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プロペラの特性評価:性能のピッチ、直径、ブレード数の変動

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

出典:シュレヤス・ナルシプル、機械・航空宇宙工学、ノースカロライナ州立大学、ローリー、NC

プロペラはねじれた翼で、図1に示すように、放射状のステーションに沿って、弦の角度が位置に対して変化します。プロペラは航空機やウォータークラフトの推進システムで広く使用されており、高性能車両を設計するためにプロペラの詳細な特性を必要としています。

図 1.放射状のステーションでコード、厚さ、およびピッチ。

プロペラの特徴の1つはピッチ/ねじれです。プロペラのピッチは、一般的に長さの単位で与えられ、プロペラが1回の回転で空気を通過する理論的な距離です。しかし、航空機とプロペラのドラッグ力のために、プロペラは理論的な距離を移動することはありません。実際の走行距離はプロペラの有効ピッチと呼ばれ、図2に示すように、理論ピッチまたは幾何学的ピッチと有効ピッチの差をプロペラスリップと呼ぶ。

図 2.ピッチとスリップの表現。

このデモンストレーションでは、7つのプロペラが亜音速風洞のプロペラテストリグを使用して特徴付けされています。その後、ピッチ、直径、ブレード数の変動がプロペラの性能に与える影響を分析するための詳細なパラメトリックスタディが行われています。

Principles

主なプロペラタイプは、固定ピッチと可変ピッチの2種類です。固定ピッチプロペラは1つの最適操作条件のために設計され、有効である;彼らは、ほとんどの場合、航空機の巡航条件である、所定の対気速度とRPMのための電力入力比に高い出力を持っています。しかし、離着陸時に、RPMと対気速度が低い場合、固定ピッチプロペラは非常に非効率的です。可変ピッチプロペラブレードは、パイロットがプロペラピッチを変更して、あらゆる動作状態のプロペラ効率を最大化できるようにすることで、固定ピッチの問題に対する解決策を提供します。そのため、燃費が優勢な大型プロペラ機では、可変ピッチプロペラを使用して効率を最大化しています。

高度比、推力係数、トルク係数、電力係数、プロペラ効率は、プロペラを特徴付けるために必要な重要な非次元パラメータです。これらのパラメータに基づいて、プロペラ、エアブレーキ、風車の体制は、プロペラの異なる動作体制である、識別することができます。プロペラ政権では、プロペラは正の推力とトルクを生み出しています。エアブレーキ体制は、トルクが正のままである間、推力が負になると始まります。この体制では、プロペラはシステムを遅くします。最後に、推力とトルクの両方がゼロ以下に落ちると、プロペラは風車の体制にあります。ここでは、プロペラを駆動するモーター/エンジンが克服できないプロペラに力を与えるため、エアーフローがプロペラを制御します。プロペラの効率はプロペラ領域を超えて無意味です。

特定の対気速度とRPMの高効率プロペラ体制でプロペラを操作することが常に望ましい。前述のように、固定ピッチプロペラは一般的に巡航飛行中に最高効率で動作するように設計されており、離着陸時など低速で動作できますが、効率は非常に低くなります。可変ピッチプロペラは、飛行体制(離陸、巡航、着陸)に応じてプロペラ体制で可能な限り最高の効率を得るために調整することができ、それによって航空機の燃費を最大化します。

プロペラピッチに加えて、プロペラブレードの数は、プロペラから利用可能な推力を設定する上で重要な役割を果たしています。一般に、プロペラの直径またはピッチに設計上の制約がある場合、ブレードの数を増やすことで、生成される推力量を増加させることができる。しかし、余分な推力はプロペラ効率を犠牲にして来ることができ、詳細な分析の必要性を必要とする。

