Hilfe! Profil-Aerodynamik?

[vortex]

Hallo,

Aerodynamiker und Heliflieger mit Erfahrung, bitte bringt doch etwas Licht in das "Dunkel" der Rotorblattprofile.

Blätter für Modellhelis sind ja ein Thema, das schon öfter hier (und wo anders) kontrovers diskutiert wurde...
4-Blatt Rotorkopf ohne elektr. Hilfe?
Mehrblattrotorkopf=Energieersparniss
usw.

Bei letzterem Thema wird sogar eine Getränkesammlung versprochen, wenn eine "schönes S-Schlag-Blatt mit 3° Verwindung" verfügbar gemacht wird...

Aber da ist das eigentliche Problem: WAS IST EIN "SCHÖNES" S-SCHLAGBLATT???
Die so häufig verwendeten - relativ druckpunktstabilen - NACA 0012 bzw. 23012 (und verwandte) werden ja liebevoll als Gruselkabinett bezeichnet...

Sieht man sich bei den Großhubschraubern um - klar, deren (neue) Profile kann man nicht direkt auf das Modell übertragen - dann werden da Hochleistungsprofile z. B. DFVLR DM-H3, DM-H4 ... für EC 135 bzw. Tiger verwendet, die sich in ihrer Kontur nur minimalst unterscheiden, was wiederum eine präziseste Herstellung verlangt, die mit Hobbymitteln und mit unseren Blattgrößen kaum einzuhalten ist.

Also nochmal die Frage kurz und prägnant formuliert: Welche (neuen) Profile eignen sich für Modellrotorblätter?

Damit es kein stochern im Nebel wird, vielleicht ein paar Einschränkungen bei den geforderten Leistungen:
- Kein wilder Kunstflug nötig, eher vorbildgetreues fliegen.
- Vierblattrotor mit Ø 160 bis Ø 200 cm.
- Übliche Eigengewichte und Motorisierung.
Wünsche:
- unempfindlich gegen geringe Fertigungstoleranzen
- Kompromiss zwischen Leistung und Autorotationseigenschaften
- Sofern möglich, annähernd maßstabsgerechte Blatttiefen (1:6 bis 1:8).

Gruß Klaus.

[echo.zulu]

Hallo Klaus.
Ich hoffe mal, dass sich unser Andi (acanthurus) sich dazu melden wird. Soweit ich weiß hat der Hans Glatthorn (Blattschmied) da schon experimentiert. Wenn ich mich richtig erinnere hat er da RG-14 und ähnliche verwendet. Das ist zwar auch nicht mehr das neueste, aber durchaus bewährt bei schnellen Seglern. Dann warten wir mal auf die nächsten Meldungen.

[ER Corvulus]

Ich kann mir vorstellen, dass ein "gutes" Profil für den Flugzeugbau nicht unbedingt auch fürn Heli gut sein muss - in der Fläche (egal ob Manntragend oder Modell-Segler) arbeiten die Profie ja eigentlich immer in einem sehr engen Anströmwinkel-bereich - das ist beim Heli ja nicht mehr gegeben. Da man - auch "Scale" hier mit Anstellwinkeln von -2 bis +10 arbeitet, wird ein Heli-Blatt immer ein Kompromiss sein. Ein Echter Heli hat längst nicht so grosse Arbeitswinkel (hat ja deutlich weniger Pitchbereich) - da lässt sich ein profil sicher weit besser optimieren. Beim Manntragenden zählt ja derweil nur Effizenz, Effizienz und dann noch Geräusch. (ausserdem machen die Ihre Blätter nicht soo oft kaputt, deshalb spielen die Herstellungskosten da keine überragende Rolle )

Grüsse Wolfgang

[vortex]

Hallo,

und ich dachte schon: "Dafür interessiert sich ja eh' niemand..."
Danke für eure Antworten.

...dass ein "gutes" Profil für den Flugzeugbau nicht unbedingt auch fürn Heli gut sein muss...

Da gebe ich dir vollkommen Recht. Aber ich denke (??) weniger wegen dem Anstellbereich, sondern mehr deshalb, weil das Profil ja einigermaßen druckpunktstabil sein soll, um nicht die Lasten auf die Taumelscheibe/Servos zu groß werden zu lassen. Wenn der Druckpunkt bei verschiedenen Anstellwinkeln wandert, dann ist die Auftriebskomponente ja u. U. schon im Schwebezustand ausserhalb der Blattachse. Dann kommt ja im Vorwärtsflug noch die Schwenkkomponente hinzu.??

