Die Position der Klingen. Sieben grundlegende Hubschrauberschemata. Vertikaler und horizontaler Windgenerator

Die Hauptrotorblätter eines Hubschraubers müssen so gebaut sein, dass sie unter Erzeugung der notwendigen Auftriebskraft allen auf sie einwirkenden Belastungen standhalten. Und sie hielten nicht nur stand, sondern hatten auch einen Sicherheitsspielraum für alle möglichen unvorhergesehenen Fälle, die im Flug und bei der Wartung des Hubschraubers am Boden auftreten können (z. B. ein starker Windstoß, ein Aufwind). , ein scharfes Manöver, Vereisung der Blätter, unsachgemäßes Hochdrehen des Propellers nach dem Start des Motors usw.).

Einer der Entwurfsmodi für die Auswahl des Hauptrotors eines Hubschraubers ist der Modus des vertikalen Steigens in jeder für die Berechnung gewählten Höhe. In diesem Modus ist aufgrund der fehlenden Translationsgeschwindigkeit in der Rotationsebene des Propellers die erforderliche Leistung groß.

Nachdem sie das ungefähre Gewicht des zu entwerfenden Hubschraubers kennen und die Nutzlast festlegen, die der Hubschrauber heben muss, beginnen sie mit der Auswahl des Propellers. Die Auswahl des Propellers reduziert sich darauf, einen solchen Durchmesser des Propellers und eine solche Anzahl seiner Umdrehungen pro Minute zu wählen, bei der die berechnete Last mit dem geringsten Kraftaufwand vom Propeller senkrecht nach oben gehoben werden könnte.

Gleichzeitig ist bekannt, dass der Schub des Hauptrotors proportional zur vierten Potenz seines Durchmessers und nur zur zweiten Potenz der Drehzahl ist, d. h. der vom Hauptrotor entwickelte Schub hängt stärker davon ab Durchmesser als auf der Anzahl der Umdrehungen. Daher ist es einfacher, einen bestimmten Schub durch Vergrößerung des Durchmessers zu erreichen, als durch Erhöhung der Drehzahl. Wenn wir beispielsweise den Durchmesser um das Zweifache vergrößern, erhalten wir 24 = 16-mal mehr Schub, und wenn wir die Anzahl der Umdrehungen verdoppeln, erhalten wir nur 22 = 4-mal mehr Schub.

Nachdem Sie die Leistung des Motors kennen, der zum Antrieb des Hauptrotors in den Hubschrauber eingebaut wird, wählen Sie zunächst den Durchmesser des Hauptrotors aus. Dabei wird folgendes Verhältnis verwendet:

Das Hauptrotorblatt arbeitet unter sehr schwierigen Bedingungen. Auf ihn wirken aerodynamische Kräfte, die ihn verbiegen, verdrehen, zerreißen und dazu neigen, die Haut davon abzureißen. Um einer solchen Einwirkung aerodynamischer Kräfte „widerstehen“ zu können, muss das Blatt stark genug sein.

Beim Fliegen bei Regen, Schnee oder Wolken unter Vereisungsbedingungen ist die Bedienung des Rotorblatts noch komplizierter. Regentropfen, die mit enormer Geschwindigkeit auf die Klinge fallen, reißen die Farbe davon ab. Bei Vereisung der Rotorblätter bilden sich Eiswucherungen, die das Profil verzerren, die Schlagbewegung behindern und das Gewicht erhöhen. Wenn ein Hubschrauber am Boden gelagert wird, können starke Temperatur-, Feuchtigkeits- und Sonneneinstrahlungsschwankungen das Rotorblatt zerstören.

Das bedeutet, dass die Klinge nicht nur stark sein muss, sondern auch immun gegen den Einfluss der äußeren Umgebung sein muss. Aber wenn nur das! Dann könnte die Klinge ganz aus Metall gefertigt und mit einer Korrosionsschutzschicht überzogen werden, und das Problem wäre gelöst.

Aber es gibt noch eine weitere Anforderung: Die Klinge muss außerdem leicht sein. Daher wird es hohl gemacht. Als Grundlage für die Gestaltung der Klinge dient ein Metallholm, meist ein Stahlrohr mit variablem Querschnitt, dessen Fläche von der Wurzel zur Wurzel hin allmählich oder stufenweise abnimmt Ende der Klinge.

Der Holm als Hauptlängskraftelement der Klinge nimmt die Schnittkräfte und das Biegemoment auf. In dieser Hinsicht ähnelt die Funktionsweise eines Blattholms der eines Flugzeugflügelholms. Auf den Holm der Rotorblätter wirken jedoch durch die Drehung des Propellers immer noch Zentrifugalkräfte, was beim Flügelholm des Flugzeugs nicht der Fall ist. Unter Einwirkung dieser Kräfte wird der Holm des Blattes auf Zug beansprucht.

An den Holm sind Stahlflansche angeschweißt oder angenietet, um den Querkraftsatz – die Rippen der Klinge – zu befestigen. Jede Rippe, die aus Metall oder Holz sein kann, besteht aus Wänden und Regalen. Die Metallummantelung wird auf die Metallregale geklebt oder geschweißt, und die Ummantelung aus Sperrholz oder Segeltuch wird auf die Holzregale geklebt, oder die Ummantelung aus Sperrholz wird an die Spitze geklebt und die Leinenummantelung wird an das Ende genäht, wie gezeigt. Im vorderen Teil des Profils werden die Rippenflansche am vorderen Stringer und im hinteren Teil am hinteren Stringer befestigt. Stringer dienen als zusätzliche Längskraftelemente.

Die Haut, die die Rippenplatten bedeckt, bildet in jedem ihrer Abschnitte das Profil der Klinge. Am leichtesten ist die Leinenummantelung. Um jedoch eine Verformung des Profils durch Durchbiegung der Gewebeummantelung in den Bereichen zwischen den Rippen zu vermeiden, müssen die Rippen des Blattes sehr oft im Abstand von ca. 5-6 cm angebracht werden, was das Blatt schwerer macht . Die Oberfläche des Blattes mit einer schlecht gedehnten Stoffummantelung sieht gerippt aus und weist geringe aerodynamische Eigenschaften auf, da der Luftwiderstand hoch ist. Während einer Umdrehung ändert sich das Profil eines solchen Blattes, was zum Auftreten zusätzlicher Vibrationen des Hubschraubers beiträgt. Daher ist die Leinenummantelung mit Spinnlösung imprägniert, die beim Trocknen die Leinwand stark dehnt.

Bei der Herstellung von Sperrholzummantelungen erhöht sich die Steifigkeit der Klinge und der Abstand zwischen den Rippen kann im Vergleich zu mit Leinwand bespannten Klingen um den Faktor 2,5 vergrößert werden. Um den Luftwiderstand zu verringern, ist die Oberfläche des Sperrholzes glatt bearbeitet und poliert.

Gute aerodynamische Formen und hohe Festigkeit können erreicht werden, wenn ein hohles Ganzmetallblatt hergestellt wird. Die Schwierigkeit seiner Herstellung liegt in der Herstellung eines variablen Querschnitts des Holms, der den Profilbogen bildet. Der hintere Teil des Blattprofils besteht aus einer Blechummantelung, die mit den Vorderkanten bündig mit dem Holm verschweißt ist, und die Hinterkanten sind miteinander vernietet.

Das Profil des Hubschrauberpropellerblatts ist so gewählt, dass mit zunehmendem Anstellwinkel der Strömungsabriss bei möglichst hohen Anstellwinkeln auftritt. Dies ist notwendig, um einen Strömungsabriss an der sich zurückziehenden Schaufel zu vermeiden, wo die Anstellwinkel besonders groß sind. Um Vibrationen zu vermeiden, muss das Profil außerdem so gewählt werden, dass sich bei einer Änderung des Anstellwinkels die Lage des Druckschwerpunkts nicht ändert.

Ein sehr wichtiger Faktor für die Festigkeit und Funktion der Klinge ist die relative Lage des Druckzentrums und des Profilschwerpunkts. Tatsache ist, dass die Klinge durch die kombinierte Wirkung von Biegung und Torsion einer selbsterregten Vibration ausgesetzt ist, d. h. einer Vibration mit immer größerer Amplitude (Flattern). Um Vibrationen zu vermeiden, muss das Blatt relativ zur Sehne ausbalanciert sein, d. h. es muss eine solche Lage des Schwerpunkts auf der Sehne gewährleistet sein, dass eine Selbstverstärkung der Vibration ausgeschlossen ist. Die Aufgabe des Auswuchtens besteht darin, sicherzustellen, dass der Schwerpunkt des Profils der konstruierten Schaufel vor dem Druckmittelpunkt liegt.

Berücksichtigt man weiterhin die rauen Einsatzbedingungen des Hauptrotorblatts, so ist zu beachten, dass Schäden an der Holzummantelung des Rotorblatts durch Regentropfen verhindert werden können, wenn entlang der Vorderkante eine Blechkante verstärkt wird.

Der Kampf gegen die Vereisung der Rotorblätter ist eine schwierigere Aufgabe. Wenn Vereisungen im Flug wie Rauhreif und Raureif keine große Gefahr für einen Hubschrauber darstellen, dann lagert sich Glaseis, das sich allmählich und unmerklich, aber äußerst fest auf dem Blatt ansammelt, zu einer Beschwerung des Blattes, einer Verformung seines Profils usw. an Dies führt letztendlich zu einem Rückgang der Auftriebskraft, was zu einem starken Verlust der Steuerbarkeit und Stabilität des Hubschraubers führt.

