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Caratterizzazione dell'elica: variazioni di passo, diametro e numero di pale sulle prestazioni

Propeller Characterization: Variations in Pitch, Diameter, and Blade Number on Performance

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Propeller Characterization: Variations in Pitch, Diameter, and Blade Number on Performance

8.1: Aerodynamic Performance of a Model Aircraft: The DC-6B

8.6: Cross Cylindrical Flow: Measuring Pressure Distribution and Estimating Drag Coefficients

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11:37 min

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April 30, 2023

Overview

Fonte: Shreyas Narsipur, Ingegneria meccanica e aerospaziale, North Carolina State University, Raleigh, NC

Un’elica è un profilo alare attorcigliato, in cui l’angolo della corda cambia rispetto alla posizione, lungo la stazione radiale, come mostrato nella Figura 1. Le eliche sono ampiamente utilizzate nei sistemi di propulsione di aeromobili e moto d’acqua, rendendo quindi necessarie caratterizzazioni dettagliate delle eliche per progettare veicoli ad alte prestazioni.

Figura 1. Accordo, spessore e passo in una stazione radiale.

Una delle caratteristiche distintive di un’elica è il beccheggio/ torsione. Il passo dell’elica, generalmente dato in unità di lunghezza, è la distanza teorica che l’elica percorrerà attraverso l’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 indicata come passo effettivo dell’elica e la differenza tra il passo teorico o geometrico e il passo effettivo è indicata come slittamento dell’elica, come illustrato nella Figura 2.

Figura 2. Rappresentazione di pitch e slip.

In questa dimostrazione, sette eliche sono caratterizzate utilizzando un banco di prova dell’elica in una galleria del vento subsonica. Questo è seguito da uno studio parametrico dettagliato per analizzare gli effetti delle variazioni di passo, diametro e numero di pale sulle prestazioni dell’elica.

Principles

Esistono due tipi di eliche principali: passo fisso e passo variabile. Le eliche a passo fisso sono progettate per una condizione operativa ottimale e sono efficienti; hanno un elevato rapporto potenza/potenza in ingresso per una data velocità dell’aria e RPM, che nella maggior parte dei casi sono le condizioni di crociera dell’aeromobile. Tuttavia, durante il decollo e l’atterraggio, quando il numero di giri e le velocità dell’aria sono inferiori, l’elica a passo fisso è altamente inefficiente. Le pale dell’elica a passo variabile offrono una soluzione al problema del passo fisso consentendo al pilota di modificare il passo dell’elica per massimizzare l’efficienza dell’elica per qualsiasi condizione operativa. È per questo motivo che negli aerei ad elica più grandi, dove l’efficienza del carburante è un fattore dominante, le eliche a passo variabile vengono utilizzate per massimizzare l’efficienza.

Rapporto avanzato, coefficiente di spinta, coefficiente di coppia, coefficiente di potenza ed efficienza dell’elica sono importanti parametri non dimensionali necessari per caratterizzare un’elica. Sulla base di questi parametri, è possibile identificare i regimi dell’elica, del freno ad aria e del mulino a vento, che sono i diversi regimi operativi di un’elica. Nel regime dell’elica, l’elica produce spinta e coppia positive. Il regime del freno pneumatico inizia quando la spinta diventa negativa mentre la coppia rimane positiva. In questo regime, l’elica rallenta il sistema. Infine, quando sia la spinta che la coppia scendono sotto lo zero, l’elica è nel regime del mulino a vento. Qui, il flusso d’aria controlla l’elica in quanto produce forze sull’elica di cui il motore / motore che aziona l’elica non può superare. L’efficienza dell’elica è priva di significato oltre la regione dell’elica.

È sempre auspicabile azionare l’elica nel regime dell’elica ad alta efficienza per una determinata velocità dell’aria e RPM. Come accennato in precedenza, le eliche a passo fisso sono generalmente progettate per operare alla loro massima efficienza durante il volo di crociera e, sebbene possano operare a velocità inferiori, come durante il decollo e l’atterraggio, l’efficienza è molto bassa. Le eliche a passo variabile possono essere regolate per ottenere le massime efficienze possibili nel regime dell’elica a seconda del regime di volo (decollo, crociera o atterraggio), massimizzando così l’efficienza del carburante dell’aeromobile.