Ein Echter Heli hat längst nicht so grosse Arbeitswinkel (hat ja deutlich weniger Pitchbereich)

Arbeitswinkel ja, aber bist du dir sicher mit den Anstellwinkeln? Ich kenne die tatsächlichen Anstellwinkel der "Großen" nicht, dachte aber, dass die bei reinem Schwebeflug schon größere Werte (mehr Profilausnutzung) haben? Mal schauen, ob die Literatur dazu was hergibt.


Gruß Klaus.

[ER Corvulus]

Wenn der Druckpunkt bei verschiedenen Anstellwinkeln wandert, dann ist die Auftriebskomponente ja u. U. schon im Schwebezustand ausserhalb der Blattachse

Genau das meinte ich aber. Ein Profil , was in einer Fläche gut funktioniert, hat eben einen sehr begenzten Anströmwinkel, in dem es funktioniert (gute Leistung: niedriger CW-Wert, ordentlichen Auftrieb - im Streckenflug). Wenn bei nem Jumbo im Start mal der druckpunkt bischen wandert, ist das ja nicht schlimm - wozu hat "mann" Klappen - die bügeln das weg bzw verändern das Profil sowie so total.

Mit den echten Anstellwinkeln (Zyklisch & koillektiv) würde mich auch mal interessiern - frag mal .

Dann gibts noch einen "grossen" Haken bei den ganzen Profilen: der Herr reynolds hat da mal was gesschrieben .... und die Luft für unsere Scale-Modelle wird ja (leider ? ) nicht gescalt - weshalb da andere profile funktionieren .. (oder eben nicht ) - Man kann ein "echtes Profil" nicht einfach in einer Fläche auf 1:24 runterrechnen und das dann auch noch mit einem 24stel Geschwindigkeit betreiben ...

Grüsse Wolfgang

[David S.]

Hi,

dann geb ich jetzt auch mal meinen Senf dazu

Das Profil eines manntragenden Rotorblattes kann man leider nicht umrechnen
(was sowieso sehr schwer, bis nicht zu bekommen ist, weil Eurocopter und wie die alle heißen, dass als Betriebsgeheimniss sehen und die Herstellung in dem Maßstabe kaum möglich wäre).

Manntragende Systeme nutzen meines Wissens höhere Anstellwinkel als unsere Modelle. Aber in Grad kann ich das nicht sagen.

Ich würde auch Kästen Bier für solch ein Rotorblatt mit Verwindung springen lassen.
Allerdings fehlt der Bedarf solcher Blätter, sonst gäbe es sie schon oder immer noch.

Hab mich mal mit dem Gedanken befasst, ein effizientes Rotorblatt für den Niedrigdrehzahlbereich selber zu fertigen. Allerdings fehlen mir dazu ein paar unbedeutende Sachen wie z.B. Maschinen, Zeit, .............

Deshalb hab ich das Projekt wieder gestoppt.

Schade eigendlich. Es scheint ja doch mehr Piloten zu Interessieren.


Gruß

[vortex]

Hallo,

danke für euren "Input".

Ein Profil , was in einer Fläche gut funktioniert, hat eben einen sehr begenzten Anströmwinkel, in dem es funktioniert...

Mit Ausnahme vielleicht bei Nurflüglern, nimmt man ja bei den Flächenflugzeugen die "Wanderung" des Druckpunkts in Kauf. Die "echten" trimmen halt bei Bedarf einfach nach, im Modell fällts meist eh' nicht auf, weil man rumturnt...
Was ich mit "druckpunktstabil" meinte, sind Profile, die über die verschiedenen Anstellwinkel immer ihren Druckpunkt bei l/4 haben bzw. das Moment um l/4 (ich glaube es wird Cm0 bezeichnet) immer 0 ist. Das NACA 0012 (symmetrisch) ist so eines und die S-Schlag-Profile sind meist relativ stabil... nur welches???

Man kann ein "echtes Profil" nicht einfach in einer Fläche auf 1:24 runterrechnen...

Ja, genau das meinte ich im ersten Beitrag. Zumal ja nicht "nur" die Geometrie anders ist, sondern auch die Anströmgeschwindigkeiten...

...ein effizientes Rotorblatt für den Niedrigdrehzahlbereich selber zu fertigen...

Das war eigentlich der Auslöser für diesen Thread. Zeit ist auch bei mir ein Problem, aber bis die Neuen aus der Form springen gibt es ja noch die Gekauften....

