Propellercharakterisierung: Variationen in Tonhöhe, Durchmesser und Klingennummer auf Leistung

Aeronautical Engineering

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Concepts

Quelle: Shreyas Narsipur, Mechanical and Aerospace Engineering, North Carolina State University, Raleigh, NC

Ein Propeller ist ein verdrehtes Tragblatt, wobei sich der Winkel des Akkords in Bezug auf die Position entlang der Radialstation ändert, wie in Abbildung 1 dargestellt. Propeller sind weit verbreitet in Flugzeug- und Wasserfahrzeug-Antriebssystemen verwendet, wodurch detaillierte Charakterisierungen von Propellern erforderlich sind, um Hochleistungsfahrzeuge zu konstruieren.

Abbildung 1. Akkord, Dicke und Steigung an einer radialen Station.

Eines der bestimmenden Merkmale eines Propellers ist die Steigung/Twist. Die Steigung des Propellers, in der Regel in Längeneinheiten angegeben, ist die theoretische Entfernung, die der Propeller in einer einzigen Umdrehung durch die Luft bewegen wird. Aufgrund der Zugkraft am Flugzeug und am Propeller legt der Propeller jedoch nie seine theoretische Distanz zurück. Die tatsächlich zurückgelegte Entfernung wird als effektive Steigung des Propellers bezeichnet, und die Differenz zwischen der theoretischen oder geometrischen Steigung und der effektiven Steigung wird als Propellerschlupf bezeichnet, wie in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2. Darstellung von Tonhöhe und Schlupf.

In dieser Demonstration werden sieben Propeller mit einem Propellerprüfstand in einem Unterschall-Windkanal charakterisiert. Es folgt eine detaillierte parametrische Studie, um die Auswirkungen von Variationen in Tonhöhe, Durchmesser und Anzahl der Klingen auf die Propellerleistung zu analysieren.

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JoVE Science Education Database. flugzeugbau. Propellercharakterisierung: Variationen in Tonhöhe, Durchmesser und Klingennummer auf Leistung. JoVE, Cambridge, MA, (2019).

Principles

Es gibt zwei Hauptpropellertypen: feste Steigung und variable Steigung. Festseilpropeller sind für einen optimalen Betriebszustand ausgelegt und effizient; sie haben eine hohe Leistung leistung zu Leistung Eingangsverhältnis für eine bestimmte Fluggeschwindigkeit und Drehzahl, die in den meisten Fällen ist die Flugzeug-Kreuzfahrt Bedingungen. Während des Starts und der Landung, wenn die Drehzahl und die Fluggeschwindigkeiten niedriger sind, ist der Propeller mit fester Steigung jedoch sehr ineffizient. Propellerblätter mit variabler Steigung bieten eine Lösung für das Problem der festen Steigung, da der Pilot die Propellerneigung ändern kann, um die Propellereffizienz für jeden Betriebszustand zu maximieren. Aus diesem Grund werden in größeren Propellerflugzeugen, in denen die Kraftstoffeffizienz ein dominanter Faktor ist, Propeller mit variabler Steigung verwendet, um die Effizienz zu maximieren.

Das erweiterte Verhältnis, der Schubkoeffizient, der Drehmomentkoeffizient, der Leistungskoeffizient und die Propellereffizienz sind wichtige nichtdimensionale Parameter, die erforderlich sind, um einen Propeller zu charakterisieren. Anhand dieser Parameter können die Propeller-, Luftbrems- und Windmühlenregime, die die unterschiedlichen Betriebsregime eines Propellers sind, identifiziert werden. Im Propellerregime erzeugt der Propeller positiven Schub und Drehmoment. Das Luftbremssystem beginnt, wenn der Schub negativ wird, während das Drehmoment positiv bleibt. In diesem Regime verlangsamt der Propeller das System. Schließlich, wenn sowohl Schub und Drehmoment unter Null fallen, ist der Propeller in der Windmühlen-Regime. Hier steuert der Luftstrom den Propeller, da er Kräfte auf dem Propeller erzeugt, von denen der Motor/Motor, der den Propeller antreibt, nicht überwinden kann. Die Propellereffizienz ist jenseits der Propellerregion bedeutungslos.

Es ist immer wünschenswert, den Propeller im hocheffizienten Propellerregime für eine bestimmte Fluggeschwindigkeit und Drehzahl zu betreiben. Wie bereits erwähnt, sind Festseilpropeller in der Regel so ausgelegt, dass sie während des Kreuzfahrtflugs mit ihren höchsten Wirkungsgraden arbeiten, und während sie bei niedrigeren Geschwindigkeiten, wie z. B. beim Start und der Landung, arbeiten können, ist der Wirkungsgrad sehr gering. Propeller mit variabler Steigung können je nach Flugregime (Start, Cruise oder Landung) so eingestellt werden, dass sie die höchstmögliche Effizienz im Propellerregime erzielen, wodurch die Kraftstoffeffizienz des Flugzeugs maximiert wird.

Neben der Propellerneigung spielt die Anzahl der Propellerblätter eine wichtige Rolle bei der Einstellung des Schubs, der vom Propeller zur Verfügung steht. Im Allgemeinen kann die Erhöhung der Anzahl der Schaufeln, wenn es Konstruktionseinschränkungen für den Durchmesser oder die Steigung des Propellers gibt, die Menge des erzeugten Schubs erhöhen. Der zusätzliche Schub kann jedoch auf Kosten der Propellereffizienz kommen, was eine detaillierte Analyse erforderlich macht.

