8.2: Charakterystyka śmigła: różnice w skoku, średnicy i liczbie łopat w zależności od wydajności

1. Pomiar charakterystyki śmigła w poddźwiękowym tunelu aerodynamicznym

1. Ustaw stanowisko do testowania śmigieł w poddźwiękowym tunelu aerodynamicznym za pomocą 4-osiowego mocowania żądła, jak pokazano na rysunku 3. W tej demonstracji wykorzystano tunel aerodynamiczny z sekcją testową o wymiarach 2,6 stopy x 3,7 stopy i maksymalnym ustawieniem ciśnienia dynamicznego 25 psf.

Rysunek 3. Platforma śmigłowa. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

2. Przymocuj 6-osiowy czujnik wagowy do platformy. Zostanie to wykorzystane do pomiaru ciągu i momentu obrotowego.
3. Przymocuj bezszczotkowy silnik prądu stałego do platformy, a następnie przymocuj pierwsze śmigło.
4. Podłącz silnik prądu stałego do elektronicznego regulatora prędkości i generatora sygnału z modulacją szerokości impulsu, który steruje prędkością silnika.
5. Podłącz analizator mocy, który będzie mierzył prąd i napięcie dostarczane do silnika, i podłącz go do akumulatora litowo-polimerowego.
6. Użyj poziomicy, aby upewnić się, że układ śmigła jest ustawiony w kierunku przepływu z zerowym skokiem i zerowym odchyleniem.
7. Zabezpiecz drzwi tunelu aerodynamicznego i włącz główne zasilanie.
8. Włącz tunel aerodynamiczny, a następnie włącz generator sygnału i system akwizycji danych z ogniwa obciążnikowego.
9. Wyzeruj siły działające na ogniwo obciążnikowe za pomocą oprogramowania wirtualnego instrumentu.
10. Ustaw generator sygnału tak, aby silnik działał z 10% przepustnicą.
11. Rozpocznij rejestrowanie odczytu zerowego przy wyłączonym tunelu aerodynamicznym. Zapisz prędkość następujących danych:
    a. Charakterystyka śmigła - liczba łopat, średnica śmigła (cale) i skok śmigła (cale).
    b. Prędkość (w procentach przepustnicy) w oparciu o konfigurację generatora sygnału.
    c. Ciśnienie dynamiczne (psf) z przetwornika w tunelu aerodynamicznym.
    d. Napięcie (V) i prąd (A) dostarczane do silnika BLDC z analizatora mocy.
    e. Ciąg (lb) i moment obrotowy (in-lb) z ogniwa obciążnikowego.
    f. Obroty śmigła (obroty na minutę). Należy pamiętać, że odczyt prędkości obrotowej można wyodrębnić dopiero po zakończeniu eksperymentu.
12. Włącz tunel aerodynamiczny i zmieniaj ciśnienie dynamiczne od 0 psf do 10 psf w krokach co 0,5 psf.
13. Przy każdym ustawieniu poczekaj, aż tunel aerodynamiczny się ustabilizuje, a następnie zapisz te same dane, jak podano powyżej.
14. Kontynuuj zwiększanie dynamicznego ustawienia ciśnienia w krokach co 0.5 psf aż do dynamicznego ustawienia ciśnienia, przy którym ciąg i moment obrotowy stają się ujemne. Rejestruj wszystkie dane przy każdym kroku.
15. Zresetuj ciśnienie dynamiczne w tunelu z powrotem do zera i wyłącz tunel aerodynamiczny
16. Ustaw prędkość silnika na 50% przepustnicy i powtórz kroki 1.11 - 1.15.
17. Ustaw prędkość silnika na 100% przepustnicy i powtórz kroki 1.11 - 1.15.
18. Powtórz powyższą procedurę dla wszystkich śmigieł, upewniając się, że testujesz prędkości przepustnicy 10%, 50% i 100% aż do ciśnienia dynamicznego, w którym ciąg i moment obrotowy stają się ujemne.
19. Po zakończeniu wszystkich testów podłącz elektroniczny regulator prędkości do zestawu do programowania, zapisz wszystkie dane dotyczące prędkości obrotowej śmigła.
20. Zamknij wszystkie systemy.

