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Propeller werden in vielen verschiedenen Flugzeugtypen für den Antrieb und die Erzeugung von Schub eingesetzt und müssen daher sorgfältig konstruiert und charakterisiert werden. Ein Propeller ist im Wesentlichen ein verdrehtes Profil, bei dem sich der Winkel des Seils radial ändert. Eines der bestimmenden Merkmale des Propellers ist die Steigung oder seine Verdrehung.
Die Steigung des Propellers wird im Allgemeinen in Längeneinheiten angegeben und ist die theoretische Entfernung, die der Propeller in einer einzigen Umdrehung durch die Luft zurücklegt. Aufgrund der Widerstandskraft auf das Flugzeug und den Propeller legt der Propeller jedoch nie seine theoretische Strecke zurück. Die tatsächlich zurückgelegte Strecke wird als effektive Steigung des Propellers bezeichnet. Die Differenz zwischen der theoretischen Steigung und der effektiven Steigung wird als Schlupf des Propellers bezeichnet.
Bei der Beschreibung von Propellern sprechen wir auch von Schub, Drehmoment und Leistung, die durch ihre jeweiligen dimensionslosen Koeffizienten charakterisiert sind. Hier ist T der Schub, tau das Drehmoment, P die Stromversorgung des Motors, rho die Freistromdichte, n die Drehzahl des Propellers und D der Propellerdurchmesser. Wichtig ist, dass wir auch den Wirkungsgrad eines Propellers definieren. Dies wird anhand der Drehmoment- und Schubkoeffizienten zusammen mit dem erweiterten Verhältnis J berechnet, das die Freistromgeschwindigkeit an die Propellerdrehung und den Durchmesser anpasst. Anhand dieser dimensionslosen Werte können wir bestimmen, wie ein Propeller unter verschiedenen Bedingungen arbeitet.
Im Propellerbereich erzeugt der Propeller positiven Schub und Drehmoment. Das Druckluftbremsregime beginnt, wenn der Schub negativ wird, während das Drehmoment positiv bleibt. In diesem Regime verlangsamt der Propeller das System, anstatt eine positive Vorwärtsbewegung zu ermöglichen. Wenn sowohl Schub als auch Drehmoment unter Null fallen, befindet sich der Propeller im Windmühlenbereich. Dabei steuert die Luftströmung den Propeller, da sie Kräfte auf den Propeller ausübt, die der Motor, der den Propeller antreibt, nicht überwinden kann.
Es ist wichtig zu beachten, dass die Berechnung des Propellerwirkungsgrads über das Propellerregime hinaus bedeutungslos ist. Es ist immer wünschenswert, den Propeller im hocheffizienten Propellerbereich für eine gegebene Luftgeschwindigkeit und Drehzahl zu betreiben. Bei Festpropellern kann dies schwierig sein, da die Festpropeller für einen optimalen Betriebszustand ausgelegt sind und in der Regel unter Reiseflugbedingungen am effizientesten und bei Start und Landung ineffizient sind.
Eine Möglichkeit, den Betrieb zu verbessern, insbesondere wenn es keine Einschränkungen hinsichtlich des Durchmessers oder der Steigung des Propellers gibt, besteht darin, die Anzahl der Blätter zu erhöhen. Dadurch kann der Schub erhöht werden. Dies geht jedoch auf Kosten eines geringeren Wirkungsgrads des Propellers. In diesem Experiment werden wir mehrere verschiedene Propeller charakterisieren und den Einfluss von Steigung, Durchmesser und Anzahl der Blätter auf die Leistung bestimmen.
In diesem Experiment werden wir die Propellereigenschaften in einem Unterschallwindkanal mit einer Reihe von fünf APC- und zwei Holzpropellern mit unterschiedlichen Durchmessern, Pitches und Blattzahlen untersuchen.
Zu Beginn wird der Propellerprüfstand im Windkanal mit einer vierachsigen Stachelhalterung aufgebaut, um die Komponenten des Propellerprüfstands zu halten. Eine sechsachsige Wägezelle wird zur Messung von Schub und Drehmoment verwendet. Befestigen Sie die Wägezelle an der Bohrinsel, befestigen Sie den bürstenlosen Gleichstrommotor, der den Propeller antreibt, und befestigen Sie dann den ersten Propeller.