Die einst bestehende Theorie, dass das Eis im Flug durch die Schlagbewegung der Rotorblätter abbrechen würde, erwies sich als unhaltbar. Die Vereisung der Klinge beginnt zunächst im Wurzelbereich, wo die Biegung der Klinge während ihrer Schlagbewegung gering ist. In Zukunft beginnt sich die Eisschicht zum Ende der Klinge hin immer weiter auszubreiten und verschwindet allmählich. Es gibt Fälle, in denen die Eisdicke am Wurzelteil 6 mm und am Ende der Klinge 2 mm erreichte.

Eisbildung kann auf zwei Arten verhindert werden.

Erster Weg- Hierbei handelt es sich um eine gründliche Untersuchung der Wettervorhersage im Fluggebiet, unter Umgehung der auf dem Weg auftretenden Wolken und Änderung der Flughöhe, um der Vereisung zu entkommen, Abbruch des Fluges usw.

Zweiter Weg- Hierbei handelt es sich um die Ausstattung der Rotorblätter mit Vereisungsschutzvorrichtungen.

Eine Reihe dieser Vorrichtungen für Hubschrauberblätter sind bekannt. Um Eis von den Rotorblättern zu entfernen,

Es sollte ein alkoholisches Enteisungsmittel aufgetragen werden, das Alkohol auf die Vorderkante des Propellers sprüht. Letzteres senkt beim Mischen mit Wasser den Gefrierpunkt und verhindert die Eisbildung.

Das Abplatzen von Eis von den Propellerblättern kann durch Luft erfolgen, die in eine Gummikammer eingeblasen wird, die entlang der Vorderkante des Hauptrotors angeordnet ist. Die Aufblaskammer durchdringt die Eiskruste, deren einzelne Stücke dann von der anströmenden Luft von den Propellerblättern weggeschwemmt werden.

Wenn die Vorderkante des Propellerblatts aus Metall besteht, kann sie entweder durch Elektrizität oder durch warme Luft erwärmt werden, die durch eine entlang der Vorderkante des Rotors verlaufende Rohrleitung geleitet wird.

Die Zukunft wird zeigen, welche dieser Methoden weiter verbreitet sein werden.

Für die aerodynamischen Eigenschaften des Hauptrotors sind die Anzahl der Hauptrotorblätter und die spezifische Belastung der vom Propeller überstrichenen Fläche von großer Bedeutung. Theoretisch kann die Anzahl der Propellerblätter beliebig sein, von einer unendlich großen Anzahl bis hin zu einer so großen Anzahl, dass sie schließlich zu einer Spiralfläche verschmelzen, wie es im Projekt von Leonardo da Vinci oder im Hubschrauber-Fahrrad von I. Bykov angenommen wurde.

Es gibt jedoch einige sehr vorteilhafte Klingenanzahlen. Die Anzahl der Blätter sollte nicht weniger als drei betragen, da bei zwei Blättern große Unwuchtkräfte und Schwankungen im Propellerschub auftreten. Die Änderung des Hauptrotorschubs wird bei Einblatt- und Zweiblattpropellern um den Mittelwert während einer Rotorumdrehung dargestellt. Der Dreiblattpropeller behält bereits während der gesamten Umdrehung praktisch den durchschnittlichen Schubwert bei.

Auch die Anzahl der Propellerblätter sollte nicht sehr groß sein, da in diesem Fall jedes Blatt in einer durch das vorherige Blatt gestörten Strömung arbeitet, was den Wirkungsgrad des Hauptrotors verringert.

Je mehr Propellerblätter vorhanden sind, desto größer ist der Anteil der überstrichenen Scheibenfläche, den sie einnehmen. In die Theorie des Hubschrauberrotors wurde das Konzept des Füllfaktors o eingeführt, der als Verhältnis der Gesamtfläche berechnet wird

Für die Auslegungsbetriebsart des Hauptrotors des Hubschraubers (Steilanstieg) beträgt der günstigste Wert des Füllfaktors 0,05–0,08 (Durchschnittswert 0,065).

Diese Belastung ist durchschnittlich. Eine kleine Ladung ist eine Ladung im Bereich von 9-12 kg/m2. Hubschrauber mit einer solchen Belastung sind wendig und haben eine hohe Reisegeschwindigkeit.

Mehrzweckhubschrauber haben eine durchschnittliche Belastung von 12 bis 20 kg/m2. Und schließlich ist eine große Last, die selten verwendet wird, eine Last von 20 bis 30 kg/m2.

Tatsache ist, dass zwar eine hohe spezifische Belastung der überstrichenen Fläche eine große Nutzlast des Hubschraubers bereitstellt, im Falle eines Triebwerksausfalls ein solcher Hubschrauber jedoch im Selbstrotationsmodus schnell abnimmt, was seitdem inakzeptabel ist Fall wird die Sicherheit des Abstiegs verletzt.

In der Welt der Hubschraubertechnologie haben in letzter Zeit mehrere bedeutende Ereignisse stattgefunden. Das amerikanische Unternehmen Kaman Aerospace kündigte seine Absicht an, die Produktion von Synchroptern wieder aufzunehmen, Airbus Helicopters versprach, den ersten zivilen Hubschrauber mit elektrischer Fernbedienung zu entwickeln, und das deutsche Unternehmen e-volo – einen zweisitzigen Multikopter mit 18 Rotoren zu testen. Um bei all dieser Vielfalt nicht verwirrt zu werden, haben wir uns entschieden, ein kurzes Bildungsprogramm zu den Grundprinzipien der Hubschraubertechnik zu erstellen.

Die Idee eines Flugzeugs mit Rotor tauchte erstmals um 400 n. Chr. in China auf, doch über die Schaffung eines Kinderspielzeugs hinaus kam es nicht. Ende des 19. Jahrhunderts begannen Ingenieure ernsthaft mit der Entwicklung eines Hubschraubers, und der erste Vertikalflug eines neuen Flugzeugtyps fand 1907 statt, nur vier Jahre nach dem Erstflug der Gebrüder Wright. Im Jahr 1922 testete der Flugzeugkonstrukteur Georgy Botezat einen Quadrocopter-Hubschrauber, der für die US-Armee entwickelt wurde. Es war der erste nachhaltig kontrollierte Flug dieser Art von Ausrüstung in der Geschichte. Der Quadrocopter Botezata schaffte es, eine Höhe von fünf Metern zu erreichen und verbrachte mehrere Minuten im Flug.

Seitdem hat die Hubschraubertechnologie viele Veränderungen erfahren. Es entstand eine Klasse von Drehflügelflugzeugen, die heute in fünf Typen unterteilt wird: Tragschrauber, Hubschrauber, Drehflügler, Tiltrotor und X-Wing. Sie alle unterscheiden sich in Design, Start- und Flugmethoden sowie Rotorsteuerung. In diesem Material haben wir uns entschieden, speziell über Hubschrauber und ihre Haupttypen zu sprechen. Dabei wurde die Klassifizierung nach Anordnung und Lage der Rotoren zugrunde gelegt und nicht die herkömmliche – nach der Art der Kompensation des Blinddrehmoments des Rotors.

Ein Hubschrauber ist ein Drehflügler, bei dem die Auftriebs- und Vortriebskräfte durch einen oder mehrere Hauptrotoren erzeugt werden. Solche Propeller sind parallel zum Boden und ihre Blätter sind in einem bestimmten Winkel zur Rotationsebene eingestellt, und der Installationswinkel kann in einem ziemlich weiten Bereich variieren – von null bis 30 Grad. Das Einstellen der Blätter auf Null Grad wird Leerlaufpropeller oder Auslaufen genannt. In diesem Fall erzeugt der Rotor keinen Auftrieb.

Während der Drehung fangen die Blätter Luft ein und stoßen sie in die entgegengesetzte Richtung zur Bewegung des Propellers aus. Dadurch entsteht vor der Schnecke eine Zone mit vermindertem Druck und dahinter eine Zone mit erhöhtem Druck. Bei einem Hubschrauber entsteht dadurch ein Auftrieb, der dem Auftrieb eines Starrflügels eines Flugzeugs sehr ähnlich ist. Je größer der Einbauwinkel der Rotorblätter ist, desto größer ist die vom Hauptrotor erzeugte Auftriebskraft.

Die Eigenschaften des Hauptrotors werden durch zwei Hauptparameter bestimmt – Durchmesser und Steigung. Der Durchmesser des Propellers bestimmt die Start- und Landefähigkeit des Hubschraubers und teilweise auch den Auftrieb. Die Propellersteigung ist die imaginäre Distanz, die ein Propeller in einem inkompressiblen Medium bei einem bestimmten Blattwinkel bei einer Umdrehung zurücklegt. Letzterer Parameter beeinflusst den Auftrieb und die Rotorgeschwindigkeit, die die Piloten versuchen, während des größten Teils des Fluges unverändert zu lassen und nur den Winkel der Rotorblätter zu ändern.

Wenn der Helikopter vorwärts fliegt und sich der Hauptrotor im Uhrzeigersinn dreht, wirkt sich der einströmende Luftstrom stärker auf die Rotorblätter auf der linken Seite aus, was deren Effizienz erhöht. Dadurch erzeugt die linke Hälfte des Rotationskreises des Propellers mehr Auftrieb als die rechte Hälfte und es entsteht ein Krängungsmoment. Um dies zu kompensieren, haben die Konstrukteure ein spezielles System entwickelt, das den Installationswinkel der Blätter auf der linken Seite verringert und auf der rechten Seite vergrößert und so die Auftriebskraft auf beiden Seiten des Propellers ausgleicht.

