Kreiselgesetz im Bereich des Rotors

[Micky Miranda]

Hallo Heli- Spezis

 

Nachdem in der letzten Zeit immer mehr von Helis die Rede ist, ich auch immer mehr Heli Piloten kennenlerne und überhaupt, sind mir letztens ein paar Zusammenhänge durch den Kopf geschossen, die ich mir einfach nicht ganz erklären kann:

 

Am Anfang steht das Kreiselgesetz, welches wie in der PPL- Theorie gelernt besagt, dass die Achse eines rotierender Körpers "Raumstabil" ist. Will man diese Achse verändern entstehen sogenannte Präzessionskräfte.

 

Wenn ich die Grundlagen der Physik richtig verstanden habe, gilt dies doch auch für den Rotor eines Helis, richtig?

 

Nun frage ich mich, wie sich das anfühlt, wenn man zwecks Geschwindigkeitsaufnahme, den Heli nach vorne neigt (Heck hoch, Nase runter). Werden hier die Präzessionskräfte durch den Piloten ausgeglichen oder sind die vernachlässigbar?

 

Zweitens frage ich mich, (und das ist der eigentlich Kernpunkt der Fragerei) wie das bei einer Landung in geneigtem Gelände aussieht, wenn der Heli nicht sauber "im Wasser" zu stehen kommen soll (sprich Waagerecht).

Wie bringt man den Rotor, bzw dessen Drehachse in die neue Lage, ohne dass unkontrollierte Kräfte auf den Heli, die Rotorwelle, den Mast, den Rotorkopf, etc. wirken? Oder anders gefragt, wie wird dies allenfalls ausgeglichen?

 

Anstoss für diese Gedanken war die Meldung, die letztens von jemandem gehört habe, dass die neuen REGA Helis (EC145?) ihre Gebirgstauglichkeit zertifiziert bekommen haben sollen. In diesem Zusammenhang habe ich mich gefragt, was denn die Gebirgstauglichkeit eines Helis begründet und bin auf die Landung im schrägem Gelände gestossen..... (Gedanken hat man manchmal vor dem Einschlafen:001: :D)

 

Freue mich auf interessante Antworten

 

Jimmy

[Ecureuil350]

Hallo Jimmy

 

Da hast ganz schön komplexe Fragen, welche mit einem Satz nicht erklärt sind.

 

Schau doch mal für's erste hier: http://www.hubschrauber.li/sogehts/aerodynamik/aerodyn.htm

 

Zur Präzessionskraft: Der Rotor kann, wie du es schon erkannt hast, als Kreisel betrachtet werden.

Man betrachte die Rotorkreisfläche von oben. Vorne in Flugrichtung 0° links 90° hinten 180° und rechts 270° - der Rotor dreht links herum (Jet Ranger).

 

Situation Vorwärtsflug:

dass das Rotoblatt bei 180° nach oben schlägt und somit sich die ganze Rotokreisfläche nach vorne neigt, muss der (Stick)-input eben wegen der Präzession 1/4 Umdrehung vorher, also bei 90°, gegeben werden.

 

Situation Kurvenflug oder seitliches Schweben:

die Steuerung um die Längsachse verhält sich ähnlich wie die um die Querachse. Drücken wir den Stick während eines Vorwärtsfluges nach links so erhält das Blatt hinten, also bei180°, seinen grössten Wert. Durch die Präzession erreicht das Blatt 90° später, also bei 270°, seinen höchsten Stand; die Rotorebene neigt sich nach links, der Heli geht in eine Linkskurve über. Drückt der Pilot im Schwebeflug den Stick nach links, so geht der Heli in einen seitlichen Taxiflug nach links über.

 

Am Samstag bin ich in Beromünster. Am besten schauen wir dies mal 1:1 am Heli an - die ganze Sache am Heli zu erklären ist um einiges einfacher als mit Worten. Oder noch besser, wir gehen mal zusammen fliegen!