Das fortgeschrittene Verhältnis, J, das ein Parameter zur Normalisierung der Freestream-Geschwindigkeit (V)auf der Propellerdrehzahl der Rotation (n) und des Durchmessers (D) ist, wird durch die folgende Gleichung gegeben:

Die Freestream-Flussgeschwindigkeit kann mit der Gleichung gemessen werden:

wobei die Freestream-Dichte .

Der Schubkoeffizient CTist ein nicht-dimensionales Maß für den Propellerschub, T, und wird durch die Gleichung gegeben:

In ähnlicher Weise werden das Drehmoment, CQund Leistung, CP,Koeffizienten, die nichtdimensionalen Maße des Propellerdrehmoments bzw. der Ausgangsleistung durch die Gleichungen angegeben:

wobei das Drehmoment und P die Leistung des bürstenlosen Gleichstrommotors zum Betrieb des Propellers ist. Die Leistung, P, kann als Produkt von Spannung, Vund Strom berechnet werden, I:

Schließlich kann die Propellereffizienz wie:

Procedure

1. Messung der Propellereigenschaften in einem Unterschall-Windkanal

  1. Richten Sie den Propellerprüfstand im Unterschall-Windkanal mit einer 4-Achsen-Stechhalterung ein, wie in Abbildung 3 dargestellt. In dieser Demonstration wurde ein Windkanal mit einem Prüfabschnitt von 2,6 ft x 3,7 ft und einer maximalen dynamischen Druckeinstellung von 25 psf verwendet.


Abbildung 3. Propeller-Rig. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

  1. Befestigen Sie eine 6-Achsen-Wägezelle an das Rig. Dies wird verwendet, um Schub und Drehmoment zu messen.
  2. Befestigen Sie einen bürstenlosen DC-Motor am Rig, und befestigen Sie dann den ersten Propeller.
  3. Schließen Sie den Gleichstrommotor an den elektronischen Drehzahlregler und den gepulsten, mit Einer Breiten modulierten Signalgenerator an, der die Drehzahl des Motors steuert.
  4. Schließen Sie einen Leistungsanalysator an, der den Strom und die Spannung des Motors misst, und schließen Sie ihn an eine Lithium-Polymer-Batterie an.
  5. Verwenden Sie eine Spirit-Level, um sicherzustellen, dass die Stachel-Propeller-Setup in der Richtung des Flusses mit Null-Pitch und Null Gähnen ausgerichtet ist.
  6. Sichern Sie die Windkanaltüren und schalten Sie die Hauptleistung ein.
  7. Schalten Sie den Windkanal ein, und schalten Sie dann den Signalgenerator und das Datenerfassungssystem der Wägezelle ein.
  8. Null die Kräfte auf die Wägezelle mit virtueller Instrumentensoftware.
  9. Stellen Sie den Signalgenerator so ein, dass der Motor mit 10 % Drosselklappe betrieben wird.
  10. Beginnen Sie mit der Aufzeichnung eines Null-Wertes, wenn der Windkanal ausgeschaltet ist. Zeichnen Sie die Geschwindigkeit nach folgenden Daten auf:
    a. Propellereigenschaften - Anzahl der Schaufeln, Propellerdurchmesser (in) und Propellerabstand (in).
    b. Geschwindigkeit (in Prozent Drosselung) basierend auf der Signalgenerator-Konfiguration.
    c. Dynamischer Druck (psf) vom Windkanalwandler.
    d. Spannung (V) und Strom (A), die dem BLDC-Motor vom Leistungsanalysator geliefert werden.
    e. Schub (lb) und Drehmoment (in-lb) aus der Wägezelle.
    f. Propeller RPM (Drehungen pro Minute). Beachten Sie, dass der RPM-Wert nur am Ende des Experiments extrahiert werden kann.
  11. Schalten Sie den Windkanal ein und variieren Sie den dynamischen Druck von 0 psf bis 10 psf in Schritten von 0,5 psf.
  12. Lassen Sie bei jeder Einstellung den Windkanal stabilisieren und dann die oben aufgeführten Daten aufzeichnen.
  13. Erhöhen Sie die dynamische Druckeinstellung in Schritten von 0,5 psf bis zu einer dynamischen Druckeinstellung, bei der Schub und Drehmoment negativ werden. Zeichnen Sie alle Daten in jedem Inkrement auf.
  14. Den dynamischen Tunneldruck wieder auf Null zurücksetzen und den Windkanal ausschalten
  15. Stellen Sie die Motordrehzahl auf 50% Drosselklappe und wiederholen Sie die Schritte 1.11 - 1.15.
  16. Stellen Sie die Motordrehzahl auf 100% Drosselklappe und wiederholen Sie die Schritte 1.11 - 1.15.
  17. Wiederholen Sie das obige Verfahren für alle Propeller, stellen Sie sicher, dass Die Geschwindigkeiten von 10%, 50% und 100% Drosselung bis zu einem dynamischen Druck, bei dem Schub und Drehmoment negativ werden.
  18. Wenn alle Tests abgeschlossen sind, stecken Sie den elektronischen Drehzahlregler in das Programmierkit, notieren Sie alle Propeller-RPM-Daten.
  19. Fahren Sie alle Systeme herunter.

Tabelle 1. Propeller getestet.

Propellerdurchmesser x Teilung (in) Anzahl der Klingen material
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 holz
18 x 8 4 holz

Beachten Sie, dass die in dieser Studie verwendeten Propeller mit fester Steigung durch ihren Durchmesser und ihre Steigung in Zoll definiert sind. Ein Propeller mit 18 x 8 ist beispielsweise ein Propeller mit einem Durchmesser von 18 Mit einem geometrischen Abstand von 8 Zoll.

