zyklische Blattverstellung vs. Kreiselpräzession

[fireball]

AW: zyklische Blattverstellung vs. Kreiselpräzession

Ich darf vielleicht mal kurz auf rc-heli-fan.org Thema anzeigen - Zyklischer Pitch verdreht? verweisen. Andi (acanthurus) hat das ganze Thema eigentlich recht anschaulich dargestellt, auch welche Anteile bei der ganzen Geschichte wie wirken...

[webGandalf]

AW: zyklische Blattverstellung vs. Kreiselpräzession

Ich darf vielleicht mal kurz auf rc-heli-fan.org Thema anzeigen - Zyklischer Pitch verdreht? verweisen. Andi (acanthurus) hat das ganze Thema eigentlich recht anschaulich dargestellt, auch welche Anteile bei der ganzen Geschichte wie wirken...

Interessant, dort wird gesagt dass beides gilt. Muss ich mir mal so durch den Kopf gehen lassen.

[Amok]

AW: zyklische Blattverstellung vs. Kreiselpräzession

Ich würde eher sagen, die sind genau da, wo wir auch sind

Es liegt anscheinend am Betrachter, welche Erklärung besser passt.

Wenn "man" vom Drehpunkt aus dem Blatt entlang schaut und sich mit dreht, passt die Erklärung der Phasenverschiebung. Wenn man das System als ganzes betrachtet, scheint die Kreiselpräzession das gleiche zu beschreiben...

mfg
Amok

[ZJ1]

AW: zyklische Blattverstellung vs. Kreiselpräzession

Ich darf vielleicht mal kurz auf rc-heli-fan.org Thema anzeigen - Zyklischer Pitch verdreht? verweisen. Andi (acanthurus) hat das ganze Thema eigentlich recht anschaulich dargestellt, auch welche Anteile bei der ganzen Geschichte wie wirken...

Hallo Marcus,

klasse Link!


Die Erläuterungen von Andi, der übrigens Dr.-Ing. (aer) ist, sind ausgezeichnet formuliert,
außerordentlich aufschlussreich und für mich über jeden Zweifel erhaben!


Gruß Jörg

[fireball]

AW: zyklische Blattverstellung vs. Kreiselpräzession

Das war für mich auch der Grund, den Link mal zu posten

[stefston]

AW: zyklische Blattverstellung vs. Kreiselpräzession

Super! Nach langer Zeit endlich mal wieder was gelernt im Forum!

Grüße
Stefan

[K e v]

AW: zyklische Blattverstellung vs. Kreiselpräzession

Der Link ist wirklich gut. Danke!

Er deckt sich ja größtenteils mit dem was ich gesagt habe. Manchmal kommt es mir fast vor er schöpft aus der gleichen Quelle wie ich.

Die Erklärung mit der Kreiselpräzession finde ich trotzdem immernoch nicht eingängig für mich. Ich würde wirklich gern mal die Herleitung sehen für Phasenwinkel<90 Grad.

Außerdem kommt es mir irgendwie komisch vor ein und das gleiche Verhalten mit 2 vom Prinzip her vollkommen unterschiedlichen Effekten zu erklären. Wenn beide Theorien stimmen würden und wir mal von einer Phasenverschiebung<90 Grad ausgehen dann kann ich die mit der Schwingungstheorie genau herleiten. Gleichzeitig müsste man sie dann aber auch mit der Kreiseltheorie herleiten können. Wenn ich mir jetzt die grundsätzlichen Formlen beider Theorien anschaue sehe ich da keine Gemeinsamkeiten aber wenn beide zum gleichem Ergebniss führen würden müssten beide Theorien auf der gleichen Grundlage beruhen. Diese Gemeinsamkeit sehe ich aber nirgendwo.
Was mich aber mehr noch darin bestärkt das die Kreiseltheorie nichts mit alldem zu tun hat ist das, in dem von mir erwähnten Buch, das Wort Kreisel nur 3 mal auftaucht.
Zwei mal bei der Erklärung der Hubschraubergeschichte am Bsp eines "chinesischen Luftkreisels".
Einmal in Verbindung mit Kolbenmotoren und deren Kreiselkräften.

Das Buch stammt wie gesagt von Walter Bittner der ebenfalls Dipl.Ing. für Luft und Raumfahrt ist und zusätzlich leitender Ingenieur des Vorentwurfs bei MBB und später Eurocopter war und an der Entwicklung der BO105 maßgeblich beteiligt war.