Dabei ist halt alles irgenwie ein Kompromiss:
Niedrige Drehzahl: wenig Reserven für Autorotation, weniger direktes Flugverhalten (?)...
Hochgezüchtete Blattform: Hohe Anforderung an die Herstellung (Einhaltung der Dicke, scharfe Endleisten,...) - Gibt es überhaupt in unserem Bereich entsprechend leistungsfähige Blattformen???

Aber genau hier bitte ich auch um eure Meinung....

Gruß Klaus.

[echo.zulu]

Moin, ich nochmal.

Was ich mit "druckpunktstabil" meinte, sind Profile, die über die verschiedenen Anstellwinkel immer ihren Druckpunkt bei l/4 haben bzw. das Moment um l/4 (ich glaube es wird Cm0 bezeichnet) immer 0 ist. Das NACA 0012 (symmetrisch) ist so eines und die S-Schlag-Profile sind meist relativ stabil... nur welches???

Einen Nullmomentenbeiwert cm0 von 0 haben eigentlich nur vollsymmetrische Profile. Der Nullmomentenbeiwert gibt an, ob der Druckpunt des Profils wandern kann. Bei einem Wert von Null, wandert dieser nicht und das Profil ist druckpunktstabil. Bei normalen Profilen wandert der Druckpunkt mit steigendem Anstellwinkel nach hinten. Diese haben ein negatives cm0. Deshalb sind diese auf das stabilisierende Moment des Höhenleitwerks angewiesen. Bei den bei Nurflügeln verwendeten Profilen wandert der Druckpunkt entgegengesetzt, weshalb diese ohne Höhenleitwerk auskommen.

Je nach Profil ist der Nullmomentenbeiwert also positiv oder negativ, aber viel wichtiger ist die Größe an sich. Stark gewölbte Profile haben sehr große cm0 Werte und sind deshalb als Rotorblattprofil weniger gut geeignet. Ein Profil mit einem Betrag-mäßig kleinen cm0 ist aber bestimmt als Rotorblattprofil geeignet. Ich denke, dass die Hersteller auch aus Optimierungsgründen keine tragenden Profile mehr fertigen. Schließlich gibt es inzwischen fast so viele Rotorblattlängen wie es Helitypen gibt. Früher war das viel einfacher. Wenn dann auch noch der Anspruch kommt, dass der Eine einen Linksdreher und der Andere einen Rechtsdreher bauen will, dann verdoppelt sich die Zahl noch einmal.

[vortex]

Hallo Egbert,

die S-Schlag-Profile sind doch auch relativ druckpunktstabil (!?). Deshalb wurden sie auch gerne bei Rotorblättern - und bei "Nullproblemnuris" - verwendet...(?)

Ich denke, dass die Hersteller auch aus Optimierungsgründen keine tragenden Profile mehr fertigen.... fast so viele Rotorblattlängen wie es Helitypen gibt. ... Linksdreher und .. Rechtsdreher ....

Da bin ich in allen Punkten deiner Meinung, zumal die mir (persönlich) bekannten Blatthersteller Geld verdienen wollen.... Das geht immer noch am Einfachsten, wenn man ein Produkt für die große Mehrheit baut. Da sind eben die "vollsymmetrischen" FeldWaldWiesenProfile die einfachste Variante...

Für meine Planung möchte ich aber nicht einfach ein Blatt "abkupfern", sondern eben im Vorfeld ein paar theoretische Überlegungen anstellen - wenn möglich, mit eurer Unterstützung - und dann ausprobieren. Wenn das Erste nichts wird, naja, es ist ja ein Hobby....

Gruß Klaus.

[acanthurus]

N´abend
EchoZulu forderte mich per PN auf, hier reinzuschaun, also mach ich das mal.
Ich hab ehrlichgesagt nicht den ganzen Thread gelesen, gelobe aber, das nachzuholen. Wenn ich also bereits bekanntes runterbete, einfach doppelt wirken lassen

Zunächst mal ein wenig zu den Profilen "manntragender" Helis...
Im Gegensatz zu flächenfliegern, bei denen eine Optimierung für die anstehende Flugaufgabe nur 2-3 Einsatzpunkte abdecken muss (Ausreichender Hochauftrieb für Start und Landung, Streckenleistung, Warteflug/Thermikkurbeln etc.) muss ein Hubschrauberrotor eine noch größere Aufgabenvielfalt erschlagen. Da dies sehr schwierig ist, findet man oftmals recht einfache Profile, welche von allem ein bischen können.

Was soll ein Rotorblattprofil können?