Propeller sind weit verbreitet in vielen verschiedenen Arten von Flugzeugen für den Antrieb und die Erzeugung von Schub verwendet, und muss daher sorgfältig entworfen und charakterisiert werden. Ein Propeller ist im Wesentlichen ein verdrehtes Tragblatt, bei dem sich der Winkel der Schnur radial ändert. Eines der bestimmenden Merkmale des Propellers ist die Steigung oder seine Drehung.

Die Steigung des Propellers ist in der Regel in Längeneinheiten angegeben und ist die theoretische Entfernung, die der Propeller in einer einzigen Umdrehung durch die Luft bewegen wird. Aufgrund der Zugkraft am Flugzeug und Propeller legt der Propeller jedoch nie seine theoretische Distanz zurück. Die tatsächlich zurückgelegte Entfernung wird als effektive Steigung des Propellers bezeichnet. Der Unterschied zwischen der theoretischen Tonhöhe und der effektiven Tonhöhe wird als Schubser des Propellers bezeichnet.

Bei der Beschreibung von Propellern sprechen wir auch über Schub, Drehmoment und Leistung, die sich durch ihre jeweiligen dimensionslosen Koeffizienten auszeichnen. Hier ist T Schub, Tau ist Drehmoment, P ist Stromversorgung für den Motor, rho ist die Freestream-Dichte, n ist die Drehrate des Propellers, und D ist der Propellerdurchmesser. Wichtig ist, dass wir auch die Effizienz eines Propellers definieren. Diese wird anhand der Drehmoment- und Schubkoeffizienten zusammen mit dem fortgeschrittenen Verhältnis J berechnet, das die Freestream-Geschwindigkeit auf die Propellerdrehung und den Durchmesser normalisiert. Anhand dieser dimensionenlosen Werte können wir bestimmen, wie ein Propeller unter verschiedenen Bedingungen arbeitet.

Im Propellerregime erzeugt der Propeller positiven Schub und Drehmoment. Das Luftbremssystem beginnt, wenn der Schub negativ wird, während das Drehmoment positiv bleibt. In diesem Regime verlangsamt der Propeller das System, anstatt positive Vorwärtsbewegung zu liefern. Wenn Schub und Drehmoment beide unter Null fallen, befindet sich der Propeller im Windmühlenregime. Hier steuert der Luftstrom den Propeller, da er Kräfte am Propeller erzeugt, die der Motor, der den Propeller antreibt, nicht überwinden kann.

Es ist wichtig zu beachten, dass über das Propellerregime hinaus die Berechnung der Propellereffizienz bedeutungslos ist. Es ist immer wünschenswert, den Propeller im hocheffizienten Propellerregime für eine bestimmte Luftgeschwindigkeit und Drehzahl zu betreiben. Bei Propellern mit festem Pitch kann dies schwierig sein, da die Festseilpropeller für einen optimalen Betriebszustand ausgelegt sind und in der Regel am effizientesten unter Kreuzfahrtbedingungen und ineffizient bei Start und Landung sind.

Eine Möglichkeit, den Betrieb zu verbessern, vor allem, wenn es keine Einschränkungen für den Durchmesser oder die Steigung des Propellers gibt, besteht darin, die Anzahl der Schaufeln zu erhöhen. Dies kann die Schubmenge erhöhen. Es geht jedoch um Kosten einer geringeren Propellereffizienz. In diesem Experiment werden wir mehrere verschiedene Propeller charakterisieren und den Einfluss von Steigung, Durchmesser und Anzahl der Klingen auf die Leistung bestimmen.

In diesem Experiment werden wir die Propellereigenschaften in einem Unterschall-Windkanal mit einer Reihe von fünf APC- und zwei Holzpropellern mit unterschiedlichem Durchmesser, Steigung und Anzahl der Schaufeln untersuchen.

Zunächst richten Sie den Propellerprüfstand im Inneren des Windkanals mit einer vierachsigen Stachelhalterung ein, um die Komponenten des Propellerprüfstandes zu halten. Zur Messung von Schub und Drehmoment wird eine sechsachsige Wägezelle verwendet. Befestigen Sie die Wägezelle am Rig, sichern Sie den bürstenlosen Dc-Motor, der den Propeller antreibt, und befestigen Sie dann den ersten Propeller.

Schließen Sie nun den bürstenlosen Gleichstrommotor an den elektronischen Drehzahlregler und den pulsbreitenmodulierten Signalgenerator an, der die Drehzahl des Motors steuert. Schließen Sie den Motor außerdem an einen Leistungsanalysator an, um die mitgelieferte Spannung und den Strom zu messen. Dann verbinden Sie es und den bürstenlosen DC-Motor mit einer Lithium-Polymer-Batterie.

Sobald das Setup vollständig montiert ist, verwenden Sie eine Spirit-Level, um sicherzustellen, dass der StachelPropeller-Setup in Richtung des Luftstroms ohne Tonhöhe oder Gähnen ausgerichtet ist. Dann sichern Sie die Windkanaltüren, schalten Sie den Hauptstrom ein und schalten Sie den Windkanal ein. Schalten Sie dann den Signalgenerator und das Datenerfassungssystem der Wägezelle ein.

Zeichnen Sie vor Beginn der Tests die Propellereigenschaften in Ihrer Kalkulationstabelle auf, einschließlich der Anzahl der Propellerblätter, des Durchmessers und der Steigung. Nun, Null die Kräfte auf die Wägezelle mit der Datenerfassungssoftware auf dem Windkanal-Computer. Stellen Sie dann den Signalgenerator so ein, dass der Motor mit 10 % Drosselklappe betrieben wird.

Beginnen Sie mit der Aufzeichnung einer Null-Lesung mit dem Windkanal aus. Zeichnen Sie die Geschwindigkeit in Bezug auf den Prozentsatz der Drosselklappe und den dynamischen Druck des Windkanalwandlers auf. Zeichnen Sie außerdem die Spannung und den Strom auf, die dem Motor vom Leistungsanalysator zugeführt werden, sowie den Schub und das Drehmoment, die von der Wägezelle gemessen werden.