プロペラ回転速度(n)と直径(D)のフリーストリーム速度(V∞)を正規化するパラメータである高度比Jは、次の式で示されます。

フリーストリーム流速は、方程式を使用して測定できます。

ここでεはフリーストリーム密度です。

推力係数、C_Tは、プロペラ推力Tの非次元尺度であり、式によって与えられます。

同様に、トルク、C_Q、およびパワー、C _P、係数、プロペラトルクと出力電力の非次元測定は、それぞれ式によって与えられます。

ここで、tはトルクであり、Pはプロペラを実行するためにブラシレスDCモータに供給される電力です。電力 P は、電圧、V、および電流Iの積として計算できます。

最後に、プロペラの効率は次のように表すことができます。

Procedure

1. 亜音速風洞におけるプロペラ特性の測定

図 3 に示すように、4 軸スティングマウントを使用して、亜音速風洞内のプロペラテストリグをセットアップします。このデモでは、2.6 フィート x 3.7 フィートのテストセクションと最大動的圧力設定 25 psf の風洞を使用しました。

図 3.プロペラリグ。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

リグに 6 軸ロードセルをアタッチします。これは推力およびトルクを測定するために使用される。
ブラシレスDCモーターをリグに固定し、最初のプロペラを取り付けます。
DCモータを電子速度コントローラとパルス速度変調信号ジェネレータに接続し、モータの速度を制御します。
モータに供給される電流と電圧を測定するパワーアナライザを接続し、リチウムポリマー電池に接続します。
スピリットレベルを使用して、スティングプロペラの設定がゼロピッチとゼロヨーの流れの方向に位置合わせされていることを確認します。
風洞ドアを固定し、主電源をオンにします。
風洞をオンにし、信号発生器とロードセルデータ集録システムをオンにします。
仮想計測器ソフトウェアを使用してロードセルのフォースをゼロにします。
モータを10%スロットルで動かすために信号発生器を設定します。
風洞をオフにしてゼロ読み取りを記録開始します。次のデータの速度を記録します。
a. プロペラ特性 – ブレード数、プロペラ径(in)、プロペラピッチ(in)。
b. 信号発生器の設定に基づく速度(パーセントスロットル)。
風洞トランスデューサからの動的圧力(psf)。
d. パワーアナライザからBLDCモータに供給される電圧(V)と電流(A)。
e. ロードセルからの推力(ポンド)とトルク(インポンド)。
f. プロペラ RPM (1 分あたりの回転)RPM 読み取り値は、実験の最後にのみ抽出できることに注意してください。
風洞をオンにし、0.5 psfのステップで0 psfから10 psfまでの動的圧力を変化させる。
各設定で、風洞が安定するようにし、上記と同じデータを記録します。
推力とトルクが負になる動的圧力設定まで、0.5 psf単位で動的圧力設定を引き続き増加させます。すべてのデータを各増分で記録します。
トンネルの動的圧力をゼロにリセットし、風洞をオフにします。
モータ速度を 50% スロットルに設定し、ステップ 1.11 ~ 1.15 を繰り返します。
モータ速度を 100% スロットルに設定し、ステップ 1.11 ~ 1.15 を繰り返します。
すべてのプロペラに対して上記の手順を繰り返し、推力とトルクが負になるダイナミックな圧力まで10%、50%、100%の速度をテストします。
すべてのテストが完了したら、電子速度コントローラをプログラミングキットにプラグインし、プロペラRPMデータのすべてを記録します。
すべてのシステムをシャットダウンします。

表 1.プロペラをテスト。

プロペラ直径×ピッチ(イン)	ブレードの数	材料
18×8	2	Apc
16×8	2	Apc
15×8	2	Apc
15×10	2	Apc
15×12	2	Apc
18×8	2	木
18×8	4	木

このスタディで使用する固定ピッチプロペラは、直径とピッチ(インチ)で定義されます。たとえば、18 x 8 プロペラは直径 18 のプロペラで、幾何学的なピッチは 8 です。