Oltre al passo dell’elica, il numero di pale dell’elica svolge un ruolo importante nell’impostazione della spinta disponibile dall’elica. Generalmente, se ci sono vincoli di progettazione sul diametro o sul passo dell’elica, aumentare il numero di pale può aumentare la quantità di spinta prodotta. Tuttavia, la spinta extra può venire a scapito dell’efficienza dell’elica, rendendo necessaria un’analisi dettagliata.

Il rapporto avanzato, J, che è un parametro per normalizzare la velocità del flusso libero (V_∞) sulla velocità di rotazione dell’elica (n) e il diametro (D), è dato dalla seguente equazione:

La velocità del flusso a flusso libero può essere misurata usando l’equazione:

dove ρ è la densità del flusso libero.

Il coefficiente di spinta, C_T, è una misura non dimensionale della spinta dell’elica, T, ed è dato dall’equazione:

Allo stesso modo, la coppia, C_Q, e la potenza, C_P, coefficienti, le misure non dimensionali della coppia dell’elica e la potenza di uscita, rispettivamente, sono date dalle equazioni:

dove τ è la coppia e P è la potenza fornita al motore DC brushless per far funzionare l’elica. La potenza, P, può essere calcolata come il prodotto di tensione, Ve corrente, I:

Infine, l’efficienza dell’elica può essere espressa come:

Procedure

1. Misurazione delle caratteristiche dell’elica in una galleria del vento subsonica

Impostare il banco di prova dell’elica nella galleria del vento subsonica utilizzando un supporto a 4 assi, come mostrato nella Figura 3. In questa dimostrazione è stata utilizzata una galleria del vento con una sezione di prova di 2,6 piedi x 3,7 piedi e un’impostazione della pressione dinamica massima di 25 psf.

Figura 3. Rig ad elica. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Collegare una cella di carico a 6 assi al carro. Questo sarà usato per misurare la spinta e la coppia.
Fissare un motore DC brushless al carro, quindi collegare la prima elica.
Collegare il motore CC al regolatore elettronico di velocità e al generatore di segnali modulati a larghezza pulsata, che controlla la velocità del motore.
Collegare un analizzatore di potenza, che misurerà la corrente e la tensione fornite al motore, e collegarlo a una batteria ai polimeri di litio.
Utilizzare un livello di spirito per garantire che la configurazione dell’elica pungente sia allineata nella direzione del flusso con passo zero e imbardata zero.
Fissare le porte della galleria del vento e accendere l’alimentazione principale.
Accendere la galleria del vento, quindi accendere il generatore di segnale e il sistema di acquisizione dati della cella di carico.
Azzerare le forze sulla cella di carico utilizzando il software dello strumento virtuale.
Impostare il generatore di segnale per far funzionare il motore con l’acceleratore al 10%.
Inizia a registrare una lettura zero con la galleria del vento spenta. Registrare la velocità seguenti dati:
un. Caratteristiche dell’elica: numero di pale, diametro dell’elica (in) e passo dell’elica (in).
b. Velocità (in termini di percentuale di acceleratore) in base alla configurazione del generatore di segnale.
c. Pressione dinamica (psf) dal trasduttore della galleria del vento.
d. Tensione (V) e corrente (A) fornite al motore BLDC dall’analizzatore di potenza.
e. Spinta (lb) e coppia (in-lb) dalla cella di carico.
f. RPM dell’elica (rotazioni al minuto). Si noti che la lettura RPM può essere estratta solo alla fine dell’esperimento.
Accendere la galleria del vento e variare la pressione dinamica da 0 psf a 10 psf a passi di 0,5 psf.
Ad ogni impostazione, consenti alla galleria del vento di stabilizzarsi, quindi registra gli stessi dati sopra elencati.
Continuare ad aumentare l’impostazione della pressione dinamica con incrementi di 0,5 psf fino a un’impostazione dinamica della pressione a cui la spinta e la coppia diventano negative. Registrare tutti i dati ad ogni incremento.
Ripristina la pressione dinamica del tunnel a zero e spegni la galleria del vento
Impostare la velocità del motore su 50% dell’acceleratore e ripetere i passaggi 1.11 – 1.15.
Impostare la velocità del motore su 100% dell’acceleratore e ripetere i passaggi 1.11 – 1.15.
Ripetere la procedura di cui sopra per tutte le eliche, assicurandosi di testare velocità del 10%, 50% e 100% dell’acceleratore fino a una pressione dinamica in cui spinta e coppia diventano negative.
Quando tutti i test sono stati completati, collegare il regolatore di velocità elettronico al kit di programmazione, registrare tutti i dati RPM dell’elica.
Arrestare tutti i sistemi.