Tabela 1. Śmigła przetestowane.

Należy pamiętać, że śmigła o stałym skoku użyte w tym badaniu są zdefiniowane przez ich średnicę i skok w calach. Na przykład śmigło o wymiarach 18 x 8 to śmigło o średnicy 18 cali i skoku geometrycznym 8 cali.

Śmigła są szeroko stosowane w wielu różnych typach samolotów do napędu i generowania ciągu, dlatego muszą być starannie zaprojektowane i scharakteryzowane. Śmigło jest zasadniczo skręconym płatem, w którym kąt sznura zmienia się promieniowo. Jedną z cech charakterystycznych śmigła jest skok lub jego skręt.

Skok śmigła jest zwykle podawany w jednostkach długości i jest to teoretyczna odległość, jaką śmigło pokona w powietrzu podczas jednego obrotu. Jednak ze względu na siłę oporu działającą na samolot i śmigło, śmigło nigdy nie pokonuje swojej teoretycznej odległości. Rzeczywista przebyta odległość nazywana jest efektywnym skokiem śmigła. Różnica między skokiem teoretycznym a skokiem efektywnym nazywana jest poślizgiem śmigła.

Opisując śmigła, mówimy również o ciągu, momencie obrotowym i mocy, które charakteryzują się odpowiednimi współczynnikami bezwymiarowymi. Tutaj T to ciąg, tau to moment obrotowy, P to zasilanie silnika, rho to gęstość swobodnego strumienia, n to prędkość obrotowa śmigła, a D to średnica śmigła. Co ważne, określamy również sprawność śmigła. Oblicza się to za pomocą współczynników momentu obrotowego i ciągu wraz z zaawansowanym współczynnikiem J, który normalizuje prędkość swobodnego strumienia do obrotu i średnicy śmigła. Korzystając z tych bezwymiarowych wartości, możemy określić, jak śmigło pracuje w różnych warunkach.

W reżimie śmigła śmigło wytwarza dodatni ciąg i moment obrotowy. Reżim hamulca pneumatycznego rozpoczyna się, gdy ciąg jest ujemny, podczas gdy moment obrotowy pozostaje dodatni. W tym reżimie śmigło spowalnia system, zamiast zapewniać dodatni ruch do przodu. Gdy ciąg i moment obrotowy spadają poniżej zera, śmigło jest w reżimie wiatraka. W tym przypadku przepływ powietrza steruje śmigłem, ponieważ wytwarza siły na śmigło, których silnik napędzający śmigło nie może pokonać.

Należy zauważyć, że poza reżimem śmigła obliczanie sprawności śmigła nie ma znaczenia. Zawsze pożądane jest, aby śmigło pracowało w reżimie śmigła o wysokiej sprawności dla danej prędkości powietrza i prędkości obrotowej. W przypadku śmigieł o stałym skoku może to być trudne, ponieważ śmigła o stałym skoku są zaprojektowane dla jednych optymalnych warunków pracy i są zwykle najbardziej wydajne w warunkach przelotowych i nieefektywne podczas startu i lądowania.

Jednym ze sposobów na usprawnienie działania, zwłaszcza jeśli nie ma ograniczeń co do średnicy lub skoku śmigła, jest zwiększenie liczby łopat. Może to zwiększyć siłę ciągu. Odbywa się to jednak kosztem niższej wydajności śmigła. W tym eksperymencie scharakteryzujemy kilka różnych śmigieł i określimy wpływ skoku, średnicy i liczby łopat na wydajność.

W tym eksperymencie zbadamy charakterystykę śmigła w poddźwiękowym tunelu aerodynamicznym przy użyciu serii pięciu śmigieł transporterowanych i dwóch drewnianych o różnej średnicy, skoku i liczbie łopat.