 

Übrigens die Gebirgstauglichkeit hat nicht nur mit Landungen im schrägen Gelände zu tun. Auch im Flachland muss man oft im schrägen Gelände Personen absetzen. Das Verhalten der Performance in grossen Höhen, vorallem bei Zweimot (Turbinenausfall etc.) sind viel wichtigere Argumente. Dann kommt die ganze Flügelblatttheorie noch dazu. Z.B. wie verhält sich das Hochleistungsrotorblatt des EC-145 in geringer Luftdichte.

 

Das Landen im schrägen Gelände, bzw. Anstützen ist für den Heli bzw. für den Rotormast sehr anspruchsvoll. Auch dies zeige ich dir gerne mal in der Praxis.

 

Udo alias Flying Bull kann dazu (Gebirgstauglichkeit bei Zweimot) sicher noch einiges mehr schreiben.

 

O.k. Jimmy - melde dich mal in LSZO

 

En schöne Gruess

 

Bruno

[Micky Miranda]

Ciao Bruno

 

Vorerst mal heissen Dank!

Das mit der Präzession hab ich kapiert, ist eigentlich logisch, hätte ich selber darafu kommen müssen.....

 

dass das Landen oder Anstützen im schrägen Gelände anspruchsvoll sein muss, kann ich mir gut denken. das ist eigentlich der für mich auch "heissere" Teil der Frage. ich gehe mal davon aus, dass der ganzen Konstruktion vom Getriebebis zum Rotorkopf einiges an Biegemomenten zugemutet wird, da ja sich die Rotor- Drehachse nicht einfach mal eben so dem gelände anpasst (?). Wo werden diese Kräfte und Momente bei einem "Gebirgstauglichen" Heli "geschluckt" um Ermüdungsbrüche zu verhindern?

 

Auf Dein Angebot in Bero kome ich gerne zurück, allerdings nciht diesen Samstag (darf ich ein bisschen arbeiten, sofern man das arbeiten nennen kann ;)). Aber man sieht sich bestimmt sonst mal auf dem Flugplatz...

 

Gruess Jimmy

[vdg]

Ohne jetzt den Experten ins Wort zu fallen...

 

Die Entwicklung der letzten Jahrzehnte hat die Anzahl Einzelteile am Rotorkopf kontinuierlich sinken lassen. Die Schlag- und Schwenkbewegungen können heute durch die Materialien der Rotorblätter aufgenommen werden. Dadurch ist die Wartung entsprechend günstiger geworden.

 

Die "Anpassung ans Gelände" nimmst du ja selber mit der entsprechenden Einstellung am Cyclic vor. Deshalb ist es auch bei gewissen Neigungswinkeln (bzw. je nach Aussehen deiner momentanen W&B) Ende Feuer, weil du die Rotordrehebene nicht mehr soweit kippen kannst, dass der Auftrieb noch senkrecht nach oben zeigt und trotzdem der Heli schon stabil auf dem Gelände steht.

 

Noch ein Wort zur Materialermüdung:

Ich habe von jemanden gehört, dass bei der Bell47 die Gelenke am Rotorkopf alle 4 (!) Flugstunden geschmiert werden müssen. (INFO IST FALSCH. richtig ist:25h /vdg). Entsprechend werden auch diese Teile häufig gewechselt werden müssen. Die "elastischen" Rotorblätter kommen da also tatsächlich wie gerufen!

 

Wenn man aber an die Kräfte, die direkt auf das Rotorblatt wirken, denkt, hat mich der Verkaufsprospekt der Schweizer Armee betr den paar Alouette III sehr verblüfft. Da gibt es Rotorblätter, die schon 2'500 Flugstunden hinter sich haben!

[Jonimus]

Die Schlag- und Schwenkbewegungen können heute durch die Materialien der Rotorblätter aufgenommen werden.