Generell hat der Helikopter gegenüber dem Flugzeug mehrere Vor- und Nachteile. Zu den Vorteilen gehört die Möglichkeit des vertikalen Starts und der Landung auf Plattformen, deren Durchmesser das Eineinhalbfache des Durchmessers des Hauptrotors beträgt. Gleichzeitig kann der Helikopter an einer Außenschlinge sperrige Ladung transportieren. Hubschrauber zeichnen sich außerdem durch eine bessere Manövrierfähigkeit aus, da sie vertikal hängen, seitwärts oder rückwärts fliegen und sich auf der Stelle drehen können.

Zu den Nachteilen zählen ein höherer Treibstoffverbrauch als bei Flugzeugen, eine bessere Infrarotsichtbarkeit aufgrund der heißen Abgase des Triebwerks bzw. der Triebwerke sowie ein erhöhter Lärm. Darüber hinaus ist der Helikopter insgesamt aufgrund einer Reihe von Merkmalen schwieriger zu steuern. Hubschrauberpiloten sind beispielsweise mit den Phänomenen Erdresonanz, Flattern, Wirbelring und dem Effekt der Rotorblockierung vertraut. Diese Faktoren können dazu führen, dass die Maschine kaputt geht oder herunterfällt.

Hubschrauberausrüstung aller Schemata verfügt über einen Autorotationsmodus. Es gehört zum Notfallmodus. Dies bedeutet, dass bei einem Ausfall beispielsweise des Motors der Hauptrotor oder die Propeller mit Hilfe einer Überholkupplung vom Getriebe getrennt werden und durch den entgegenkommenden Luftstrom frei zu rotieren beginnen, wodurch der Abfall verlangsamt wird die Maschine aus großer Höhe. Im Autorotationsmodus ist eine kontrollierte Notlandung des Hubschraubers möglich und der rotierende Hauptrotor dreht über das Getriebe den Heckrotor und den Generator weiter.

Klassisches Schema

Von allen Arten von Helikopterprogrammen ist heute das klassische das gebräuchlichste. Bei diesem Schema verfügt die Maschine nur über einen Hauptrotor, der von einem, zwei oder sogar drei Motoren angetrieben werden kann. Zu diesem Typ gehören beispielsweise die Streikflugzeuge AH-64E Guardian, AH-1Z Viper, Mi-28N, Kampftransportflugzeuge Mi-24 und Mi-35, Transportflugzeuge Mi-26, Mehrzweckflugzeuge UH-60L Black Hawk und Mi-17 sowie leichte Bell 407 und Robinson R22.

Wenn sich der Hauptrotor bei Hubschraubern des klassischen Schemas dreht, entsteht ein Reaktionsmoment, durch das sich der Maschinenkörper entgegen der Drehung des Rotors zu drehen beginnt. Um das Moment auszugleichen, wird eine Lenkvorrichtung am Heckausleger verwendet. In der Regel handelt es sich dabei um einen Heckrotor, es kann sich aber auch um ein Fenestron (eine Schraube in einer ringförmigen Verkleidung) oder mehrere Luftdüsen am Heckausleger handeln.

Ein Merkmal des klassischen Schemas sind Querverbindungen in den Steuerkanälen, die auf die Tatsache zurückzuführen sind, dass der Heckrotor und der Träger von demselben Motor angetrieben werden, sowie auf das Vorhandensein einer Taumelscheibe und vieler anderer Subsysteme, die für die Leistungssteuerung verantwortlich sind Anlage und Rotoren. Kreuzkopplung bedeutet, dass sich bei jeder Änderung eines Parameters des Propellerbetriebs auch alle anderen ändern. Beispielsweise erhöht sich bei einer Erhöhung der Drehzahl des Hauptrotors auch die Drehzahl des Heckrotors.

Die Flugsteuerung erfolgt durch Kippen der Drehachse des Hauptrotors: vorwärts – das Auto fliegt vorwärts, rückwärts – rückwärts, seitwärts – seitwärts. Beim Kippen der Drehachse entsteht eine Antriebskraft und die Hubkraft nimmt ab. Aus diesem Grund muss der Pilot zur Aufrechterhaltung der Flughöhe auch den Winkel der Rotorblätter verändern. Die Flugrichtung wird durch Änderung der Steigung des Heckrotors eingestellt: Je kleiner diese ist, desto geringer wird das Reaktionsmoment kompensiert und der Hubschrauber dreht sich in die entgegengesetzte Richtung zur Drehung des Hauptrotors. Umgekehrt.

Bei modernen Hubschraubern erfolgt die horizontale Flugsteuerung in den meisten Fällen über eine Taumelscheibe. Um sich beispielsweise vorwärts zu bewegen, verringert der Pilot mithilfe einer automatischen Maschine den Installationswinkel der Blätter für die vordere Hälfte der Rotationsebene des Flügels und erhöht ihn für die Rückseite. Dadurch nimmt der hintere Auftrieb zu und der vordere ab, wodurch sich die Neigung der Schraube ändert und eine Antriebskraft entsteht. Dieses Flugsteuerungsschema wird bei allen Hubschraubern fast aller Typen eingesetzt, sofern diese mit einer Taumelscheibe ausgestattet sind.

Koaxiales Schema

Das zweithäufigste Hubschrauberschema ist das Koaxialmodell. Es gibt keinen Heckrotor, aber zwei Rotoren – einen oberen und einen unteren. Sie liegen auf derselben Achse und drehen sich synchron in entgegengesetzte Richtungen. Dank dieser Lösung kompensieren die Schrauben das Reaktionsmoment und die Maschine selbst erweist sich im Vergleich zum klassischen Schema als etwas stabiler. Darüber hinaus gibt es bei Koaxialhubschraubern praktisch keine Querverbindungen in den Steuerkanälen.

Der bekannteste Hersteller von Koaxialhubschraubern ist das russische Unternehmen Kamov. Das Unternehmen produziert Mehrzweck-Schiffshubschrauber vom Typ Ka-27, Kampfhubschrauber vom Typ Ka-52 und Transporthubschrauber vom Typ Ka-226. Alle haben zwei Schrauben, die auf derselben Achse untereinander liegen. Maschinen des Koaxialschemas sind im Gegensatz zu den Hubschraubern des klassischen Schemas beispielsweise in der Lage, einen Trichter zu bilden, das heißt, das Ziel im Kreis zu umfliegen und dabei den gleichen Abstand zu ihm einzuhalten. In diesem Fall bleibt der Bogen immer auf das Ziel gerichtet. Die Gierkontrolle erfolgt durch Abbremsen eines der Rotoren.

Generell sind Koaxialhelikopter etwas einfacher zu steuern als herkömmliche Helikopter, insbesondere im Schwebemodus. Es gibt aber auch einige Besonderheiten. Beispielsweise kann es beim Durchführen eines Loopings im Flug zu einer Überlappung der Blätter des unteren und oberen Hauptrotors kommen. Darüber hinaus ist die Koaxialschaltung in Design und Herstellung komplexer und teurer als die klassische Schaltung. Insbesondere wegen des Getriebes, das die Drehung der Motorwelle auf die Propeller überträgt, sowie der Taumelscheibe, die gleichzeitig den Winkel der Blätter an den Propellern einstellt.

Längs- und Querschemata

Am drittbeliebtesten ist die Längsanordnung der Rotoren des Hubschraubers. In diesem Fall sind die Propeller auf verschiedenen Achsen parallel zum Boden und voneinander beabstandet angeordnet – einer befindet sich über der Nase des Hubschraubers und der andere über dem Heck. Ein typischer Vertreter eines solchen Schemas ist der amerikanische Schwertransporthubschrauber CH-47G Chinook und seine Modifikationen. Befinden sich die Propeller an den Flügelspitzen des Hubschraubers, wird ein solches Schema als Querpropeller bezeichnet.

Serienmäßige Vertreter von Querhubschraubern gibt es heute nicht mehr. In den 1960er und 1970er Jahren entwickelte das Mil-Konstruktionsbüro den Schwerlasthubschrauber V-12 (auch bekannt als Mi-12, obwohl dieser Index falsch ist) in Querbauweise. Im August 1969 stellte der B-12-Prototyp einen Nutzlastrekord unter Hubschraubern auf, indem er eine 44,2 Tonnen schwere Last auf eine Höhe von 2,2 Tausend Metern hob. Zum Vergleich: Der schwerste Hubschrauber der Welt, Mi-26 (klassisches Schema), kann Lasten mit einem Gewicht von bis zu 20 Tonnen und der amerikanische CH-47F (Längsschema) mit einem Gewicht von bis zu 12,7 Tonnen heben.

Bei Längshubschraubern drehen sich die Rotoren gegenläufig, was die Reaktionsmomente jedoch nur teilweise kompensiert, weshalb die Piloten mit der entstehenden Seitenkraft rechnen müssen, die das Auto im Flug vom Kurs abbringt. Die Bewegung zu den Seiten wird nicht nur durch die Neigung der Drehachse der Rotoren, sondern auch durch unterschiedliche Einbauwinkel der Rotorblätter bestimmt, und das Gieren wird durch Änderung der Drehzahl der Rotoren gesteuert. Der hintere Rotor von Längshubschraubern liegt immer etwas höher als der vordere. Dies geschieht, um eine gegenseitige Beeinflussung durch ihre Luftströmungen auszuschließen.