Aby rozpocząć, ustaw stanowisko do testowania śmigieł wewnątrz tunelu aerodynamicznego za pomocą czteroosiowego mocowania żądła do przytrzymywania elementów stanowiska do testowania śmigieł. Sześcioosiowy czujnik wagowy służy do pomiaru ciągu i momentu obrotowego. Przymocuj ogniwo obciążnikowe do platformy, zabezpiecz bezszczotkowy silnik prądu stałego, który napędza śmigło, a następnie przymocuj pierwsze śmigło.

Teraz podłącz bezszczotkowy silnik prądu stałego do elektronicznego regulatora prędkości i generatora sygnału z modulacją szerokości impulsu, który steruje prędkością silnika. Podłącz również silnik do analizatora mocy, aby zmierzyć dostarczone napięcie i prąd. Następnie podłącz go i bezszczotkowy silnik prądu stałego do akumulatora litowo-polimerowego.

Po całkowitym zmontowaniu zestawu użyj poziomicy, aby upewnić się, że konfiguracja śmigła żądlącego jest wyrównana w kierunku przepływu powietrza bez nachylenia lub odchylenia. Następnie zabezpiecz drzwi tunelu aerodynamicznego, włącz główne zasilanie i włącz tunel aerodynamiczny. Następnie włącz generator sygnału i system akwizycji danych z ogniwa obciążnikowego.

Przed rozpoczęciem testów zapisz charakterystykę śmigła w arkuszu kalkulacyjnym, w tym liczbę łopat śmigła, średnicę i skok. Teraz wyzeruj siły działające na ogniwo obciążnikowe za pomocą oprogramowania do akwizycji danych na komputerze tunelu aerodynamicznego. Następnie ustaw generator sygnału tak, aby uruchamiał silnik przy 10% przepustnicy.

Zacznij od zarejestrowania odczytu zerowego przy wyłączonym tunelu aerodynamicznym. Rejestruj prędkość w procentach przepustnicy i ciśnienie dynamiczne z przetwornika tunelu aerodynamicznego. Zapisuj również napięcie i prąd dostarczany do silnika z analizatora mocy oraz ciąg i moment obrotowy mierzone przez ogniwo obciążnikowe.

Teraz włącz tunel aerodynamiczny i zwiększ ciśnienie dynamiczne do 0,5 psf. Poczekaj, aż tunel aerodynamiczny się ustabilizuje, a następnie zapisz wszystkie dane. Kontynuuj zwiększanie dynamicznego ustawienia ciśnienia w krokach co 0.5 psf, aż do dynamicznego ustawienia ciśnienia, przy którym ciąg i moment obrotowy stają się ujemne.

Rejestruj wszystkie dane przy każdym kroku. Gdy pomiary ciągu i momentu obrotowego są ujemne, ustaw ciśnienie dynamiczne z powrotem na zero i wyłącz tunel aerodynamiczny. Następnie zwiększ prędkość silnika do 50% przepustnicy za pomocą generatora sygnału. Wykonaj pomiar zerowy, rejestrując wszystkie dane przy wyłączonym tunelu aerodynamicznym. Następnie włącz tunel aerodynamiczny i ustaw dynamiczny odczyt ciśnienia na 0,5 psf. Następnie zapisz wszystkie dane.

Powtórz pomiary jak poprzednio w krokach co 0. 5 psf do dynamicznego odczytu ciśnienia, w którym moment obrotowy i ciąg stają się ujemne. Następnie ustaw ciśnienie dynamiczne z powrotem na zero, wyłącz tunel aerodynamiczny i zwiększ prędkość śmigła do 100% przepustnicy. Zapisz pomiar zera przy wyłączonym tunelu aerodynamicznym, a następnie powtórz testy ponownie, aż do ciśnienia dynamicznego, w którym moment obrotowy i ciąg stają się ujemne.

Powtórz te testy dla wszystkich śmigieł, upewniając się, że testujesz prędkości 10%, 50% i 100% przepustnicy dla każdego śmigła aż do ciśnienia dynamicznego, w którym ciąg i moment obrotowy stają się ujemne. Po zakończeniu wszystkich testów podłącz elektroniczny regulator prędkości do zestawu do programowania i zapisz wszystkie dane dotyczące prędkości obrotowej śmigła. Następnie zamknij wszystkie systemy.

