Konzeptionierung und Entwicklung einer Vorrichtung zur realitätsnahen Nachbildung von Antriebslasten elektrischer Flugantriebe

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Konzeptionierung einer Vorrichtung, für einen Schwenkprüfstand, zur Abbildung der aerodynamischen Belastungen durch Propellerantriebe. Aktuell sind Erprobungen für elektrische Propellerflugantriebe nur mit angebauten Propellern möglich. Dadurch ergibt sich ein hoher Platzbedarf und eine mögliche Gefährdung der Prüfstandsarbeiter im Prüfbetrieb. Deshalb soll eine Vorrichtung entwickelt werden, welche die Kräfte resultierend aus der Propellergeometrie und spezifischen Luftströmungen abbilden kann. Damit wird der Anbau realer Propeller erspart. Im späteren Verlauf des Projekts sollen über einen hardware-in-the-loop-Ansatz Flugmanöver auf dem Prüfstand simuliert werden. Das Hauptaugenmerkliegt auf der Schubkraft der Propeller und den sogenannten Schlagmomenten, welche durch unsymmetrische Anströmungen in der Propellerebene entstehen. Zur Berechnung dieser letztgenannten hochfrequenten Belastungen wird eine eigens entwickelte Methodik, basierend auf der Blattelementtheorie, vorgestellt. Anhand der Methodik und ausgewählten Flugsituationen werden Kräfte und Momente berechnet, die für die Konzepterarbeitung genutzt werden. Die Konzeptauswahl und die Auswahl einer geeigneten Aktorik beruhen auf den Ergebnissen zweier Nutzwertanalysen. Bezüglich des HiL-Ansatzes wird die Berechnungsmethodik in zwei Varianten auf einer echtzeitfähigen Hardware implementiert und vorgestellt. Die zur Krafteinbringung ausgewählte Aktorik in Form eines Schrittmotors mit Linearspindel zur Erzeugung von Axialkräften, wird abschließend versuchstechnisch untersucht.

The present thesis deals with the conception of a test unit of a swivel testbench for mapping the aerodynamic loads caused by propeller drives. Tests for electrical propeller drive systems are currently only possible with attached propellers, This results in a high space requirement and a possible risk for the testbench-workers during operation. Therefore a device has to be developed, that can simulate the forces resulting from the propeller geometry and specific air flows. So real propellers do not have to be installed. In the later course of the project, flight maneuvers will be simulated on the testbench using an hardware-in-the-loop-approach. The main focus is on the thrust of the Propellers and the so-called flapping torques, caused by asymmetrical airflows in the propeller plane. A specially developed method, based on the blade-element-theory, is presented to calculate these high-frequency loads. On the basis of the methodology and selected flight situations, forces and torques are calculated, that are used to develop the concept. The selections of the concept and a suitable actuator are based on the results of two utility-value-analyzes. With regard to the HiL-approach, the calculation method is implemented and presented in two variants on a real-time hardware. The selected actuactor, in the form of a stepper motor with a linear spindle to create axial forces, is then investigated by means of experiments.