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Sonntag, 19. April 2020, 18:23

Denkfehler Funktionsweise Rotorkopf

Hi Leute,

nach ca. 10 Jahren Pause hab ich den aktuellen Lockdown genutzt und meinen Vision 450 von Ikarus wieder fit gemacht. Bei näherer Betrachtung dessen Rotorkopfes und einigen Überlegungen bezüglich FBL umbau, bin ich verwirrter als zuvor. Ihr könnt mir das sicher helfen:

Meine Überlegungen zur grundsätzlichen Funktion sind folgendes:

Soll der Heli nach vorne nicken sollte doch die Rotorblätter vorne den größten negativen und hinten den größten positiven Anstellwinkel haben. Die Paddelstange und somit auch die Paddeleben bewegt sich ja auch nach vorne bzw. nach hinten.

Beobachtet man aber die Anstellwinkel der Paddel oder der Rotorblätter scheint alles irgendwie um 90 grad versetzt zu sein. Beim Nicken ist links und rechts der größte Anstellwinkelunterschied und beim rollen vorne und hinten. Aber irgendwie fliegt er ja doch in die richtige Richtung. Wo ist mein Denkfehler?

Ich bin mir sicher jemand von euch weiß das.

Gruß,
Berni4

BOcnc

RCLine Team

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2

Sonntag, 19. April 2020, 19:27

Es ist so richtig.
Die Kräfte an einer rotierende Fläche sind 90 Grad versetzt.
Ich habe nicht genug Geld um billig einzukaufen.

3

Sonntag, 19. April 2020, 20:43

Scheinbar um 90° versetzt ist das nur, wenn man fälschlich versucht, den Anstellwinkel mit der zyklischen Blattauslenkung in Verbindung zu bringen. Anstellwinkel steht aber primär immer mit Geschwindigkeit (hier beim Heli der Geschwindigkeit, mit der die Blätter auf und ab schlagen) in Verbindung. Wenn Du Dir also vor Augen führst, dass bei Nick nach vorne die Blätter links und rechts ihre größte Schlaggeschwindigkeit zwischen ihren vorderen und hinteren Umkehrpunkten haben (wo ihre Schlaggeschwindigkeit natürlich null ist), dann passt das genau und ohne Phasenverschiebung zusammen.

Stell Dir vor, Du würdest in einem Flugzeug sitzen und mit dem einen großen Rechtskreis fliegen. Dann erweitere die Aufgabe dadurch, dass Du in jeder Runde am nördlichsten Punkt des Kreises um sagen wir 100m unter Deine Ausgangshöhe sinkst, am südlichsten Punkt aber 100m darüber hinaussteigst. Du fliegst also jetzt einen Kreis, der einem zyklisch ausgelenkten rechtsdrehenden Rotor entspricht, Flugrichtung des Helis nach Norden, Nick nach vorne gesteuert. Und jetzt betrachte den Anstellwinkel der Tragflächen Deines Flugzeuges, während Du diesen Kreis fliegst:

- Im Norden und Süden ist der auf Horizontalflug ausgerichtet, denn da muss ja jeweils der Sink- in den Steigflug übergehen, bzw. umgekehrt.

- Im Westen nach unten weisend, für maximalen Sinkflug ausgerichtet.

- Im Osten nach oben weisend, eben für maximalen Steigflug ausgerichtet.

Und genau die gleiche Auftriebssequenz, die gleiche Folge unterschiedlicher Anstellwinkel läuft auch am zyklisch angesteuerten Rotor eines Helis ab!

LG, Philipp

haschenk

RCLine User

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4

Sonntag, 19. April 2020, 20:58

Hallo Berni,

anschaulich kannst du dir das etwa so vorstellen:
Damit das Blatt (z.B.) in vorderster Stellung unten ist, muß es schon vorher in diese Richtung beschleunigt werden; und in dieser Postion ist dann keine Kraft mehr nötig.
Im Grunde ist es dasselbe wie bei einer einfachen (linearen) Bewegung: Zuerst ist die Kraft/Beschleunigung da, und die dadurch verursachte Bewegung/Geschwindigkeit hinkt hintendrein. Bei einer perodischen (1 Periode = 360°) beträgt diese sog. "Phasenverschiebung" rd. 90°. Ganz genau stimmt das nur im (gedachten) Idealfall, in dem keine Dämpfung der Bewegung vorhanden ist. Im realen Fall wird durch die Dämpfung der 90°-Winkel um ein paar Grad verfälscht.

Du findest das alles in jedem einführenden Buch zur Hubschrauber- bzw. Modell-Hubschraubertechnik. Auch im Internet, aber da ist die Suche etwas mühsam...

