8.2: Pervane Karakterizasyonu: Performansa Göre Hatve, Çap ve Kanat Sayısındaki Farklılıklar

1. Ses altı rüzgar tünelinde pervane özelliklerinin ölçülmesi

1. Şekil 3'te gösterildiği gibi 4 eksenli bir sting montajı kullanarak pervane test donanımını ses altı rüzgar tüneline kurun. Bu gösteride 2,6 ft x 3,7 ft test bölümüne ve 25 psf maksimum dinamik basınç ayarına sahip bir rüzgar tüneli kullanıldı.

Şekil 3. Pervane teçhizatı. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

2. Makineye 6 eksenli bir yük hücresi takın. Bu, itme ve torku ölçmek için kullanılacaktır.
3. Fırçasız bir DC motoru teçhizata sabitleyin, ardından ilk pervaneyi takın.
4. DC motoru, elektronik hız kontrol cihazına ve motorun hızını kontrol eden darbeli genişlik modülasyonlu sinyal üretecine bağlayın.
5. Motora verilen akımı ve voltajı ölçecek bir güç analizörü bağlayın ve bunu bir lityum polimer pile bağlayın.
6. Sting pervanesi kurulumunun sıfır eğim ve sıfır sapma ile akış yönünde hizalandığından emin olmak için bir su terazisi kullanın.
7. Rüzgar tüneli kapılarını emniyete alın ve ana gücü açın.
8. Rüzgar tünelini açın, ardından sinyal üretecini ve yük hücresi veri toplama sistemini açın.
9. Sanal cihaz yazılımını kullanarak yük hücresi üzerindeki kuvvetleri sıfırlayın.
10. Sinyal üretecini motoru gaz kelebeğinde çalıştıracak şekilde ayarlayın.
11. Rüzgar tüneli kapalıyken sıfır okumayı kaydetmeye başlayın. Verileri takip eden hızı kaydedin:
    a. Pervane özellikleri - kanat sayısı, pervane çapı (inç) ve pervane aralığı (inç).
    b. Sinyal üreteci konfigürasyonuna bağlı olarak hız (gaz kelebeği yüzdesi cinsinden).
    c. Rüzgar tüneli dönüştürücüsünden gelen dinamik basınç (psf).
    d. Güç analizöründen BLDC motora sağlanan voltaj (V) ve akım (A).
    e. Yük hücresinden gelen itme (lb) ve tork (lb cinsinden).
    f. Pervane RPM'si (dakikadaki devir sayısı). RPM okumasının yalnızca deneyin sonunda çıkarılabileceğini unutmayın.
12. Rüzgar tünelini açın ve dinamik basıncı 0,5 psf'lik adımlarla 0 psf'den 10 psf'ye değiştirin.
13. Her ayarda, rüzgar tünelinin stabilize olmasına izin verin, ardından yukarıda listelenenle aynı verileri kaydedin.
14. Dinamik basınç ayarını, itme ve torkun negatif hale geldiği dinamik bir basınç ayarına kadar 0,5 psf'lik artışlarla artırmaya devam edin. Her artışta tüm verileri kaydedin.
15. Tünel dinamik basıncını sıfırlayın ve rüzgar tünelini kapatın
16. Motor hızını P gaza ayarlayın ve 1.11 - 1.15 adımlarını tekrarlayın.
17. Motor hızını 0 gaza ayarlayın ve 1.11 - 1.15 adımlarını tekrarlayın.
18. Yukarıdaki prosedürü tüm pervaneler için tekrarlayın, , P ve 0 gaz kelebeği hızlarını, itme ve torkun negatif olduğu dinamik bir basınca kadar test ettiğinizden emin olun.
19. Tüm testler tamamlandığında, elektronik hız kontrol cihazını programlama kitine takın, tüm pervane RPM verilerini kaydedin.
20. Tüm sistemleri kapatın.

Tablo 1. Pervaneler test edildi.

Bu çalışmada kullanılan sabit hatveli pervanelerin çapları ve inç cinsinden hatveleri ile tanımlandığına dikkat edin. Örneğin, 18 x 8'lik bir pervane, 18 inçlik bir geometrik eğime sahip 8 inç çapında bir pervanedir.

Pervaneler, itme ve itme üretimi için birçok farklı uçak tipinde yaygın olarak kullanılmaktadır ve bu nedenle dikkatli bir şekilde tasarlanmalı ve karakterize edilmelidir. Bir pervane, esasen, kordonun açısının radyal olarak değiştiği bükülmüş bir kanat profilidir. Pervanenin tanımlayıcı özelliklerinden biri, eğimi veya bükülmesidir.

Pervanenin eğimi genellikle uzunluk birimleriyle verilir ve pervanenin havada tek bir devirde kat edeceği teorik mesafedir. Bununla birlikte, uçak ve pervane üzerindeki sürükleme kuvveti nedeniyle, pervane teorik mesafesini asla kat etmez. Kat edilen gerçek mesafeye pervanenin etkili eğimi denir. Teorik adım ile etkili adım arasındaki farka pervane kayması denir.