Es würde mich doch stark wundern wenn sojemand, der den warscheinlich innovativsten Heli entwickelt hat, in seinem über 200 Seiten langem Buch vergisst die Kreiselpräzession als elementare Steuergrundlage des Helis auch nur einmal zu erwähnen.
Abgesehen von allen ßberlegungen die wir hier alle diskutieren ist das für mich eigentlich der Größte Anhaltspunkt die Kreiseltheorie auszuschließen.

Gruß Kevin

[K e v]

AW: zyklische Blattverstellung vs. Kreiselpräzession

Hier mal ein wörtlich zitierter Abschnitt aus dem Buch in dem die Gesamtzusammenhänge deutlich gemacht werden. Eigentlich habe ich alles was hier vorkommt aber schonmal irgendwo erwähnt.


"Unterschied zwischen Propeller (als Hubschuberzeuger) und Rotor
Propellerblätter sind steif gegen jede Biegung. Die Rotorblätter besitzen Schlagund
Schwenkgelenke, sind also momentenfrei an der zentralen Nabe angelenkt.
Bei modernen gelenklosen Rotoren sind die Gelenke in der Form biegeweicher
Blatthälse ausgeführt. Der bauliche Unterschied zwischen Propeller und Rotor hat
entscheidende Auswirkungen auf die Dynamik, die Steuerung und die Flugmechanik
des Hubschraubers.
ßnderungen der an aerodynamischen Profilen Luftkräfte erzeugenden Parameter
Anströmgeschwindigkeit und/oder Anstellwinkel bewirken entsprechende
ßnderungen der Luftkräfte am Drehflügel.
Propellerblätter geben unmittelbar in der Umlaufposition veränderten Schubes
das resultierende Biegemoment aus den Luftkräften multipliziert mit dem Abstand
zum Blattanschluss an die zentrale Nabe weiter und damit ein Kräftemoment auf
das gesamte Fluggerät.
Ein Rotorblatt erfährt zwar ebenfalls die erhöhte Kraftwirkung an gleicher Stelle
des Umlaufes, die Folgen sind jedoch von Grund auf andere: Die Kräfte können
durch die eingeführten Gelenke nicht als Biegemomente auf die Nabe übertragen
werden. Sie bewirken statt dessen Beschleunigungen des Blattes in Richtung der
Kräfte und damit Auslenkungen.

In dem aus der Rotordrehung vorhandenen radialen Zentrifugalkraftfeld verhält
sich das Blatt damit wie ein angestoßenes Pendel. Dem entsprechend sind Ursache
(Kraft) und Wirkung (Auslenkung) um einen Phasenwinkel verschoben. Beim
idealen Pendel beträgt der Phasenwinkel 90°.
Eingesteuerter Zusatzschub am vorlaufenden Blatt, d.h. beim Umlaufwinkel
? = 90° (die Umlaufposition ? = 0° ist definiert bei nach hinten stehendem Blatt,
s. Bild3.5), erzeugt eine maximale Blattauslenkung nach oben erst entsprechend
später im Umlauf, nämlich bei ? = 180°, d.h. sie erfolgt über der Hubschraubernase.
Für die übergeordnete Baugruppe, den Rotor, bedeutet dies: Die Blattspitzenkreisfläche
des Rotors wird dadurch nach hinten gekippt. Da der Rotorschubvektor
immer nahezu senkrecht und mittig auf der Blattspitzenkreisfläche steht, wird
der Schubvektor mit geneigt, nach Winkel und Richtung gezielt. Seine Wirklinie
verläuft jetzt nicht mehr durch den HS-Schwerpunkt. ßber den so entstehenden
Hebelarm wirkt der Schub jetzt auch als Moment auf die Gesamtmaschine. Dieses
Moment dient zur Steuerung der Hubschrauberbewegungen.
Der grundlegende Unterschied der Steuerwirkungen eines Propellers zu denen
eines Rotors ist neben der verlängerten Reaktionszeit vor allem die Phasenverschiebung.
Eine Schubänderung am vorlaufenden Blatt, also bei ? = 90°, erzeugt:
â?¢ beim Propeller ein Rollmoment,
â?¢ beim Rotor ein Nickmoment.
Ein Aufdrehen der Blätter bei ? = 180° erzeugt:
â?¢ beim Propeller ein Nickmoment,
â?¢ beim Rotor ein Rollmoment."


Gruß Kevin

[rosti]

AW: zyklische Blattverstellung vs. Kreiselpräzession

Ich habe zwar den Thread jetzt nicht komplett verfolgt und gelesen, aber mir scheint sich hier etwas herauszukristallisieren, wo sich seltsamerweise die Geister scheiden, obwohl genau das die Lösung des "Problems" ist: selbstverständlich wirken BEIDE Effekte. Und zwar deshalb, weil unsere Rotorköpfe eben weder völlig starr noch völlig "elastisch" sind. Wären sie (inklusive der Blätter) völlig starr, gäbe es ausschließlich den Kreiseleffekt. In der Realität überlagern sich aber die Wirkungen beider Effekte.