Am Rande:
Igor Sikorsky hat bei seinem ersten Hubschrauber (ca. 1940) diesen "90°-Effekt" nicht gekannt, sich gewundert, und rd. 1 Jahr lang in die falsche Richtung entwickelt. Das war die Version mit den beiden vertikal wirkenden (!) Heckrotoren an Auslegern; damit konnte er ein Rollmoment (!) erzeugen, um vorwärts zu fliegen....
Quelle:
J.P. Spenser, "Whirlybirds"; die Geschichte der US-Hubschrauberpioniere, 1998 University of Washington Presss. Ein tolles Buch, wenn man sich für Technikgeschichte interessiert.


Gruß,
Helmut

BOcnc

RCLine Team

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5

Sonntag, 19. April 2020, 21:09

Man muss auch nicht unbedingt beim Hubschrauber schauen. Kräfte am Kreisel erklärt das auch.
Ich habe nicht genug Geld um billig einzukaufen.

haschenk

RCLine User

Beruf: Dipl. Ing.

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6

Sonntag, 19. April 2020, 21:30

Hallo BOcnc,

dein Vergleich mit einem Kreisel hinkt ziemlich:

Unter "Kreisel" versteht man idR einen starren (rotierenden) Körper.
Der Helirotor st aber kein starrer Körper; die Blätter sind mit Gelenken ("Schlaggelenken") an der Nabe angelenkt. Auch wenn "dingliche" Gelenke häufig durch elastische Elemente ersetzt werden und man dann fälschlicherweise von "Starrotor" spricht.

Die Blätter schwingen (außer im Stand) während jedem Umlauf auf und ab. Die rechnerische Behandlung der Bewegung erfolgt daher auch mit Elementen der Schwingungslehre und nicht mit der Kreiseltheorie.

Ziel jeder Heli-Steuerungsmethode ist immer, die Blattspitzenebene und damit den Schubvektor zu kippen.


Gruß,
Helmut

BOcnc

RCLine Team

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7

Sonntag, 19. April 2020, 21:40

Ich hab es mit dem Kreisel ganz gut verstanden als ich eine Erklärung gesucht habe warum sich der Heli beim schnellen Vorwärtsfug aufbäumt und nicht zur Seite kippt weil das Blatt in Flugrichtung mehr Auftrieb hat als das andere. Also auch 90 Grad versetzt.
Ich habe nicht genug Geld um billig einzukaufen.

8

Sonntag, 19. April 2020, 22:31

Hey,

Danke an euch für die schnelle Antwort!

Jetzt hats klack gemacht.
Ausschlaggebend war im wahrsten Sinn des Wortes der Blattausschlag. Wenn ich euch richtig verstehe, hat das Blatt sozusagen eine halbkreisbewegung um sich selbst auszulenken (zu verbiegen) um einen Druck auf die Rotorwelle auszuüben. Die Blattauslenkung kann ja nur am Umkehrpunkt beider Phasen am stärksten sein und der maximale Blattanstellwinkel kann nur 90 grad versetzt sein.

Das hin- und herschaufeln der Luft am Hauptrotor ist also verglichen mit einem Quadrocopter um 90 grad versetzt, weil sich der Heli in die Richtung bewegt, in die sich die Rotorblätter am stärksten verbiegen und nicht in die Richtung in die der Rotor die Luft drückt.

Und wenn schon Sikorsky den gleichen Denkfehler hatte, mach ich mir um mein Hirn mal keine Sorgen :-)

Danke!

Gruß,
Berni

9

Sonntag, 19. April 2020, 22:33

PS. Jetzt hab ich auch noch den Grund fürs Aufbäumen verstanden (und auch warum der Effekt damals beim Piccolo so stark ausgeprägt war)!

10

Sonntag, 19. April 2020, 23:04

Ziel jeder Heli-Steuerungsmethode ist immer, die Blattspitzenebene und damit den Schubvektor zu kippen.
Und bei den "gelenklosen" Rotoren spielt natürlich auch das Mastmoment eine Rolle.

Ich hab es mit dem Kreisel ganz gut verstanden ...
Wobei das halt nur eine Eselsbrücke sein kann. Mit den tatsächlichen Vorgängen hat es nix zu tun.

LG, Philipp

haschenk

RCLine User

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11

Sonntag, 19. April 2020, 23:10

Werner,
wir wollen uns da nicht streiten: wenn dir deine (falsche) Erklärung genügt, ist's auch ok.

Die Vorgänge beim Kreisel und beim Helirotor sind nur scheinbar gleich oder ähnlich, physikalisch aber verschieden.
Deine Erklärung trifft z.B. bei Multicopter-Rotoren (starre Propeller) zu; aber genau da verwendet man paarweise gegenläufige Props, damit sich die (Kreisel-) Momente gegenseitig kompensieren.