プロペラは、推進力と推力の生成のための航空機の多くの異なるタイプで広く使用されているので、慎重に設計され、特徴付けなければなりません。プロペラは本質的にねじれた翼で、コードの角度が放射状に変化します。プロペラの特徴の1つは、ピッチ、またはそのねじれです。

プロペラのピッチは、一般的に長さの単位で与えられ、プロペラが1回の回転で空気を通過する理論的な距離です。しかし、航空機とプロペラのドラッグ力のために、プロペラは理論的な距離を移動することはありません。実際の移動距離は、プロペラの有効ピッチと呼ばれています。理論ピッチと有効ピッチの違いはプロペラのスリップと呼ばれています。

プロペラについて説明する際には、それぞれの無次元係数によって特徴付けられる推力、トルク、パワーについても説明します。ここで、Tは推力であり、タウはトルクであり、Pはモータへの電源であり、rhoはフリーストリーム密度であり、nはプロペラの回転速度であり、Dはプロペラの直径である。重要なのは、プロペラの効率も定義します。これは、トルクと推力係数と、プロペラの回転と直径に対するフリーストリーム速度を正規化する高度な比率 J を使用して計算されます。これらの無次元値を使用して、プロペラが異なる条件でどのように動作しているかを判断できます。

プロペラ政権では、プロペラは正の推力とトルクを生み出しています。エアブレーキ体制は推力が負になると始まり、トルクは正のままです。この体制では、プロペラは正の前方運動を提供するのではなく、システムを遅くします。推力とトルクの両方がゼロ以下に落ちると、プロペラは風車の体制にあります。ここでは、プロペラを駆動するモーターが克服できないプロペラに力を与えるため、気流がプロペラを制御します。

プロペラの体制を超えて、プロペラ効率の計算は無意味であることを注意することが重要です。所定の対気速度とRPMに対して、高効率プロペラ体制でプロペラを操作することが常に望ましい。固定ピッチプロペラの場合、固定ピッチプロペラは1つの最適な動作条件のために設計されており、通常、巡航条件で最も効率的で、離着陸で非効率的です。

操作を改善する1つの方法は、特にプロペラの直径またはピッチに制約がない場合は、ブレードの数を増やすことである。これは推力の量を増やすことができる。しかし、それは低いプロペラ効率の費用で来る。この実験では、いくつかの異なるプロペラを特徴付け、ピッチ、直径、およびブレード数が性能に及ぼす影響を決定します。

本実験では、直径、ピッチ、ブレード数の変化を持つ一連の5つのAPCと2つの木製プロペラを用いて、亜音速風洞内のプロペラ特性を調べる。

まず、4軸スティングマウントを使用して、プロペラテストリグコンポーネントを保持するために、風洞内にプロペラテストリグをセットアップします。6軸ロードセルは、推力とトルクを測定するために使用されます。ロードセルをリグに取り付け、プロペラに電力を供給するブラシレスDCモーターを固定し、最初のプロペラを取り付けます。

次に、ブラシレスDCモータを電子速度コントローラとパルスの速度を制御するパルス幅変調信号発生器に接続します。また、モータをパワーアナライザに接続して、供給された電圧と電流を測定します。次に、ブラシレスDCモータをリチウムポリマー電池に接続します。

セットアップが完全に組み立てられると、スピリットレベルを使用して、スティングプロペラのセットアップがピッチやヨーなしで気流の方向に揃っていることを確認します。次に、風洞のドアを固定し、主電源をオンにし、風洞をオンにします。次に、信号発生器とロードセルデータ集録システムをオンにします。

テストを開始する前に、プロペラブレードの数、直径、ピッチなど、プロペラの特性をスプレッドシートに記録します。これで、風洞コンピュータ上のデータ取得ソフトウェアを使用して、ロードセルのフォースをゼロにします。次に、信号発生器を設定してモータを10%スロットルで動かします。