-Es soll einen möglichst hohen Maximalauftrieb bringen, damit die erforderliche Rotorblattfläche (Blatttiefe) nicht unnötig groß wird und am rücklaufenden Blatt (wo Drehgeschwindigkeit und Vorwärtsgeschwindigkeit voneinander abgezogen werden müssen, um die tatsächliche Anströmgeschwindigkeit zu errechnen) genug Auftrieb zu liefern

-Es soll bei hohen transsonischen Machzahlen (0.8 bis 0.9) einen möglichst geringen Widerstand aufweisen, damit am vorlaufenden Blatt (umlauf- und FLuggeschwindigkeit addieren sich und sind deshalb nicht mehr soooo weit weg von der Schallgeschwindigkeit) nicht extrem viel Liestung in die Überwindung des Widerstandes gesteckt werden muss

-Es soll bei mittleren Machzahlen (ca. 0.6) gleitzahloptimiert sein, d.h. das Verhlätnis von Auftriebsbeiwert zu Widerstandsbeiwert soll für einen zu bestimmenden typischen mittleren EInstellwinkel möglichst groß werden. Das bringt "sparsame" Leistungsaufnahme im Schwebe- und Reiseflug und ermöglicht bessere Autorotationseigenschaften (der erforderliche Einstellwinkel fürs Autorotieren darf dann größer sein, die Sinkrate somit kleiner)

-Es soll, wie schon oft angesprochen, MOMENTENfrei oder -arm sein. Diese Bedingung erfüllen sowohl symmetrische Profile als auch S-Schlag-Profile. Das ist gleichbedeutend mit einer Forderung nach druckpunktfestem Profil. Diese Forderung dient dazu, die Steuerstangenkräfte zwischen Rotor und Taumelscheibe zu minimieren und die Leistungsanforderungen an Bizeps/Systemhydraulik klein zu halten.

-Es soll in der instationären cm/ca-Hysteresekurve einen Umlaufsinn im Urzeigersinn haben. Was heißt jetzt das schon wieder? Etwas aufwendiger zu erklären, aber es ist ein zeitabhängiger Zusammenhang zwischen AUftriebsbeiwert und Momentenbeiwert während Anstellwinkeländerungen. das ist notwendig, damit das Blatt rotordynamisch stabil ist und nicht anfängt zu flattern.

-Es soll kein allzu giftiges Überziehverhalten haben, damit beim Erreichen der Auftriebsgrenzen keine unangenehmen Phasenänderungen der Ansteuerung auftreten (d.h. keine "schräge" Reaktion auf zyklische Steuereingaben

-Es soll einigermaßen tolerant gegen Fehlanströmungen (Schräganströmung, turbulente Anströmungen) sein, da es ständig in ziemlich aufgewühlter Strömung arbeitet

-Es soll tolerant gegen sog. stoßinduzierte Ablösung sein - das hat wieder was mit der schallnahen Strömung zu tun, Details gehen hier zu weit.

Die Grundoptimierung eines Rotorblattprofils (bei den Großen) orientiert sich zunächst am Anfang mal an zwei Parametern:
-dem Minimalwiderstand im Transsonikbereich
-dem Maximalauftrieb bei kleinen Machzahlen (wühl kram irgendwo hab ich ein Diagramm dazu... na ja, später vielleicht)
Hat man das dann gefunden, so wird man sich um Momentenbeiwert und Stabilität kümmern müssen

Beim MODELLheli entfallen die Optimierungskriterien der Transsonik komplett, da die Systemdrehzahlen bzw. die Blattspitzengeschwindigkeiten weitaus geringer ausfallen (typisch Mach 0.3 statt 0.6 beim "großen" Heli).
Die Transsonik bot aber in den vergangenen Jahrzehnten das größte Optimierungspotential, und daran wurde intensiv geforscht. Daraus folgt unmittelbar, dass die moderneren "manntragenden" Rotorprofile (Onera-Aerospatiale, DFVLR, Boeing Vertol) NICHT für Modellhubschrauber optimiert sein können. Da sie auch für ein völlig anderes Reynoldszahlen-Regime konzipiert sind, sind diese Profile prinzipiell ungeeignet (Ausnahmen bestätigen die Regel) für unsere Modelle.