Darüber hinaus kann es bei bestimmten Fluggeschwindigkeiten des Hubschraubers in Längsrichtung zum Teil zu erheblichen Vibrationen kommen. Schließlich sind Längshubschrauber mit einem komplexen Getriebe ausgestattet. Aus diesem Grund ist diese Schraubenanordnung nicht sehr verbreitet. Aber Hubschrauber des Längsschemas sind weniger anfällig für das Auftreten eines Wirbelrings als andere Maschinen. Dabei werden beim Sinkflug die vom Propeller erzeugten Luftströme vom Boden nach oben reflektiert, vom Propeller gebündelt und wieder nach unten gerichtet. In diesem Fall nimmt die Auftriebskraft des Hauptrotors stark ab und eine Änderung der Rotordrehzahl oder eine Vergrößerung des Schaufeleinstellwinkels hat praktisch keine Auswirkung.

Synchropter

Nach dem Synchropter-Schema gebaute Hubschrauber zählen heute aus konstruktiver Sicht zu den seltensten und interessantesten Maschinen. Bis 2003 war nur das amerikanische Unternehmen Kaman Aerospace an ihrer Produktion beteiligt. Im Jahr 2017 plant das Unternehmen, die Produktion solcher Maschinen unter der Bezeichnung K-Max wieder aufzunehmen. Synchropter könnten als Querhubschrauber klassifiziert werden, da sich die Wellen ihrer beiden Propeller an den Seiten des Rumpfes befinden. Allerdings stehen die Drehachsen dieser Schrauben in einem Winkel zueinander und die Drehebenen schneiden sich.

Synchropter haben wie Koaxial-, Längs- und Querhubschrauber keinen Heckrotor. Die Rotoren drehen sich synchron gegenläufig und ihre Wellen sind durch ein starres mechanisches System miteinander verbunden. Dadurch wird garantiert verhindert, dass die Blätter in verschiedenen Modi und Fluggeschwindigkeiten kollidieren. Synchropter wurden erstmals im Zweiten Weltkrieg von den Deutschen erfunden, die Massenproduktion erfolgt jedoch bereits seit 1945 in den USA durch Kaman.

Die Flugrichtung des Synchropters wird ausschließlich durch die Änderung der Steigung der Propellerblätter gesteuert. Gleichzeitig kommt es aufgrund der Kreuzung der Rotationsebenen der Propeller, was die Addition von Auftriebskräften an den Kreuzungsstellen bedeutet, zu einem Moment des Nickens, also des Anhebens des Bugs. Dieser Moment wird durch die Steuerung ausgeglichen. Generell geht man davon aus, dass der Synchropter im Schwebemodus und bei Geschwindigkeiten über 60 Kilometer pro Stunde leichter zu steuern ist.

Zu den Vorteilen solcher Hubschrauber zählen die Kraftstoffeinsparung durch den Verzicht auf den Heckrotor und die Möglichkeit einer kompakteren Anordnung der Einheiten. Darüber hinaus zeichnen sich Synchropter durch die meisten positiven Eigenschaften von Koaxialhubschraubern aus. Zu den Nachteilen gehört die außerordentliche Komplexität der mechanisch starren Verbindung der Propellerwellen und der Steuerung der Taumelscheiben. Im Allgemeinen ist der Hubschrauber dadurch teurer als das klassische System.

Multikopter

Die Entwicklung von Multikoptern begann fast zeitgleich mit den Arbeiten am Hubschrauber. Aus diesem Grund war der Botezata-Quadrocopter im Jahr 1922 der erste Hubschrauber, der kontrolliert starten und landen konnte. Zu den Multikoptern zählen Maschinen, die in der Regel über eine gerade Anzahl an Rotoren verfügen, wobei es mehr als zwei sein müssen. In Serienhubschraubern wird das Multikopter-Schema heute nicht mehr verwendet, erfreut sich jedoch bei Herstellern kleiner unbemannter Fahrzeuge großer Beliebtheit.

Tatsache ist, dass Multikopter Festpropeller verwenden und jeder von ihnen von einem eigenen Motor angetrieben wird. Das Reaktionsmoment wird durch Drehen der Schrauben in verschiedene Richtungen ausgeglichen – die Hälfte dreht sich im Uhrzeigersinn und die andere Hälfte, diagonal angeordnet, in die entgegengesetzte Richtung. Dadurch können Sie auf die Taumelscheibe verzichten und die Steuerung des Geräts insgesamt erheblich vereinfachen.

Beim Abheben eines Multikopters erhöht sich die Drehzahl aller Propeller gleichermaßen, beim seitlichen Fliegen wird die Drehung der Propeller auf der einen Gerätehälfte beschleunigt und auf der anderen verlangsamt. Die Drehung des Multikopters erfolgt durch Verlangsamung der Drehung beispielsweise von Propellern, die sich im Uhrzeigersinn drehen oder umgekehrt. Diese Einfachheit des Designs und der Steuerung diente als Hauptantrieb für die Entwicklung des Botezat-Quadrocopters, doch die spätere Erfindung des Heckrotors und der Taumelscheibe verlangsamte die Arbeit an Multicoptern praktisch.

Der Grund dafür, dass es heute keine Multikopter mehr für den Personentransport gibt, liegt in der Flugsicherheit. Tatsache ist, dass Maschinen mit mehreren Propellern im Gegensatz zu allen anderen Hubschraubern im Autorotationsmodus keine Notlandung durchführen können. Wenn alle Motoren ausfallen, wird der Multikopter unkontrollierbar. Allerdings ist die Wahrscheinlichkeit eines solchen Ereignisses gering, doch das Fehlen eines Autorotationsregimes ist das Haupthindernis für das Bestehen der Flugsicherheitszertifizierung.

Allerdings entwickelt das deutsche Unternehmen e-volo derzeit einen Multikopter mit 18 Rotoren. Dieser Hubschrauber ist für die Beförderung von zwei Passagieren ausgelegt. Der Erstflug wird voraussichtlich in den nächsten Monaten stattfinden. Nach Berechnungen der Konstrukteure wird der Prototyp der Maschine nicht länger als eine halbe Stunde in der Luft bleiben können, diese Zahl soll jedoch auf mindestens 60 Minuten erhöht werden.

Zu beachten ist auch, dass es neben Hubschraubern mit gerader Propelleranzahl auch Multicopter-Systeme mit drei und fünf Propellern gibt. Einer der Motoren befindet sich auf einer seitlich abgelenkten Plattform. Dadurch wird die Flugrichtung gesteuert. Allerdings wird es bei einem solchen Schema schwieriger, das Reaktionsmoment zu dämpfen, da sich zwei von drei Schrauben bzw. drei von fünf immer in die gleiche Richtung drehen. Um dem Reaktionsmoment entgegenzuwirken, drehen sich einige Propeller schneller, wodurch eine unnötige Seitenkraft entsteht.

Geschwindigkeitsschema

Heutzutage ist das Hochgeschwindigkeitssystem das vielversprechendste in der Hubschraubertechnologie, das es Hubschraubern ermöglicht, mit deutlich höherer Geschwindigkeit zu fliegen, als es moderne Maschinen können. Am häufigsten wird ein solches Schema als kombinierter Hubschrauber bezeichnet. Maschinen dieser Art werden nach einem Koaxialprinzip oder mit einem Einzelpropeller gebaut, verfügen jedoch über einen kleinen Flügel, der zusätzlichen Auftrieb erzeugt. Darüber hinaus können Hubschrauber mit einem Schubpropeller im Heckbereich oder zwei Pullerpropellern an den Flügelspitzen ausgestattet werden.

Kampfhubschrauber des klassischen AH-64E-Schemas erreichen Geschwindigkeiten von bis zu 293 Kilometern pro Stunde und koaxiale Ka-52 - bis zu 315 Kilometer pro Stunde. Zum Vergleich: Der kombinierte Technologiedemonstrator Airbus Helicopters X3 mit zwei Traktorpropellern kann auf 472 Kilometer pro Stunde beschleunigen, sein amerikanischer Konkurrent mit Schubrotor – Sikorksy X2 – auf bis zu 460 Kilometer pro Stunde. Der vielversprechende Hochgeschwindigkeitsaufklärungshubschrauber S-97 Raider wird Geschwindigkeiten von bis zu 440 Kilometern pro Stunde erreichen können.

Streng genommen handelt es sich bei kombinierten Hubschraubern eher nicht um Hubschrauber, sondern um eine andere Art von Drehflüglern – Drehflügler. Tatsache ist, dass die Antriebskraft für solche Maschinen nicht nur und nicht so sehr durch die Rotoren erzeugt wird, sondern durch Drücken oder Ziehen. Darüber hinaus sind sowohl die Rotoren als auch der Flügel für die Auftriebserzeugung verantwortlich. Und bei hohen Fluggeschwindigkeiten trennt eine kontrollierte Überholkupplung die Rotoren vom Getriebe und der weitere Flug erfolgt im Autorotationsmodus, bei dem die Rotoren tatsächlich wie ein Flugzeugflügel funktionieren.