 

Bei modernen, starren Rotorsystemen stimmt das absolut, aber der klassische Rotorkopf hat genau für diesen Zweck seine Gelenke, um die Biegemomente am Mast zu vermeiden. Nicht nur beim schiefen Starten und Landen, sondern auch beim Geradeausflug und bei bestimmten Manövern kann und wird sich die gesamte Rotorebene um einige Grade neigen. Beim Zweiblattrotor gibts dafür typischerweise ein einziges zentrales Gelenk (oberhalb der Rotorebene angeordnet), bei mehreren Rotorblättern geht das natürlich nicht mehr und da hat jedes Blatt ein eigenes Gelenk. Dadurch entsteht aber ein neues Problem, denn jedes Rotorblatt kann und wird sich nun unabhängig auf- oder abwärts bewegen. Ein Rotorblatt, dass nach oben oder unten zeigt, hat seinen Schwerpunkt näher am Drehpunkt und wird deshalb (Koriolisgesetz) etwas schneller drehen wollen. Das scheint vernachlässigbar, führt aber tatsächlich zu massiven Vibrationen, wenn nichts dageben unternommen wird. Darum brauchen solche Rotorköpfe zusätzliche Gelenke für kleine Bewegungen der Rotorblätter in der Rotationsebene.

 

Man kann die Neigemöglichkeit des laufenden Rotors schön am Boden zeigen, indem man den Cyclic (rechte Hand) bei unbelastetem Rotor kreisförmig bewegt und die Spitzen der Rotorblätter beobachtet. Die Rotorebene kann sich 10-20 cm neigen (= Gefahr bei Unachtsamkeit des Piloten und herumlaufenden Leuten!).

 

Beim klassischen Rotor steht der Kräftevektor immer in etwa rechtwinklig zur Rotationsebene und darum muss sich diese Ebene neigen können. Bei starren Rotorsystemen kann der Kräftevektor ohne Neigung der Rotationsebene bewegt werden (siehe Bemerkung oben von Walter), was besondere Kräfte erzeugt, die u.A. durch geeignete Materialien abgefangen werden müssen.

 

Heli-Aerodynamik und -Mechanik hat noch viele Überraschungen zu bieten! Man denke sich nur, da fliegen zwei Propeller völlig quer zu ihrer normalen Arbeitsweise durch die Luft - etwas asymmetrischeres gibt es ja wohl kaum auf dieser Welt, oder?

 

Heinz

[vdg]

...erinnert mich irgendwie an meine gestrige Theorie-Prüfung...

:D :D :D

[Micky Miranda]

Original geschrieben von vdg

Wenn man aber an die Kräfte, die direkt auf das Rotorblatt wirken, denkt, hat mich der Verkaufsprospekt der Schweizer Armee betr den paar Alouette III sehr verblüfft. Da gibt es Rotorblätter, die schon 2'500 Flugstunden hinter sich haben!

Moment mal; 2'500 Stunden ist viel? Wie oft müssen denn die sonst gewechselt werden?

 

Und: wenn ich mir das so überlege, dann ist mir eine Sache noch nicht ganz klar: durch die ganzen Kräfte, über die wir bisher gesprochen haben entstehen doch ziemlich heftige Biegemomente in der Welle, die vom Getriebe zum Rotor führt, nicht wahr?

Diese Kräfte müssen doch eigentlich auch im Getriebe zu Problemen führen (einseitige Belastung des Lager und der Getriebe- Bestandteile)?

 

Bei welcher Neigung liegt denn die Grenze (circa) bis zu welcher die ganzen Kräfte über die von Euch genannten Gelenke und flexiblen Rotorblätter kompensiert weredn können?

 

Gruess Jimmy

 

P.S: @Walter (vdg) und: bestanden? kann man gratulieren?

[Ecureuil350]

Jimmy schau mal unter diesem Link:

 

http://www.bellhelicopter.textron.com/CBU/aircraft/commercial/pdf/rz206B3_2004janb.pdf

 

Auf Seite 33 siehst du die Laufzeiten der einzelnen Komponenten. z.B. müssen MR und TR Blätter beim Jet Ranger nach 5000 Stunden ausgewechselt werden. (Preis MR Blätter rund 30'500 USD!!).