Tabella 1. Eliche testate.

Diametro elica x Passo (in)	# di Lame	Materiale
18 x 8	2	APC
16 x 8	2	APC
15 x 8	2	APC
15 x 10	2	APC
15 x 12	2	APC
18 x 8	2	Legno
18 x 8	4	Legno

Si noti che le eliche a passo fisso utilizzate in questo studio sono definite dal loro diametro e dal passo in pollici. Ad esempio, un’elica 18 x 8 è un’elica di 18 di diametro con un passo geometrico di 8 pollici.

Le eliche sono ampiamente utilizzate in molti diversi tipi di velivoli per la propulsione e la generazione di spinta, e devono quindi essere attentamente progettate e caratterizzate. 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 dato in unità di lunghezza ed è la distanza teorica che l’elica percorrerà attraverso l’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 chiamato slittamento dell’elica.

Quando descriviamo le eliche, parliamo anche di spinta, coppia e potenza, che sono caratterizzate dai rispettivi coefficienti adimensionale. Qui, T è spinta, tau è coppia, P è l’alimentazione del 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 alla rotazione e al diametro dell’elica. Utilizzando questi valori adimensionati, possiamo determinare come un’elica funziona in condizioni diverse.

Nel regime dell’elica, l’elica produce spinta e coppia positive. Il regime del freno pneumatico inizia quando la spinta diventa negativa, mentre la coppia rimane positiva. In questo regime, l’elica rallenta il sistema piuttosto che fornire un movimento positivo in avanti. Quando la spinta e la coppia scendono entrambe sotto lo zero, l’elica è nel regime del mulino a vento. Qui, il flusso d’aria controlla l’elica, in quanto 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 non ha senso. È sempre auspicabile 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 nel decollo e nell’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, ha il costo di una minore efficienza dell’elica. In questo esperimento, caratterizzeremo diverse eliche e determineremo l’effetto di passo, diametro e numero di pale sulle prestazioni.

In questo esperimento, esamineremo le caratteristiche dell’elica in una galleria del vento subsonica utilizzando una serie di cinque ELICHE APC e due eliche di legno con diametro, passo e numero di pale variabili.

Per iniziare, impostare il banco di prova dell’elica all’interno della galleria del vento utilizzando un supporto a pungiglione a quattro assi per contenere 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 carro, fissare il motore DC brushless, che alimenta l’elica, quindi collegare la prima elica.

Ora, collega il motore DC brushless al regolatore elettronico di velocità e al generatore di segnali modulati 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 DC brushless a una batteria ai polimeri di litio.

Una volta che la configurazione è completamente assemblata, utilizzare un livello di spirito per garantire che la configurazione dell’elica di pungiglione sia allineata nella direzione del flusso d’aria senza alcun passo 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, registrare 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 segnali per far funzionare il motore al 10% dell’acceleratore.

Inizia registrando una lettura zero con la galleria del vento spenta. Registra la velocità in termini di percentuale di 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. Lascia il tempo per stabilizzare la galleria del vento, quindi registra tutti i dati. Continuare ad aumentare l’impostazione dinamica della pressione con incrementi di 0,5 psf fino a un’impostazione dinamica della pressione a cui la spinta e la coppia diventano negative.

Registrare 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 segnali. Prendi la misurazione zero, registrando tutti i dati con la galleria del vento spenta. Quindi accendere la galleria del vento e impostare la lettura dinamica della pressione su 0,5 psf. Quindi registrare 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 impostare 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.

