Die Ausbildung zum Hubschrauberführer der NVA - ich hab's erlebt. Geschichte, Technik, Wissen

Die Luftschraube

Luftschraubenblatt

Die Luftschraube ist als ein rotierender Flügel zu betrachten. Zur Erklärung der aerodynamischen Verhältnisse wird ein Luftschrauben-Bezugselement herangezogen, das aus dem Profil des Blattes bei 70% des Abstandes von der Drehachse gebildet wird. Auf dieses Element beziehen sich die Betrachtungen.

Das Luftschraubenblatt bewegt sich gegenüber der umgebenden Luft. Durch die Drehung wird das Blatt mit einer Umfangsgeschwindigkeit angeströmt, die abhängig ist vom Abstand zur Drehachse; je größer der Abstand, desto größer die Umfangsgeschwindigkeit. Mit dem Abstand wächst daher auch der erzeugte Auftrieb, so dass dieser ungleichmäßig über die Blattlänge verteilt ist. Meist ist die Größe dieser Differenzen unerwünscht, so dass hier konstruktiv Einhalt geboten wird. Dazu existieren mehrere Möglichkeiten:

• Verringerung des Einstellwinkels zum Blattende hin (Verwindung)
• Verringerung der Wölbung des Profils
  entspricht einer generellen Verringerung des Auftriebsbeiwertes
• Verringerung der relevanten Fläche(Profiltiefe)

Kräfte am Luftschraubenblatt

Kräfte am Luftschraubenblatt

Die am Luftschraubenblatt entstehenden Kräfte treten ebenso wie an einem normalen Flügel als eine Gesamt-Luftkraft zutage. Für die aerodynamische Betrachtung wird die Luftkraft in die zwei interessierenden Vektoren zerlegt:

• Schubkraft

  entspricht dem Auftrieb am normalen Flügel und wird hier senkrecht zur Drehebene, also in Flugrichtung betrachtet. Die Gesamtschubkraft ist diejenige Kraft, die in ihrer Summierung über alle Blätter das Flugzeug in Flugrichtung bewegt.

• Widerstand

  Der Widerstand tritt hier als Drehwiderstand auf. Die Luft setzt der Blattbewegung in der Drehebene einen Widerstand entgegen, der überwunden werden muss.

Die Größe der Luftkraft bzw. ihrer Bestandteile Schub und Widerstand sind gemäß der Auftriebs- und Widerstandsformel zum einen vom Anstellwinkel (gemäß der Polare) und zum anderen von der Größe der Anströmgeschwindigkeit abhängig.

Winkel, Wege und Geschwindigkeiten an der Luftschraube

Beim Einsatz einer Luftschraube ist die Anströmung aus mehreren relevanten Geschwindigkeiten zusammengesetzt. Zu der existierenden Umfangsgeschwindigkeit u , deren Vektor in der Drehebene liegt, addiert sich auf jeden Fall eine Fluggeschwindigkeit v sowie die induzierte Geschwindigkeit. Die Überlagerung der Geschwindigkeiten ist nebenstehender Grafik dargestellt.

Geschwindigkeiten und Winkel an der Luftschraube

Geschwindigkeiten und Winkel an der Luftschraube

Am Blattprofil der Luftschraube ist ebenso wie an einem normalen Flügel der Einstellwinkel vorhanden - in diesem Falle der Winkel zwischen der Drehebene und der Profilsehne. Der für den eigentlichen Auftrieb, der jetzt Schub genannt wird, ausschlaggebende Anstellwinkel besteht auch an der Luftschraube zwischen der resultierenden Anströmgeschwindigkeit w und der Profilsehne.

Einfluss von Geschwindigkeiten auf die Luftschraubenkräfte

• Veränderung der Drehzahl

  

  Änderung der Drehzahl und Fluggeschwindigkeit-Auswirkungen auf die Luftschraube

  Anstellwinkeländerung nach DrehzahländerungDie Erhöhung der Dreh­zahl bedingt eine vergößerte Anströmge­schwindigkeit des Profils. Insgesamt führt dies zu zu einer Anstell­winkelerhöhung und damit zu einer Schub­krafterhöhung. Infolge des vergrößerten Schubes nimmt die Fluggeschwindigkeit zu.

• Veränderung der Fluggeschwindigkeit

  

  Änderung der Drehzahl und Fluggeschwindigkeit-Auswirkungen auf die Luftschraube

  Eine Erhöhung der Flug­geschwindigkeit ver­ringert den Anstell­winkel. Die darauf fol­gende Verringerung der Luftkraft vermindert der Schub, allerdings auch den Dreh iderstand. Wird das auf die (starre) Luft schraube über­tragene Drehmoment (Leistung) konstant gehalten, erhöht sich die Drehzahl wegen des geringeren Widerstandes selbständig.

Verstellluftschraube

Wirkungsgrad und -bereich der Luftschrauben

Die in den vorhergehenden Abschnitten dargestellten Verhältnisse beziehen sich großenteils auf eine klassische Luftschraube, auch als starre Luftschraube bezeichnet, bei der der Einstellwinkel konstant ist. Dieser kann nicht geändert werden. Damit ist die starre Luftschraube nur in einem engen Geschwindigkeitsbereich in der Lage, einen brauchbaren Schub zu liefern.

Zur Verbesserung des Verhaltens insbesondere in größeren Geschwindigkeitsbereichen setzt man im Allgemeinen Verstellluftschrauben ein. Bei diesen werden die Einstell winkel in Abhängigkeit von der Fluggeschwindigkeit geändert. In aller Regel geschieht dies heute automatisch, indem die Anströmung durch die Fluggeschwindigkeit einen beweglichen Teil der Luftschraubennabe beaufschlagt. Je nach Andruck (oder Drehung, indem diese als eigene "Windmühle" betrieben wird) wird über einen meistenteils autonomen Hydraulikmechanismus der Einstellwinkel vergrößert oder verringert.

Für die Kräftedarstellung äußert sich dies in einer Veränderung der Profilsehne. So wird auch deutlich, dass bei einer erhöhten Fluggeschwindigkeit der Einstellwinkel erhöht werden muss, damit der Anstellwinkel seine Größe beibehält und der unveränderte Schub geliefert wird. Der Wirkungsgrad der Verstellluftschraube ist damit in einem weiten Bereich besser als der einer starren.