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Le eliche sono ampiamente utilizzate in molti tipi diversi di aeromobili per la propulsione e la generazione di spinta, e devono quindi essere progettate e caratterizzate con cura. Un'elica è essenzialmente un profilo alare attorcigliato, in cui l'angolo del cavo cambia radialmente. Una delle caratteristiche distintive dell'elica è il passo, o la sua torsione.
Il passo dell'elica è generalmente espresso in unità di lunghezza ed è la distanza teorica che l'elica percorrerà nell'aria in un singolo giro. Tuttavia, a causa della forza di trascinamento sull'aereo e sull'elica, l'elica non percorre mai la sua distanza teorica. La distanza effettiva percorsa è chiamata passo effettivo dell'elica. La differenza tra il passo teorico e il passo effettivo è chiamata slittamento dell'elica.
Quando descriviamo le eliche, parliamo anche di spinta, coppia e potenza, che sono caratterizzate dai rispettivi coefficienti adimensionali. Qui, T è la spinta, tau è la coppia, P è l'alimentazione al motore, rho è la densità del flusso libero, n è la velocità di rotazione dell'elica e D è il diametro dell'elica. È importante sottolineare che definiamo anche l'efficienza di un'elica. Questo viene calcolato utilizzando i coefficienti di coppia e spinta insieme al rapporto avanzato J, che normalizza la velocità del flusso libero in base alla rotazione e al diametro dell'elica. Utilizzando questi valori adimensionali, possiamo determinare come funziona un'elica in diverse condizioni.
Nel regime dell'elica, l'elica produce spinta e coppia positive. Il regime di frenatura ad aria inizia quando la spinta diventa negativa, mentre la coppia rimane positiva. In questo regime, l'elica rallenta il sistema piuttosto che fornire un movimento in avanti positivo. Quando la spinta e la coppia scendono entrambe sotto lo zero, l'elica è in regime di mulino a vento. Qui, il flusso d'aria controlla l'elica, poiché produce forze sull'elica che il motore che aziona l'elica non può superare.
È importante notare che al di là del regime dell'elica, il calcolo dell'efficienza dell'elica è privo di significato. È sempre consigliabile azionare l'elica nel regime dell'elica ad alta efficienza per una data velocità dell'aria e RPM. Per le eliche a passo fisso, questo può essere difficile in quanto le eliche a passo fisso sono progettate per una condizione operativa ottimale e di solito sono più efficienti in condizioni di crociera e inefficienti in decollo e atterraggio.
Un modo per migliorare il funzionamento, soprattutto se non ci sono vincoli sul diametro o sul passo dell'elica, è aumentare il numero di pale. Questo può aumentare la quantità di spinta. Tuttavia, ciò comporta una minore efficienza dell'elica. In questo esperimento, caratterizzeremo diverse eliche e determineremo l'effetto del passo, del diametro e del numero di pale sulle prestazioni.
In questo esperimento, esamineremo le caratteristiche dell'elica in una galleria del vento subsonica utilizzando una serie di cinque APC e due eliche in legno con diametro, passo e numero di pale variabili.
Per iniziare, installa il banco di prova dell'elica all'interno della galleria del vento utilizzando un supporto a pungiglione a quattro assi per sostenere i componenti del banco di prova dell'elica. Una cella di carico a sei assi viene utilizzata per misurare la spinta e la coppia. Collegare la cella di carico al rig, fissare il motore CC brushless, che alimenta l'elica, quindi collegare la prima elica.
Ora, collega il motore CC brushless al regolatore di velocità elettronico e al generatore di segnale modulato a larghezza di impulso, che controlla la velocità del motore. Inoltre, collegare il motore a un analizzatore di potenza per misurare la tensione e la corrente fornite. Quindi collegarlo e il motore CC brushless a una batteria ai polimeri di litio.
Una volta che la configurazione è completamente assemblata, utilizzare una livella a bolla d'aria per assicurarsi che la configurazione dell'elica a puntura sia allineata nella direzione del flusso d'aria senza alcun beccheggio o imbardata. Quindi fissare le porte della galleria del vento, accendere l'alimentazione principale e accendere la galleria del vento. Quindi, accendere il generatore di segnale e il sistema di acquisizione dati della cella di carico.
Prima di iniziare i test, registra le caratteristiche dell'elica nel foglio di calcolo, incluso il numero di pale dell'elica, il diametro e il passo. Ora, azzerare le forze sulla cella di carico utilizzando il software di acquisizione dati sul computer della galleria del vento. Quindi, impostare il generatore di segnale in modo che faccia funzionare il motore al 10% dell'acceleratore.
Inizia registrando una lettura zero con la galleria del vento spenta. Registrare la velocità in termini di percentuale dell'acceleratore e la pressione dinamica dal trasduttore della galleria del vento. Inoltre, registrare la tensione e la corrente fornite al motore dall'analizzatore di potenza e la spinta e la coppia misurate dalla cella di carico.