Ripeti questi test per tutte le eliche, assicurandoti di testare velocità del 10%, 50% e 100% dell’acceleratore per ogni elica fino a una pressione dinamica in cui spinta e coppia diventano negative. Al termine di tutti i test, collegare il regolatore di velocità elettronico al kit di programmazione e registrare tutti i dati RPM dell’elica. Quindi arrestare tutti i sistemi.

Per valutare i risultati dell’esperimento, calcoleremo prima il coefficiente di spinta, CT, usando 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 DC 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 diametro dell’elica. La velocità di rotazione è la rotazione al minuto che è stata 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, passo 8 pollici. L’elica produce una spinta positiva fino a un rapporto avanzato di 0,6, dove poi passa alla regione del freno pneumatico. 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 massima a J uguale a 0,4 ed è priva di significato oltre la regione dell’elica.

Ora, diamo un’occhiata al diametro variabile 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 vario 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 passo basso. 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 raddoppiare il numero di pale porta a una quantità significativamente più elevata di spinta e coppia. Mentre l’estensione della regione dell’elica è 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 imparato a conoscere i diversi regimi operativi delle eliche e come il passo influisce sull’efficienza dell’elica. Abbiamo quindi caratterizzato 7 eliche in una galleria del vento subsonica per analizzare gli effetti di passo, diametro e numero di pale sulle prestazioni dell’elica.

Results

Una densità di flusso libero, ρ: 0,074 lb / ft³, è stata utilizzata per determinare i risultati. La variazione dei coefficienti di spinta, coppia, potenza ed efficienza dell’elica per l’elica a due pale, 18 x 8 nell’elica è mostrata nella Figura 4. Le regioni dell’elica, del freno pneumatico e del mulino a vento sono delimitate. L’elica a due pale, 18 x 8 in elica produce una spinta positiva fino a un rapporto avanzato di 0,6 dopo di che passa alla regione del freno pneumatico fino a J 0,85. A questo punto e dopo questo punto, l’elica inizia a produrre una coppia negativa e si comporta come un mulino a vento. L’elica raggiunge la sua massima efficienza a J = 0,4.

Figura 4. Caratteristiche di una due pale, 18 x 8 in elica.

Le figure 5-7 confrontano i comportamenti C_T, C_Q, C_Pe η per le eliche con variazioni di diametro, passo e numero di pale, rispettivamente. Come mostrato nella Figura 5, la variazione del diametro dell’elica mantenendo costante il numero di pale e il passo dell’elica ha avuto un effetto trascurabile sull’efficienza dell’elica, η. Tuttavia, il C_T, C_Qe C_P per un dato rapporto avanzato, J, aumentava leggermente con la diminuzione del diametro dell’elica.

Figura 5. Confronto delle caratteristiche per eliche di diametro variabile. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

La variazione del passo dell’elica ha influenzato in modo significativo tutti i parametri, come mostrato nella Figura 6. In generale, un’elica ad alto passo produce più spinta, coppia e potenza per un dato rapporto avanzato rispetto a un’elica a passo basso. L’aumento del passo dell’elica ha anche aumentato la portata della regione dell’elica, cioè l’ampia regione di spinta positiva e coppia. Infine, la massima efficienza operativa si è verificata con un rapporto avanzato più elevato con l’aumentare del passo dell’elica.

Figura 6. Confronto delle caratteristiche per eliche con passo variabile. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

La figura 7 mostra che raddoppiare il numero di pale porta a una quantità significativamente maggiore di spinta e coppia. Mentre la regione dell’elica è 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. Inoltre, l’elica a due pale è leggermente più efficiente della sua controparte a quattro pale.

Figura 7. Confronto delle caratteristiche delle eliche che variano nel numero di pale. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Applications and Summary

Le eliche sono utilizzate per alimentare aerei su piccola scala e forniscono un metodo semplice per fornire spinta. Possono essere collegati a un motore elettrico o alternativo, dove convertono la velocità di rotazione in spinta per la propulsione. In questa dimostrazione, sette eliche con passo, diametro e numero di pale variabili sono state caratterizzate utilizzando un banco di prova dell’elica montato in una galleria del vento subsonica. Per ogni elica, sono state identificate le regioni di funzionamento dell’elica, del freno ad aria e del mulino a vento. Uno studio parametrico condotto per studiare gli effetti del diametro dell’elica ha mostrato una leggera diminuzione della spinta e della coppia con diametro decrescente. Tuttavia, il passo dell’elica ha un effetto significativo sulle caratteristiche di spinta e coppia con eliche ad alto passo che hanno un chiaro vantaggio. Inoltre, l’estensione della regione dell’elica decelera con il passo decrescente. Infine, l’aumento del numero di pale aumenta la spinta, la coppia e la potenza con una leggera diminuzione dell’efficienza dell’elica.