Pervaneleri tanımlarken, kendi boyutsuz katsayıları ile karakterize edilen itme, tork ve güçten de bahsediyoruz. Burada, T itmedir, tau torktur, P motora güç kaynağıdır, rho serbest akış yoğunluğudur, n pervanenin dönme hızıdır ve D pervane çapıdır. Daha da önemlisi, bir pervanenin verimliliğini de tanımlıyoruz. Bu, serbest akış hızını pervane dönüşüne ve çapına göre normalleştiren gelişmiş oran J ile birlikte tork ve itme katsayıları kullanılarak hesaplanır. Bu boyutsuz değerleri kullanarak, bir pervanenin farklı koşullarda nasıl çalıştığını belirleyebiliriz.

Pervane rejiminde, pervane pozitif itme ve tork üretmektedir. Havalı fren rejimi, itme negatife gittiğinde başlar, tork ise pozitif kalır. Bu rejimde pervane pozitif ileri hareket sağlamak yerine sistemi yavaşlatır. İtme ve torkun her ikisi de sıfırın altına düştüğünde, pervane yel değirmeni rejimindedir. Burada hava akımı, pervaneyi çalıştıran motorun üstesinden gelemeyeceği kuvvetler ürettiği için pervaneyi kontrol eder.

Pervane rejiminin ötesinde, pervane verimliliğinin hesaplanmasının anlamsız olduğuna dikkat etmek önemlidir. Pervanenin, belirli bir hava hızı ve RPM için yüksek verimli pervane rejiminde çalıştırılması her zaman arzu edilir. Sabit hatveli pervaneler için bu zor olabilir, çünkü sabit hatveli pervaneler tek bir optimum çalışma koşulu için tasarlanmıştır ve genellikle seyir koşullarında en verimlidir ve kalkış ve inişte verimsizdir.

Çalışmayı iyileştirmenin bir yolu, özellikle pervanenin çapı veya eğimi üzerinde herhangi bir kısıtlama yoksa, kanat sayısını artırmaktır. Bu, itme miktarını artırabilir. Bununla birlikte, daha düşük pervane verimliliği pahasına gelir. Bu deneyde, birkaç farklı pervaneyi karakterize edeceğiz ve hatve, çap ve kanat sayısının performans üzerindeki etkisini belirleyeceğiz.

Bu deneyde, değişen çap, eğim ve kanat sayısına sahip beş APC ve iki ahşap pervane dizisi kullanarak ses altı bir rüzgar tünelinde pervane özelliklerini inceleyeceğiz.

Başlamak için, pervane test donanımı bileşenlerini tutmak için dört eksenli bir sokma montajı kullanarak pervane test donanımını rüzgar tünelinin içine kurun. İtme ve torku ölçmek için altı eksenli bir yük hücresi kullanılır. Yük hücresini teçhizata takın, pervaneye güç sağlayan fırçasız DC motoru sabitleyin ve ardından ilk pervaneyi takın.

Şimdi, fırçasız DC motoru elektronik hız kontrol cihazına ve motorun hızını kontrol eden darbe genişliği modülasyonlu sinyal üretecine bağlayın. Ayrıca, sağlanan voltaj ve akımı ölçmek için motoru bir güç analizörüne bağlayın. Ardından onu ve fırçasız DC motoru bir lityum polimer pile bağlayın.

Kurulum tamamen monte edildikten sonra, sting pervanesi kurulumunun herhangi bir eğim veya yalpalama olmadan hava akışı yönünde hizalandığından emin olmak için bir su terazisi kullanın. Ardından rüzgar tüneli kapılarını sabitleyin, ana gücü açın ve rüzgar tünelini açın. Ardından, sinyal üretecini ve yük hücresi veri toplama sistemini açın.

Testlere başlamadan önce, pervane kanatlarının sayısı, çapı ve eğimi dahil olmak üzere pervane özelliklerini elektronik tablonuza kaydedin. Şimdi, rüzgar tüneli bilgisayarındaki veri toplama yazılımını kullanarak yük hücresi üzerindeki kuvvetleri sıfırlayın. Ardından, sinyal üretecini motoru %10 gaz kelebeğinde çalıştıracak şekilde ayarlayın.

Rüzgar tüneli kapalıyken sıfır okuması kaydederek başlayın. Hızı, gaz kelebeği yüzdesi ve rüzgar tüneli dönüştürücüsünden gelen dinamik basınç cinsinden kaydedin. Ayrıca, güç analizöründen motora sağlanan voltaj ve akımı ve yük hücresi tarafından ölçülen itme ve torku kaydedin.

Şimdi rüzgar tünelini açın ve dinamik basıncı 0,5 psf'ye yükseltin. Rüzgar tünelinin stabilize olması için zaman tanıyın, ardından tüm verileri kaydedin. Dinamik basınç ayarını, itme ve torkun negatif hale geldiği dinamik bir basınç ayarına kadar 0,5 psf'lik artışlarla artırmaya devam edin.