Meine Annahme ist nun aber, das aufgrund der Härte aktueller Rotorköpfe der Kreiseleffekt dominiert. Darüber kann man streiten. Siehe unten...

Was den "Schlüter-Effekt" angeht, sind Kevins Ausführungen/Zitate plausibel. Vielen Dank für diese hervorragenden Beiträge!

Für den Kreiseleffekt gilt, dass die Kippung der Rotorachse fast(*) genau 90° zum wirkenden Mastmoment erfolgt. Die in der Realität beobachteten Abweichungen sind m.E. Folge der o.g. ßberlagerung.

Ich versuche das mal mit Zahlen zu verdeutlichen. Angenommen, das durch den Kreiseleffekt bewirkte Drehmoment(**) auf die Rotorachse macht 90% der Gesamtwirkung aus und der von Schlüter beschriebene Effekt 10% (so rein gefühlsmäßig könnte die Größenordnung stimmen, aber es könnten auch 80% zu 20% oder sonst was sein). Dann ergibt sich per vektorieller Addition der Drehmomentvektoren

"Schlüter-Winkel" -> resultierender Winkel
60 -> 87,1
70 -> 88,0
80 -> 89,0
90 -> 90,0

(Anbei eine Excel-Tabelle, in der auch höhere "Schlüter-Anteile" berechnet wurden.) Von 90° abweichende reale Werte des "Vorlaufs" stehen also nicht im Widerspruch zu der Annahme, dass der Kreiseleffekt dominiert. Andererseits: allein anhand eines gemessenen Vorlaufwinkels ist es unmöglich, zu bestimmen, wie hoch nun der Anteil des "Schlüter-Effektes" und des Kreiseleffektes sind! Dazu müsste man nämlich den "Schlüter-Winkel" des untersuchten Rotorkopfes kennen.

Hmm, viele mögen mit dem Kreiseleffekt an sich auf Kriegsfuß stehen. Das kann ich verdammt gut verstehen, denn der Effekt entspricht ja nicht dem, was man so mit normalem gesunden Menschenverstand erwarten würde. Er ist physikalisch gesehen aber die direkte Folge der Drehimpulserhaltung des Gesamtsystems.
[Philosophie an]
Dieser Erhaltungssatz ist (wie z.B. auch der Energieerhaltungssatz) eine der zentralen Annahmen in der Physik. Diese Annahmen gelten als wahr, weil es keine Messungen gibt, die ihnen widersprechen.
[Philosophie aus]

Schnell noch ein (ungeprüfter) Gedanke zur von mir postulierten Dominanz des Kreiseleffekts: die relative Konstanz des Vorlauf-Winkels unabhängig von der Elastizität der Rotorkopfdämpfung (hart/weich) und unabhängig vom Material der Rotorblätter sieht mir nicht nach einer Eigenschaft eines gedämpft schwingenden Systems aus. Hat das schon mal jemand zu Ende gedacht?

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(*) Die 90° sind das Ergebnis einer Näherungslösung für die Bewegungsgleichungen eines Kreisels. Diese Näherung gilt nur für Kreisel mit einem hohen Eigendrehimpuls (sprich: hohem Trägheitsmoment und/oder hoher Geschwindigkeit). Bei genauerer Betrachtung ergeben sich Werte kleiner 90°. Bei unseren Rotordrehzahlen und Blattgewichten ist der Drehimpuls des Rotors im Vergleich zum wirkenden Mastmoment allerdings so hoch, dass die Abweichung vernachlässigbar sein dürfte.

(**) Für alle die ein Semester theoretische Mechanik hinter sich haben: ich habe mich hier bewußt falsch ausgedrückt, um Verwirrungen zu vermeiden. Korrekt wäre, immer von den resultierenden Drehimpulsänderungen zu sprechen. Na ja...

