Umdrehungsgeschwindigkeit von Rotorblättern

Diskutiere Umdrehungsgeschwindigkeit von Rotorblättern im Hubschrauberforum Forum im Bereich Luftfahrzeuge; Ich habe mal eine Frage an alle Hubschrauberversierten. Es geht um die Umdrehungsgeschwindigkeit von Rotorblättern. Mich würde interessieren wie...

Moderatoren: gothic75
  1. #1 Nibbler91, 13.02.2010
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    Ich habe mal eine Frage an alle Hubschrauberversierten.
    Es geht um die Umdrehungsgeschwindigkeit von Rotorblättern. Mich würde interessieren wie hoch die so ist. Mir ist klar, dass das von Hubschrauber zu Hubschrauber unterschiedlich ist, aber ich würde mich über Beispiele freuen.
    Kurze Erklärung, warum ich nach diesen Daten suche:
    Ich habe mir überlegt, woran es liegen könnte, dass Hubschrauber von der Fluggeschwindigkeit her so stark begrenzt sind (Weltrekordhalter ist ja der Westland LYNX mit knapp über 400 km/h, wenn ich das richtig sehe). In einer Doku auf N24 habe ich gehört, dass es daran liegt, dass die Rotorblätter irgendwann in den Bereich der Schallgeschwindigkeit kommen und dann "zerbrechen".
    Ich gebe nicht viel auf die Dokus, die so im Fernsehen laufen und kann das nicht so ganz glauben. Ich habe auch mal gehört, dass sich die Rotorblätter der CH-53 bei einer Geschwindigkeit im Reiseflug von 240 km/h mit einer Geschwindigkeit von 240 m/s relativ zum Hubschrauber drehen und bin nach kurzem Rechnen auf eine Strömungsgeschwindigkeit von 1104 km/h beim vorwärtsdrehenden Blatt gekommen (k.A. ob das jetzt richtige Angaben sind). Das es Verdichtungsstöße in diesen Geschwindigkeitsbereichen geben kann ist klar, aber dass die Rotorblätter zerbrechen.......naja, ich weiss nicht.
    Ich dachte eigentlich, dass ab bestimmten Fluggeschwindigkeiten die Strömungsgeschwindigkeit des "rücklaufenden" Rotorblattes so langsam wird, dass die Strömung nicht mehr ausreicht um einen relativ gleichmässigen Auftrieb zu erzeugen.
    Mein Fluglehrer, sagt da ähnliches, fliegt aber keinen Hubschrauber, sondern unterrichtet "nur" die Theorie in dem Bereich.
    Die Beispiele von Umdrehungsgeschwindigkeiten, die ich suche sind für mich dafür da, um meine Theorie ein wenig zu untermauern. Ein Kumpel, mit dem ich zusammen diese Doku gesehen habe, behauptet standfest, dass N24 (*Ironie an* - dies wissen ja schliesslich alles - *Ironie aus*) vollkommen recht hat.
    Oder liege ich hier völlig falsch und das, was in der Doku gesagt wurde stimmt sogar??? (damit will ich natürlich nicht die ganzen Dokus im Fernsehen schlecht reden)
    Ich würd mich über Antworten freuen,

    Gruss, Nibbler
     
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  3. #2 Acanthurus, 13.02.2010
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    Hi..

    das "zerbrechen" wird sich auf Instabilitätseffekte beziehen, die aus der Druckpunktwanderung (vereinfacht liegt der Druckpunkt grob bei 1/4 Profiltiefe im unterschall und bei 1/2 Profiltiefe im reinen Überschall) resultieren. Die Blatt-Torsionslasten durch diesen ständingen Wechsel wären zu viel für ein Rotorblatt und die Hydraulikanlage zur Steuerung. Natürlich könnte man die Rotorblätter extra dafür auslegen, aber der Leistungsbedarf und Lärmanstieg ist DERMASSEN immens, wenn die Blattspitzenmachzahl über die üblichen 0.6-0.66 erhöht wird, dass das einfach zu aufwendig wäre.

    gruß
    a.p.
     
  4. #3 Nibbler91, 13.02.2010
    Nibbler91

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    Oh...das ging schnell. Danke für die Antwort.
    Aber wenn ich bei einer Aussentemperatur von z.b. -10°C im Winter und niedriger Flughöhen eine Rotorgeschwindigkeit von 240 m/s (hab leider kein anderes Beispiel) nehme komme ich doch, wenn ich die Fluggeschwindigkeit mit aufrechne beim vorlaufenden Blatt auf etwa Mach 0,94.
    Jetzt müsste doch eigentlich an der Oberseite des Profils eine deutlich höhere Strömungsgeschwindigkeit vorhanden sein. Ich liege dann doch mindestens im Bereich der kritischen Machzahl, oder?
    Ist denn das überhaupt richtig, dass ich die Fluggeschwindigkeit beim vorlaufenden Rotorblatt addieren und beim rücklaufenden Blatt abziehen muss, oder beziehen sich diese Umdrehungsgeschwindigkeiten IMMER auf das vorlaufenden Blatt bei einer bestimmten Fluggeschwindigkeit?
     