Schalten Sie nun den Windkanal ein und erhöhen Sie den dynamischen Druck auf 0,5 psf. Lassen Sie sich Zeit, damit sich der Windkanal stabilisiert, und erfassen Sie dann alle Daten. Erhöhen Sie die dynamische Druckeinstellung in Schritten von 0,5 psf bis zu einer dynamischen Druckeinstellung, bei der Schub und Drehmoment negativ werden.

Zeichnen Sie alle Daten in jedem Inkrement auf. Sobald die Messungen für Schub und Drehmoment negativ sind, stellen Sie den dynamischen Druck wieder auf Null und schalten Sie den Windkanal aus. Erhöhen Sie dann die Motordrehzahl mit dem Signalgenerator auf 50% Drosselklappe. Nehmen Sie die Nullmessung und erfassen Sie alle Daten mit dem Windkanal aus. Schalten Sie dann den Windkanal ein und stellen Sie den dynamischen Druckwert auf 0,5 psf ein. Zeichnen Sie dann alle Daten auf.

Wiederholen Sie die Messungen wie zuvor in Schritten von 0. 5 psf bis zu einem dynamischen Druckmesswert, bei dem Drehmoment und Schub negativ werden. Stellen Sie dann den dynamischen Druck wieder auf Null, schalten Sie den Windkanal ab und erhöhen Sie die Propellerdrehzahl auf 100% Gas. Notieren Sie die Nullmessung mit dem Windkanal aus, und wiederholen Sie dann die Tests erneut bis zu einem dynamischen Druck, bei dem Drehmoment und Schub negativ werden.

Wiederholen Sie diese Tests für alle Propeller, und stellen Sie sicher, dass die Geschwindigkeiten von 10%, 50% und 100% Drosselung für jeden Propeller bis zu einem dynamischen Druck, bei dem Schub und Drehmoment negativ werden, getestet werden. Schließen Sie nach Abschluss aller Tests den elektronischen Drehzahlregler in das Programmierkit an und erfassen Sie alle Propeller-Drehzahldaten. Fahren Sie dann alle Systeme herunter.

Um die Ergebnisse des Experiments zu bewerten, berechnen wir zunächst den Schubkoeffizienten CT unter Verwendung des Propellerschubs, der Rotationsrate, des Durchmessers und der Freistromdichte. Wir können auch die Drehmoment- und Leistungskoeffizienten CQ und CP berechnen. Daran erinnern, dass Tau ist Propeller Drehmoment und P ist die Leistung an den Gleichstrommotor geliefert und wird als Produkt von Spannung und Strom berechnet.

Schließlich können wir das fortgeschrittene Verhältnis J berechnen, um die Freestream-Geschwindigkeit auf die Propellergeschwindigkeit von Rotation und Durchmesser zu normalisieren. Die Rotationsrate ist die Rotation pro Minute, die während des Experiments protokolliert wurde, geteilt durch 60. Die Freestream-Geschwindigkeit wird anhand des dynamischen Drucks berechnet, den wir im Windkanal gesteuert haben. Dann kann die Propellereffizienz berechnet werden.

Lassen Sie uns nun die drei Koeffizienten und die Effizienz im Vergleich zum fortgeschrittenen Verhältnis J für einen der Propeller darstellen. Hier zeigen wir Daten für einen zweiflügeligen, 18-zolligen Durchmesser, 8-Zoll-Pitch-Propeller. Der Propeller erzeugt einen positiven Schub bis zu einem fortgeschrittenen Verhältnis von 0,6, wo er dann in den Luftbremsbereich übergeht. Der Luftbremsbereich beginnt, wenn der Schub negativ wird, während das Drehmoment positiv bleibt. In dieser Region verlangsamt der Propeller das System.

Nach einem fortgeschrittenen Verhältnis von 0,85 erzeugt der Propeller ein negatives Drehmoment und verhält sich wie eine Windmühle. Hier erzeugt der Luftstrom Kräfte am Propeller, die der Motor, der den Propeller antreibt, nicht überwinden kann. Beachten Sie, dass der Propellerwirkungsgrad bei J mit 0,4 am höchsten ist und jenseits der Propellerregion bedeutungslos ist.

Werfen wir nun einen Blick auf den variierenden Propellerdurchmesser, während die Anzahl der Schaufeln und propellerpitch konstant bleibt. Wir sehen, dass die Änderung des Durchmessers einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Effizienz hat. Die drei Koeffizienten nehmen jedoch mit abnehmendem Propellerdurchmesser leicht zu.

Als Nächstes vergleichen wir den Effekt der unterschiedlichen Propellerneigung, wobei der konstante Propellerdurchmesser und die Anzahl der Schaufeln beibehalten werden. Wir sehen, dass ein Propeller mit hoher Steigung im Allgemeinen mehr Schub, Drehmoment und Leistung für ein bestimmtes fortgeschrittenes Verhältnis erzeugt als ein Propeller mit niedriger Steigung. Die Erhöhung der Propellerneigung erhöht auch die Reichweite der Propellerregion. Wir sehen, dass die maximale Betriebseffizienz bei einem höheren fortgeschrittenen Verhältnis auftritt, wenn die Propellerneigung zunimmt.

