Weerstand van een propeller

Een stilstaande propeller heeft voorzover ik weet veel minder weerstand dan een "freewheelende", dus door de wind aangedreven prop. Kan iemand mij uitleggen waarom?

-edit- om te voorkomen dat er allerlei discussie door elkaar heen gaan lopen herformuleer ik de vraag even:
Wat mij betreft gaat de vraag in eerste instantie hierover:
Levert een stilstaande prop meer, of juist minder weerstand dan dezelfde prop, draaiend op een (wrijvingsloos) asje?

 

We hadden al een leuke discussie in dit topic erover.

Naar mijn menig gaat dit niet altijd op.
Als voorbeeld heb ik een turbine motor aangehaald van een B777.
Deze heeft in de grootste versies een fanblade diameter van 3,43m.
Als deze met de wind rustig meedraait, produceert hij "relatief" weinig weerstand. Zet je hem echter compleet stil, heb je een "tafelblad" van 3,43m diameter die heel veel weerstand oplevert.

Volgens mij geeft daarom niet in alle gevallen een meedraaiende prop meer weerstand dan een stilstaande. Het is volgens mij afhankelijk van de interne weerstand van de motor/as en de blad oppervlakte/hoek.
Ik vermoed dat bij een uitgevallen/uitgezette motor, de krachten elkaar proberen op te heffen.
Als de wind ervoor zorgt dat de prop mee gaat draaien, dan denk ik dat dit minder weerstand oplevert dan als je deze prop op de rem gaat zetten (je moet tenslotte ook energie toevoegen om hem stil te zetten en te houden).
Blijft de prop bij uitgevallen motor echter stil staan, dan zal naar mijn idee dat minder weerstand opleveren dan dat je hem zelf (stationair bijvoorbeeld, ook hier voeg je zelf weer energie toe) mee laat draaien.

Maar ja..... wie ben ik. Misschien heb ik het wel helemaal fout
Vind het in ieder geval wel een interessant onderwerp en ben benieuwd wie hier meer over kan vertellen.

 

Een turbineblad is volgens mij anders omdat het behalve de wrijving van de lagers verder niets aandrijft. Een tweebladsprop op een elektromotor doet dat wel. Die drijft de elektromotor aan, wat energie kost, en dus extra weerstand oplevert. Daar ging de discussie in eerste instantie om.

Maar ook een vrij draaiende prop op een asje (dus zonder motor eraan) heeft naar mijn idee veel meer weerstand dan dezelfde prop als die vast staat. ik kan alleen niet bedenken waarom.....

 

Een turbine (compressorwiel) is aan de voorkant nagenoeg dicht met een inlaat conus voorop. Op het moment dat hij stil staat kan de lucht nergens heen en kan het niets anders dan naar voren terug de inlaat uit.
Gaat hij draaien voert hij nog een deel van de aangevoerde lucht weer af langs het turbine wiel de uitlaat uit.

Een prop heeft veel minder frontaal vlak en de lucht kan er ook vrij makkelijk door en omheen.

....ik denk ook maar wat hoor maar vind het wel logisch klinken,

En dan inderdaad ook de vraag. Echt 100% free wheelen of nog ergens een weerstand. Bv lichte rem op de motor en wrijvingsweerstand of bij brandstof een stationair toerental.

 

Tsja, er moet ergens een verband zijn, die vast met behulp van formules te verklaren is. Jammer genoeg ken ik die niet.

In mijn beredenering ga ik uit van een evenwicht van krachten.
Als dat evenwicht er tussen prop, motor en wind(snelheid) er is, dan neem ik aan dat dit het minst weerstand oplevert.
Als dus op een electromotor die niet van spanning voorzien wordt, de propellor door de wind gaat draaien, dan vermoed ik dat deze zo minder weerstand oplevert dan als je hem gaat afremmen en stil zetten.

Omgekeerd gaat dit dan ook op bij een brandstof motor die je stationair laat draaien.
De motor zelf heeft een hoge inwendige weerstand. Zou je hem uitzetten, dan zal de prop hoogst waarschijnlijk stil gaan staan. Een stilstaande prop geeft in dit geval dus de minste weerstand. Laat je hem echter aan staan en stationair draaien, dan levert hij meer weerstand en kun je dus je model zo afremmen...

Lijkt die beredenering er zo een beetje op?

 

Zat daar toevallig pas ook over te denken en het leek mij ook dat juist een "meegevende" propellor, dus zonder rem, minder weerstand zou geven.