  5. arneh

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    Es gibt wohl beide Effekte.
    Der von Dir genannte dürfte der Grund dafür sein, weshalb bei einigen Mustern Vne abhängig vom aktuellen Gewicht ist. (Beispiel EC155). Wenn Du Dir die Vne Kurven ansiehst wirst Du feststellen, dass es da für bestimmte Massen unterschiedliche Kurven gibt.
    Ebenso dürfte dies auch einer der Gründe sein, weshalb bei solchen Rekordversuchen die Flugmasse auf das absolute Minimum reduziert wird.

    Im Zweifelsfall hängt es aber von dem einzelnen Muster ab, ob man näher an die Schallgeschwidigkeit oder den Stall gegangen ist.
     
  6. #5 Nibbler91, 13.02.2010
    Nibbler91

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    OK, danke.
    Also kann ich das so verstehen, dass es auch Hubschrauber gibt, bei denen die Vne durch die Vs des rücklaufenden Rotorblattes bestimmt wird, die aber trotzdem in der Lage sind mit dem Rotorblatt die Schallmauer zu durchbrechen?
    Dass sich die Aerodynamik bei Geschwindigkeiten > Mach 1 ändert ist klar und dass das auch zu Schwierigkeiten bei der Steuerung des Hubschraubers führt auch. Ich denke nur halt, dass man bereits in den 60er Jahren in der lage war mit Mach 6 zu fliegen und dann doch eigentlich in der Lage sein sollte heute auch Rotorblätter zu bauen, die nicht durch Verdichtungsstöße beschädigt oder gar zerstört werden und den Hubschrauber "runterfallen" lassen.
    Ich lerne Flächenflugzeuge zu fliegen, wenn die Fragen, die ich hier in Bezug auf Hubschrauber stelle also etwas naiv klingen, dann seht es mir bitte nach ;)
    Gruss, Nibbler
     
  7. #6 onkelthorsten, 13.02.2010
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    in der Lage sein sollte heute auch Rotorblätter zu bauen, die nicht durch Verdichtungsstöße beschädigt oder gar zerstört werden und den Hubschrauber "runterfallen" lassen.



    Die frage stellt sich nicht.
    Der Leistungsbadarf aufgrund des Luftwiderstandes steht absolut nicht im Verhältnis zum Nutzen.

    Das wäre ungefähr so als würde man mit einem Space Shuttle ne Currywurst zur ISS befördern- na gut nicht ganz aber ähnlich:rolleyes:
     
  8. #7 Hirsch, 13.02.2010
    Zuletzt bearbeitet: 13.02.2010
    Hirsch

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    Beim Problem der maximalen Geschwindigkeiten von Hubschraubern sind die Umfangsgeschwindigkeiten der Rotorblätter nur die eine Seite der Medaille, wenn auch gut logische nachvollziehbar und einfach berechenbar.
    In der Standschwebe bei Windstille (also ohne Vorwärtsgeschwindigkeit) hat das Blattende bei der CH-53 eine Geschwindigkeit von ca.241m/s, bei der Bo-105 von 206m/s. Im Grunde pegeln sich dort alle Hubschrauber ein; die Typen mit kleineren Rotordurchmessern haben eine etwas höhere Umdrehungszahl, größere Rotordurchmesser werden langsamer gedreht (bei der Mi-6 kann man fast mitzählen... :red:). Von 240m/s ausgehend hat man ~90m/s "Platz" bis zur "richtigen" Schallgeschwindigkeit, was einer Vorwärtsgeschwindigkeit von ca.324 km/h entspricht - bei dieser Geschwindigkeit ist also das Blattende des vorlaufenden Blattes tatsächlich vollkommen im Schallbereich. Soweit kommen allerdings nur wenige Maschinen!
    Praktisch stellen sich Probleme bereits weit vor dem Erreichen dieser Geschwindigkeit ein. Infolge der Profilumströmung und des Verhaltens der Luft an diesem werden kritische Machzahlen weit vorher erreicht. Pauschalieren kann man das kaum, aber bei 0.6...0.7 M kann schon teilweise die Annäherung an die örtliche Schallgeschwindigkeit an einzelnen Abschnitten erreicht werden. Das geht zuerst einher mit einem großen Widerstandsanstieg; am Ende wird eine Menge Leistung verzehrt, um diesen Widerstand zu überwinden, ohne jedoch nennenswert mehr Geschwindigkeit erreichen zu können (es bleibt eben keine Schubkraft mehr für die weitere Beschleunigung übrig). Insofern ist bei diesen Grenzen praktisch Schluss, da der Aufwand nicht im richtigen Verhältnis zum Ergebnis steht.
    Nun noch die andere Seite (der Medaille): höhere Geschwindigkeiten bringen eine erhebliche Auftriebsdiskrepanz zwischen der linken und rechten Rotorkreisflächenhälfte mit sich. Auf der rücklaufenden Seite fällt der Auftrieb zunehmend weg, auf der vorlaufenden steigt er zwar bis zu einem bestimmten Punkt, bricht dann jedoch wegen zunehmend größer werdender Bereiche (über)kritisch laufender Blätter auch ein. Der Hubschrauber wird sich zunehmend in Richtung des rücklaufenden Blattes neigen, und das lässt sich in hohen Geschwindigkeitsbereichen auch nicht mehr kompensieren. Da der Auftrieb (als der Teil, der die Maschine ohne Sinken fliegen lässt) dann beginnt kleiner zu werden, kann die Höhe auch nicht mehr gehalten werden; also kommt möglicherweise so etwas wie Sturzflug.
    Die praktischen Begrenzungen der Geschwindigkeit kommen also eher aus diesen aerodynamischen Grenzen als aus der Bruchfestigkeit der Blätter. Die halten das ziemlich sicher aus, auch wenn die Schlag- und Schwenkkräfte immer größer werden infolge des starken Kräftewechsels zwischen vor- und rücklaufender Seite. Abgesehen davon besteht die größte Belastung des Blattes noch immer in der Zentrifugalkraft, die um eine Größenordnung höher ist als Auftriebskräfte.