Schließlich vergleichen wir den Effekt der Klingennummer, wobei der konstante Propellerdurchmesser und die Steigung beibehalten werden. Wir sehen, dass die Verdoppelung der Anzahl der Klingen zu einer deutlich höheren Schub- und Drehmomentmenge führt. Während die Ausdehnung der Propellerregion ähnlich ist, beginnt sich der Vierblattpropeller wie eine Windmühle mit einem höheren fortgeschrittenen Verhältnis im Vergleich zum Zweiblattpropeller zu verhalten. Es ist auch zu beobachten, dass der Zweiblattpropeller etwas effizienter ist als sein Vierblatt-Gegenstück.

Zusammenfassend haben wir über die verschiedenen Betriebsabläufe von Propellern und wie sich die Steigung auf die Propellereffizienz auswirkt, erfahren. Wir haben dann 7 Propeller in einem Unterschall-Windkanal charakterisiert, um die Auswirkungen von Steigung, Durchmesser und Anzahl der Schaufeln auf die Propellerleistung zu analysieren.

Results

Zur Bestimmung der Ergebnisse wurde eine Freestream-Dichte, n:0,074 lb/ft3, verwendet. Die Variation der Schub-, Drehmoment-, Leistungs- und Propellereffizienz der zweiflügeligen Propeller mit 18 x 8 im Propeller ist in Abbildung 4 dargestellt. Die Propeller-, Luftbrems- und Windmühlenbereiche sind abgegrenzt. Der zweiflügelige Propeller mit 18 x 8 erzeugt einen positiven Schub bis zu einem fortgeschrittenen Verhältnis von 0,6, danach wechselt er bis J 0,85 in den Luftbremsbereich. An und nach diesem Punkt beginnt der Propeller negatives Drehmoment zu erzeugen und verhält sich wie eine Windmühle. Der Propeller erreicht mit J = 0,4 den höchsten Wirkungsgrad.

Figure 4
Abbildung 4. Eigenschaften eines Zweiblatts, 18 x 8 im Propeller.

Die Abbildungen 5-7 vergleichen die Verhaltensweisen CT, CQ, CPund B für Propeller mit Variationen in Durchmesser, Steigung und Anzahl der Klingen. Wie in Abbildung 5 dargestellt, hatte der unterschiedliche Propellerdurchmesser unter Beibehaltung der Anzahl der Schaufeln und des Propellerabstandes eine Konstante, die einen vernachlässigbaren Effekt auf die Propellereffizienz hatten. Allerdings stiegen die CT, CQund CP für ein bestimmtes fortgeschrittenes Verhältnis, J, leicht mit abnehmendem Propellerdurchmesser.

Figure 5
Abbildung 5. Vergleich der Eigenschaften für Propeller unterschiedlichen Durchmessers. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Die unterschiedliche Propellerneigung wirkte sich signifikant auf alle Parameter aus, wie in Abbildung 6 dargestellt. Im Allgemeinen erzeugt ein Propeller mit hoher Steigung mehr Schub, Drehmoment und Leistung für ein bestimmtes fortgeschrittenes Verhältnis im Vergleich zu einem Propeller mit niedriger Steigung. Die Erhöhung der Propellerneigung erhöhte auch die Reichweite der Propellerregion, d.h. den großen Bereich mit positivem Schub und Drehmoment. Schließlich trat die maximale Betriebseffizienz bei einem höheren fortgeschrittenen Verhältnis auf, wenn die Propellerneigung zunahm.

Figure 6
Abbildung 6. Vergleich der Eigenschaften für Propeller mit unterschiedlicher Steigung. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 7 zeigt, dass die Verdoppelung der Anzahl der Schaufeln zu einer deutlich höheren Schub- und Drehmomentmenge führt. Während die Propellerregion ähnlich ist, beginnt sich der Vierblattpropeller im Vergleich zum Zweiblattpropeller wie eine Windmühle im höheren Fortgeschrittenenverhältnis zu verhalten. Außerdem ist der Zwei-Blatt-Propeller etwas effizienter als sein Vier-Blatt-Pendant.

Figure 7
Abbildung 7. Vergleich der Eigenschaften für Propeller mit unterschiedlicher Anzahl der Schaufeln. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Applications and Summary

Propeller werden verwendet, um kleine Flugzeuge anzutreiben und bieten eine einfache Methode, um Schub zu liefern. Sie können an einem elektrischen oder hubregenden Motor befestigt werden, wo sie die Drehzahl in Schub für den Antrieb umwandeln. In dieser Demonstration wurden sieben Propeller mit unterschiedlicher Steigung, Durchmesser und Anzahl der Schaufeln mit einem Propellerprüfstand in einem Unterschall-Windkanal gekennzeichnet. Für jeden Propeller wurden die Betriebsbereiche Propeller, Luftbremse und Windmühlen identifiziert. Eine parametrische Studie, die durchgeführt wurde, um die Auswirkungen des Propellerdurchmessers zu untersuchen, zeigte eine leichte Abnahme des Schubs und des Drehmoments mit abnehmendem Durchmesser. Die Propellerneigung hat jedoch einen signifikanten Einfluss auf die Schub- und Drehmomenteigenschaften, wobei Hochseilpropeller einen klaren Vorteil haben. Zusätzlich stirbt die Ausdehnung der Propellerregion mit abnehmender Steigung. Schließlich erhöht die Erhöhung der Anzahl der Schaufeln den Schub, das Drehmoment und die Leistung mit einer leichten Abnahme der Propellereffizienz.

Die Auswahl des geeigneten Antriebssystems (Motor-Motor-Propeller-Kombination) für Flugzeuge oder Wasserfahrzeuge ist erforderlich, um ein leistungsfähiges und effizientes Luft- oder Wasserfahrzeug zu erreichen. Detaillierte Propellerkenndaten bieten Ingenieuren eine genaue Möglichkeit, Flugleistungsparameter über alle Betriebsgeschwindigkeiten des Flugzeugs/Wasserfahrzeugs hinweg zu bewerten, um das optimale Antriebssystem korrekt zu bestimmen.