Derzeit beschäftigen sich mehrere Länder der Welt mit der Entwicklung von Hochgeschwindigkeitshubschraubern, die künftig Geschwindigkeiten von über 600 Kilometern pro Stunde erreichen können. Neben Sikorsky und Airbus Helicopters werden solche Arbeiten auch vom russischen Kamov- und Mil-Konstruktionsbüro (Ka-90/92 bzw. Mi-X1) sowie vom amerikanischen Piacesky Aircraft durchgeführt. Die neuen Hybridhubschrauber werden in der Lage sein, die Geschwindigkeit von Turboprop-Flugzeugen mit den vertikalen Start- und Landefunktionen herkömmlicher Hubschrauber zu kombinieren.

Foto: Offizielle U.S. Navy-Seite / flickr.com

, Windkraftanlagen, Mühlen, hydraulische und pneumatische Antriebe).

Bei Gebläsen bewegen Flügel oder Leitschaufeln die Strömung. Im Antrieb – der Flüssigkeits- oder Gasstrom versetzt die Schaufeln oder Schaufeln in Bewegung.

Funktionsprinzip

Abhängig von der Größe des Druckabfalls an der Welle können mehrere Druckstufen vorhanden sein.

Haupttypen von Klingen

Messermaschinen enthalten als wichtigstes Element auf einer Welle montierte Scheiben, die mit profilierten Messern ausgestattet sind. Scheiben können je nach Art und Zweck der Maschine mit völlig unterschiedlichen Geschwindigkeiten rotieren, die von Umdrehungen pro Minute bei Windkraftanlagen und Mühlen bis zu Zehntausenden und Hunderttausenden Umdrehungen pro Minute bei Gasturbinentriebwerken und Turboladern reichen.

Die Messer moderner Messermaschinen weisen je nach Verwendungszweck, der von diesem Gerät ausgeführten Aufgabe und der Umgebung, in der sie eingesetzt werden, ein sehr unterschiedliches Design auf. Die Entwicklung dieser Konstruktionen lässt sich verfolgen, wenn man die Flügel mittelalterlicher Mühlen – Wasser- und Windmühlen – mit den Flügeln einer Windkraftanlage und eines Wasserkraftwerks vergleicht.

Die Gestaltung der Schaufeln wird von Parametern wie der Dichte und der Viskosität des Mediums, in dem sie arbeiten, beeinflusst. Eine Flüssigkeit ist viel dichter als ein Gas, viskoser und praktisch inkompressibel. Daher sind Form und Abmessungen der Schaufeln hydraulischer und pneumatischer Maschinen sehr unterschiedlich. Aufgrund des Volumenunterschieds bei gleichem Druck kann die Oberfläche der Schaufeln pneumatischer Maschinen um ein Vielfaches größer sein als die Schaufeln hydraulischer Maschinen.

Es gibt Arbeits-, Richt- und Rotationsmesser. Darüber hinaus können Verdichter sowohl Leitschaufeln als auch Einlassleitschaufeln und Turbinen Düsenleitschaufeln und gekühlte Leitschaufeln haben.

Klingendesign

Jedes Blatt hat sein eigenes aerodynamisches Profil. Es ähnelt normalerweise einem Flugzeugflügel. Der bedeutendste Unterschied zwischen einem Rotorblatt und einem Flügel besteht darin, dass die Rotorblätter in einer Strömung arbeiten, deren Parameter entlang ihrer Länge stark variieren.

Klingenprofil

Entsprechend der Gestaltung des Profilteils sind die Schaufeln in Schaufeln mit konstantem und variablem Querschnitt unterteilt. Klingen mit konstantem Querschnitt werden für Stufen verwendet, bei denen die Länge der Klinge nicht mehr als ein Zehntel des durchschnittlichen Durchmessers der Stufe beträgt. Bei Hochleistungsturbinen sind dies in der Regel die Schaufeln der ersten Hochdruckstufen. Die Höhe dieser Blätter ist gering und beträgt 20–100 mm.

Rotorblätter mit variablem Querschnitt weisen in den nachfolgenden Stufen ein veränderliches Profil auf, und die Querschnittsfläche nimmt vom Wurzelbereich zur Spitze hin allmählich ab. In den Klingen der letzten Schritte kann dieses Verhältnis 6–8 erreichen. Rotorblätter mit variablem Querschnitt weisen immer eine Anfangsverdrehung auf, d. h. Winkel, die durch eine gerade Linie gebildet werden, die die Kanten des Abschnitts (Sehne) mit der Turbinenachse verbindet, die sogenannten Abschnittswinkel. Aus aerodynamischen Gründen sind diese Winkel in der Höhe unterschiedlich eingestellt, mit einem sanften Anstieg von der Wurzel zur Spitze.

Bei relativ kurzen Schaufeln betragen die Profilwirbelwinkel (die Differenz zwischen den Einbauwinkeln des Umfangs- und Wurzelabschnitts) 10–30 und bei Schaufeln der letzten Stufen können sie 65–70 erreichen.

Die relative Position der Abschnitte entlang der Höhe des Blattes während der Bildung des Profils und die Position dieses Profils relativ zur Scheibe hängt von der Installation des Blattes auf der Scheibe ab und muss den Anforderungen an Aerodynamik, Festigkeit und Herstellbarkeit genügen.

Klingen werden meist aus vorgeformten Rohlingen hergestellt. Es werden auch Methoden zur Herstellung von Klingen durch Präzisionsguss oder Präzisionsstanzen verwendet. Moderne Trends zur Leistungssteigerung von Turbinen erfordern eine Vergrößerung der Schaufellänge der letzten Stufen. Die Herstellung solcher Rotorblätter hängt vom Stand der wissenschaftlichen Fortschritte auf dem Gebiet der Strömungsaerodynamik, der statischen und dynamischen Festigkeit sowie der Verfügbarkeit von Materialien mit den erforderlichen Eigenschaften ab.

Moderne Titanlegierungen ermöglichen die Herstellung von Klingen mit einer Länge von bis zu 1500 mm. In diesem Fall liegt die Beschränkung jedoch in der Festigkeit des Rotors, dessen Durchmesser vergrößert werden muss. Dann ist es jedoch erforderlich, die Länge des Rotorblatts zu verringern, um das Verhältnis aus aerodynamischen Gründen beizubehalten, andernfalls erhöht sich die Länge des Rotors Klinge ist wirkungslos. Daher gibt es eine Grenze für die Länge der Klinge, jenseits derer sie nicht mehr effektiv arbeiten kann.

Wellen der Labyrinthdichtung des Radialspiels
Verbandsregal
Kämme mit mechanischer Labyrinthdichtung
Loch zur Zufuhr von Kühlluft zu den Innenkanälen der gekühlten Schaufel

Schwanzteil der Klinge

Die Konstruktionen von Heckverbindungen und dementsprechend von Blattschäften sind sehr vielfältig und werden auf der Grundlage der Bedingungen zur Gewährleistung der erforderlichen Festigkeit unter Berücksichtigung der Entwicklung von Technologien zu ihrer Herstellung in einem Turbinenhersteller eingesetzt. Arten von Schäften: T-förmig, pilzförmig, gegabelt, tannenförmig usw.

Keine Art von Schwanzverbindung hat einen besonderen Vorteil gegenüber der anderen – jede hat ihre eigenen Vor- und Nachteile. Verschiedene Fabriken stellen unterschiedliche Arten von Endstückverbindungen her und jede von ihnen verwendet ihre eigenen Herstellungstechniken.

Die wichtigsten Arten von Klingenschäften: 1. T-Schaft; 2. Pilzschaft; 3. Gabelschaft; 4. Weihnachtsbaumschaft

Verbindungen

Turbinenrotorschaufeln werden mit Gliedern unterschiedlicher Bauart zu Paketen verbunden: mit den Schaufeln vernietete Bandagen oder in Form von Regalen (massive gefräste Bandagen); Drähte, die an die Klingen angelötet oder frei in die Löcher im Profilteil der Klingen eingeführt und durch Zentrifugalkräfte gegen sie gedrückt werden; mit Hilfe spezieller Vorsprünge, die nach dem Zusammenbau der Schaufeln auf der Scheibe miteinander verschweißt werden.

Elemente der Klingenmontage: 1. Klingenfeder; 2. Regal; 3. Schaft; 4. Verbandschlauch

Dampfturbinenschaufeln

Der Unterschied in der Größe und Form der Schaufeln bei unterschiedlichen Druckstufen derselben Turbine

Der Zweck von Turbinenschaufeln besteht darin, die potenzielle Energie von komprimiertem Dampf in mechanische Arbeit umzuwandeln. Abhängig von den Betriebsbedingungen in der Turbine kann die Länge ihrer Rotorblätter zwischen mehreren zehn und eineinhalbtausend Millimetern variieren. Auf dem Rotor sind die Schaufeln stufenweise angeordnet, wobei die Länge allmählich zunimmt und sich die Form der Oberfläche ändert. In jeder Stufe sind die Schaufeln gleicher Länge radial zur Rotorachse angeordnet. Dies liegt an der Abhängigkeit von Parametern wie Durchfluss, Volumen und Druck.

Bei gleichmäßiger Strömungsgeschwindigkeit ist der Druck am Turbineneintritt maximal und die Strömungsgeschwindigkeit minimal. Wenn das Arbeitsmedium durch die Turbinenschaufeln strömt, wird mechanische Arbeit verrichtet, der Druck nimmt ab, aber das Volumen nimmt zu. Dadurch vergrößert sich die Oberfläche der Arbeitsklinge und damit auch ihre Größe. Beispielsweise beträgt die Schaufellänge der ersten Stufe einer Dampfturbine mit einer Leistung von 300 MW 97 mm, die letzte 960 mm.