Disclaimer: ich habe das jetzt alles nur aus dem Bauch zusammengeschrieben und nicht die jeweilige Physik durchgerechnet. Ich hoffe allerdings, dass mir kein grober Fehler unterlaufen ist.
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Ralph
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[Ippes]

AW: zyklische Blattverstellung vs. Kreiselpräzession

Ein hochinteressantes Thema mit genauso interessanten Beiträgen / Sichtweisen. Für mich persönlich ist dennoch nur die reine Schlüter-Theorie plaubsibel. Diese besagt doch, dass es sich lediglich um eine Verkippung der Rotorebene handelt. Der am Mast hängende Rumpf folgt der Richtung der Verkippung. Das Verständnisproblem dieser Theorie tritt meiner Meinung dadurch auf, dass die Stellung der Rotorblätter statisch betrachtet werden. Bei einer Nickbewegung haben die Rotorblätter in der 3 bzw. 9 Uhr Stellung die maximale (gegensätzliche) Anstellung. Dies wird fälschlicherweise analog zum Flächenflugzeug Querruder gesehen. Als rotierendes (dynamisches) System wird die Rotorebene nicht nach links oder rechts kippen, wie man das zunächst vermutet. Vielmehr schrauben sich die Rotorblätter auf eine neue Ebene --> der Rotorkreis kippt nach vorne bzw. hinten. Die Kreiselpräzession darf / kann bei dieser Theorie überhaupt keine Rolle spielen, wenn man rein die Steuerung betrachtet.

Anders betrachtet: Falls es sich bei der Steuerung eines Modellhubschraubers um eine Mischung von Kreiseffekt und Schwingungstheorie handelt, wie lässt sich folgende Praxiserfahrung erklären: Man lagere seinen Rotorkopf einmal sehr weich (weiche Dämpfungsgummis à la F3C-Abstimmung) und einmal sehr hart (F3N-mäßig). Die Flugerprobung zeigt, egal ob hart oder weich, gibt man einen Nickausschlag nach vorne, geht der Heli immer sauber nach vorne weg. Lediglich die Reaktion erfolgt träger bzw. agiler. Dasselbe gilt für unterschiedliche Rotordrehzahlen. Ein weich abgestimmter 90er Heli geht bei 1200 U/min wie auch jenseits von 2000 U/min immer sauber in die vorgegebene Richtung weg. Wie lassen sich diese Tatsachen mit der Mischtheorie aus Kreisel- und Schwingungseffekten vereinbaren?

[geko1]

AW: zyklische Blattverstellung vs. Kreiselpräzession

Hallo,

ich möchte hier mal meine persönliche Sichtweise zu dem hier diskutierten Thema abgeben. Ich betrachte die Sache aber nicht wissenschaftlich, sondern nur mit dem normalen Hausverstand ;-)

Was nicht so recht einleuchten mag, ist folgendes:
Wenn ich Nick gebe, dann hat das rechte Blatt (den Heli von hinten betrachtet) von 0° bis 180° einen positiven Anstellwinkel und das linke Blatt im gleichen Beobachtungszeitraum einen negativen.
Also würde man vorschnell daraus schließen, dass der Heli nach links rollen sollte.

Wenn man sich aber das Blatt als frei beweglich und mit Masse behaftet vorstellt, kommt man zu einem anderen Ergebnis.
Aus dem Physikunterricht ist mir noch in Erinnerung, dass ein Körper durch Krafteinwirkung eine Beschleunigung erfährt, sich also erst allmählich in Bewegung setzt. Um ihn in die ursprüngliche Lage zu bringen, bedarf es einer entgegensätzlichen Kraftweinwirkung.



Nehmen wir zunächst an, dass das Blatt bei 0° die niedrigste Position hat (warum auch immer), dann fängt bei 1° eine Kraft (positiver Anstellwinkel) auf das Blatt einzuwirken. Diese Kraft bleibt über den ganzen Weg zwischen 0 bis 180° erhalten (bei 90° ist sie am größten, bei 180° ist sie wieder Null).
Also bewegt sich das Blatt während seiner Drehung von 0° bis 180° von seiner tiefsten Position bis zu seiner höchsten.
Das andere Blatt wandert während unseres Beobachtungszeitraums von seinem höchsten Punkt bei 180° bis zu seinem tiefsten bei 360° bzw. 0°, da negativer Anstellwinkel.
Jetzt wissen wir auch, dass die Annahme, das Blatt hätte bei 0° die tiefste Position, nicht ganz falsch war.

Wenn man sich diese "Blattwanderung" räumlich vorstellt, erkennt man, dass hierbei ein nach vorne geneigter Rotorkreis entsteht. Dessen nach vorn zeigender Kraftvektor sorgt nun für die Vorwärtsbewegung des Helis und nicht, wie man vorschnell meinen würde, für eine Rollbewegung nach links.

Wie gesagt, es ist nur meine persönliche Erklärung des "Phänomens".