    So richtig könnte uns das sicherlich @Acanthurus untersetzen.

    Edit: Das Verhalten bezieht sich erst einmal auf Hubschrauber mi Haupt- und Heckrotor ("einrotorige Hubschrauber"). Bei mehrrotorigen Hubschraubern (CH-47 oder Jak-24P :cool:, Kaman / Flettner, Kamow, ) greifen zwar die gleichen Gesetzmäßigkeiten, das Gesamtverhalten des Hubschraubers wird aber anders. Da diese zwei gegenläufige Rotoren haben, gleichen sich die Asymmetrien der beiden Tragschrauben aus, die Maschine neigt sich nicht. Der Auftriebsverlust und Widerstandsanstieg mit zunehmender Geschwindigkeit aber bleibt.
     
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    Hallo

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  10. #8 Acanthurus, 13.02.2010
    Zuletzt bearbeitet: 13.02.2010
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    Man nennt dieses Problem üblicherweise "Entwurfsschere"... einfach nochmal in anderen Worten das, was hier im thread schon steht.
    Die beiden entscheidenden Parameter sind
    a) die Blattspitzen-Machzahl (im Schwebeflug)
    b) der Fortschrittsgrad, das ist das Verhältnis

    Die Problematik der transsonischen Strömung bei Annäherung an die Schallgeschwindigkeit begrenzt die Maximalgeschwindigkeit, die die Blattspitze erreichen darf. Da diese Maximalgeschwindigkeit sich wie schon erwähnt aus Umfangsgeschwindigkeit und Vorwärtsgeschwindigkeit zusammensetzt, ist ENTWEDER die Vorwärtsgeschwindigkeit ODER die Umfangsgeschwindigkeit begrenzt. Die Vorwärtsgeschwindigkeit hätten wir gerne möglichst hoch.
    Leider können wir die Umfangsgeschwindigkeit nicht beliebig weit senken (das ist gleichbedeutend mit einer Erhöhung des Fortschrittsgrades), denn dann bekommen wir Probleme auf der rücklaufenden Seite. Einfach gesprochen, wenn wir einen Fortschrittsgrad von 0.3 haben, dann sind die inneren 30% des rücklaufenden Rotorblattes bereits RÜCKWÄRTS angeströmt und tragen nichts zum Auftrieb bei.
    Es muss also am rücklaufenden Blatt ein deutlich höherer Einstellwinkel gesteuert werden als am vorlaufenden, um die Trimmung des Hubschraubers neutral zu halten. Im Gegensatz zur ersten Intuition (und dem, was auch Thomas andeutet) ist das aber nicht die ROLLtrimmung sondern die NICKtrimmung. Wenn der Auftrieb an der rücklaufenden Seite einbricht, dann ist die Reaktion der Rotorkreisscheibe kein Kippen auf die rücklaufende Seite, sondern mehrheitlich ein AUFNICKEN nach hinten, da die Schlagreaktion typischerweise 70-90° (je nach Rotorsystem) NACH der Luftkraftursache folgt.
    Der Heli bäumt also ggf. auf, so dass die Fahrt schlichtweg nicht mehr erhöht werden kann.
    Die Seitwärtsneigung, die Thomas anspricht, kommt "nur" aus Sekundäreffekten.. z.B. wenn die Schlagphase nicht 90° beträgt sondern kleiner ist, wie das bei gelenklosen und lagerlosen Rotoren der Fall ist, sowie dem Auftreten einer deutlichen Hysterese im ca-Alpha-Verlauf (Auftriebsbeiwert über Anstellwinkel), dem "Dynamic Stall". Da man aber steuerungstechnisch mit der Nicktrimmung weniger zimperlich umgeht als mit der Rolltrimmung (Stick-Mitte im Reiseflug und Stick-Mitte im Schwebeflug ist für Nick stark unterschiedlich, für Roll aber fast gleich) fällt das plötzliche Auftreten einer Rollbewegung dem Piloten subjektiv stärker auf als die Tatsache, dass er den Knüppel schon sehr weit vorne hat.

