8.2: 推进器特性:音高、直径和叶片数在性能上的变化

1. 测量亚音速风洞的螺旋桨特性

1. 使用 4 轴刺坐安装在亚音速风洞中设置螺旋桨测试台，如图 3 所示。本演示使用了 2.6 英尺 x 3.7 英尺测试部分和最大动态压力设置为 25 psf 的风洞。

图 3.推进器钻机。请点击此处查看此图的较大版本。

2. 将 6 轴称重传感器连接到钻机。这将用于测量推力和扭矩。
3. 将无刷直流电机固定到钻机上，然后连接第一个螺旋桨。
4. 将直流电机连接到电子速度控制器和脉冲宽度调制信号发生器，后者控制电机的速度。
5. 连接功率分析仪，该分析仪将测量提供给电机的电流和电压，并将其连接到锂聚合物电池。
6. 使用精神水平，确保刺螺旋桨设置与零螺距和零偏航的流动方向对齐。
7. 固定风洞门并打开主电源。
8. 打开风洞，然后打开信号发生器和称重传感器数据采集系统。
9. 使用虚拟仪器软件将称重传感器上的力归零。
10. 设置信号发生器以在 10% 油门下运行电机。
11. 在风洞关闭后开始记录零读数。记录以下数据的速度:
    a. 螺旋桨特性 - 叶片数量、螺旋桨直径（in）和螺旋桨间距（in）。
    b. 速度（以节气百分比计算），基于信号发生器配置。
    c. 来自风洞传感器的动态压力 （psf）。
    d. 电压 （V） 和电流 （A） 从功率分析仪提供给 BLDC 电机。
    e. 从称重传感器伸出的推力（磅）和扭矩（磅内）。
    f. 螺旋桨转速（每分钟旋转）。请注意，只能在实验结束时提取 RPM 读数。
12. 打开风洞，将动态压力从 0 psf 到 10 psf，步长为 0.5 psf。
13. 在每个设置中，允许风洞稳定，然后记录上面列出的相同数据。
14. 继续以 0.5 psf 的增量增加动态压力设置，以增强推力和扭矩变为负的动态压力设置。以每个增量记录所有数据。
15. 将隧道动态压力重置为零，并关闭风洞
16. 将电机转速设置为 50% 油门并重复步骤 1.11 - 1.15。
17. 将电机速度设置为 100% 油门并重复步骤 1.11 - 1.15。
18. 对所有螺旋桨重复上述步骤，确保测试 10%、50% 和 100% 油门的速度，以及推力和扭矩变为负的动态压力。
19. 完成所有测试后，将电子速度控制器插入编程套件，记录所有螺旋桨转速数据。
20. 关闭所有系统。

表 1.推进器经过测试。

请注意，本研究中使用的固定螺距螺旋桨由其直径和螺距以英寸为单位定义。例如，18 x 8 螺旋桨是直径为 18 的螺旋桨，几何间距为 8 in。

螺旋桨广泛用于许多不同类型的飞机中，用于推进和产生推力，因此必须仔细设计和表征。螺旋桨本质上是一个扭曲的翼型，其中绳索的角度呈径向变化。螺旋桨的决定性特征之一是螺距或其扭曲。

螺旋桨的螺距通常以长度单位表示，是螺旋桨在一圈内在空气中行驶的理论距离。然而，由于飞机和螺旋桨上的阻力，螺旋桨永远不会超出其理论距离。实际行驶的距离称为螺旋桨的有效螺距。理论螺距和有效螺距之间的差称为螺旋桨滑移。

在描述螺旋桨时，我们还讨论了推力、扭矩和功率，它们以各自的无量纲系数为特征。这里，T 是推力，tau 是扭矩，P 是电机的电源，rho 是自由流密度，n 是螺旋桨的旋转速率，D 是螺旋桨直径。重要的是，我们还定义了螺旋桨的效率。这是使用扭矩和推力系数以及高级比率 J 计算的，该比率将自由流速度归一化为螺旋桨旋转和直径。使用这些无量纲值，我们可以确定螺旋桨在不同条件下的运行情况。

在螺旋桨状态下，螺旋桨产生正推力和扭矩。当推力变为负值时，空气制动机制开始，而扭矩保持正值。在这种状态下，螺旋桨会减慢系统的速度，而不是提供积极的向前运动。当推力和扭矩都降至零以下时，螺旋桨处于风车状态。在这里，气流控制螺旋桨，因为它在螺旋桨上产生驱动螺旋桨的电机无法克服的力。

需要注意的是，在螺旋桨状态之外，螺旋桨效率的计算是没有意义的。在给定的空气速度和转速下，在高效螺旋桨状态下作螺旋桨始终是可取的。对于固定螺距螺旋桨，这可能很困难，因为固定螺距螺旋桨是为一种最佳运行条件而设计的，通常在巡航条件下最有效，而在起飞和着陆时效率低下。

改善作的一种方法是增加叶片的数量，尤其是在对螺旋桨的直径或螺距没有限制的情况下。这可以增加推力。然而，这是以较低的螺旋桨效率为代价的。在这个实验中，我们将描述几种不同的螺旋桨，并确定螺距、直径和叶片数量对性能的影响。