1. Messung der Propellereigenschaften in einem Unterschall-Windkanal

  1. Richten Sie den Propellerprüfstand im Unterschall-Windkanal mit einer 4-Achsen-Stechhalterung ein, wie in Abbildung 3 dargestellt. In dieser Demonstration wurde ein Windkanal mit einem Prüfabschnitt von 2,6 ft x 3,7 ft und einer maximalen dynamischen Druckeinstellung von 25 psf verwendet.


Abbildung 3. Propeller-Rig. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

  1. Befestigen Sie eine 6-Achsen-Wägezelle an das Rig. Dies wird verwendet, um Schub und Drehmoment zu messen.
  2. Befestigen Sie einen bürstenlosen DC-Motor am Rig, und befestigen Sie dann den ersten Propeller.
  3. Schließen Sie den Gleichstrommotor an den elektronischen Drehzahlregler und den gepulsten, mit Einer Breiten modulierten Signalgenerator an, der die Drehzahl des Motors steuert.
  4. Schließen Sie einen Leistungsanalysator an, der den Strom und die Spannung des Motors misst, und schließen Sie ihn an eine Lithium-Polymer-Batterie an.
  5. Verwenden Sie eine Spirit-Level, um sicherzustellen, dass die Stachel-Propeller-Setup in der Richtung des Flusses mit Null-Pitch und Null Gähnen ausgerichtet ist.
  6. Sichern Sie die Windkanaltüren und schalten Sie die Hauptleistung ein.
  7. Schalten Sie den Windkanal ein, und schalten Sie dann den Signalgenerator und das Datenerfassungssystem der Wägezelle ein.
  8. Null die Kräfte auf die Wägezelle mit virtueller Instrumentensoftware.
  9. Stellen Sie den Signalgenerator so ein, dass der Motor mit 10 % Drosselklappe betrieben wird.
  10. Beginnen Sie mit der Aufzeichnung eines Null-Wertes, wenn der Windkanal ausgeschaltet ist. Zeichnen Sie die Geschwindigkeit nach folgenden Daten auf:
    a. Propellereigenschaften - Anzahl der Schaufeln, Propellerdurchmesser (in) und Propellerabstand (in).
    b. Geschwindigkeit (in Prozent Drosselung) basierend auf der Signalgenerator-Konfiguration.
    c. Dynamischer Druck (psf) vom Windkanalwandler.
    d. Spannung (V) und Strom (A), die dem BLDC-Motor vom Leistungsanalysator geliefert werden.
    e. Schub (lb) und Drehmoment (in-lb) aus der Wägezelle.
    f. Propeller RPM (Drehungen pro Minute). Beachten Sie, dass der RPM-Wert nur am Ende des Experiments extrahiert werden kann.
  11. Schalten Sie den Windkanal ein und variieren Sie den dynamischen Druck von 0 psf bis 10 psf in Schritten von 0,5 psf.
  12. Lassen Sie bei jeder Einstellung den Windkanal stabilisieren und dann die oben aufgeführten Daten aufzeichnen.
  13. Erhöhen Sie die dynamische Druckeinstellung in Schritten von 0,5 psf bis zu einer dynamischen Druckeinstellung, bei der Schub und Drehmoment negativ werden. Zeichnen Sie alle Daten in jedem Inkrement auf.
  14. Den dynamischen Tunneldruck wieder auf Null zurücksetzen und den Windkanal ausschalten
  15. Stellen Sie die Motordrehzahl auf 50% Drosselklappe und wiederholen Sie die Schritte 1.11 - 1.15.
  16. Stellen Sie die Motordrehzahl auf 100% Drosselklappe und wiederholen Sie die Schritte 1.11 - 1.15.
  17. Wiederholen Sie das obige Verfahren für alle Propeller, stellen Sie sicher, dass Die Geschwindigkeiten von 10%, 50% und 100% Drosselung bis zu einem dynamischen Druck, bei dem Schub und Drehmoment negativ werden.
  18. Wenn alle Tests abgeschlossen sind, stecken Sie den elektronischen Drehzahlregler in das Programmierkit, notieren Sie alle Propeller-RPM-Daten.
  19. Fahren Sie alle Systeme herunter.

Tabelle 1. Propeller getestet.

Propellerdurchmesser x Teilung (in) Anzahl der Klingen material
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 holz
18 x 8 4 holz

Beachten Sie, dass die in dieser Studie verwendeten Propeller mit fester Steigung durch ihren Durchmesser und ihre Steigung in Zoll definiert sind. Ein Propeller mit 18 x 8 ist beispielsweise ein Propeller mit einem Durchmesser von 18 Mit einem geometrischen Abstand von 8 Zoll.

Propeller sind weit verbreitet in vielen verschiedenen Arten von Flugzeugen für den Antrieb und die Erzeugung von Schub verwendet, und muss daher sorgfältig entworfen und charakterisiert werden. Ein Propeller ist im Wesentlichen ein verdrehtes Tragblatt, bei dem sich der Winkel der Schnur radial ändert. Eines der bestimmenden Merkmale des Propellers ist die Steigung oder seine Drehung.

Die Steigung des Propellers ist in der Regel in Längeneinheiten angegeben und ist die theoretische Entfernung, die der Propeller in einer einzigen Umdrehung durch die Luft bewegen wird. Aufgrund der Zugkraft am Flugzeug und Propeller legt der Propeller jedoch nie seine theoretische Distanz zurück. Die tatsächlich zurückgelegte Entfernung wird als effektive Steigung des Propellers bezeichnet. Der Unterschied zwischen der theoretischen Tonhöhe und der effektiven Tonhöhe wird als Schubser des Propellers bezeichnet.