Gruß
geko1

[Piloto]

AW: zyklische Blattverstellung vs. Kreiselpräzession

Ein Kreisel ist doch der Definition nach ein um eine Achse rotierender starrer unverformbarer Körper, der angeblich seinen Ursprung in einem Kinderspielzeug hatte.
Unter Mechanik fester Körper finde ich noch:
Bei den realen Festkörpern, die etwas verformbar sind (elastisch oder plastisch), kommt auch die Analyse von Schwingungen, Durchbiegungen und anderer Verformungen hinzu.
Das ist meiner Meinung nach unser Hubschrauberrotor, der selbstverständlich den Kreiselgesetzen unterliegt und nur wegen der Schwingungen, Durchbiegungen, von der 90° Verschiebung abweicht.
"Kreisel" ist für mich nur ein Wort was für mich für das Verstehen keine Bedeutung hat.

Gruß
Bruno

[Piloto]

AW: zyklische Blattverstellung vs. Kreiselpräzession

Anders betrachtet: Falls es sich bei der Steuerung eines Modellhubschraubers um eine Mischung von Kreiseffekt und Schwingungstheorie handelt, wie lässt sich folgende Praxiserfahrung erklären: Man lagere seinen Rotorkopf einmal sehr weich (weiche Dämpfungsgummis à la F3C-Abstimmung) und einmal sehr hart (F3N-mäßig). Die Flugerprobung zeigt, egal ob hart oder weich, gibt man einen Nickausschlag nach vorne, geht der Heli immer sauber nach vorne weg. Lediglich die Reaktion erfolgt träger bzw. agiler. Dasselbe gilt für unterschiedliche Rotordrehzahlen. Ein weich abgestimmter 90er Heli geht bei 1200 U/min wie auch jenseits von 2000 U/min immer sauber in die vorgegebene Richtung weg. Wie lassen sich diese Tatsachen mit der Mischtheorie aus Kreisel- und Schwingungseffekten vereinbaren?[/QUOTE]

Bei meinen schwereren Scale Modellen mit starrem Rotor trat hier schon eine Verschiebung auf. Elektronisch hatte ich sie immer auf ca. 85 Grad eingestellt, um beim Schweben und hochziehen zum Turn eine phasenrichtige Reaktion zu erhalten.

[Hazelnut]

AW: zyklische Blattverstellung vs. Kreiselpräzession

Nun wurde das ganze bisher nur auf den Hauptrotor bezogen - das Zusammenspiel mit dem Paddelrotor wurde noch nicht thematisiert. Ich habe versucht, das mal am Rotor meines Helis nachzuvollziehen.

So wie ich das sehe, führt eine Anstellwinkelveränderung am Paddelrotor erst nach 180° zu einer Wirkänderung am Hauprotor.

Der Paddelrotor wirkt ja erst nach 90° Phasenverschiebung auf den Hauptrotor, welcher dann seinerseits auch noch einmal 90° bis zur wirksamen Flugrichtungsänderung benötigt. Das gilt aber nur für den indirekten Steueranteil.

Der Direktanteil der Taumelscheibe ist bereits nach 90° am Hauprotor in eine Wirkung umgesetzt.

Liege ich da Eurer Meinung nach richtig?

[SIZE="1"]____________
Grüße, Stephan[/SIZE]

[K e v]

AW: zyklische Blattverstellung vs. Kreiselpräzession

Nun wurde das ganze bisher nur auf den Hauptrotor bezogen - das Zusammenspiel mit dem Paddelrotor wurde noch nicht thematisiert. Ich habe versucht, das mal am Rotor meines Helis nachzuvollziehen.

So wie ich das sehe, führt eine Anstellwinkelveränderung am Paddelrotor erst nach 180° zu einer Wirkänderung am Hauprotor.

Der Paddelrotor wirkt ja erst nach 90° Phasenverschiebung auf den Hauptrotor, welcher dann seinerseits auch noch einmal 90° bis zur wirksamen Flugrichtungsänderung benötigt. Das gilt aber nur für den indirekten Steueranteil.

Der Direktanteil der Taumelscheibe ist bereits nach 90° am Hauprotor in eine Wirkung umgesetzt.

Liege ich da Eurer Meinung nach richtig?
[SIZE="1"]____________
Grüße, Stephan[/SIZE]

Absolut richtig!

Der Paddelteil selbst hat 90 Grad Phasenverschiebung bis der maximale Ausschlagwinkel erreicht wird und gibt diesen an die Rotorblätter weiter die für sich wieder 90 Grad Phasenverschiebung aus genannten Gründen haben.
Der direkte Steueranteil wirkt, wie du beschreiben hast, mit 90 Grad Phasenverschiebung.


Gruß Kevin