まず、風洞をオフにしてゼロ読み取りを記録します。スロットルのパーセンテージと風洞トランスデューサからの動的圧力の観点から速度を記録します。また、パワーアナライザからモータに供給される電圧と電流、およびロードセルで測定した推力とトルクを記録します。

次に、風洞をオンにし、動的圧力を 0.5 psf に上げます。推力とトルクが負になる動的圧力設定まで、0.5 psf単位で動的圧力設定を引き続き増加させます。

すべてのデータを各増分で記録します。推力とトルクの測定値が負の場合は、ダイナミック圧力をゼロに戻し、風洞をオフにします。次に、信号発生器を使用してモータ速度を 50% のスロットルに上げます。ゼロ測定を行い、風洞をオフにしてすべてのデータを記録します。次に、風洞をオンにし、動的圧力読み取り値を 0.5 psf に設定します。次に、すべてのデータを記録します。

前と同じように 0 の増分で測定を繰り返します。トルクおよび推力が負になる動的圧力読書まで5 psf。次に、ダイナミック圧力をゼロに戻し、風洞をオフにし、プロペラ速度を100%スロットルに上げます。風洞をオフにしてゼロ測定を記録し、トルクと推力が負になる動的圧力までテストを繰り返します。

すべてのプロペラに対してこれらのテストを繰り返し、推力とトルクが負になる動的圧力まで、各プロペラの速度を10%、50%、100%のスロットルでテストします。すべてのテストが完了すると、電子速度コントローラをプログラミングキットに接続し、プロペラRPMデータをすべて記録します。その後、すべてのシステムをシャットダウンします。

実験の結果を評価するために、まずプロペラ推力、回転速度、直径、フリーストリーム密度を用いて推力係数CTを計算します。また、トルクと電力係数、CQ、CPをそれぞれ計算することもできます。タウはプロペラトルクであり、PはDCモータに供給される電力であり、電圧と電流の積として計算されます。

最後に、回転と直径のプロペラ速度にフリーストリーム速度を正規化するために、高度な比率Jを計算することができます。回転率は、実験中に記録された 1 分あたりの回転を 60 で割った値です。フリーストリーム速度は、風洞で制御した動的圧力を使用して計算されます。そして、プロペラ効率を算出することができる。

次に、プロペラの 1 つに対して、3 つの係数と効率対高度比 J をプロットしてみましょう。ここでは、2枚刃、直径18インチ、8インチピッチプロペラのデータを示します。プロペラは0.6の高度な比率まで正の推力を作り出し、そこでエアブレーキ領域に移る。エアブレーキ領域は推力が負になると始まり、トルクは正のままです。この領域では、プロペラがシステムを遅くします。

0.85の高度の比率の後、プロペラは負のトルクを発生し、風車のように振る舞う。ここで、気流はプロペラを駆動するモータが克服できない力をプロペラに生成する。なお、プロペラの効率はJが0.4と最も高く、プロペラ領域を超えて意味がないことに注意してください。

次に、ブレードとプロペラのピッチの数を一定に保ちながら、さまざまなプロペラの直径を見てみましょう。直径の変化が効率に与える影響はごくわずかであることがわかります。ただし、3 つの係数は、プロペラの直径が小さくなるとわずかに増加します。

次に、プロペラの直径とブレード数を一定に保ちながら、様々なプロペラピッチの効果を比較します。一般に、高ピッチプロペラは、低ピッチプロペラに比べて、所定の高度な比に対してより多くの推力、トルク、パワーを生み出すことがわかります。プロペラピッチを大きくすると、プロペラ領域の範囲も広がります。プロペラピッチが大きくなるにつれて、最大の動作効率が高い高度な比率で発生することがわかります。

最後に、一定のプロペラの直径とピッチを維持しながら、ブレード番号の効果を比較します。ブレードの数を倍増すると、推力とトルクが大幅に増加することがわかります。プロペラの範囲は似ていますが、4枚刃のプロペラは、2ブレードプロペラに比べて高度な比率で風車のように振る舞い始めます。また、2ブレードプロペラは、その4ブレードのプロペラよりもわずかに効率的であることが観察することができます。