 

Mit Helis können im Durchschnitt höchstens Schräghanglandungen von bis zu 5° ausgeführt werden (je nach Heli, bzw. Rotorkopfsystem)

 

Gruss Bruno

[Jonimus]

Und: wenn ich mir das so überlege, dann ist mir eine Sache noch nicht ganz klar: durch die ganzen Kräfte, über die wir bisher gesprochen haben entstehen doch ziemlich heftige Biegemomente in der Welle, die vom Getriebe zum Rotor führt, nicht wahr?

 

Du scheinst dich irgendwie für Biegemomente zu interessieren - wolltest du mal Schlosser werden? So oder so, jetzt müsste eigentlich Papier und Bleistift her, um die Sache genauer zu erklären. Trotzdem ein Versuch, wiederum für den klassischen Rotor, nicht für starre Rotorsysteme. Es gibt zwei Fälle zu unterscheiden:

 

1. Im normalen Betrieb kann sich die Rotationsebene gegenüber der Antriebswelle neigen und diese Neigemöglichkeit verhindert genau die Kräfte, welche bei einer starren Verbindung (analog Vortriebspropeller an einem Flugzeug) auftreten würden. Durch diese Neigemöglichkeit "zieht" der Rotor nicht mehr gerade und es entstehen Kräfte, welche quer zur Antriebsachse sind und zu Biegemomenten führen. Bei kurzen Rotormasten dürfte das kaum problematisch sein, etwas anders bei hoch aufgehängten Rotoren, wie bei den Robinson R22 und R44. Beim R22 beispielsweise kann sich die Drehebene des Rotors um bis zu 12 Grad neigen, wodurch bis zu 21 % (tan(12°)) des Auftriebs quer am Mast zur Seite ziehen können. Das ist bei einer Mastlänge von ca. 1.4 m tatsächlich viel, wird aber durch konstruktive Massnahmen nicht alleine vom Lager des Getriebes gestützt.

 

2. Wenn der normale Bereich der Neigung (12° beim R22) überschritten ist, dann würgt der Rotor direkt am Anschlag oben am Mast und das ist für alle Beteiligten ziemlich ungesund. Die Kräfte werden spielend so gross, dass die Antriebswelle knickt oder abbricht - weitere Erklärungen erübrigen sich. Im Unfallbericht steht dann "Mast Bumping". Das ist in jedem Fall ein Betrieb ausserhalb der Limiten und somit meist ein Pilotenfehler.

 

Interessantes Detail aus obiger Rechnung: Wenn in Bodennähe nun durch eine Unachtsamkeit des Piloten, wie z.B. eine eingehängte Kuve oder ein ungeschickt durchgeführtes Schräghangmanöver, plötzlich 21 % des Gewichtes ganz oben zur Seite ziehen, dann geht es verdammt schnell, bis die ganze Sache auf der Seite liegt. Oft kann der Pilot nicht mehr schnell genug reagieren und der Unfallbericht spricht dann von "Dynamic Rollover".

 

Bei welcher Neigung liegt denn die Grenze (circa) bis zu welcher die ganzen Kräfte über die von Euch genannten Gelenke und flexiblen Rotorblätter kompensiert weredn können?

 

Wie gesagt, beim R22 sind es maximal 12°, bei starren Rotorsystemen vermutlich 0° (da kenne ich mich weniger aus). Interessant: Beim R22 liegt die Rotorebene in der Nähe von Vne um 5.3° schief. Das ist Normalbetrieb. Der Rotor ist vorne rechts (ca. 1 Uhr) am höchsten und hinten links am tiefsten.

