$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Пропеллеры широко используются во многих различных типах самолетов для приведения в движение и создания тяги, поэтому они должны быть тщательно спроектированы и обозначены. Пропеллер — это, по сути, скрученный аэродинамический профиль, в котором радиально изменяется угол наклона шнура. Одной из определяющих характеристик гребного винта является шаг, или его крутка.
Шаг винта обычно указывается в единицах длины и представляет собой теоретическое расстояние, которое винт пройдет по воздуху за один оборот. Однако из-за силы сопротивления, действующей на самолет и воздушный винт, пропеллер никогда не преодолевает свое теоретическое расстояние. Фактически пройденное расстояние называется эффективным шагом гребного винта. Разница между теоретическим и эффективным шагом называется проскальзыванием винта.
При описании гребных винтов мы также говорим о тяге, крутящем моменте и мощности, которые характеризуются соответствующими безразмерными коэффициентами. Здесь T — тяга, tau — крутящий момент, P — подача питания на двигатель, rho — плотность свободного потока, n — скорость вращения винта, а D — диаметр винта. Важно отметить, что мы также определяем эффективность гребного винта. Он рассчитывается с использованием коэффициентов крутящего момента и тяги вместе с усовершенствованным коэффициентом J, который нормализует скорость свободного потока в зависимости от вращения и диаметра винта. Используя эти безразмерные значения, мы можем определить, как работает винт в различных условиях.
В режиме гребного винта воздушный винт создает положительную тягу и крутящий момент. Режим воздушного тормоза включается, когда тяга становится отрицательной, в то время как крутящий момент остается положительным. В этом режиме воздушный винт замедляет систему, а не обеспечивает положительное движение вперед. Когда тяга и крутящий момент падают ниже нуля, гребной винт переходит в режим ветряной мельницы. Здесь воздушный поток управляет пропеллером, поскольку он создает на пропеллер силы, которые двигатель, приводящий в движение пропеллер, не может преодолеть.
Важно отметить, что вне режима гребного винта расчет КПД винта не имеет смысла. Всегда желательно эксплуатировать воздушный винт в режиме высокоэффективного воздушного движения для заданной воздушной скорости и оборотов. Для винтов фиксированного шага это может быть сложно, поскольку винты фиксированного шага рассчитаны на одни оптимальные условия эксплуатации и обычно наиболее эффективны в крейсерских условиях и неэффективны при взлете и посадке.
Одним из способов улучшить работу, особенно если нет ограничений по диаметру или шагу гребного винта, является увеличение количества лопастей. Это может увеличить количество тяги. Однако это происходит за счет более низкой эффективности винта. В этом эксперименте мы охарактеризуем несколько различных гребных винтов и определим влияние шага, диаметра и количества лопастей на производительность.
В этом эксперименте мы будем исследовать характеристики гребных винтов в дозвуковой аэродинамической трубе с использованием серии из пяти БТР и двух деревянных винтов с различным диаметром, шагом и количеством лопастей.
Для начала установите испытательный стенд для гребных винтов внутри аэродинамической трубы с помощью четырехосевого крепления для удержания компонентов испытательного стенда для гребного винта. Шестиосевой тензодатчик используется для измерения тяги и крутящего момента. Прикрепите тензодатчик к буровой установке, закрепите бесщеточный двигатель постоянного тока, который приводит в действие гребной винт, а затем прикрепите первый гребной винт.
Теперь подключите бесщеточный двигатель постоянного тока к электронному регулятору скорости и генератору сигналов с широтно-импульсной модуляцией, который контролирует скорость двигателя. Кроме того, подключите двигатель к анализатору мощности для измерения подаваемого напряжения и тока. Затем подключите его и бесщеточный двигатель постоянного тока к литий-полимерному аккумулятору.
После того, как установка будет полностью собрана, используйте уровень, чтобы убедиться, что установка пропеллера выровнена в направлении воздушного потока без какого-либо шага или рысканья. Затем зафиксируйте двери аэродинамической трубы, включите основное питание и включите аэродинамическую трубу. Затем включите генератор сигналов и систему сбора данных тензодатчика.
Прежде чем начать испытания, запишите характеристики гребного винта в таблицу, включая количество лопастей винта, диаметр и шаг. Теперь обнулите усилия на тензодатчике с помощью программного обеспечения для сбора данных на компьютере аэродинамической трубы. Затем настройте генератор сигналов на запуск двигателя на 10% дроссельной заслонки.
Начните с записи нулевого значения при выключенной аэродинамической трубе. Запишите скорость в процентах от дроссельной заслонки и динамического давления от датчика в аэродинамической трубе. Кроме того, запишите напряжение и ток, подаваемые на двигатель от анализатора мощности, а также тягу и крутящий момент, измеренные тензодатчиком.
