Propeller design 2
Wie in #2014 beschrieben, soll der Propeller ehr für höhere Fluggeschwindigkeiten (~20m/s) und 63W mit 2200rpm an der Welle für volle Einstrahlung auslegt werden. Getestet habe ich auch, entsprechend der kleinsten notwenigen Leistung des Speedpropellers (die 5V in der qprop Rechnung) auszulegen. Das sind etwa 6W und 850rpm an der Welle bei 6m/s Fluggeschwindigkeit. Dabei entsteht ein Blatt mit besserem Wirkungsgrad (2% Verbesserung), aber auch einer größeren, mittleren Blatttiefe und einer entsprechend höheren Leistungsaufnahme im gesamten Arbeitsbereich des Propellers. Deshalb möchte ich tatsächlich für etwa 20m/s Fluggeschwindigkeit auslegen.
Offen ist jetzt noch die Frage nach dem optimalen Durchmesser für so eine "Speedpropeller“ Auslegung. Dafür habe ich die idealen Wirkungsgrade (nach dem Impulssatz berechnet) gegen maximal erreichbare Wirkungsgrade über dem Propellerradius aufgetragen
Die roten Kurven sind die idealen Wirkungsgrade, hinter den blauen Punkten auf den Kurven stehen tatsächlich ausgelegte Propeller. Die gestrichelten Linien sind, wie oben beschrieben, für die Mindesteinstrahlung ausgelegt (6W, 850rpm an der Welle, V=6m/s), die durchgezogenen Linien für die maximale Einstrahlung (63W, 2200rpm an der Welle, V=18m/s). man sieht deutlich, dass nicht der größte Radaius den besten Wirkungsgrad liefert – die Blätter werden dann einfach extrem schlank und die Reynoldszahlen sehr klein. Legt man für die höhere Fluggeschwindigkeit aus, ergibt sich ein flaches Optimum im Bereich von 0.22m - 0.24m Radius. Wählte man die Auslegung für die miniale Einstrahlung, erreicht man ein flaches Wirkungsgradmaximum bei etwa 0.24m bis 0.26m Radius.
Aus den genannten Gründen soll die Auslegung für maximale Eingangsleistung bei einer höheren Fluggeschwindkeit erfolgen. Dazu habe ich den Radius des Propellers zu 0.23m gewählt. Damit ergeben sich noch gerade so machbare Blatttiefen und man verliert nicht viel Wirkungsgrad bei minimaler Einstrahlung.Weiterhin hab ich einen Spinner mit 15mm Radius gewählt. Der Propeller arbeitet beim Sense als Zugpropeller in der Rumpfspitze. Hier bietet es sich an auszunutzen, dass Xrotor auch die Verdrängungswirkung von Körpern mit Kreisquerschnitten (Motorgondeln, Rümpfe,…) berücksichtigen kann.
Hier habe ich den Sense Rumpf inkulsive Spinner im CAD mit Kreisquerschnitten angenähert. Dazu wurde die Verdränungsdicke einer turbulenten Grenzschicht addiert – diese Kontur (orange)„sieht“ die reibungslose Außenströmung und wird in Xrotor mitteles einer Quell-Senken Verteilung in der Propellerauslegung berücksichtigt. Bei unseren schlanken Rümpfen ist der Effekt nicht besonders groß, aber vorhanden.
Damit sind nun alle Eingangsgrößen für die Auslegung vorhanden und können den folgenden plots entnommen werden.
Man mus als Entwerfer eigentlich nur noch eine passende passende Verteilung der lokalen Auftriebsbeiwerte (cl, mit l für lift aus dem Englischen) vorgeben und bekommt die fertige Propeller Geometrie. Zu Gunsten erträglicher Blattiefen im Bereich der Blattwurzel und Blattspitze, habe ich lokal das cl etwas abgesenkt. Die Tiefen- und Verwindungsverteilung wird dann von Xrotor so berechnet, dass die induzierten Geschwindigkeiten über der Propellerfläche konstant sind- vergleichbar mit dem minimalen induzierten Widerstand eines Tragflügels. Elegant unterschlagen habe ich bisher, dass man natürlich auch Profile für den Entwurf vorgeben muss. Die Auslegung für derart kleine Reynoldszahlen ist recht speziell und das sprengt hier wahrschscheinlich den Rahmen. Für die minimale Einstrahlug, V=6m/s (in grün) sowie für die maximale Einstrahlung V=21m/s (in rot) sind hier Reynoldszahl und lokale Auftriebsbeiwerte (cl) über dem dimensionslosen Radius angegeben.
Das Profil muss also zwischen Re=10000 und Re=58000 sowie cl=0.4 bis cl=0.85 (im Stand auch deutlich höhere cl) funktionieren. Das ist der Bereich, in dem Freiflugmodelle unterwegs sind. Es wird sehr spannend, ob man so dünne Profile bei den kleinen Profiltiefen noch gut gebaut bekommt.
Abschließend hier noch die qprop Rechnungen für den ausgelegten Propeller am Sunnysky Getriebe Antrieb.
Vergleiche dazu bitte die detailierteren Beschreibungen in #2013 und #2014.
Viele Grüße,
Benjamin