La selezione del sistema di propulsione appropriato (combinazione motore/motore-elica) per aeromobili o moto d’acqua è necessaria per ottenere un veicolo aereo o acquatico efficiente e ad alte prestazioni. I dati dettagliati sulle caratteristiche dell’elica forniscono agli ingegneri un modo accurato per valutare i parametri delle prestazioni di volo su tutte le velocità operative dell’aeromobile / moto d’acqua per determinare correttamente il sistema di propulsione ottimale.

Transcript

Propellers are widely used in many different types of aircraft for propulsion and the generation of thrust, and must therefore be carefully designed and characterized. A propeller is essentially a twisted airfoil, where the angle of the cord changes radially. One of the defining characteristics of the propeller is the pitch, or its twist.

The pitch of the propeller is generally given in units of length and is the theoretical distance the propeller will travel through the air in one single revolution. However, due to the drag force on the aircraft and propeller, the propeller never travels its theoretical distance. The actual distance traveled is called the effective pitch of the propeller. The difference between the theoretical pitch and the effective pitch is called the propeller’s slip.

When describing propellers, we also talk about thrust, torque, and power, which are characterized by their respective dimensionless coefficients. Here, T is thrust, tau is torque, P is power supply to the motor, rho is the freestream density, n is the propeller’s rate of rotation, and D is the propeller diameter. Importantly, we also define a propeller’s efficiency. This is calculated using the torque and thrust coefficients along with the advanced ratio J, which normalizes the freestream velocity to the propeller rotation and diameter. Using these dimensionless values, we can determine how a propeller is operating in different conditions.

In the propeller regime, the propeller is producing positive thrust and torque. The air-brake regime starts when thrust goes negative, while torque remains positive. In this regime, the propeller slows the system down rather than providing positive forward motion. When thrust and torque both drop below zero, the propeller is in the windmill regime. Here, the airflow controls the propeller, as it produces forces on the propeller that the motor driving the propeller cannot overcome.

It is important to note that beyond the propeller regime, the calculation of propeller efficiency is meaningless. It is always desirable to operate the propeller in the high efficiency propeller regime for a given air speed and RPM. For fixed-pitch propellers, this can be difficult as the fixed-pitch propellers are designed for one optimum operating condition and are usually most efficient in cruise conditions and inefficient in takeoff and landing.

One way to improve operation, especially if there are no constraints on the diameter or pitch of the propeller, is by increasing the number of blades. This can increase the amount of thrust. However, it comes at the cost of lower propeller efficiency. In this experiment, we will characterize several different propellers and determine the effect of pitch, diameter, and number of blades on performance.

In this experiment, we will examine propeller characteristics in a subsonic wind tunnel using a series of five APC and two wood propellers with varying diameter, pitch, and number of blades.

To begin, set up the propeller test rig inside of the wind tunnel using a four-axis sting mount to hold the propeller test rig components. A six-axis load cell is used to measure thrust and torque. Attach the load cell to the rig, secure the brushless DC motor, which powers the propeller, and then attach the first propeller.

Now, connect the brushless DC motor to the electronic speed controller and the pulse-width modulated signal generator, which controls the speed of the motor. Also, connect the motor to a power analyzer to measure the supplied voltage and current. Then connect it and the brushless DC motor to a lithium polymer battery.

Once the setup is completely assembled, use a spirit level to ensure that the sting propeller setup is aligned in the direction of airflow without any pitch or yaw. Then secure the wind tunnel doors, switch on the main power, and turn on the wind tunnel. Then, switch on the signal generator and the load cell data acquisition system.