Nu las ik in het andere draadje ook al van "ervaringsdeskundigen" dat toch juist een stilstaande minder weerstand geeft, ben door die ervaringen wel geneigd het te geloven, maar ben ook erg benieuwd naar een verklaring.

Het heli-verhaal met autorotatie overtuigde me bijna, maar dat gaat ook niet op omdat dan de krachten andersom werken, alsof je vliegtuig achteruit vliegt dus. Het verhaal pleit juist eerder voor het minder remmen bij autorotie van de prop. Het roteren zorgt bij de autorotatie van een heli voor een kracht omhoog wat de val tegenwerkt, maar bij een vliegtuig juist voor een kracht vooruit wat het afremmen tegenwerkt...

Wie komt met de eye-opener!?

 

Ik ook niet Maar er zijn hier voldoende slimmerikken die met een onderbouwde uitleg gaan komen.....hoop ik.

Wat mij betreft gaat de vraag in eerste instantie hierover:
Levert een stilstaande prop meer, of juist minder weerstand dan dezelfde prop, draaiend op een (wrijvingsloos) asje?

Anders krijg je allerlei discussies door elkaar heen.

 

Het antwoord weet ik ook niet maar ik denk dat je dit kan vergelijken met die 'zaadjes' die uit de bomen vallen, die dingen die gaan draaien. Draait hij niet dan valt ie stukken sneller.



Daarnaast ken ik het effect van een van mijn modelvliegtuigen, wanneer ik de prop langzaam laat draaien kan ik aanduiken wat ik wil maar snelheid maken voor een looping zit er niet in. Met de propeller stil gaat het wel.

Daarnaast maken autogyro's volgens mij (deels) gebruik van hetzelfde effect

 

Dat is wel een goede vraag om mee te beginnen. Al vermoed ik dat het antwoord sterk afhankelijk is van het soort blad, aantal bladen en hoek van de bladen.

Precies... Je laat hem langzamer draaien. Maar wat nu als deze prop op een wrijvingsloos asje zit? Zou je dan makkelijker snelheid kunnen maken dan wanneer hij vast en stil staat?

 

Dat is bij nader inzien inderdaad wat anders. Bij autorotatie gebruik je de bladspoed in eerste instantie om de rotor op te laten toeren, die daardoor energie opneemt. Als je dan de spoed verandert kun je die energie weer gebruiken om de heli te laten stoppen met vallen. De rotor verliest dan zijn energie weer en gaat langzamer draaien. Maar daar hebben we het voor nu even niet over

 

Hier nog een 'ervaringsdeskundige':
'Een aangeblazen, freewheelende prop levert veel meer weerstand op dan eenzelfde, nagenoeg stilstaand, exemplaar'

De uitleg:
Bij de klasse F2B wordt de vliegfiguur landing (fig. 15) omschreven als 'een gelijkmatige daling, ingezet op ooghoogte en eindigend (touch down) recht onder dat punt, precies na een ronde zweven'
In mijn geval is dat een afstand van ~135 meter vanaf een hoogte van ~ 1m80.
De beoordeling begint op het moment dat het model door de 'ooghoogte' (ook de onderkant van de meeste figuren) heengaat.
De motor mag dan geen vermogen meer leveren, een verbrandingsmotor had daarvoor geen nadere omschrijving nodig, want het geluid was een duidelijke indicator.

Tijdens de eerste testvluchten met electro lukte het niet om die volle ronde (zoals we gewend waren van brandstofmodellen) te halen, de snelheid was er al heel gauw uit en het model stond in no-time aan de grond, wel met een nog flink toeren draaiende propeller.
Gebruik van de EMK rem van de regelaar loste dit probleem op. Met de nog maar 2 a 3 omw/sec draaiende (=practisch stilstaande) prop was de verplichte hele ronde makkelijk te halen. En de jury was ervan overtuigd dat de motor geen power meer leverde.



Hier een landing op het WK van 2006:

 

Laat ik voorop stellen dat ook mijn indruk is dat een freewheelende prop veel meer weerstand oplevert als een stilstaande. Maar harde feiten of het werkelijk meer weerstand oplevert, of dat ik (en jullie ) dat alleen maar denken, heb ik niet.