    Jetzt kommt noch erschwerend hinzu, dass bei viel Fahrt auch viel SCHUB erforderlich ist, und der kommt bekanntermaßen aus der Vorwärtsneigung der Rotorkreisscheibe. Diese Vorwärtsneigung bedingt, dass die Vorwärtsfahrt aus Sicht der Rotorkreisscheibe eine Abwärtskomponente verursacht, die durch zusätzlichen Einstellwinkel ausgeglichen werden muss... irgendwann kommt man dann an den maximal-pitch, man kann Schub, Auftrieb und Trimm nicht mehr herstellen.
    In der Praxis geht dem Antrieb triebwerksseitig oder getriebeseitig bereits vorher die Puste aus, man kommt (mit Rotor allein als Antrieb) nicht ganz in diese Regionen - was auch nicht im Sinne einer ausgewogenen Gesamtauslegung wäre.
    Anders sieht das im Bahnneigungsflug oder bei Einsatz eines zusätzlichen Schuberzeugers aus - da ist es durchaus denkbar, die rotordynamischen und aerodynamischen Fix-Grenzen zu erreichen (siehe z.B. Bo-105 HGH-Programm).
    Jetzt kommt die Sache mit Blattfestigkeiten ins Spiel, sowie die Probleme mit den Systemen. Wechsellasten wirken auf Steuerstangen, Taumelscheibe, und Hydraulikanlage (Thema "Jack Stall" bei den Eichkatern und der Dauphin).
    Wenn man zusätzliche Schuberzeuger, Stummelflügel etc. hat muss man sich detaillierter mit dem Thema Mastmoment auseinandersetzen usw... es wird SCHWIERIG.

    Es ist, aus Profilaerodynamik-Sicht, also ein Kampf mit transsonischem Widerstandsanstieg UND Hochauftriebseigenschaft gleichzeitig.
    Aus Sicht der reinen Aerodynamik hat man heutzutage mehr "Handwerkszeug" zur Verfügung, um die Transsonik zu verbessern als den Hochauftrieb - aus dem einfachen Grund, dass eine Verbesserung der Hochauftriebseigenschaften meist verheerenden Einfluß auf die Transsonikeigenschaften hat, aber nicht unbedingt umgekehrt.
    was ich an Hochauftrieb verbessere verliere ich also doppelt und dreifach bei der Transsonik, aber es mag möglich sein, die untere kritische Machzahl ein wenig hochzufriemeln, ohne signifikant ca_max zu verlieren. Alles in Allem hat die Entwicklung da aber ein recht hohes Niveau erreicht, und in Anbetracht des riesigen Kompromissgebildes, den ein Rotorprofil darstellt, ist da nicht mehr mit großartigen Quantensprüngen zu rechnen.

    Die Entwurfszwickmühle des Rotors ist damit abgesteckt, und die Problematik ist auf konventionellem Wege nicht grundsätzlich zu durchbrechen - das ist dann auch der Grund über die diversen "ungewöhnlichen" Konfigurationen die in regelmäßigen Abständen hochkommen und fast immer wieder in der Versenkung verschwinden (Compound-Helicopter, Tiltrotor, Tiltwing, Fortschrittsgrad>1-Konzepte uvm.)

    Die eigentliche Frage lautet nicht, wie schnell bekomme ich einen Hubschrauber, sondern WANN brauche ich WIRKLICH einen Hubschrauber, und wann tut´s auch ein Flächenflieger, der mit der gleichen Leistungsdichte problemlos doppelt so schnell fliegen kann und 4x so weit kommt.
    Klingt zwar wie eine Bankrotterklärung aus dem Engineering-Department, ist aber so.
    gruß
    a.p.
     
  11. #9 Nibbler91, 18.02.2010
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    Ok.....das war viel Input!!! Ich bin begeistert und gleichzeitig beeindruckt. Vielen Dank für eure so ausführlichen Antworten:TOP:.
    Gruss, Nibbler
     
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Thema: Umdrehungsgeschwindigkeit von Rotorblättern
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