Before starting the tests, record the propeller characteristics in your spreadsheet, including the number of propeller blades, the diameter, and pitch. Now, zero the forces on the load cell using the data acquisition software on the wind tunnel computer. Then, set the signal generator to run the motor at 10% throttle.

Start by recording a zero reading with the wind tunnel off. Record the speed in terms of percentage of throttle and the dynamic pressure from the wind tunnel transducer. Also, record the voltage and current supplied to the motor from the power analyzer, and the thrust and torque measured by the load cell.

Now, turn on the wind tunnel and increase the dynamic pressure to 0.5 psf. Allow time for the wind tunnel to stabilize, then record all data. Continue to increase the dynamic pressure setting in increments of 0.5 psf up to a dynamic pressure setting at which thrust and torque become negative.

Record all data at each increment. Once the measurements for thrust and torque are negative, set the dynamic pressure back to zero and switch off the wind tunnel. Then increase the motor speed to 50% throttle using the signal generator. Take the zero measurement, recording all data with the wind tunnel off. Then switch on the wind tunnel and set the dynamic pressure reading to 0.5 psf. Then record all data.

Repeat the measurements as before in increments of 0. 5 psf up to a dynamic pressure reading where torque and thrust become negative. Then set the dynamic pressure back to zero, switch off the wind tunnel, and increase the propeller speed to 100% throttle. Record the zero measurement with the wind tunnel off, then repeat the tests again up to a dynamic pressure where torque and thrust become negative.

Repeat these tests for all of the propellers, making sure to test speeds of 10%, 50%, and 100% throttle for each propeller up to a dynamic pressure where thrust and torque become negative. Upon completion of all tests, plug the electronic speed controller into the programming kit and record all of the propeller RPM data. Then shut down all of the systems.

To evaluate the results of the experiment, we will first calculate the thrust coefficient, CT, using the propeller thrust, rate of rotation, diameter, and freestream density. We can also calculate the torque and power coefficients, CQ and CP, respectively. Recall that tau is propeller torque and P is the power supplied to the DC motor and is calculated as the product of voltage and current.

Finally, we can calculate the advanced ratio J, in order to normalize the freestream velocity to the propeller rate of rotation and diameter. The rate of rotation is the rotations per minute that was logged during the experiment, divided by 60. The freestream velocity is calculated using the dynamic pressure, which we controlled in the wind tunnel. Then, propeller efficiency can be calculated.

Now, let’s plot the three coefficients and the efficiency versus the advanced ratio, J, for one of the propellers. Here, we show data for a two-blade, 18-in diameter, 8-in pitch propeller. The propeller produces positive thrust up to an advanced ratio of 0.6, where it then transitions to the air-brake region. The air-brake region starts when thrust goes negative, while torque remains positive. In this region, the propeller slows the system down.

After an advanced ratio of 0.85, the propeller produces negative torque and behaves like a windmill. Here, the airflow produces forces on the propeller that the motor driving the propeller cannot overcome. Note that the propeller efficiency is highest at J equals 0.4 and is meaningless beyond the propeller region.

Now, let’s take a look at varying propeller diameter, while keeping the number of blades and propeller pitch constant. We can see that the change in diameter has a negligible effect on efficiency. However, the three coefficients increase slightly with decreasing propeller diameter.

Next, we’ll compare the effect of varied propeller pitch, while maintaining constant propeller diameter and number of blades. We see that, in general, a high pitch propeller produces more thrust, torque, and power for a given advanced ratio as compared to a low-pitch propeller. Increasing propeller pitch also increases the range of the propeller region. We see that the maximum operating efficiency occurs at a higher advanced ratio as propeller pitch increases.

Finally, we’ll compare the effect of blade number, while maintaining constant propeller diameter and pitch. We can see that doubling the number of blades leads to a significantly higher amount of thrust and torque. While the extent of the propeller region is similar, the four-blade propeller starts behaving like a windmill at a higher advanced ratio as compared to the two-blade propeller. It can also be observed that the two-blade propeller is slightly more efficient than its four-blade counterpart.

In summary, we learned about the different operating regimes of propellers and how pitch affects propeller efficiency. We then characterized 7 propellers in a subsonic wind tunnel to analyze the effects of pitch, diameter, and number of blades on propeller performance.

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