Aby ocenić wyniki eksperymentu, najpierw obliczymy współczynnik ciągu, CT, używając ciągu śmigła, prędkości obrotowej, średnicy i gęstości swobodnego strumienia. Możemy również obliczyć współczynniki momentu obrotowego i mocy, odpowiednio CQ i CP. Przypomnijmy, że tau to moment obrotowy śmigła, a P to moc dostarczana do silnika prądu stałego i jest obliczana jako iloczyn napięcia i prądu.

Na koniec możemy obliczyć zaawansowany współczynnik J, aby znormalizować prędkość swobodnego strumienia do szybkości obrotu i średnicy śmigła. Szybkość rotacji to liczba obrotów na minutę, która została zarejestrowana podczas eksperymentu, podzielona przez 60. Prędkość swobodnego strumienia jest obliczana na podstawie ciśnienia dynamicznego, które kontrolowaliśmy w tunelu aerodynamicznym. Następnie można obliczyć sprawność śmigła.

Teraz wykreślmy trzy współczynniki i sprawność w funkcji zaawansowanego współczynnika, J, dla jednego ze śmigieł. Tutaj pokazujemy dane dla dwułopatowego śmigła o średnicy 18 cali i skoku 8 cali. Śmigło wytwarza dodatni ciąg do zaawansowanego przełożenia 0,6, gdzie następnie przechodzi w obszar hamulca pneumatycznego. Obszar hamulca pneumatycznego uruchamia się, gdy ciąg staje się ujemny, podczas gdy moment obrotowy pozostaje dodatni. W tym regionie śmigło spowalnia system.

Po zaawansowanym przełożeniu 0,85 śmigło wytwarza ujemny moment obrotowy i zachowuje się jak wiatrak. Tutaj przepływ powietrza wytwarza siły działające na śmigło, których silnik napędzający śmigło nie jest w stanie pokonać. Należy zauważyć, że sprawność śmigła jest najwyższa przy J równym 0,4 i nie ma znaczenia poza obszarem śmigła.

Przyjrzyjmy się teraz zmieniającej się średnicy śmigła, przy jednoczesnym utrzymaniu stałej liczby łopat i skoku śmigła. Widzimy, że zmiana średnicy ma znikomy wpływ na wydajność. Jednak te trzy współczynniki nieznacznie rosną wraz ze zmniejszającą się średnicą śmigła.

Następnie porównamy wpływ zróżnicowanego skoku śmigła, przy zachowaniu stałej średnicy śmigła i liczby łopat. Widzimy, że ogólnie rzecz biorąc, śmigło o wysokim skoku wytwarza większy ciąg, moment obrotowy i moc przy danym zaawansowanym przełożeniu w porównaniu ze śmigłem o niskim skoku. Zwiększenie skoku śmigła zwiększa również zasięg obszaru śmigła. Widzimy, że maksymalna wydajność operacyjna występuje przy wyższym stopniu zaawansowania wraz ze wzrostem skoku śmigła.

Na koniec porównamy wpływ liczby łopat, przy zachowaniu stałej średnicy i skoku śmigła. Widzimy, że podwojenie liczby ostrzy prowadzi do znacznie większego ciągu i momentu obrotowego. Podczas gdy zakres obszaru śmigła jest podobny, czterołopatowe śmigło zaczyna zachowywać się jak wiatrak przy wyższym stopniu zaawansowania w porównaniu ze śmigłem dwułopatowym. Można również zaobserwować, że dwułopatowe śmigło jest nieco bardziej wydajne niż jego czterołopatowy odpowiednik.

Podsumowując, dowiedzieliśmy się o różnych reżimach pracy śmigieł i o tym, jak skok wpływa na wydajność śmigła. Następnie scharakteryzowaliśmy 7 śmigieł w poddźwiękowym tunelu aerodynamicznym, aby przeanalizować wpływ skoku, średnicy i liczby łopat na osiągi śmigła.