Теперь включите аэродинамическую трубу и увеличьте динамическое давление до 0,5 фунта на квадратный дюйм. Дайте время стабилизации аэродинамической трубе, затем запишите все данные. Продолжайте увеличивать настройку динамического давления с шагом 0,5 фунта на квадратный дюйм до настройки динамического давления, при которой тяга и крутящий момент становятся отрицательными.
Записывайте все данные при каждом приращении. Как только измерения тяги и крутящего момента станут отрицательными, установите динамическое давление обратно на ноль и выключите аэродинамическую трубу. Затем увеличьте частоту вращения мотора до 50% дроссельной заслонки с помощью генератора сигналов. Произведите нулевое измерение, записав все данные при выключенной аэродинамической трубе. Затем включите аэродинамическую трубу и установите показания динамического давления на 0,5 PSF. Затем запишите все данные.
Повторите измерения, как и раньше, с шагом 0. 5 фунтов на квадратный дюйм до динамического давления, при котором крутящий момент и тяга становятся отрицательными. Затем установите динамическое давление обратно на ноль, выключите аэродинамическую трубу и увеличьте скорость вращения винта до 100% газа. Запишите измерение нуля при выключенной аэродинамической трубе, затем повторите испытания еще раз до динамического давления, при котором крутящий момент и тяга становятся отрицательными.
Повторите эти тесты для всех винтов, убедившись, что вы проверяете скорость 10%, 50% и 100% дроссельной заслонки для каждого винта до динамического давления, при котором тяга и крутящий момент становятся отрицательными. По завершении всех испытаний подключите электронный регулятор скорости к комплекту для программирования и запишите все данные об оборотах гребного винта. Затем выключите все системы.
Чтобы оценить результаты эксперимента, сначала рассчитаем коэффициент тяги, CT, используя тягу винта, скорость вращения, диаметр и плотность свободного потока. Мы также можем рассчитать коэффициенты крутящего момента и мощности, CQ и CP соответственно. Напомним, что tau — это крутящий момент гребного винта, а P — мощность, подаваемая на двигатель постоянного тока и рассчитываемая как произведение напряжения и тока.
Наконец, мы можем рассчитать расширенное отношение J, чтобы нормализовать скорость свободного потока в соответствии со скоростью вращения и диаметром винта. Скорость вращения — это количество оборотов в минуту, которое было зарегистрировано во время эксперимента, разделенное на 60. Скорость свободного потока рассчитывается с использованием динамического давления, которое мы контролировали в аэродинамической трубе. Затем можно рассчитать эффективность гребного винта.
Теперь давайте построим график трех коэффициентов и зависимости КПД от опережающего передаточного числа J для одного из винтов. Здесь мы показываем данные для двухлопастного гребного винта диаметром 18 дюймов и шагом 8 дюймов. Воздушный винт создает положительную тягу до передаточного числа 0,6, после чего он переходит в область воздушного тормоза. Воздушно-тормозная зона начинается, когда тяга становится отрицательной, в то время как крутящий момент остается положительным. В этой области гребной винт замедляет систему.
После усовершенствованного передаточного числа 0,85 гребной винт создает отрицательный крутящий момент и ведет себя как ветряная мельница. В этом случае воздушный поток создает силы на пропеллер, которые двигатель, приводящий в движение пропеллер, не может преодолеть. Обратите внимание, что КПД винта самый высокий при J равен 0,4 и не имеет значения за пределами области винта.
Теперь давайте посмотрим на изменение диаметра винта, сохраняя при этом количество лопастей и шаг винта постоянными. Мы видим, что изменение диаметра оказывает незначительное влияние на эффективность. Однако три коэффициента немного увеличиваются с уменьшением диаметра винта.
Далее мы сравним влияние изменения шага винта при сохранении постоянного диаметра винта и количества лопастей. Мы видим, что, как правило, гребной винт большого шага производит больше тяги, крутящего момента и мощности при заданном усовершенствованном передаточном отношении по сравнению с гребным винтом малого шага. Увеличение шага винта также увеличивает дальность действия области винта. Мы видим, что максимальная эффективность работы достигается при более высоком опережающем передаточном отношении при увеличении шага винта.
Наконец, мы сравним влияние количества лопастей, сохраняя при этом постоянный диаметр и шаг винта. Мы видим, что удвоение количества лопастей приводит к значительно более высокой тяге и крутящему моменту. В то время как протяженность области гребного винта одинакова, четырехлопастной винт начинает вести себя как ветряная мельница при более высоком передаточном отношении по сравнению с двухлопастным гребным винтом. Также можно заметить, что двухлопастной винт немного эффективнее своего четырехлопастного аналога.
Таким образом, мы узнали о различных режимах работы гребных винтов и о том, как шаг влияет на эффективность гребного винта. Затем мы охарактеризовали 7 винтов в дозвуковой аэродинамической трубе, чтобы проанализировать влияние шага, диаметра и количества лопастей на производительность винта.
