Welche Grundrissform hat den aerodynamisch besten Wirkungsgrad? Beim Helikopter ist es immer die rechteckige Form, beim Windrad die trapezförmige, beim Propeller die elliptische. Ist nur die strukturelle Festigkeit entscheidend für die Form?
Hi!
Du fragst nach der Grundrissform.
Entscheidend ist nach meinem Wissen eher die Wirbelstärkeverteilung. Die kann man auf vielfältige Art und Weise erzeugen, nicht nur durch den Grundriss, sondern auch durch An- und Einstellwinkel, sowie Profilform und Sehnenlänge (letztere ist wohl das, was Du mit ,Grundrissform’ meinst)
Beispiel: Die ideale Auftriebsverteilung (im inkompressiblen Bereich) eines Flugzeugflügels ist elliptisch. (Das ließ sich vor der Compunterzeit durch Reihenentwicklung auch sehr elegant rechnerisch zeigen)
Natürlich kannst Du diese Auftriebsverteilung durch einen elliptischen Flügel erzeugen (wie z.B. die Spitfire) Du kannst aber auch einen Rechteckigen Flügel nehmen, und den in sich so tordieren (=Einstellwinkel)
daß für einen bestimmten Anstellwinkel auch eine elliptische Auftriebsverteilung erreicht wird.
Der Vorteil eines solchen Flügels ist gleich noch, daß bei Anstellwinkelerhöhung die Strömung nicht am ganzen Flügel gleichzeitig abreißt.
Weiter spielen natürlich auch konstruktive Randbedingungen eine wichtige Rolle. (So mußte Ernst Heinkel regelmäßig auf seinen elliptischen Wunschflügel verzichten, da der zu schwierig zu fertigen war…)
Ich bezweifle daher, daß beim Helikopter ,immer die rechteckige Form die optimale ist, beim Windrad die trapezförmige, beim Propeller die elliptische.
Das hängt sicher ganz entscheidend auch von den Fertigungsmöglichkeiten und natürlich auch von dem Anwendungsspektrum ab.
Tut mir leid, sicher keine befriedigende Antwort…
Hallo kaengo
Es ist immerhin die kompetenteste Antwort, die ich bisher erhalten habe. Ich bin natürlich auch der Meinung, dass einfache Formen weit entfernt sind von einem Optimum. Fortschrittlicher sind beispielsweise sichelförmige Blätter bei Propellern. Auffällig sind auch kompliziertere Formen bei Fan-Triebwerken. Mich würde der Effizienzgewinn gegenüber alten Formen Wunder nehmen. Ich suche Untersuchungsberichte.
Die Sichelform hängt auf jeden Fall damit zusammen,
daß die Kompressibilität der Luft berücksichtigt werden muß ab Mach 0,3. Insbesondere ist zu verhindern, daß lokal Verdichtungsstöße auftreten, welche dann zur Strömungsablösung führen. Die Sichelform entspricht dabei dem gepfeilten Flügel: Nur die Komponente normal zur Profillinie wirkt … (Falls das ein Profi liest: ja, ich weis, daß ich nicht ganz so ist…)
Naja, die Untersuchungsberichte gibt’s natürlich, aber sicher nicht im Netz, sondern nur gegen Bezahlung…;-(
Ansonsten gibts für die Grundlagen natürlich noch die klassischen Lehrbücher, aber schon deren Inhalt ist Gegenstand des Hauptstudiums…
Auch bei Schiffspropellern scheint sich die Sichelform durchzusetzen. Ich vermute, um den äusseren grossen Ablösungswirbel zu minimieren. Die Form des äusseren Blattendes dürfte noch Entwicklungspotential besitzen. Bei Experimenten mit Helikopterblättern hab ich schon ganz exotische Formen gesehen.
Gibt es nicht wenigstens für ältere Untersuchungen an Propellern mit verschiedenen Aussenformen zugängliche Internetadressen?
Ja, Du hast Recht, habe ich auch schon im Dock gesehen. Muß allerdings passen. Selbst U-Boote habe die Sichel-Propeller.
Ich glaube es gibt von 1930 so ein Buch namens ,Propeller-Theorie’ von Glauert.(Ich habe das nicht geprüft)
Also Du kannst allenfalls irgendwelche Skripte von Aerodynamik-Vorlesungen auftreiben, google mal nach ,Glauert’ oder ,Propeller-Theorie’.
Aber Du solltest dann schon ,Höhere Mathematik 1-3’ intus haben, fürche ich…;-(
Habe gerade mit einem Freund das Problem beschnackt.
Im Wasser verringert die Sichelform offenbar das Erreichen des Kavitationsdrucks
Der mögliche Wirkungsgrad wird für jeden aufgeführten Zweck ermittelt und als Kompromiß mit Festigkeit,Elastizität, Platzbedarf und Kosten realisiert.
