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Berechnung des Flügelauftriebs eines Drehflüglers durch mehrfache zweidimensionale Berechnung von Flügelschnitten mithilfe von JavaProp Gesamtprojekt: Hexakopter T. Kuentzle, U. Wahl T. Kuentzle , U. Wahl 1 GLIEDERUNG 1. Aufgabenstellung 2. Grundlagen 3. Berechnung nach der Strahltheorie 4. Versuch am Prüfstand 5. Simulation mit JavaProp 6. Vergleich und Fazit 7. Literatur/ Quellen T. Kuentzle , U. Wahl 2 1. Aufgabenstellung F&E- Projekt Hexakopter: • Konstruktion und Auslegung eines Hexakopters Versuchsplattform für Steuerungssoftware • Grundlagen (Literaturrecherche) • Ableitung der Geometrie des Rotorblatts Schnitte • Simulation mit JavaFoil (nicht möglich) JavaProp • Ergebnisse und Vergleich mit Berechnung und Prüfstand T. Kuentzle , U. Wahl 3 2.GRUNDLAGEN Strahltheorie Blattelementtheorie Eigene Berechnung Analytisch JavaProp Iterativ T. Kuentzle , U. Wahl 4 2.1 BERECHNUNG NACH STRAHLTHEORIE Idee: • Betrachtung eines Stromfadens • Unterteilung in 3 Ebenen • Idealer Rotor kreisförmiges Kontinuum • Druckdifferenz * Fläche Schubkraft • Vernachlässigung Verluste Leistungsbedarf Schwebeflug: 𝑷𝐑𝐨,𝐠𝐞𝐬,𝒊𝒅𝒆𝒂𝒍 𝐺 =G∗ 2 ∗ 𝜌 ∗ 𝐹𝐸1 Keine Auskunft über Geometrie und Verluste T. Kuentzle , U. Wahl 5 2.2 BLATTELEMENTMETHODE Idee: • Propellerblatt in Schnitte unterteilt (vgl. Flügelprofil) Element als Tragfläche • Schub eines Elements: f(Blattgeometrie, Anstellung, Anströmverhältnisse) • Schub über Elemente Integrale aller Kräfte an Blattelementen über Radius * Blattzahl T. Kuentzle , U. Wahl 6 3. EIGENE BERECHNUNG NACH STRAHLTHEORIE • Eigener Hexakopter 500𝑔 • 3 kg Abfluggewicht 𝑅𝑜𝑡𝑜𝑟 • 6x 10x5,5“ Propeller T. Kuentzle , U. Wahl 7 4.PRÜFSTAND 1-Hebelarm 2-Rotor 3-Waage 4-Spannungsmessung 5-Strommessung 6-Drehzahlmessung 7-Steuerung T. Kuentzle , U. Wahl 8 4.ERGEBNIS DER MESSUNGEN T. Kuentzle , U. Wahl 9 5. SIMULATION MIT JAVAFOIL • Erzeugen von Schnitten 7 Segmente/Profile • Ermitteln Koordinatentabelle • Importieren in JavaFoil Keine plausiblen Ergebnisse Mögliche Ursachen: • Profil zu dünn • JavaFoil für NACA- Profile ausgelegt Mathematisches Problem T. Kuentzle , U. Wahl 10 5. SIMULATION MIT JAVAPROP • Javabasierte Freeware von Martin Hepperle • Berechnung und Auslegung von Propellern mit Hilfe der Blattelementmethode T. Kuentzle , U. Wahl 11 5. SIMULATION - PARAMETRIERUNG + Angabe von Blattzahl B , Durchmesser D T. Kuentzle , U. Wahl 12 5. SIMULATION - ERGEBNISSE • Ausgabe von: T. Kuentzle , U. Wahl - Drehmoment - Leistung - Schub - Beiwerte 13 6. VERGLEICH – SIMULATION - PRÜFSTAND Schub gemessener Schub Schub Javaprop 25 Schub S [N] 20 15 10 5 0 0 2000 4000 6000 8000 10000 Drehzahl n [1/min] • Ähnlicher Verlauf rel. Abweichung max. 20 % • Ursachen: -JavaProp berücksichtigt keine Querströmung -Blattgeometrie unterscheidet sich von Realität Gegenseitige Bestätigung T. Kuentzle , U. Wahl 14 6. VERGLEICH- SIMULATION- STRAHLTHEORIE Leistung Leistung Strahltheorie Leistung Javaprop 700 600 Leistung [W] 500 400 300 200 100 0 0 2000 4000 6000 8000 10000 Drehzahl n [1/min] • Starke Abweichung zu Strahltheorie • Ursachen: - ST berechnet nur ideal Rotor - ST vernachlässigt alle Verluste T. Kuentzle , U. Wahl 15 6. VERGLEICH- SIMULATION- STRAHLTHEORIE Leistung Leistung Strahltheorie Leistung Javaprop Leistung Strahltheorie mit Wirkungsgrad 700 600 Leistung [W] 500 400 300 200 100 0 0 2000 4000 6000 8000 10000 Drehzahl n [1/min] • Starke Abweichung zu Strahltheorie • Ursachen: - ST berechnet nur ideal Rotor - ST vernachlässigt alle Verluste Strahltheorie nur in Verbindung mit Propeller- Wirkungsgrad T. Kuentzle , U. Wahl 16 7. FAZIT • Blattelementtheorie gute Annäherung an Realität • NACAJavaFoil PropellerJavaProp • Simulation und Prüfstandaufbau ermöglichen Motorauswahl • Abweichung durch Vernachlässigung der Querströmung • JavaProp besitzt kein vollständige Importfunktion für Propellergeometrie Geometrieunterschiede beeinflussen Ergebnis T. Kuentzle , U. Wahl 17 8. LITERATUR • Hepperle, Martin 2008: JavaProp Homepage URL:http://www.mh-aerotools.de/airfoils/javaprop.htm • Bittner Walter 2009: Flugmechnaik der Hubschrauber,Technologie, das flugdynamische SytemHubschrauber, Flugstabilitäten, Steuerbarkeit; 3. überarbeitete Auflage; 2009 Springer Verlag Berlin Heidelberg • Adkins, Charles N.;Liebeck, Robert H.:Design of Optimum Propellors; Journal OF Propulsion And Power; Vol10; No. 5 Sept-Oct. 1994 S.676-682 • Patrick Altschuh2012: Einführung in JavaFoil, HsKA 2012 • Wolfgang Kümmel 2007: Technische Strömungsmechanik, 3. überarbeitete AuflageTeubner, Wiesbaden, 2007 T. Kuentzle , U. Wahl 18 VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT NOCH FRAGEN? T. Kuentzle , U. Wahl 19 STRÖMUNGSFELD T. Kuentzle , U. Wahl 20