De verklaring is naar mijn idee de volgende:
Een prop is in wezen een ronddraaiende vleugel. Wordt hij door de motor aangedreven dan zorgt het toerental gecombineerd met de voorwaartse snelheid ervoor dat de lucht een niet te grote invalshoek op de prop krijgt, waardoor aan de voorkant lift ontstaat. Dat proces is 100% identiek aan het ontstaan van lift bij een vleugel.
Nu wordt het proces omgedraaid. De wind de prop, door de stijging van de prop/stijghoek van het propblad is er een invalshoek, er ontstaat enige lift, door die zelfde stijghoek is die lift een beetje schuin gericht (lift staat haaks op de koorde) waardoor de prop gaat draaien, hierdoor wordt de invalshoek kleiner, daardoor gaat de prop efficienter werken (overtrokken situatie verdwijnt door kleinere invalshoek).
Maar ... en nu komt de crux: de lift zit aan de achterkant van het propblad.
Conclusie: de remkracht bij een freewheelende prop ontstaat dus agv. de (achterwaart gerichte) lift die door de draaiing en vliegsnelheid ontstaat. De remkracht bij een stilstaande prop ontstaat enkel door de drukweerstand.

Nu de hamvraag: is die remmende lift groter dan de zuivere (druk)weerstand van een stilstaande prop?
Ik denk het wel. De kracht die (bij een bepaalde snelheid) door lift wordt opgewekt is altijd groter dan de kracht opgewekt door zuivere (druk)weerstand. Anders zouden we niet op lift maar op weerstand vliegen toch?!
De weerstand neemt toe met het kwadraat van de snelheid, de lift ook, dus blijft het verschil altijd in het voordeel van de lift uitvallen.

Ik denk niet dat dit een 'hard bewijs' is. Ik hoop op een acceptabele verklaring.

Gr. Dirk.

 

Als biij een heikopter de motor uitvalt, dan laten ze de bladen nog draaien en kan je een powerloze landing maken.
Waarschijnlijk werkt dat beter dan de bladen stilzetten, anders was de motor uitval procedure wel anders geweest.

 

Zeker wel anders val je als een baksteen uit de lucht :lol:

 

Een freewheeelende prop levert zeker weerstand op, waar een stilstaande prop dat nauwelijks doet. Ik heb daar wel een verklaring voor, maar moet dat even uitwerken, of mooie plaatjes zoeken op internet. Wordt vervolgd.

 

Een stilstaande prop levert minder weerstand dan dezelfde draaiende prop.

Als een toestel een weg van één meter aflegt met een stilstaande prop, wordt deze met een bepaalde hoeveelheid lucht omspoeld.
Bij een draaiende prop is de omspoelde hoeveelheid lucht vele malen groter.
Wel is de weerstand minder maar dat weegt niet op tegen de hoeveelheid lucht.
Verder heeft de prop een vleugelprofiel wat tijdens het freewheelen te vergelijken is met een vlucht op zijn rug. Dus geen optimale omspoeling.

Johannes

 

Ja maar zoals gezegd is dat een ander verhaal, omdat de prop van een heli voor lift omhoog zorgt, wat tijdens het vallen tegen de bewegingsrichting (omlaag) in is. De prop van een vliegtuig geeft lift naar voren, met de bewegingsrichting mee.

Ben benieuwd naar de verklaring van Fotor!
Ik geloof wel dat een stilstaande prop minder weerstand geeft, maar blijft knagen dat ik niet helemaal begrijp waarom... Moet dat verhaal van Dirk misschien nog maar eens overpeinzen...

 

Is dit alles niet makkelijk te testen door een propeller op asje op een weegschaal te monteren en er met een fan tegenaan te blazen. Zowel met vastgezette als vrij draaiende propeller?

edit: ik zal dan even een 'prop' maken die alleen bestaat uit schuinstaande vlakke platen om alle andere effecten zoals lift uit te sluiten.

Als jullie in deze opstelling geen fouten zien dan wil ik dat vanavond wel even uitproberen en wat meetresultaten posten.

Mark

 

Stilstaan van de prop is niet remmen, freewheelen is te weinig rem.
Ergens hier tussenin zit een optimum. Is in het F3A een van de die zaken waar je (constant) mee bezig bent. Welke reminstelling van de spin regelaar heeft bij welke prop het optimale remmende effect. De Schulze regelaars met F3A rem zijn op dat gebied perfect. Hier regel je de rem met de knuppel.

 

Ik kon op internet geen geschikte plaatjes vinden, dus heb zelf iets uitgetekend.

We beginnen met een afbeelding van een 'normale' situatie, een aangedreven prop die trekkracht levert. De afbeelding is voor een doorsnede ergens op de prop.