 

Heinz

[Ecureuil350]

Heinz, deine Ausführungen sind sehr interessant. Woher hast du diesen Wert von 5.3° bei Vne? Die Neigung des Rotormastes kann vom liz. Helimechaniker auch verstellt werden, sodass der von dir angegebene sehr genaue Wert von 5.3° grundsätzlich nicht bei jedem R22 stimmt - oder gehe ich in der Annahme falsch?

 

Heinz, bring doch noch mehr solche Berechnungen - dies interessiert mich!

 

Gruss Bruno

[Jonimus]

Bruno,

 

der Jimmy hat mich mit den Biegemomenten heute völlig gestresst und da habe ich halt etwas geforscht. Die konkrete Zahl (5.33° bei 111 kts und 104 % RPM, bzw. 4.37° bei 90 kts sind es genau) habe ich in einem Messprotokoll von Robinson gesehen, dass einer NTSB-Untersuchung beilag (aber als vertraulich gekennzeichnet ist).

 

Sorry, ich habe mir das Dokument zwar ausgedruckt, aber die URL nicht gemerkt.

 

Wenn die Neigung des Mastes tatsächlich verstellt werden kann, dann hast du recht, wobei am R22 aber sehr wenig Luft zum Verstellen ist.

 

Andere Rechnungen? Welche?

 

Heinz

[Ecureuil350]

Heinz, ich wüsste sehr viele interessante Berechnungen. Aber Achtung: wenn man Resultate bzw. Fliehkräfte in Erfahrung bringt, dann fliegt man vermutlich nicht mehr Heli.

 

Z.B. in Sachen Zentrifugalkraft F= Masse x V2 / Radius.

 

Mit deinem Wert von bis zu 21% könnte man doch die Querfliehrkäfte am Rotormast berechnen - oder überhaupt eine allgemeine Frage, welche bestens zu unserer Diskussion passt: Was für Fliekräfte wirken auf die Nabe, wo der Rotor am Mast angebracht ist? (ich vermute es sind über 20 Tonnen bei einem Jet Ranger!)

 

Ich werde gelegentlich mal rechnen.

 

Viel Glück!

[Micky Miranda]

Hallo zusammen

 

@Heinz: Danke für die Nachforschungen, war sehr interessant, habe einiges gelernt!!

Übrigens: ich wollte nie Schlosser werden, ich war mal Mechaniker (nein, nicht Automech, sondern der gute alte Mechaniker, den es früher mal gegeben hat, der mit dem Bohren, Fräsen, Sägen, Schleifen, Drehen und so weiter, Metallbearbeitung meistens, in unserem Lehrbetrieb Hauptsächlich Chromnickelstahl, aller Varianten).....

 

@Bruno: auch DIr vielen Dank, ich konnte die Doks noch nicht sichten, werde die wahrscheinlich morgen in der Wartezeit währedn der Arbeit mal tun.

 

Gruess Jimmy, im Moment mit Informationen versorgt.....

[Jonimus]

Aber Achtung: wenn man Resultate bzw. Fliehkräfte in Erfahrung bringt, dann fliegt man vermutlich nicht mehr Heli.

 

Das ist was dran. Ein Heli ist ja sowas von Kompromissen und eleganter Asymmetrie - dass so ein Ding überhaupt fliegen kann...

 

Mit deinem Wert von bis zu 21% könnte man doch die Querfliehrkäfte am Rotormast berechnen

 

Das verstehe ich irgendwie nicht ganz. Die 21% sind die horizontale Komponente des Auftriebs bei maximal schräger Rotorebene am Beispiel des R22. Die Zentrifugalkräfte der Rotorblätter sind da nicht im Spiel.

 

Was für Fliekräfte wirken auf die Nabe, wo der Rotor am Mast angebracht ist? (ich vermute es sind über 20 Tonnen bei einem Jet Ranger!)

 

Das sind ohne Zweifel respektable Kräfte und die vielen Gelenke müssen das aushalten, und zwar nicht nur statisch, sondern auch dynamisch, weil jedes Gelenk bei jeder Umdrehung des Rotors bewegt wird.

 

Heinz