Kompressorschaufeln

Der Zweck von Kompressorschaufeln besteht darin, die Anfangsparameter des Gases zu ändern und die kinetische Energie des rotierenden Rotors in die potentielle Energie des komprimierten Gases umzuwandeln. Die Form, die Abmessungen und die Befestigungsmethoden der Verdichterschaufeln am Rotor unterscheiden sich kaum von denen der Turbinenschaufeln. Im Kompressor wird das Gas bei gleicher Durchflussmenge komprimiert, sein Volumen nimmt ab und der Druck steigt, daher ist in der ersten Stufe des Kompressors die Länge der Schaufeln größer als in der letzten.

Schaufeln von Gasturbinentriebwerken

Ein Gasturbinentriebwerk verfügt sowohl über Verdichter- als auch über Turbinenschaufeln. Das Funktionsprinzip eines solchen Motors besteht darin, die für die Verbrennung notwendige Luft mit Hilfe von Turboladerschaufeln zu komprimieren, diese Luft in die Brennkammer zu leiten und bei Zündung mit Kraftstoff die Verbrennungsprodukte an den darauf befindlichen Turbinenschaufeln mechanisch zu bearbeiten die gleiche Welle wie der Kompressor. Dies unterscheidet das Gasturbinentriebwerk von jeder anderen Maschine, bei der es entweder Verdichterblasschaufeln gibt, wie bei Kompressoren und Gebläsen aller Art, oder Turbinenschaufeln, wie bei Dampfturbinenkraftwerken oder Wasserkraftwerken.

Schaufeln (Leitschaufeln) von Wasserturbinen

Scheibe mit hydraulischen Turbinenschaufeln

Rotorblätter von Windkraftanlagen

Im Vergleich zu den Schaufeln von Dampf- und Gasturbinen arbeiten die Schaufeln von Wasserturbinen in einer Umgebung mit geringen Geschwindigkeiten, aber hohen Drücken. Dabei ist die Länge der Klinge im Verhältnis zu ihrer Breite klein, manchmal ist die Breite größer als die Länge, abhängig von der Dichte und dem spezifischen Volumen der Flüssigkeit. Oft sind die Schaufeln von Wasserturbinen mit der Scheibe verschweißt oder können komplett daraus hergestellt werden.

Die Nutzung alternativer Energiequellen ist einer der Haupttrends unserer Zeit. Saubere und erschwingliche Windenergie können Sie auch zu Hause in Strom umwandeln, wenn Sie eine Windmühle bauen und diese an einen Generator anschließen.

Sie können mit Ihren eigenen Händen aus gewöhnlichen Materialien Rotorblätter für einen Windgenerator bauen, ohne spezielle Ausrüstung zu verwenden. Wir sagen Ihnen, welche Rotorblattform effizienter ist und helfen Ihnen bei der Auswahl der richtigen Zeichnung für einen Windpark.

Eine Windkraftanlage ist ein Gerät, das Windenergie in Strom umwandelt.

Das Funktionsprinzip besteht darin, dass der Wind die Rotorblätter dreht und die Welle antreibt, durch die die Drehung über ein Getriebe in den Generator gelangt, der die Geschwindigkeit erhöht.

Der Betrieb eines Windparks wird mit dem KIEV – dem Windenergienutzungsfaktor – bewertet. Wenn sich das Windrad schnell dreht, interagiert es mit mehr Wind, was bedeutet, dass es ihm mehr Energie entzieht.

Es gibt zwei Haupttypen von Windgeneratoren:

horizontal.

Vertikal ausgerichtete Modelle werden so gebaut, dass die Propellerachse senkrecht zum Boden steht. Somit setzt jede Bewegung von Luftmassen, unabhängig von der Richtung, die Struktur in Bewegung.

Diese Vielseitigkeit ist ein Pluspunkt dieser Art von Windmühlen, sie verlieren jedoch in puncto Leistung und Effizienz gegenüber horizontalen Modellen.

Ein horizontaler Windgenerator ähnelt einer Wetterfahne. Damit sich die Flügel drehen, muss die Struktur je nach Luftbewegungsrichtung in die richtige Richtung gedreht werden.

Zur Steuerung und Erfassung von Windrichtungsänderungen werden spezielle Geräte installiert. Der Wirkungsgrad ist bei dieser Anordnung der Schnecke deutlich höher als bei der vertikalen Ausrichtung. Im häuslichen Bereich ist der Einsatz solcher Windkraftanlagen sinnvoller.

Welche Klingenform ist optimal?

Eines der Hauptelemente einer Windkraftanlage ist ein Satz Rotorblätter.

Mit diesen Details sind eine Reihe von Faktoren verbunden, die die Effizienz einer Windkraftanlage beeinflussen:

Größe;
bilden;
Material;
Menge.

Wenn Sie sich entscheiden, Flügel für eine selbstgebaute Windmühle zu entwerfen, müssen Sie unbedingt alle diese Parameter berücksichtigen. Einige glauben, dass je mehr Flügel am Propeller des Generators vorhanden sind, desto mehr Windkraft erzielt werden kann. Mit anderen Worten: Je mehr, desto besser.

Dies ist jedoch nicht der Fall. Jedes einzelne Teil bewegt sich gegen den Luftwiderstand. Daher erfordert eine große Anzahl von Flügeln eines Propellers mehr Windkraft, um eine Umdrehung durchzuführen.

Darüber hinaus kann es bei zu vielen breiten Flügeln zur Bildung der sogenannten „Luftkappe“ vor dem Propeller kommen, wenn der Luftstrom nicht durch das Windrad strömt, sondern um dieses herum.

Die Form ist sehr wichtig. Es kommt auf die Drehzahl der Schnecke an. Bei schlechter Strömung entstehen Wirbel, die das Windrad verlangsamen

Am effizientesten ist eine einflügelige Windkraftanlage. Aber es mit eigenen Händen aufzubauen und auszubalancieren ist sehr schwierig. Das Design ist unzuverlässig, wenn auch mit hoher Effizienz. Nach den Erfahrungen vieler Anwender und Hersteller von Windmühlen ist das dreiflügelige Modell das optimalste Modell.

Das Gewicht der Klinge hängt von ihrer Größe und dem Material ab, aus dem sie hergestellt wird. Die Größe muss sorgfältig ausgewählt werden und sich an den Berechnungsformeln orientieren. Die Kanten werden am besten so bearbeitet, dass auf einer Seite eine Abrundung entsteht und die gegenüberliegende Seite scharf ist

Die richtig ausgewählte Rotorblattform einer Windkraftanlage ist die Grundlage für ihre gute Funktion.

Für Selbstgemachtes eignen sich folgende Möglichkeiten:

Segeltyp;
Flügeltyp.

Segelflügelblätter sind einfache breite Streifen, wie bei einer Windmühle. Dieses Modell ist das offensichtlichste und am einfachsten herzustellende. Allerdings ist sein Wirkungsgrad so gering, dass diese Form in modernen Windkraftanlagen praktisch nicht mehr zum Einsatz kommt. Der Wirkungsgrad beträgt in diesem Fall etwa 10-12 %.

Eine wesentlich effizientere Form sind Flügelschaufeln. Dabei kommen die Prinzipien der Aerodynamik zum Einsatz, die riesige Flugzeuge in die Luft heben. Eine Schraube dieser Form lässt sich leichter in Bewegung setzen und dreht sich schneller. Der Luftstrom verringert den Widerstand, den die Windmühle auf ihrem Weg erfährt, erheblich.

Das richtige Profil sollte einem Flugzeugflügel ähneln. Einerseits weist die Klinge eine Verdickung und andererseits einen sanften Abstieg auf. Luftmassen umströmen einen Teil dieser Form sehr gleichmäßig

Der Wirkungsgrad dieses Modells erreicht 30-35 %. Die gute Nachricht ist, dass Sie mit Ihren eigenen Händen und mit einem Minimum an Werkzeugen eine geflügelte Klinge bauen können. Alle grundlegenden Berechnungen und Zeichnungen lassen sich problemlos an Ihre Windkraftanlage anpassen und genießen Sie kostenlose und saubere Windenergie ohne Einschränkungen.

Woraus bestehen Klingen zu Hause?

Als Materialien für den Bau einer Windkraftanlage eignen sich vor allem Kunststoff, Leichtmetalle, Holz und eine moderne Lösung – Glasfaser. Die Hauptfrage ist, wie viel Arbeit und Zeit Sie bereit sind, für den Bau einer Windmühle aufzuwenden.

PVC-Abwasserrohre

Das beliebteste und am weitesten verbreitete Material für die Herstellung von Windturbinenblättern aus Kunststoff ist ein gewöhnliches PVC-Abwasserrohr. Für die meisten Heimgeneratoren mit einem Schneckendurchmesser von bis zu 2 m reicht ein 160-mm-Rohr aus.

Zu den Vorteilen dieser Methode gehören:

niedriger Preis;
Verfügbarkeit in jeder Region;
einfache Bedienung;
Eine große Anzahl von Diagrammen und Zeichnungen im Internet, ein tolles Nutzungserlebnis.