Verbinden Sie nun den bürstenlosen Gleichstrommotor mit dem elektronischen Drehzahlregler und dem pulsweitenmodulierten Signalgenerator, der die Drehzahl des Motors steuert. Schließen Sie den Motor außerdem an einen Leistungsanalysator an, um die zugeführte Spannung und den zugeführten Strom zu messen. Verbinden Sie ihn dann und den bürstenlosen Gleichstrommotor mit einer Lithium-Polymer-Batterie.
Sobald das Setup vollständig zusammengebaut ist, stellen Sie mit einer Wasserwaage sicher, dass das Propeller-Setup ohne Nicken oder Gieren in Richtung des Luftstroms ausgerichtet ist. Sichern Sie dann die Windkanaltüren, schalten Sie die Hauptstromversorgung ein und schalten Sie den Windkanal ein. Schalten Sie dann den Signalgenerator und das Datenerfassungssystem der Wägezelle ein.
Bevor Sie mit den Tests beginnen, notieren Sie die Propellereigenschaften in Ihrer Tabelle, einschließlich der Anzahl der Propellerblätter, des Durchmessers und der Steigung. Nullen Sie nun die Kräfte auf die Wägezelle mit der Datenerfassungssoftware auf dem Windkanalcomputer. Stellen Sie dann den Signalgenerator so ein, dass der Motor mit 10 % Drosselklappe läuft.
Beginnen Sie mit der Aufzeichnung eines Nullwerts bei ausgeschaltetem Windkanal. Notieren Sie die Drehzahl in Prozent der Drosselklappe und den dynamischen Druck des Gebers im Windkanal. Zeichnen Sie außerdem die Spannung und den Strom auf, die dem Motor vom Leistungsanalysator zugeführt werden, sowie den Schub und das Drehmoment, die von der Wägezelle gemessen werden.
Schalten Sie nun den Windkanal ein und erhöhen Sie den dynamischen Druck auf 0,5 psf. Lassen Sie dem Windkanal Zeit, um sich zu stabilisieren, und zeichnen Sie dann alle Daten auf. Erhöhen Sie die Einstellung des Staudrucks in Schritten von 0,5 psf bis zu einer Einstellung des Staudrucks, bei der Schub und Drehmoment negativ werden.
Zeichnen Sie alle Daten in jedem Inkrement auf. Sobald die Messungen für Schub und Drehmoment negativ sind, stellen Sie den Staudruck wieder auf Null und schalten Sie den Windkanal aus. Erhöhen Sie dann die Motordrehzahl mit dem Signalgenerator auf 50 % Gas. Führen Sie die Nullpunktmessung durch und zeichnen Sie alle Daten bei ausgeschaltetem Windkanal auf. Schalten Sie dann den Windkanal ein und stellen Sie den Staudruckwert auf 0,5 psf ein. Zeichnen Sie dann alle Daten auf.
Wiederholen Sie die Messungen wie zuvor in Schritten von 0. 5 psf bis zu einem dynamischen Druckwert, bei dem Drehmoment und Schub negativ werden. Stellen Sie dann den Staudruck wieder auf Null, schalten Sie den Windkanal aus und erhöhen Sie die Propellerdrehzahl auf 100 % Gas. Zeichnen Sie die Nullpunktmessung bei ausgeschaltetem Windkanal auf und wiederholen Sie die Tests erneut bis zu einem dynamischen Druck, bei dem Drehmoment und Schub negativ werden.
Wiederholen Sie diese Tests für alle Propeller und stellen Sie sicher, dass Drehzahlen von 10 %, 50 % und 100 % Drosselklappe für jeden Propeller bis zu einem dynamischen Druck getestet werden, bei dem Schub und Drehmoment negativ werden. Schließen Sie nach Abschluss aller Tests den elektronischen Fahrtenregler an das Programmierkit an und zeichnen Sie alle Propellerdrehzahldaten auf. Fahren Sie dann alle Systeme herunter.