在本实验中，我们将使用一系列五个 APC 和两个具有不同直径、螺距和叶片数量的木螺旋桨来检查亚音速风洞中的螺旋桨特性。

首先，使用四轴刺架在风洞内设置螺旋桨测试台，以固定螺旋桨测试台组件。六轴称重传感器用于测量推力和扭矩。将称重传感器连接到钻机上，固定为螺旋桨提供动力的无刷直流电机，然后连接第一个螺旋桨。

现在，将无刷直流电机连接到电子速度控制器和脉宽调制信号发生器，后者控制电机的速度。此外，将电机连接到功率分析仪以测量提供的电压和电流。然后将其和无刷直流电机连接到锂聚合物电池。

设置完全组装完成后，使用水平仪确保 Sting 螺旋桨设置与气流方向对齐，没有任何俯仰或偏航。然后固定风洞门，打开主电源，打开风洞。然后，打开信号发生器和称重传感器数据采集系统。

在开始测试之前，请在电子表格中记录螺旋桨特性，包括螺旋桨叶片的数量、直径和螺距。现在，使用风洞计算机上的数据采集软件将力传感器上的力归零。然后，将信号发生器设置为以 10% 的油门运行电机。

首先在风洞关闭的情况下记录零读数。根据节气门的百分比和风洞传感器的动态压力记录速度。此外，记录从功率分析仪提供给电机的电压和电流，以及称重传感器测量的推力和扭矩。

现在，打开风洞并将动压增加到 0.5 psf。留出时间让风洞稳定下来，然后记录所有数据。继续以 0.5 psf 的增量增加动态压力设置，直到推力和扭矩变为负的动态压力设置。

记录每个增量的所有数据。一旦推力和扭矩测量值为负，将动压设置回零并关闭风洞。然后使用信号发生器将电机速度提高到 50% 油门。进行零点测量，在风洞关闭的情况下记录所有数据。然后打开风洞并将动态压力读数设置为 0.5 psf。然后记录所有数据。

像以前一样以 0 为增量重复测量。5 psf 达到动态压力读数，其中扭矩和推力变为负值。然后将动压设置回零，关闭风洞，将螺旋桨速度提高到 100% 油门。在风洞关闭的情况下记录零点测量，然后再次重复测试，直到扭矩和推力变为负的动态压力。

对所有螺旋桨重复这些测试，确保测试每个螺旋桨的 10%、50% 和 100% 油门速度，直至推力和扭矩变为负的动态压力。完成所有测试后，将电子速度控制器插入编程套件并记录所有螺旋桨 RPM 数据。然后关闭所有系统。

为了评估实验结果，我们将首先使用螺旋桨推力、旋转速率、直径和自由流密度计算推力系数 CT。我们还可以分别计算扭矩和功率系数 CQ 和 CP。回想一下，tau 是螺旋桨扭矩，P 是提供给直流电动机的功率，计算为电压和电流的乘积。

最后，我们可以计算高级比率 J，以便将自由流速度归一化为螺旋桨的旋转速率和直径。旋转速率是实验期间记录的每分钟旋转数除以 60。自由流速度是使用动压计算的，我们在风洞中控制了动压。然后，可以计算螺旋桨效率。

现在，让我们绘制其中一个螺旋桨的三个系数和效率与高级比率 J 的关系图。在这里，我们显示了双叶片、直径为 18 英寸、螺距为 8 英寸的螺旋桨的数据。螺旋桨产生高达 0.6 的高级比率的正推力，然后过渡到空气制动区域。当推力变为负值时，空气制动区域开始，而扭矩保持为正值。在这个区域中，螺旋桨会减慢系统的速度。

在 0.85 的高级比率之后，螺旋桨产生负扭矩并表现得像风车。在这里，气流在螺旋桨上产生驱动螺旋桨的电机无法克服的力。请注意，螺旋桨效率在 J 等于 0.4 时最高，超出螺旋桨区域后毫无意义。

现在，让我们看一下不同的螺旋桨直径，同时保持叶片数量和螺旋桨螺距不变。我们可以看到，直径的变化对效率的影响可以忽略不计。然而，这三个系数随着螺旋桨直径的减小而略有增加。

接下来，我们将比较不同螺旋桨螺距的影响，同时保持螺旋桨直径和叶片数量不变。我们看到，一般来说，与低螺距螺旋桨相比，高螺距螺旋桨在给定的高级比率下产生更多的推力、扭矩和功率。增加螺旋桨螺距也会增加螺旋桨区域的射程。我们看到，随着螺旋桨螺距的增加，最大运行效率发生在更高的高级比率下。

最后，我们将比较叶片编号的影响，同时保持螺旋桨直径和螺距不变。我们可以看到，叶片数量增加一倍会导致推力和扭矩明显增加。虽然螺旋桨区域的范围相似，但与两叶螺旋桨相比，四叶片螺旋桨开始表现得像风车，比例更高。还可以观察到，两叶片螺旋桨的效率略高于四叶片螺旋桨。

总之，我们了解了螺旋桨的不同运行机制以及螺距如何影响螺旋桨效率。然后，我们在亚音速风洞中表征了 7 个螺旋桨，以分析螺距、直径和叶片数量对螺旋桨性能的影响。