Bei der Beschreibung von Propellern sprechen wir auch über Schub, Drehmoment und Leistung, die sich durch ihre jeweiligen dimensionslosen Koeffizienten auszeichnen. Hier ist T Schub, Tau ist Drehmoment, P ist Stromversorgung für den Motor, rho ist die Freestream-Dichte, n ist die Drehrate des Propellers, und D ist der Propellerdurchmesser. Wichtig ist, dass wir auch die Effizienz eines Propellers definieren. Diese wird anhand der Drehmoment- und Schubkoeffizienten zusammen mit dem fortgeschrittenen Verhältnis J berechnet, das die Freestream-Geschwindigkeit auf die Propellerdrehung und den Durchmesser normalisiert. Anhand dieser dimensionenlosen Werte können wir bestimmen, wie ein Propeller unter verschiedenen Bedingungen arbeitet.

Im Propellerregime erzeugt der Propeller positiven Schub und Drehmoment. Das Luftbremssystem beginnt, wenn der Schub negativ wird, während das Drehmoment positiv bleibt. In diesem Regime verlangsamt der Propeller das System, anstatt positive Vorwärtsbewegung zu liefern. Wenn Schub und Drehmoment beide unter Null fallen, befindet sich der Propeller im Windmühlenregime. Hier steuert der Luftstrom den Propeller, da er Kräfte am Propeller erzeugt, die der Motor, der den Propeller antreibt, nicht überwinden kann.

Es ist wichtig zu beachten, dass über das Propellerregime hinaus die Berechnung der Propellereffizienz bedeutungslos ist. Es ist immer wünschenswert, den Propeller im hocheffizienten Propellerregime für eine bestimmte Luftgeschwindigkeit und Drehzahl zu betreiben. Bei Propellern mit festem Pitch kann dies schwierig sein, da die Festseilpropeller für einen optimalen Betriebszustand ausgelegt sind und in der Regel am effizientesten unter Kreuzfahrtbedingungen und ineffizient bei Start und Landung sind.

Eine Möglichkeit, den Betrieb zu verbessern, vor allem, wenn es keine Einschränkungen für den Durchmesser oder die Steigung des Propellers gibt, besteht darin, die Anzahl der Schaufeln zu erhöhen. Dies kann die Schubmenge erhöhen. Es geht jedoch um Kosten einer geringeren Propellereffizienz. In diesem Experiment werden wir mehrere verschiedene Propeller charakterisieren und den Einfluss von Steigung, Durchmesser und Anzahl der Klingen auf die Leistung bestimmen.

In diesem Experiment werden wir die Propellereigenschaften in einem Unterschall-Windkanal mit einer Reihe von fünf APC- und zwei Holzpropellern mit unterschiedlichem Durchmesser, Steigung und Anzahl der Schaufeln untersuchen.

Zunächst richten Sie den Propellerprüfstand im Inneren des Windkanals mit einer vierachsigen Stachelhalterung ein, um die Komponenten des Propellerprüfstandes zu halten. Zur Messung von Schub und Drehmoment wird eine sechsachsige Wägezelle verwendet. Befestigen Sie die Wägezelle am Rig, sichern Sie den bürstenlosen Dc-Motor, der den Propeller antreibt, und befestigen Sie dann den ersten Propeller.

Schließen Sie nun den bürstenlosen Gleichstrommotor an den elektronischen Drehzahlregler und den pulsbreitenmodulierten Signalgenerator an, der die Drehzahl des Motors steuert. Schließen Sie den Motor außerdem an einen Leistungsanalysator an, um die mitgelieferte Spannung und den Strom zu messen. Dann verbinden Sie es und den bürstenlosen DC-Motor mit einer Lithium-Polymer-Batterie.

Sobald das Setup vollständig montiert ist, verwenden Sie eine Spirit-Level, um sicherzustellen, dass der StachelPropeller-Setup in Richtung des Luftstroms ohne Tonhöhe oder Gähnen ausgerichtet ist. Dann sichern Sie die Windkanaltüren, schalten Sie den Hauptstrom ein und schalten Sie den Windkanal ein. Schalten Sie dann den Signalgenerator und das Datenerfassungssystem der Wägezelle ein.

Zeichnen Sie vor Beginn der Tests die Propellereigenschaften in Ihrer Kalkulationstabelle auf, einschließlich der Anzahl der Propellerblätter, des Durchmessers und der Steigung. Nun, Null die Kräfte auf die Wägezelle mit der Datenerfassungssoftware auf dem Windkanal-Computer. Stellen Sie dann den Signalgenerator so ein, dass der Motor mit 10 % Drosselklappe betrieben wird.

Beginnen Sie mit der Aufzeichnung einer Null-Lesung mit dem Windkanal aus. Zeichnen Sie die Geschwindigkeit in Bezug auf den Prozentsatz der Drosselklappe und den dynamischen Druck des Windkanalwandlers auf. Zeichnen Sie außerdem die Spannung und den Strom auf, die dem Motor vom Leistungsanalysator zugeführt werden, sowie den Schub und das Drehmoment, die von der Wägezelle gemessen werden.

Schalten Sie nun den Windkanal ein und erhöhen Sie den dynamischen Druck auf 0,5 psf. Lassen Sie sich Zeit, damit sich der Windkanal stabilisiert, und erfassen Sie dann alle Daten. Erhöhen Sie die dynamische Druckeinstellung in Schritten von 0,5 psf bis zu einer dynamischen Druckeinstellung, bei der Schub und Drehmoment negativ werden.