Um die Ergebnisse des Experiments zu bewerten, berechnen wir zunächst den Schubkoeffizienten CT unter Verwendung des Propellerschubs, der Rotationsrate, des Durchmessers und der Freistromdichte. Wir können auch die Drehmoment- und Leistungskoeffizienten CQ bzw. CP berechnen. Denken Sie daran, dass tau das Propellerdrehmoment und P die dem Gleichstrommotor zugeführte Leistung ist und als Produkt aus Spannung und Strom berechnet wird.
Schließlich können wir das erweiterte Verhältnis J berechnen, um die Freistromgeschwindigkeit auf die Rotationsrate und den Durchmesser des Propellers zu normalisieren. Die Rotationsrate ist die Umdrehungen pro Minute, die während des Experiments aufgezeichnet wurde, geteilt durch 60. Die Geschwindigkeit des freien Stroms wird anhand des Staudrucks berechnet, den wir im Windkanal gesteuert haben. Dann kann der Wirkungsgrad des Propellers berechnet werden.
Lassen Sie uns nun die drei Koeffizienten und den Wirkungsgrad im Vergleich zum erweiterten Verhältnis J für einen der Propeller darstellen. Hier zeigen wir Daten für einen zweiblättrigen Propeller mit einem Durchmesser von 18 Zoll und einer Teilung von 8 Zoll. Der Propeller erzeugt positiven Schub bis zu einem fortgeschrittenen Verhältnis von 0,6, wo er dann in den Bereich der Druckluftbremse übergeht. Der Bereich der Druckluftbremse beginnt, wenn der Schub negativ wird, während das Drehmoment positiv bleibt. In diesem Bereich bremst der Propeller das System ab.
Nach einer fortschrittlichen Übersetzung von 0,85 erzeugt der Propeller ein negatives Drehmoment und verhält sich wie eine Windmühle. Dabei erzeugt die Luftströmung Kräfte auf den Propeller, die der Motor, der den Propeller antreibt, nicht überwinden kann. Beachten Sie, dass der Propellerwirkungsgrad bei J gleich 0,4 am höchsten ist und über den Propellerbereich hinaus bedeutungslos ist.
Werfen wir nun einen Blick auf die Variation des Propellerdurchmessers, während die Anzahl der Blätter und die Propellersteigung konstant bleiben. Wir sehen, dass die Änderung des Durchmessers einen vernachlässigbaren Einfluss auf den Wirkungsgrad hat. Die drei Koeffizienten steigen jedoch mit abnehmendem Propellerdurchmesser leicht an.
Als Nächstes vergleichen wir den Effekt einer unterschiedlichen Propellersteigung bei gleichbleibendem Propellerdurchmesser und Anzahl der Blätter. Wir sehen, dass ein Hochpropeller im Vergleich zu einem Tiefpropeller im Allgemeinen mehr Schub, Drehmoment und Leistung für ein gegebenes fortschrittliches Verhältnis erzeugt. Durch die Vergrößerung der Propellersteigung wird auch die Reichweite des Propellerbereichs erhöht. Wir sehen, dass der maximale Betriebswirkungsgrad bei einem höheren fortschrittlichen Verhältnis auftritt, wenn die Propellersteigung zunimmt.
Zum Schluss vergleichen wir den Effekt der Blattzahl, während der Propellerdurchmesser und die Steigung konstant bleiben. Wir sehen, dass die Verdopplung der Anzahl der Blätter zu einem deutlich höheren Schub und Drehmoment führt. Während die Ausdehnung des Propellerbereichs ähnlich ist, verhält sich der Vierblattpropeller im Vergleich zum Zweiblattpropeller wie eine Windmühle mit einem höheren fortschrittlichen Verhältnis. Es ist auch zu beobachten, dass der Zweiblattpropeller etwas effizienter ist als sein Vierblatt-Pendant.
Zusammenfassend haben wir die verschiedenen Betriebsbedingungen von Propellern kennengelernt und erfahren, wie sich die Steigung auf den Wirkungsgrad des Propellers auswirkt. Anschließend charakterisierten wir 7 Propeller in einem Unterschallwindkanal, um die Auswirkungen von Steigung, Durchmesser und Anzahl der Blätter auf die Propellerleistung zu analysieren.