Beim Helicopter haben die Rotorblätter ein "Eigenleben" als schwingungsfähige Gebilde und eigene sog. "Freiheitsgrade", die durch die sog. "Schlag-" (und gfls. "Schwenk-") Koeffizienten beschrieben werden. Die Schlag- bzw. Schwenk-Gelenke können keine Momente, sondern nur Kräfte auf die Nabe übertragen (das ist das Wesen eines Gelenks).
Das ist was ganz anderes als ein starrer Kreisel.


Gruß,
Helmut

BOcnc

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12

Montag, 20. April 2020, 07:54

Hallo Helmut,

dazu habe ich noch eine Frage.
Schneller Vorwährstflug. Die Blätter sind 90° zur Flugrichtung. Das eine Blatt in Flugrichtung hat mehr Auftrieb weil es mehr angeströmt wird als das andere. Der Anstellwinkel sollte bei beiden Blättern gleich sein. Wie kann man sich das Aufbäumen erklären ohne den Kreisel?
Gruß
Werner
Ich habe nicht genug Geld um billig einzukaufen.

13

Montag, 20. April 2020, 16:44

Ausgangslage ist eine horizontale Rotorscheibe in Schwebe, die Rotorblätter sind kollektiv so angestellt, dass genug Auftrieb produziert wird, um das Gewicht des Helis zu kompensieren, Schwebeflug eben.

Nimmt der Heli jetzt Fahrt auf, überlagert der Fahrtwind die Anströmung des vor- und des rücklaufenden Blattes und verändert dort den Auftrieb. Am vorlaufenden Blatt wird er stärker, genau wie es bei zyklischer Ansteuerung für Nick nach hinten wäre. Vice versa am rücklaufenden Blatt, vom Effekt her aber ebenfalls Nick nach hinten. Beginnt die Rotorebene durch diesen Nickimpuls nach hinten zu kippen, verstärken sich die seitlichen Auftriebseffekte (speziell am vorlaufenden Blatt) weiter, weil ja der Fahrtwind einen immer größeren Winkel zur Pofilsehne bekommt. Es entsteht also das fürs sogenannte Aufbäumen typische kumulative Nickmoment.

S.o., Auftrieb ist Kraft, da wird Masse beschleunigt. Dort wo Kraft am stärksten aufs Rotorblatt wirkt, treten seine größten Geschwindigkeiten auf, erst über die Zeit legt es dann Stecken zurück. Also erst kommt die Bewegung, daraus entsteht in der Folge seine Auslenkung.

Die Masse des Blattes wird beim Aufbäumen also vorlaufend nach oben beschleunigt und rücklaufend nach unten, links und rechts bewegt sie sich mit größter Geschwindigkeit auf- bzw. abwärts. Nach ganz vorne und nach ganz hinten hin geht die dem Profil überlagerte Strömung des Fahrtwindes gegen Null. Daher bleibt an diesen beiden Punkten des Blattumlaufes nur mehr der rein kollektive Auftrieb über. Mangels zyklischer Kräfte setzt das Blatt seine Schlagbewegung nicht mehr fort, kommt in ihr zum Stillstand, kehrt die Bewegungsrichtung um.

Übrigens, beim kollektiven Pitch käme auch niemand auf die Idee, es direkt mit der Flughöhe in Verbindung zu bringen. Da ist jedem sofort klar, Kollektiv vergrößern erhöht die Steiggeschwindigkeit!

LG, Philipp

haschenk

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14

Dienstag, 21. April 2020, 22:52

Hallo Werner,

Zitat


Hallo Helmut,
dazu habe ich noch eine Frage.
Schneller Vorwährstflug. Die Blätter sind 90° zur Flugrichtung. Das eine Blatt in Flugrichtung hat mehr Auftrieb weil es mehr angeströmt wird als das andere. Der Anstellwinkel sollte bei beiden Blättern gleich sein. Wie kann man sich das Aufbäumen erklären ohne den Kreisel?
Gruß
Werner


du vergisst bei deiner Argumentation, daß das vorlaufende Blatt gar kein Drehmoment (um die Schlagachse) auf den Rotorkopf ausüben kann (wegen Gelenk), das dann zu einer Kreiselprazession führen würde. Ferner vergisst du die Schlagbewegung.
Ungleiche Anströmung am vor- und rückläufigen Blatt ist schon richtig; die führt aber zum Schlagen (nach oben beim vorlaufenden Blatt, am rücklaufenden nach unten), und dadurch wird der Blattwinkel verkleinert (aber nicht vollständig).
Durch das Schlagen neigt sich die Blattspitzenebene etwas nach hinten, und DAS ist die Ursache des "Aufbäumens".