Zeichnen Sie alle Daten in jedem Inkrement auf. Sobald die Messungen für Schub und Drehmoment negativ sind, stellen Sie den dynamischen Druck wieder auf Null und schalten Sie den Windkanal aus. Erhöhen Sie dann die Motordrehzahl mit dem Signalgenerator auf 50% Drosselklappe. Nehmen Sie die Nullmessung und erfassen Sie alle Daten mit dem Windkanal aus. Schalten Sie dann den Windkanal ein und stellen Sie den dynamischen Druckwert auf 0,5 psf ein. Zeichnen Sie dann alle Daten auf.

Wiederholen Sie die Messungen wie zuvor in Schritten von 0. 5 psf bis zu einem dynamischen Druckmesswert, bei dem Drehmoment und Schub negativ werden. Stellen Sie dann den dynamischen Druck wieder auf Null, schalten Sie den Windkanal ab und erhöhen Sie die Propellerdrehzahl auf 100% Gas. Notieren Sie die Nullmessung mit dem Windkanal aus, und wiederholen Sie dann die Tests erneut bis zu einem dynamischen Druck, bei dem Drehmoment und Schub negativ werden.

Wiederholen Sie diese Tests für alle Propeller, und stellen Sie sicher, dass die Geschwindigkeiten von 10%, 50% und 100% Drosselung für jeden Propeller bis zu einem dynamischen Druck, bei dem Schub und Drehmoment negativ werden, getestet werden. Schließen Sie nach Abschluss aller Tests den elektronischen Drehzahlregler in das Programmierkit an und erfassen Sie alle Propeller-Drehzahldaten. Fahren Sie dann alle Systeme herunter.

Um die Ergebnisse des Experiments zu bewerten, berechnen wir zunächst den Schubkoeffizienten CT unter Verwendung des Propellerschubs, der Rotationsrate, des Durchmessers und der Freistromdichte. Wir können auch die Drehmoment- und Leistungskoeffizienten CQ und CP berechnen. Daran erinnern, dass Tau ist Propeller Drehmoment und P ist die Leistung an den Gleichstrommotor geliefert und wird als Produkt von Spannung und Strom berechnet.

Schließlich können wir das fortgeschrittene Verhältnis J berechnen, um die Freestream-Geschwindigkeit auf die Propellergeschwindigkeit von Rotation und Durchmesser zu normalisieren. Die Rotationsrate ist die Rotation pro Minute, die während des Experiments protokolliert wurde, geteilt durch 60. Die Freestream-Geschwindigkeit wird anhand des dynamischen Drucks berechnet, den wir im Windkanal gesteuert haben. Dann kann die Propellereffizienz berechnet werden.

Lassen Sie uns nun die drei Koeffizienten und die Effizienz im Vergleich zum fortgeschrittenen Verhältnis J für einen der Propeller darstellen. Hier zeigen wir Daten für einen zweiflügeligen, 18-zolligen Durchmesser, 8-Zoll-Pitch-Propeller. Der Propeller erzeugt einen positiven Schub bis zu einem fortgeschrittenen Verhältnis von 0,6, wo er dann in den Luftbremsbereich übergeht. Der Luftbremsbereich beginnt, wenn der Schub negativ wird, während das Drehmoment positiv bleibt. In dieser Region verlangsamt der Propeller das System.

Nach einem fortgeschrittenen Verhältnis von 0,85 erzeugt der Propeller ein negatives Drehmoment und verhält sich wie eine Windmühle. Hier erzeugt der Luftstrom Kräfte am Propeller, die der Motor, der den Propeller antreibt, nicht überwinden kann. Beachten Sie, dass der Propellerwirkungsgrad bei J mit 0,4 am höchsten ist und jenseits der Propellerregion bedeutungslos ist.

Werfen wir nun einen Blick auf den variierenden Propellerdurchmesser, während die Anzahl der Schaufeln und propellerpitch konstant bleibt. Wir sehen, dass die Änderung des Durchmessers einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Effizienz hat. Die drei Koeffizienten nehmen jedoch mit abnehmendem Propellerdurchmesser leicht zu.

Als Nächstes vergleichen wir den Effekt der unterschiedlichen Propellerneigung, wobei der konstante Propellerdurchmesser und die Anzahl der Schaufeln beibehalten werden. Wir sehen, dass ein Propeller mit hoher Steigung im Allgemeinen mehr Schub, Drehmoment und Leistung für ein bestimmtes fortgeschrittenes Verhältnis erzeugt als ein Propeller mit niedriger Steigung. Die Erhöhung der Propellerneigung erhöht auch die Reichweite der Propellerregion. Wir sehen, dass die maximale Betriebseffizienz bei einem höheren fortgeschrittenen Verhältnis auftritt, wenn die Propellerneigung zunimmt.

Schließlich vergleichen wir den Effekt der Klingennummer, wobei der konstante Propellerdurchmesser und die Steigung beibehalten werden. Wir sehen, dass die Verdoppelung der Anzahl der Klingen zu einer deutlich höheren Schub- und Drehmomentmenge führt. Während die Ausdehnung der Propellerregion ähnlich ist, beginnt sich der Vierblattpropeller wie eine Windmühle mit einem höheren fortgeschrittenen Verhältnis im Vergleich zum Zweiblattpropeller zu verhalten. Es ist auch zu beobachten, dass der Zweiblattpropeller etwas effizienter ist als sein Vierblatt-Gegenstück.

Zusammenfassend haben wir über die verschiedenen Betriebsabläufe von Propellern und wie sich die Steigung auf die Propellereffizienz auswirkt, erfahren. Wir haben dann 7 Propeller in einem Unterschall-Windkanal charakterisiert, um die Auswirkungen von Steigung, Durchmesser und Anzahl der Schaufeln auf die Propellerleistung zu analysieren.

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