Rohre sind unterschiedlich. Dies ist nicht nur denjenigen bekannt, die selbstgebaute Windparks bauen, sondern jedem, der schon einmal mit der Installation von Abwasserkanälen oder Wasserleitungen in Berührung gekommen ist. Sie unterscheiden sich in Dicke, Zusammensetzung und Hersteller. Das Rohr ist kostengünstig, sodass Sie nicht versuchen müssen, die Kosten Ihrer Windkraftanlage durch Einsparung von PVC-Rohren noch weiter zu senken.

Schlechtes Kunststoffrohrmaterial kann dazu führen, dass die Rotorblätter beim ersten Test reißen und die ganze Arbeit umsonst ist.

Zuerst müssen Sie sich für die Vorlage entscheiden. Es gibt viele Möglichkeiten, jede Form hat ihre eigenen Vor- und Nachteile. Es kann sinnvoll sein, zunächst zu experimentieren, bevor die endgültige Version herausgeschnitten wird.

Da Rohre günstig sind und in jedem Baumarkt erhältlich sind, eignet sich dieses Material hervorragend für die ersten Schritte im Modellieren von Klingen. Wenn etwas schief geht, können Sie jederzeit eine andere Pfeife kaufen und es erneut versuchen. Der Geldbeutel wird unter solchen Experimenten nicht viel leiden.

Erfahrene Windenergienutzer haben festgestellt, dass es für die Herstellung von Windturbinenblättern besser ist, orangefarbene statt graue Rohre zu verwenden. Sie behalten ihre Form besser, verbiegen sich nach der Flügelbildung nicht und halten länger.

Hobby-Konstrukteure bevorzugen PVC, da beim Testen eine kaputte Klinge direkt vor Ort in 15 Minuten durch eine neue ersetzt werden kann, wenn eine geeignete Schablone verfügbar ist. Einfach und schnell und vor allem erschwinglich.

Aluminium ist dünn, leicht und teuer

Aluminium ist ein leichtes und langlebiges Metall. Es wird traditionell zur Herstellung von Rotorblättern für Windkraftanlagen verwendet. Durch das geringe Gewicht sind die aerodynamischen Eigenschaften des Propellers optimal, wenn man der Platte die gewünschte Form gibt.

Die Hauptlasten, denen die Windmühle während der Drehung ausgesetzt ist, zielen darauf ab, das Blatt zu verbiegen und zu brechen. Wenn der Kunststoff bei solchen Arbeiten schnell reißt und versagt, können Sie sich viel länger auf eine Aluminiumschraube verlassen.

Wenn man jedoch Aluminium- und PVC-Rohre vergleicht, sind Metallplatten immer noch schwerer. Bei einer hohen Drehzahl besteht ein hohes Risiko, dass nicht die Klinge selbst, sondern die Schraube am Befestigungspunkt beschädigt wird

Ein weiterer Nachteil von Aluminiumteilen ist die Komplexität der Herstellung. Wenn das PVC-Rohr eine Biegung aufweist, die verwendet wird, um dem Blatt aerodynamische Eigenschaften zu verleihen, wird Aluminium normalerweise in Form einer Platte verwendet.

Nach dem Schneiden des Teils nach dem Muster, was an sich viel schwieriger ist als das Arbeiten mit Kunststoff, muss das resultierende Werkstück noch gerollt und mit der richtigen Biegung versehen werden. Zu Hause und ohne Werkzeug wird das nicht so einfach sein.

Fiberglas oder Fiberglas – für Profis

Wenn Sie sich bewusst für die Herstellung einer Klinge entscheiden und bereit sind, viel Mühe und Nerven dafür aufzuwenden, reicht Glasfaser aus. Wenn Sie sich noch nie mit Windkraftanlagen beschäftigt haben, ist es keine gute Idee, mit dem Modellieren einer Glasfaser-Windmühle zu beginnen. Dennoch erfordert dieser Prozess Erfahrung und praktische Fähigkeiten.

Eine Klinge aus mehreren mit Epoxidkleber verbundenen Glasfaserschichten ist stark, leicht und zuverlässig. Aufgrund seiner großen Oberfläche ist das Teil hohl und nahezu schwerelos

Zur Herstellung wird Glasfaser verwendet – ein dünnes und haltbares Material, das in Rollen hergestellt wird. Zur Befestigung der Schichten eignet sich neben Glasfaser auch Epoxidkleber.

Wir beginnen mit der Erstellung einer Matrix. Dies ist ein Rohling, der ein Formular für ein zukünftiges Teil darstellt.

Die Matrix kann aus Holz bestehen: Holz, Bretter oder Baumstämme. Eine voluminöse Silhouette der Hälfte der Klinge ist direkt aus dem Array herausgeschnitten. Eine weitere Option ist eine Kunststoffform.

Es ist sehr schwierig, einen Rohling selbst herzustellen. Sie müssen ein fertiges Modell einer Klinge aus Holz oder einem anderen Material vor Augen haben und erst dann wird aus diesem Modell eine Matrize für das Teil ausgeschnitten. Sie benötigen mindestens 2 solcher Matrizen. Wenn Sie jedoch einmal eine erfolgreiche Form erstellt haben, können Sie sie wiederholt verwenden und auf diese Weise mehr als eine Windmühle bauen.

Der Boden der Form wird sorgfältig mit Wachs eingefettet. Dies geschieht, damit die fertige Klinge später leicht entnommen werden kann. Legen Sie eine Glasfaserschicht auf und bestreichen Sie sie mit Epoxidkleber. Der Vorgang wird mehrmals wiederholt, bis das Werkstück die gewünschte Dicke erreicht hat.

Wenn das Epoxidharz getrocknet ist, wird die Hälfte des Teils vorsichtig vom Stumpf entfernt. Machen Sie dasselbe mit der zweiten Hälfte. Die Teile werden zu einem hohlen dreidimensionalen Teil zusammengeklebt. Der leichte, starke, aerodynamisch geformte Glasfaserflügel ist der Gipfel der Handwerkskunst für den Heimwindpark-Enthusiasten.

Sein Hauptnachteil ist die Schwierigkeit, die Idee umzusetzen, und zunächst eine große Anzahl von Ehen, bis die ideale Matrix erhalten ist und der Erstellungsalgorithmus nicht perfektioniert ist.

Günstig und fröhlich: ein Holzteil für eine Windkraftanlage

Das Holzpaddel ist eine altmodische Methode, die einfach umzusetzen, aber bei dem heutigen Stromverbrauch wirkungslos ist. Sie können das Teil aus einer massiven Platte aus hellem Holz, beispielsweise Kiefer, herstellen. Es ist wichtig, einen gut getrockneten Holzrohling zu wählen.

Sie müssen eine geeignete Form wählen, aber berücksichtigen Sie, dass eine Holzklinge keine dünne Platte wie Aluminium oder Kunststoff ist, sondern eine dreidimensionale Struktur. Daher reicht es nicht aus, den Rohling zu formen, Sie müssen die Prinzipien der Aerodynamik verstehen und sich die Umrisse der Klinge in allen drei Dimensionen vorstellen.

Sie müssen dem Baum mit einem Hobel, vorzugsweise Elektrohobel, das endgültige Aussehen verleihen. Für die Haltbarkeit wird Holz mit einem antiseptischen Schutzlack oder einer antiseptischen Schutzfarbe behandelt.

Der Hauptnachteil dieser Konstruktion ist das große Gewicht der Schraube. Um diesen Koloss zu bewegen, muss der Wind stark genug sein, was prinzipiell schwierig ist. Allerdings ist Holz ein erschwingliches Material. Geeignete Bretter für den Bau eines Windturbinenpropellers können Sie direkt in Ihrem Garten finden, ohne einen Cent auszugeben. Und das ist in diesem Fall der Hauptvorteil von Holz.

Der Wirkungsgrad einer Holzklinge geht gegen Null. In der Regel ist der Zeit- und Arbeitsaufwand für den Bau einer solchen Windmühle das in Watt ausgedrückte Ergebnis nicht wert. Als Übungsmodell oder Testexemplar eignet sich ein Holzteil jedoch durchaus. Und eine Wetterfahne mit Holzblättern sieht auf der Baustelle spektakulär aus.

Zeichnungen und Beispiele von Klingen

Es ist sehr schwierig, eine korrekte Berechnung des Propellers einer Windkraftanlage durchzuführen, ohne die in der Formel angezeigten Hauptparameter zu kennen und keine Ahnung zu haben, wie sich diese Parameter auf den Betrieb der Windkraftanlage auswirken.

Es ist besser, keine Zeit zu verschwenden, wenn Sie keine Lust haben, sich mit den Grundlagen der Aerodynamik zu befassen. Vorgefertigte Zeichnungen mit festgelegten Indikatoren helfen Ihnen bei der Auswahl des richtigen Rotorblatts für einen Windpark.

Blattzeichnung für einen zweiflügeligen Propeller. Es besteht aus einem Abwasserrohr mit einem Durchmesser von 110. Der Durchmesser der Windturbinenschraube beträgt in diesen Berechnungen 1 m

Ein so kleiner Windgenerator wird Ihnen keine hohe Leistung liefern können. Höchstwahrscheinlich ist es unwahrscheinlich, dass Sie mehr als 50 Watt aus dieser Konstruktion herausholen können. Ein zweiflügeliger Propeller aus einem leichten und dünnen PVC-Rohr sorgt jedoch für eine hohe Rotationsgeschwindigkeit und gewährleistet den Betrieb der Windmühle auch bei leichtem Wind.