Ora accendi la galleria del vento e aumenta la pressione dinamica a 0,5 psf. Attendi il tempo affinché la galleria del vento si stabilizzi, quindi registra tutti i dati. Continuare ad aumentare l'impostazione della pressione dinamica con incrementi di 0,5 psf fino a un'impostazione di pressione dinamica in cui la spinta e la coppia diventano negative.
Registra tutti i dati ad ogni incremento. Una volta che le misurazioni di spinta e coppia sono negative, riportare la pressione dinamica a zero e spegnere la galleria del vento. Quindi aumentare la velocità del motore al 50% dell'acceleratore utilizzando il generatore di segnale. Effettuare la misurazione dello zero, registrando tutti i dati con la galleria del vento spenta. Quindi accendere la galleria del vento e impostare la lettura della pressione dinamica su 0,5 psf. Quindi registra tutti i dati.
Ripetere le misurazioni come prima con incrementi di 0. 5 psf fino a una lettura dinamica della pressione in cui coppia e spinta diventano negative. Quindi riportare la pressione dinamica a zero, spegnere la galleria del vento e aumentare la velocità dell'elica al 100% dell'acceleratore. Registrare la misurazione dello zero con la galleria del vento spenta, quindi ripetere nuovamente i test fino a una pressione dinamica in cui coppia e spinta diventano negative.
Ripetere questi test per tutte le eliche, assicurandosi di testare velocità del 10%, 50% e 100% dell'acceleratore per ciascuna elica fino a una pressione dinamica in cui la spinta e la coppia diventano negative. Al termine di tutti i test, collegare il regolatore di velocità elettronico al kit di programmazione e registrare tutti i dati di giri dell'elica. Quindi spegni tutti i sistemi.
Per valutare i risultati dell'esperimento, calcoleremo prima il coefficiente di spinta, CT, utilizzando la spinta dell'elica, la velocità di rotazione, il diametro e la densità del flusso libero. Possiamo anche calcolare i coefficienti di coppia e potenza, rispettivamente CQ e CP. Ricordiamo che tau è la coppia dell'elica e P è la potenza fornita al motore CC ed è calcolata come il prodotto di tensione e corrente.
Infine, possiamo calcolare il rapporto avanzato J, al fine di normalizzare la velocità del flusso libero alla velocità di rotazione e al diametro dell'elica. La velocità di rotazione è la rotazione al minuto registrata durante l'esperimento, divisa per 60. La velocità del flusso libero viene calcolata utilizzando la pressione dinamica, che abbiamo controllato nella galleria del vento. Quindi, è possibile calcolare l'efficienza dell'elica.
Ora, tracciamo i tre coefficienti e l'efficienza rispetto al rapporto avanzato, J, per una delle eliche. Qui, mostriamo i dati per un'elica a due pale, diametro 18 pollici e passo 8 pollici. L'elica produce una spinta positiva fino a un rapporto avanzato di 0,6, dove poi passa alla regione del freno ad aria. La regione del freno pneumatico inizia quando la spinta diventa negativa, mentre la coppia rimane positiva. In questa regione, l'elica rallenta il sistema.
Dopo un rapporto avanzato di 0,85, l'elica produce una coppia negativa e si comporta come un mulino a vento. Qui, il flusso d'aria produce forze sull'elica che il motore che aziona l'elica non può superare. Si noti che l'efficienza dell'elica è più alta a J uguale a 0,4 ed è priva di significato oltre la regione dell'elica.
Ora, diamo un'occhiata alla variazione del diametro dell'elica, mantenendo costante il numero di pale e il passo dell'elica. Possiamo vedere che la variazione di diametro ha un effetto trascurabile sull'efficienza. Tuttavia, i tre coefficienti aumentano leggermente con la diminuzione del diametro dell'elica.
Successivamente, confronteremo l'effetto del passo variabile dell'elica, mantenendo costante il diametro dell'elica e il numero di pale. Vediamo che, in generale, un'elica ad alto passo produce più spinta, coppia e potenza per un dato rapporto avanzato rispetto a un'elica a basso passo. L'aumento del passo dell'elica aumenta anche la portata della regione dell'elica. Vediamo che la massima efficienza operativa si verifica a un rapporto avanzato più elevato all'aumentare del passo dell'elica.
Infine, confronteremo l'effetto del numero di pale, mantenendo costante il diametro e il passo dell'elica. Possiamo vedere che il raddoppio del numero di pale porta a una quantità significativamente maggiore di spinta e coppia. Sebbene l'estensione della regione dell'elica sia simile, l'elica a quattro pale inizia a comportarsi come un mulino a vento con un rapporto avanzato più elevato rispetto all'elica a due pale. Si può anche osservare che l'elica a due pale è leggermente più efficiente della sua controparte a quattro pale.
In sintesi, abbiamo appreso i diversi regimi operativi delle eliche e come il passo influisce sull'efficienza dell'elica. Abbiamo poi caratterizzato 7 eliche in una galleria del vento subsonica per analizzare gli effetti del passo, del diametro e del numero di pale sulle prestazioni dell'elica.