Auch die Sache mit dem Maximalauftrieb ist für Modellhelis nicht so dringlich, da die Blätter generell eher schwach belastet sind (d.h. man hat das pendant zu einer geringen Flächenbelastung - bis zu 10x geringer als beim "richtigen" Heli)

Bleiben also im gigantischen Kompromiss vornehmlich díe Optimierungskriterien "Gleitzahloptimierung" und "Momentenfreiheit" übrig.
Wir suchen also ein schönes Laminarprofil mit wenig bis gar keinem cm0.
Da etwas Profilwölbung das optimale ca/cw positiv beeinflusst, werden wir da nicht unbedingt in der Kiste der symmetrischen Profile fündig - bleiben also die S-Schlagprofile oder "beinahe-Momentenfreie" Profile (etwas cm0 ist erlaubt, bei den heutigen Servos sowieso), wie sie für Pfeil-Nurflügler Verwendung finden.
Leiderleider sind Leistungsprofile nicht sehr tolerant gegen Bauungenauigkeiten...
Jetzt kommt bestimmt die Frage nach einem Beispiel, aber da muss ich (ohne weitere Parameterrecherche) pauschal passen. Ein TL54 vielleicht?

So, das solls fürs Erste mal gewesen sein.

gruß

Andi

[echo.zulu]

Hallo Andi.
Danke für Deine gewohnt gute und umfangreiche Darstellung der Zusammenhänge. Wie man sieht, gibt es eine ganze Menge Dinge zu beachten, aber vieles kann im Modellmaßstab auch wieder vernachlässigt werden. Für mich ist die Erkenntnis wichtig, dass man um gute Resultate mit aktuellen Profilen erzielen zu können, entsprechend genaue Formen fertigen muss. Da bleibt m.E. eigentlich nur das Fräsen der Formen mit einer CNC-Maschine. Von Hand dürfte die erforderliche Genauigkeit kaum machbar sein.

Ebenfalls interessant wäre für mich noch eine günstige Blattform und Ausbildung der Blattspitze:
Sollte die Profildicke zur Spitze abnehmen?
Sollten Rotorblätter geschränkt sein?
Wenn ja, dann besser aerodynamisch oder geometrisch?
Rechteckiger oder Trapezförmiger Grundriss?
Blattspitze eckig, zugespitzt oder abgerundet?

[vortex]

Hallo Andi,

danke für deine Erklärungen!

Es soll einigermaßen tolerant gegen Fehlanströmungen (Schräganströmung, turbulente Anströmungen) sein, da es ständig in ziemlich aufgewühlter Strömung arbeitet

Da ist es dann wohl ein frommer Wunsch, dass beim Laminarprofil die Strömung wirklich laminar anliegt?
Ist das Problem eigentlich beim Modellheli noch größer? Die Wirbelbereiche dürften doch im Verhältnis zum Rotorkreis größer ausfallen, oder?

...etwas cm0 ist erlaubt, bei den heutigen Servos sowieso...

Wie sieht es da eigentlich bei den "Großen" aus? Durch die Schwenkbewegung wandert doch auch der Auftriebsmittelpunkt irgendwo um die Rotorachse... wie groß werden denn da die Kräfte, die auf die Taumelscheibe wirken?

Ein TL54 vielleicht?

Das sieht ja gar nicht aus wie ein S-Schlag... Bin schon am Sichten der Profilwerte...

....günstige Blattform und Ausbildung der Blattspitze

Ja, das wäre wirklich auch interessant. Ich vermute mal, dass auch hier die verjüngenden Formen, wie sie z. B. beim Tiger ausgeführt sind, eher kritisch sind, weil man da mit den kleinen Blatttiefen in noch ungünstigere Re-Bereichen vorstößt...?

Ich hätte da noch eine Off-Topic-Frage zu den großen Helis: Rein aufgrund der Profilform (z. B. Bo 105) und der Leistung müßte doch Rückenflug möglich sein. Schafft die Bo 105 einen stationären Rückflug - ohne sich die Blätter in Heckausleger zu rammen oder ähnlichem? Ich meine damit nicht die Rückenflugfiguren, die meist mit entsprechender Fliehkraft geflogen werden.

Gruß Klaus.

[ER Corvulus]

Soweit ich weiss, sind negative Pitchwerte in der Manntragenden Helifliegerei nicht vorhanden/möglich/üblich.

Grüsse Wolfgang

[echo.zulu]

Genau, auch bei der Bo-105 wie bei vielen anderen modernen Helis gibt es keine negativen Pitchwerte. Selbst die Autorotaion wird mit positiven Werten geflogen.

[chrisk83]

Hallo,

die Problematik liegt weniger bei den Pitchwerten, sowas wäre mechanisch durchaus machbar, wenn auch nicht üblich.
Das größere Problem sind Kerosin und Ölversurgung in Rückenlage.
Da die Helicopter zu 99,999% in Normallage geflogen werden, besteht auch kein Antrieb, eine teure Lösung für dieses Problem zu entwickeln, was dann die Maschinen unnötig teuer macht, obwohl es niemand wirklich braucht.

Ciao
Chris