要約すると、プロペラのさまざまな動作体制と、ピッチがプロペラの効率に与える影響について学びました。その後、音速風洞内の7つのプロペラを特徴付け、プロペラ性能に対するピッチ、直径、ブレード数の影響を解析しました。

Results

フリーストリーム密度(0.074ポンド/^{フィート3)}を用いて結果を決定した。 2ブレードの推力、トルク、パワー、プロペラ効率の係数のばらつきを、プロペラの18 x 8に示します(図4)。プロペラ、エアブレーキ、風車の領域は区切られています。プロペラの2ブレード、18 x 8は、J 0.85までエアブレーキ領域に移行した後、0.6の高度な比率まで正の推力を生成します。この時点で、プロペラは負のトルクを生成し始め、風車のように振る舞います。プロペラはJ =0.4で最高の効率を達成する。

図 4.プロペラの2枚刃、18×8の特徴。

図 5-7 は、直径、ピッチ、およびブレード数のばらつきがあるプロペラのC_T、C _Q、C _P、およびεの動作をそれぞれ比較します。図5に示すように、ブレードとプロペラピッチの数を一定に保ちながらプロペラ径を変化させることは、プロペラ効率に対して無視できる効果を持っていました。しかし、所定の先進比Jに対するCT、CQ、_およびCPは、プロペラ径が小さくなって若干増加した。

図 5.直径変化するプロペラの特性の比較この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図 6 に示すように、プロペラピッチの変化は、すべてのパラメータに大きな影響を与えました。一般に、高ピッチプロペラは、低ピッチプロペラに比べて、所定の高度な比に対してより多くの推力、トルク、およびパワーを生み出します。プロペラピッチを増加させることはまた、プロペラ領域、すなわち、正の推力およびトルクの大きな領域の範囲を増加させた。最後に、最大の動作効率は、プロペラピッチが増加するにつれて、より高い高度な比率で発生しました。

図 6.ピッチの変化を持つプロペラの特性の比較。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図7は、ブレードの数を倍増すると、推力とトルクの大幅に高い量につながることを示しています。プロペラの領域は似ていますが、4枚刃のプロペラは、2ブレードプロペラに比べて高度な比率で風車のように振る舞い始めます。また、2ブレードプロペラは、その4ブレードの対応よりもわずかに効率的です。

図 7.ブレード数が異なるプロペラの特性の比較この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Applications and Summary

プロペラは、小型航空機に電力を供給し、推力を提供するための簡単な方法を提供するために使用されます。それらは電気か往復エンジンに取り付けられ、そこで回転速度を推進のための推力に変えることができる。このデモンストレーションでは、音質、直径、ブレード数が異なる7つのプロペラを、亜音速風洞に搭載したプロペラテストリグを用いて特徴付けました。各プロペラについて、プロペラ、エアブレーキ、風車の運転領域を特定した。プロペラ径の影響を調べたパラメトリック研究では、推力とトルクが小さくなり、直径が小さくなっています。しかし、プロペラピッチは、明らかな利点を有する高ピッチプロペラを有する推力およびトルク特性に大きな影響を及ぼす。さらに、プロペラ領域の範囲は、ピッチが減少して死に立つ。最後に、ブレードの数を増やすと、推進力の効率がわずかに低下し、推力、トルク、およびパワーが増加します。

航空機やウォータークラフトのための適切な推進システム(エンジン/モータープロペラの組み合わせ)の選択は、高性能かつ効率的な空中または水上車両を達成するために必要とされます。詳細なプロペラ特性データは、エンジニアが航空機/ウォータークラフトのすべての動作速度にわたって飛行性能パラメータを正確に評価し、最適な推進システムを正確に決定する方法を提供します。

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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