Da die in Flugrichtung weisende Komponente des Schubs die Vorwärtsbewegung (z.B. nach einer Bahnstörung) abbremsen will, ist die Helibewegung in dieser Hinsicht (statisch) stabil. Aber das Abbremsen erfolgt "zu spät", der Heli setzt sich jetzt nach hinten in Bewegung. Dieses Spiel ist -sehr vereinfacht gesagt- die Ursache für die dynamische Instabilität eines Helis ohne irgendeine Stabilisierungseinrichtung.

Ich hänge mal ein paar eingescannte Seiten aus dem Buch von W. Just (von 1957 !) an, in denen die Schlagbewegung dargestellt wird. Die Flugstabilität wird in einem anderen Kapitel erläutert, das ist dann erheblich komplizierter und umfangreicher.

Walter Just war der Aerodynamiker/Flugmechaniker im Team von Henrich Focke, er hat alle Focke-Helis berechnet. Zu meiner Studi-Zeit hielt zuerst Focke selbst die Heli-Vorlesungen inStuttgart; hat aber (mEn) nach 2 Semestern hingeschmissen und ist zu Borgward gegangen (Entwicklung vom "Kolibri"). An seiner Stelle ist dann in Stuttgart W. Just eingesprungen (als Lehrbeauftragter), und bei dem hab ich die Vorlesung zu Helis gehört. W. Just war gar kein so "Theoretiker", wie man meinen könnte; eher das Gegenteil... Er hat auch noch weitere Bücher (auch zu Starrflüglern) geschrieben, damit die "Nachwuchsgeneration" von Studis nach dem Krieg wieder ein Minimum an neueren Lehrbüchern hatte.

Das o.e. Buch gibt's natürlich schon lange nicht mehr zu kaufen; aber antiquarisch oder in technischen Bibliotheken (Fernleihe) kommt man noch dran. Es ist mMn bis heute das beste einführende deutschsprachige Buch; selbst D. Schlüter hat damals daraus (offiziell !) Inhalte übernommen. Es gibt einige sehr gute Heli-Lehrbücher (darunter "Klassiker"), aber die sind englischsprachig, dick und teuer und eher Hochschulstoff. Bei den neueren Modellheli-Büchern kenne ich mich nicht aus.


Gruß,
Helmut

PS.
Die Bilder musste ich leider etwas komprimieren, sonst wär's hier nicht gegangen.
»haschenk« hat folgende Bilder angehängt:
  • Heli-Just-1.jpg
  • Heli-Just-2.jpg
  • Heli-Just-3.jpg
  • Heli-Just-4.jpg

Dieser Beitrag wurde bereits 2 mal editiert, zuletzt von »haschenk« (21. April 2020, 23:00)


BOcnc

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15

Mittwoch, 22. April 2020, 08:02

Hallo Helmut,

da hast du dir aber sehr viel Mühe gegeben. Mein Dank wird dir ständig hinterher laufen. :heart:
Ich habe nicht genug Geld um billig einzukaufen.

16

Freitag, 15. Mai 2020, 20:47

Moin


Die Kreiselpräzision kann man sagen bewirkt erst , daß die Helimasse unter
dem Rotor in die Richtung gezwungen wird wo der hinfliegen soll .

Um halbwegs genau zu sein 87° Phasen verschoben .

Gruß Ikpinz

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Freitag, 15. Mai 2020, 23:34

Die Kreiselpräzision kann man sagen bewirkt erst ...
Kann man sagen, stimmt aber nicht.

LG, Philipp

18

Samstag, 16. Mai 2020, 13:15

Moin

Ach so , die Kreiselpräzision wirkt also nicht auf den Rotorkopf ein ?

Kann Dich beruhigen , die Kreiselpräzision wirkt auf alle drehenden Massen , die Konstruktion oder Bestimmung
der Gerätschaften das ist Banane .


Gruß Ikpinz

BOcnc

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19

Samstag, 16. Mai 2020, 14:50

Ich befürchte hier werden langsam drehende schwere Man tragende Hubschrauber mit leichten hochdrehenden Modellhubschrauber verglichen.
Ich habe nicht genug Geld um billig einzukaufen.

20

Samstag, 16. Mai 2020, 16:43

Kann Dich beruhigen , die Kreiselpräzision wirkt auf alle drehenden Massen ...
Erscheine ich Dir irgendwie unruhig?

Und natürlich wirkt am Helikopter Rotor Präzession, deswegen entsteht aus der Schlagbewegung ein Schwenkmoment.

Lies noch einmal die letzten beiden Sätze aus #13 und versuche, das dort Gesagte auf die Zyklik zu übertragen. Dann musst Du die Präzession nicht mehr für eine nur scheinbare Phasenverschiebung verantwortlich machen ...

Ich befürchte ...
Da gibt´s nix zu befürchten, die grundlegende Physik ist immer die selbe!

LG, Philipp