De aanstromende lucht bestaat uit 2 factoren: snelheid door het draaien van de prop en de vliegsnelheid haaks daarop. De optelling van deze 2 geeft de aanstromingsrichting van het propellerblad ter plaatse. Deze aanstromingsrichting maakt een zekere hoek met de koorde van het propellerblad, de lokale invalshoek. De omstroming van de lucht om het propellerblad levert een kracht op op het blad, R (resultante).
Deze kracht R kan op 2 manieren worden ontbonden. De voor vleugels gebruikelijke manier is het ontbinden in lift (L) en weerstand (D), deze staan respectievelijk loodrecht op en evenwijdig aan de aanstromingsrichting. De weerstand is hier duidelijk te groot t.o.v. de lift getekend, dat is gedaan om te erg gepriegel in de tekening te voorkomen. Je kan de kracht R echter ook ontbinden in een trekkracht (T) en een kracht in draairichting (heb ik hier M van moment genoemd). De trekkracht T is waar we op uit zijn, de 'goede' factor van R, M is de 'slechte' factor die moet worden opgeheven door energietoevoer van een motor.

Meteen wat verdere algemene theorie over propellers.
De aanstroming van het propellerblad is niet constant over het hele propellerblad. Als je een sectie dichter bij de as gaat bekijken is de aanstroming door de vliegsnelheid nl hetzelfde, maar de factor "draaisnelheid prop" is duidelijk kleiner. Dit zorgt voor een andere aanstromingshoek ter plaatse. Bij deze doorsnede zou de aanstroming zelfs van de verkeerde kant kunnen gaan komen als je dicht genoeg bij de as gaat kijken. Dat is de reden dat het propellerblad richting de as steeds meer spoed heeft. Een propellerblad is nooit recht, de spoed verloopt over de diameter van de prop, omdat de draaisnelheid dicht bij de as altijd veel kleiner is dan bij de tip.
Een propeller heeft altijd een 'ontwerpsnelheid' en 'ontwerptoerental'. Bij deze snelheid en toerental is de invalshoek over het hele propellerblad min of meer constant, het ideale geval. Bij andere snelheden en andere toerentallen is de invalshoek niet constant over de spanwijdte van de prop, wat een minder efficiente liftverdeling oplevert en dus een minder efficiente voortstuwing.

Dan nu de niet aangedreven propeller.


Een niet aangedreven prop draait een stuk langzamer dan een aangedreven prop. De factor "draaisnelheid prop" in de aanstromende lucht is dan ook een stuk kleiner. De factor "vliegsnelheid" heb ik min of meer hetzelfde gehouden.
De lucht komt nu onder een heel andere hoek binnen bij het propellerblad. De invalshoek is nu negatief geworden en de resultante kracht R staat de andere kant op. Als deze kracht in trekkracht en moment wordt ontbonden (niet in de tekening) zie je dat er nu een negatieve trekkracht ontstaat en een moment dat de propeller aandrijft. De luchtstroming zorgt dus voor aandrijving van de prop. De prijs die je betaalt voor deze aandrijving is de negatieve trekkracht. Er zal zich een evenwicht instellen waarbij uiteindelijk R precies achteruit wijst en dus de kracht M nul wordt, de prop heeft dan een evenwicht bereikt en zal niet verder versnellen of vertragen.

De oplettende lezer zal al hebben gezien dat er (bij deze vliegsnelheid) een toerental is waarbij de prop geen trekkracht (positief of negatief) levert, een soort overganspunt tussen de eerste en tweede situatie. Als de propeller langzamer draait dan dit gegeven toerental zal de propeller dus weerstand leveren. Dat kan dus ook zijn met heel licht 'gas open'! De snelheid waarbij er geen trekkracht is is afhankelijk van de vliegsnelheid, bij een hoge vliegsnelheid is het toerental voor 0 trekkracht hoger dan bij lage vliegsnelheid.

Een propeller die stilstaat levert natuurlijk ook enige weerstand. Van echt liftopwekking door de prop is geen sprake omdat het blad voor het overgrote deel overtrokken zal zijn. De achterwaartse component die deze overtrokken weerstand kan geven is veel kleiner dan de achterwaartse component van een (negatieve) liftkracht op het blad.

Leuk trucje voor zwevers met klapprop: als je wat weerstand wilt creeren (bijv in de landing) kan je de motor net één tandje openzetten waardoor de prop (langzaam) gaat draaien. Je zwever zal nu harder gaan zakken dan met de motor uit!