Welche Grundrissform hat den aerodynamisch besten
Wirkungsgrad? Beim Helikopter ist es immer die rechteckige
Form, beim Windrad die trapezförmige, beim Propeller die
elliptische. Ist nur die strukturelle Festigkeit entscheidend
für die Form?
Hallo, tut mir leid, kann da nicht weiterhelfen. Viele Grüße.
Form follows function. Ich bin auf dem Gebiet kein Experte! Aber so weit ich es sehe lassen sich die Formen alle durch das Einsatzgebiet erklären.
Auf das heli-rotorblatt wirkt das größte biegemoment (wegen der rechteckigen Form), der meißte Auftrieb entsteht außen (großer radius, hohe Winkelgeschwindigkeit) und die dinger biegen sich stark durch.
Das Windrad steht im wind und wird davon angetrieben, die Winkelgeschwindigkeit ist winzig macht man hier die Blätter rechteckig muss man bei gleicher Oberfläche den durchmesser verringern! Die Angriffsfläche die der ganze Rotor abdeckt wäre also deutlich kleiner!
Die Trägheit wäre größer weil die Masse nach außen wandert.
Die Angriffsfläche ist beim Propeller und beim Heli-Rotor eine Wirkungsfläche und die soll hier nicht groß, sondern so klein wie möglich sein. Das Windrad soll nunmal genau das Gegenteil tun von dem was die anderen Beiden machen.
Das gilt vor Allem für den Propeller, der von Allen die höchste Drehzahl macht. Wenn der rechteckig ist geht die Kraft nicht mehr schön nach hinten (kann man sich als Rotationsparaboloid vorstellen), sondern mehr nach außen (paraboloid wird breiter).
Der Wirkungsgrad hängt also von Größe und Art der auftretenden Kräfte und der Drehzahl (Winkelgeschwindigkeit) ab. Alle diese Teile werden für einen bestimmten Drehzahlbereich ausgelegt, in dem der Wirkungsgrad dann eben maximal ist.
Bemerkung:Rrechtschreibung leidet, da ich mit dem iPad in der Badewanne sitze 
Da kommen viele Einflüsse zur Geltung. Optimiert man eine Forderung, verschlechtern sich andere. Es gilt also einen ausgewogenen Mittelweg für alle Anforderungen für die jeweilige Aufgabe zufinden.
Die aerodynamisch optimale Form hängt von vielen Kriterien ab. Vor allem der Variation von Zuströmung (Mach-Zahl und Zuströmwinkel) und gewünschtem Auftrieb über dem Radius. Bei einem Hubschrauberrotor variiert die Zuströmung zudem noch sehr stark im Laufe einer Umdrehung. In der Regel wird die Profilierung über dem Radius dahingehend angepasst. Um die induzierten Verluste möglichst gering zu halten, wird die Belastung zu den Rotorspitzen hin reduziert mit entsprechend kürzeren Sehnen.
Daneben spielen auch strukturmechnische Gründe, ggf. auch fertigungstechnische Anforderungen eine Rolle.
Grundsätzlich haben Propeller und Windräder ähnliche Verteilungen der Sehnenlänge über dem Radius mit längeren Sehnen an der Nabe und kürzeren Sehnen an der Spitze. Dies ergibt sich aus der Forderung, dass innen (Nabe) mehr Umlenkung als aussen (Spitze) erforderlich ist. Die Strukturmechanik fordert zur Nabe hin zunehmende Profildicke, weniger bestimmte Verteilungen der Sehnenlänge.
Welche Grundrissform hat den aerodynamisch besten
Wirkungsgrad? Beim Helikopter ist es immer die rechteckige
Form, beim Windrad die trapezförmige, beim Propeller die elliptische. Ist nur die strukturelle Festigkeit entscheidend für die Form?
Hi,
Das Profil aller Flügel ist abzuleiten vom normalem Tragflügel Profil. Zu unterscheiden in ein oberes und ein unteres Profil. Der Trageffeckt entsteht durch die verschiedenen Längen der Profile. Die Wölbung des oberen Profils ist abhängig von der Geschwindigkeit mit der die Luft über dieses Profil streift.
Da der Flügel 3 dimensional ist gibt es mehrere Blickrichtungen die beschriebene ist nur eine Möglichkeit Gruss Michael
Mit Sicherheit spielen hier die Abmessungen, Rotationsgeschwindigkeit und weitere Faktoren eine Rolle.
Einen Helikopterrotor sollte man nicht 1:1 mit einem Windrad, oder Propeller vergleichen.
Die „optimale“ Form wird vom Einsatzzweck bestimmt.