Eine Zeichnung eines Flügels für einen dreiflügeligen Windturbinenpropeller aus einem Rohr mit 160 mm Durchmesser. Geschätzte Geschwindigkeit in dieser Option - 5 bei einem Wind von 5 m/s

Ein dreiflügeliger Propeller dieser Form kann für leistungsstärkere Einheiten verwendet werden, etwa 150 W bei 12 V. Der Durchmesser des gesamten Propellers beträgt bei diesem Modell 1,5 m. Das Windrad dreht sich schnell und lässt sich leicht in Bewegung setzen. Eine Windmühle mit drei Flügeln findet man am häufigsten in Heimkraftwerken.

Eine Zeichnung eines selbstgebauten Flügels für einen 5-Blatt-Windturbinenpropeller. Es besteht aus einem PVC-Rohr mit einem Durchmesser von 160 mm. Geschätzte Geschwindigkeit - 4

Ein solcher fünfflügeliger Propeller kann bis zu 225 Umdrehungen pro Minute bei einer geschätzten Windgeschwindigkeit von 5 m/s erzeugen. Um eine Klinge gemäß den vorgeschlagenen Zeichnungen zu bauen, müssen Sie die Koordinaten jedes Punktes aus den Spalten „Koordinaten des Musters vorne / hinten“ auf die Oberfläche des Kunststoff-Abwasserrohrs übertragen.

Aus der Tabelle geht hervor, dass je mehr Flügel ein Windgenerator hat, desto kürzer sollte deren Länge sein, um einen Strom gleicher Leistung zu erhalten.

Wie die Praxis zeigt, ist es ziemlich schwierig, einen Windgenerator mit einem Durchmesser von mehr als 2 Metern zu warten. Wenn Sie laut Tabelle eine größere Windkraftanlage benötigen, denken Sie darüber nach, die Anzahl der Rotorblätter zu erhöhen.

In einem Artikel werden die Regeln und Prinzipien vorgestellt, in denen der Prozess der Berechnung Schritt für Schritt beschrieben wird.

Windmühlenausgleich durchführen

Das Ausbalancieren der Rotorblätter einer Windkraftanlage trägt dazu bei, dass diese so effizient wie möglich arbeitet. Um den Ausgleich durchzuführen, müssen Sie einen Raum finden, in dem es weder Wind noch Zugluft gibt. Natürlich wird es für eine Windkraftanlage mit einem Durchmesser von mehr als 2 m schwierig sein, einen solchen Raum zu finden.

Die Klingen werden zu einer fertigen Struktur zusammengebaut und in der Arbeitsposition installiert. Die Achse muss je nach Niveau streng horizontal liegen. Die Ebene, in der sich die Schraube dreht, muss streng vertikal, senkrecht zur Achse und zum Bodenniveau eingestellt werden.

Ein Propeller, der sich nicht bewegt, muss um 360/x Grad gedreht werden, wobei x = Anzahl der Blätter. Im Idealfall weicht eine ausgeglichene Windmühle nicht um 1 Grad ab, sondern bleibt stationär. Wenn sich die Klinge unter ihrem Eigengewicht dreht, muss sie leicht korrigiert werden, das Gewicht auf einer Seite reduzieren und die Abweichung von der Achse beseitigen.

Der Vorgang wird wiederholt, bis die Schraube in jeder Position absolut stillsteht. Wichtig ist, dass beim Balancieren kein Wind weht. Dies kann die Testergebnisse verfälschen.

Es ist auch wichtig zu überprüfen, dass sich alle Teile genau in der gleichen Ebene drehen. Zur Kontrolle im Abstand von 2 mm sind auf beiden Seiten eines der Messer Kontrollplatten angebracht. Während der Bewegung darf kein Teil der Schraube die Platte berühren.

Um eine Windkraftanlage mit gefertigten Rotorblättern zu betreiben, muss ein System aufgebaut werden, das die empfangene Energie sammelt, speichert und an den Verbraucher weiterleitet. Eine der Komponenten des Systems ist der Controller. Wie das geht, erfahren Sie in dem von uns empfohlenen Artikel.

Wenn Sie saubere und sichere Windenergie für den Hausgebrauch nutzen möchten und nicht vorhaben, viel Geld für teure Geräte auszugeben, sind selbstgebaute Rotorblätter aus gewöhnlichen Materialien eine gute Idee. Scheuen Sie sich nicht vor Experimenten und Sie werden in der Lage sein, die bestehenden Modelle von Windmühlenpropellern weiter zu verbessern.

Arten von Windkraftanlagen

Windmühlen können unterschieden werden durch:
- die Anzahl der Klingen;
— Art der Klingenmaterialien;
- vertikale oder horizontale Anordnung der Installationsachse;
- Stufenversion der Klingen.

Windkraftanlagen werden konstruktionsbedingt nach der Anzahl der Rotorblätter unterteilt: ein, zwei Rotorblätter, drei Rotorblätter und mehrere Rotorblätter. Das Vorhandensein einer großen Anzahl von Rotorblättern ermöglicht deren Drehung bei sehr geringem Wind. Das Design der Blätter kann in Starr- und Segelblätter unterteilt werden. Segelwindmühlen sind günstiger als andere, müssen aber häufig repariert werden.

Eine der Arten von Windkraftanlagen ist horizontal

Der Windgenerator in vertikaler Ausführung beginnt sich bei geringem Wind zu drehen. Sie brauchen keine Wetterfahne. Von der Leistung her sind sie jedoch Windmühlen mit horizontaler Achse unterlegen. Der Blattanstellwinkel einer Windkraftanlage kann fest oder variabel sein. Durch die variable Steigung der Rotorblätter ist es möglich, die Rotationsgeschwindigkeit zu erhöhen. Diese Windmühlen sind teurer. Die Konstruktion von Windkraftanlagen mit fester Steigung ist zuverlässig und einfach.

Vertikaler Generator

Die Wartung dieser Windmühlen ist kostengünstiger, da sie in geringer Höhe installiert sind. Sie haben außerdem weniger bewegliche Teile und sind einfacher zu reparieren und herzustellen. Diese Installationsoption ist einfach mit Ihren eigenen Händen durchzuführen.

Vertikaler Windgenerator

Mit optimalen Rotorblättern und einem besonderen Rotor sorgt es für einen hohen Wirkungsgrad und ist unabhängig von der Windrichtung. Windgeneratoren in vertikaler Bauweise sind geräuschlos. Der vertikale Windgenerator verfügt über mehrere Ausführungsarten.

Orthogonale Windkraftanlagen

Orthogonaler Windgenerator

Solche Windmühlen haben mehrere parallele Flügel, die im Abstand von der vertikalen Achse angebracht sind. Der Betrieb orthogonaler Windmühlen wird nicht durch die Windrichtung beeinflusst. Sie werden auf Bodenniveau installiert, was die Installation und den Betrieb des Geräts erleichtert.

Windkraftanlagen basierend auf dem Savonius-Rotor

Die Schaufeln dieser Anlage sind spezielle Halbzylinder, die ein hohes Drehmoment erzeugen. Zu den Nachteilen dieser Windmühlen zählen ein hoher Materialverbrauch und ein geringer Wirkungsgrad. Um mit dem Savonius-Rotor ein hohes Drehmoment zu erzielen, ist zusätzlich ein Darier-Rotor verbaut.

Windkraftanlagen mit Darrieus-Rotor

Neben dem Darrieus-Rotor verfügen diese Einheiten über mehrere Blattpaare mit originellem Design zur Verbesserung der Aerodynamik. Der Vorteil dieser Geräte liegt in der Möglichkeit der ebenerdigen Installation.

Helikoid-Windgeneratoren.

Sie sind eine Modifikation orthogonaler Rotoren mit einer speziellen Konfiguration der Schaufeln, die eine gleichmäßige Drehung des Rotors ermöglicht. Durch die Reduzierung der Belastung der Rotorelemente erhöht sich deren Lebensdauer.

Windkraftanlagen basierend auf dem Darrieus-Rotor

Mehrflügelige Windkraftanlagen

Mehrflügelige Windgeneratoren

Windmühlen dieser Art sind eine modifizierte Version orthogonaler Rotoren. Die Rotorblätter dieser Anlagen sind in mehreren Reihen installiert. Leitet den Windstrom zu den Rotorblättern der ersten Reihe feststehender Rotorblätter.

Segelwindgenerator

Der Hauptvorteil einer solchen Anlage ist die Möglichkeit, mit einem kleinen Wind von 0,5 m/s zu arbeiten. Der Segelwindgenerator kann überall und in jeder Höhe installiert werden.

Segelwindgenerator

Zu den Vorteilen zählen: niedrige Windgeschwindigkeit, schnelle Reaktion auf den Wind, einfache Konstruktion, Materialverfügbarkeit, Wartbarkeit, die Möglichkeit, eine Windmühle mit eigenen Händen zu bauen. Der Nachteil ist die Möglichkeit eines Bruchs bei starkem Wind.

Windgenerator horizontal

Diese Installationen können eine unterschiedliche Anzahl von Blades haben. Für den Betrieb einer Windkraftanlage ist es wichtig, die richtige Windrichtung zu wählen. Die Effizienz der Installation wird durch einen kleinen Anstellwinkel der Schaufeln und die Möglichkeit ihrer Einstellung erreicht. Solche Windgeneratoren haben geringe Abmessungen und Gewicht.