Her artışta tüm verileri kaydedin. İtme ve tork ölçümleri negatif olduğunda, dinamik basıncı tekrar sıfıra ayarlayın ve rüzgar tünelini kapatın. Ardından sinyal üretecini kullanarak motor hızını %50 gaza yükseltin. Rüzgar tüneli kapalıyken tüm verileri kaydederek sıfır ölçümünü yapın. Ardından rüzgar tünelini açın ve dinamik basınç okumasını 0,5 psf'ye ayarlayın. Ardından tüm verileri kaydedin.

Ölçümleri daha önce olduğu gibi 0'lık artışlarla tekrarlayın. Tork ve itme kuvvetinin negatif olduğu dinamik bir basınç okumasına kadar 5 PSF. Ardından dinamik basıncı tekrar sıfıra ayarlayın, rüzgar tünelini kapatın ve pervane hızını %100 gaza yükseltin. Rüzgar tüneli kapalıyken sıfır ölçümünü kaydedin, ardından tork ve itme kuvvetinin negatif olduğu dinamik bir basınca kadar testleri tekrarlayın.

Bu testleri tüm pervaneler için tekrarlayın, itme ve torkun negatif olduğu dinamik bir basınca kadar her pervane için %10, %50 ve %100 gaz kelebeği hızlarını test ettiğinizden emin olun. Tüm testlerin tamamlanmasının ardından, elektronik hız kontrol cihazını programlama kitine takın ve tüm pervane RPM verilerini kaydedin. Ardından tüm sistemleri kapatın.

Deneyin sonuçlarını değerlendirmek için önce pervane itme katsayısını, CT'yi, dönme hızını, çapı ve serbest akış yoğunluğunu kullanarak hesaplayacağız. Sırasıyla tork ve güç katsayılarını, CQ ve CP'yi de hesaplayabiliriz. Tau'nun pervane torku olduğunu ve P'nin DC motora sağlanan güç olduğunu ve voltaj ve akımın ürünü olarak hesaplandığını hatırlayın.

Son olarak, serbest akış hızını pervane dönüş hızına ve çapına göre normalleştirmek için gelişmiş J oranını hesaplayabiliriz. Dönme hızı, deney sırasında kaydedilen dakikadaki dönüş sayısının 60'a bölünmesiyle elde edilir. Serbest akış hızı, rüzgar tünelinde kontrol ettiğimiz dinamik basınç kullanılarak hesaplanır. Daha sonra pervane verimliliği hesaplanabilir.

Şimdi, pervanelerden biri için üç katsayıyı ve verimliliği ve gelişmiş orana karşı verimliliği (J) çizelim. Burada, iki kanatlı, 18 inç çapında, 8 inç hatveli bir pervane için verileri gösteriyoruz. Pervane, 0,6'lık gelişmiş bir orana kadar pozitif itme üretir ve daha sonra hava freni bölgesine geçer. Havalı fren bölgesi, itme negatife gittiğinde başlar, tork ise pozitif kalır. Bu bölgede pervane sistemi yavaşlatır.

0,85'lik gelişmiş bir orandan sonra, pervane negatif tork üretir ve bir yel değirmeni gibi davranır. Burada hava akımı, pervane üzerinde pervaneyi çalıştıran motorun üstesinden gelemeyeceği kuvvetler üretir. Pervane verimliliğinin J'de en yüksek olduğunu, 0.4'e eşit olduğunu ve pervane bölgesinin ötesinde anlamsız olduğunu unutmayın.

Şimdi, kanat sayısını ve pervane hatvesini sabit tutarken değişen pervane çapına bir göz atalım. Çaptaki değişimin verimlilik üzerinde ihmal edilebilir bir etkisi olduğunu görebiliriz. Bununla birlikte, pervane çapı azaldıkça üç katsayı biraz artar.

Daha sonra, pervane çapını ve kanat sayısını sabit tutarken çeşitli pervane eğiminin etkisini karşılaştıracağız. Genel olarak, yüksek hatveli bir pervanenin, düşük hatveli bir pervaneye kıyasla belirli bir gelişmiş oran için daha fazla itme, tork ve güç ürettiğini görüyoruz. Pervane eğiminin arttırılması, pervane bölgesinin menzilini de arttırır. Pervane hatvesi arttıkça maksimum işletme veriminin daha yüksek bir ileri oranda gerçekleştiğini görüyoruz.

Son olarak, pervane çapını ve eğimini sabit tutarken kanat sayısının etkisini karşılaştıracağız. Kanat sayısını iki katına çıkarmanın önemli ölçüde daha yüksek miktarda itme ve torka yol açtığını görebiliriz. Pervane bölgesinin kapsamı benzer olsa da, dört kanatlı pervane, iki kanatlı pervaneye kıyasla daha yüksek bir gelişmiş oranda bir yel değirmeni gibi davranmaya başlar. İki kanatlı pervanenin dört kanatlı muadilinden biraz daha verimli olduğu da gözlemlenebilir.

Özetle, pervanelerin farklı çalışma rejimleri ve eğimin pervane verimliliğini nasıl etkilediği hakkında bilgi edindik. Daha sonra, eğim, çap ve kanat sayısının pervane performansı üzerindeki etkilerini analiz etmek için ses altı bir rüzgar tünelinde 7 pervaneyi karakterize ettik.