahrrads zu erklären.
Vielleicht erkennt Ihr dann meinen Denkfehler und könnt mir helfen.
Also:
Ich stelle mir mein Rad als helikopter vor.
Turbine 1 ist mein linkes Bein, Turbine 2 ist mein rechtes bein.
Die Kraft meiner beiden Beine wir nun über die Kurbel (Gearbox im Heli) auf das Hinterrad (Rotor im Heli) übertragen. Die Kraft beider Beine wird genutzt, wenn beide Ihre Kraft mit gleicher Drehzahl auf die Kurbel übertragen. Wenn ich jetzt aber mein rechtes Bein mit einer geringeren Frequenz anhebe und absenke als des linke, dann wird doch nur die Kraft vom linken Bein genutzt.

Jetzt spannen wir den Bogen wieder zum helicopter:
Wenn jetzt der Pilot am Kollektivhebel die drehzahl von Turbine 1 höher einstellt als von Turbine 2, kommt es dann überhaupt zu einer Kraftübertragung von Turbine 2 auf den Rotor? :?!

MfG!

Josh

 

[mariob]

Hallo,
laß Dir nochmal dasThema Schlupf durch den Kopf gehen, Dein Denkansatz ist der, das Du eine Stellung vom Gas mit einer festen Drehzahl des Motors verbindest. Das trifft aber auch nur theoretisch (beim FADEC wird das anders sein) zu. Wie schon geschrieben, und nun für Deinen Fall Turbine 1 hat durch mehr Gas eine höhere N1, der Gasgenerator produziert mehr Gasmenge, das Drehmoment an der Welle dieses Motors wächst an. Turbine 2 hat eine niedrigere N1, produziert also eine geringere Gasmenge und sofern die damit erreichbare Leerlaufdrehzahl nicht unter der nötigen Antriebsdrehzahl ist, wird ein geringeres Drehmoment abgegeben. Motor 1 hat also lediglich mehr Schlupf als Motor 2.
Nochmal die Profis, wie sieht denn das Verhältnis Rotordrehzahl Idle/Flight aus? Ich könnte mir nur in einem solchen Mißverhältnis vorstellen, das das abgegebene Drehmoment eines Motors gegen 0 geht?

Gruß
Mario

 

[Hirsch]

Ich habe die Zahlen für eine Mi-8 parat.

• Drehzahl Verdichterturbine: 21200 1/min
• Drehzahl Freilaufturbine (hieß bei uns noch "Losturbine" :-) ): 12000 1/min

Beides sind die Drehzahlen für "100%", die in der Praxis aber so i.d.R. nicht gefahren werden (Verdichter so etwa 94...98.5%).
Erstaunlicher Schlupf.

 

[mariob]

Hallo,
nochmal, ich weise darauf hin, das ich von Flugtechnik eigentlich keine Ahnung habe, so mal von meinem technischen Verständnis zu @hirsch: Sofern die Los - und Verdichterturbine strömungstechnisch in jeder Hinsicht identisch sind, ist das scheinbar schon ganz ordentlich. Wie gesagt, ohne Vergleichszahlen zu haben, nur so bekommt man ein Gefühl für die Parameter.
Eigentlich wäre es schön wenn der cool mal was dazu schreibt, der scheint sich zwar mehr in der Starrflüglerecke zu tummeln, aber bei Turbinen hat er mir auch schon Auskunft gegeben. Und Zweiwellenturbinen sind sicherlich zumindest bei Turboprops verbaut oder sind das Einwellenmaschinen?

Gruß
Mario

 

[Gelöschtes Mitglied 7691]

Ein direkter Drehzahlvergleich zwischen N1 und freilaufturbine macht eigentlich überhaupt keinen Sinn, denn die Turbinen arbeiten
-mit unterschiedlichem Druckverhältnis
-mit unterschiedlichem Anfangsdruck und Eintrittstemperatur
-mit grundsätzlich unterschiedlichen Auslegungen (z.B. Reaktionsgrad)

Lediglich der Massenstrom ist annähernd gleich, das wars aber auch.

Das, was hier als "Schlupf" diskutiert wird ist eigentlich eine GRUNDLEGENDE Eigenschaft einer "dynamischen Fluidenergiemaschine", einer Turbokomponente - nämlich die Tatsache, dass im Gegensatz zu einer quasi-statischen maschine (wie einer Kolbenmaschine) eben KEIN zur Drehzahl fest zugeordneter Massenstrom zugeordnet ist, sondern dieser Zusammenhang ganz stark vom Druckverhältnis abhängt.

 

[Josh]

So, jetzt is der Groschen gefallen!

Der Glaube an einen festen und unmittelbaren Bezug von N1 zu N2 hat mich blockiert!

Danke für die geduldigen Erklärungen!

Josh

Bei meiner Suche bin ich auf ein par interessante Links zum Thema Hubschrauber-Antrieebsstrang gestoßen. Ich werde Sie in Anschluss posten.
Falls es deshalb Bedenken in diesem Forum gibt, bitte ich einen Admin die Links wieder zu entfernen!

http://www.flugzeugforum.de/forum/showthread.php?33600-Hubschraubergetriebe

http://www.nva-flieger.de/_tl/index.php/technik/zelle/kraftuebertragung.html#wr8

Hier wird der Umgang mit Turbinenhubschraubern sehr interessant beschrieben:

http://helicopterflight.net/turbine_transition.htm