Overview
Source : Shreyas Narsipur, Génie mécanique et aérospatial, North Carolina State University, Raleigh, Caroline du Nord
Une hélice est un aéroglisseur tordu, où l'angle de l'accord change par rapport à l'emplacement, le long de la station radiale, comme le montre la figure 1. Les hélices sont largement utilisées dans les systèmes de propulsion d'aéronefs et de motomarines, ce qui entraîne des caractérisations détaillées des hélices pour concevoir des véhicules de haute performance.
Figure 1. Chord, épaisseur et hauteur à une station radiale.
Une des caractéristiques déterminantes d'une hélice est le tangage/twist. Le pas de l'hélice, généralement donné en unités de longueur, est la distance théorique de l'hélice va voyager dans les airs en une seule révolution. Cependant, en raison de la force de traînée sur l'avion et l'hélice, l'hélice ne parcourt jamais sa distance théorique. La distance réelle parcourue est appelée la hauteur efficace de l'hélice, et la différence entre la hauteur théorique ou géométrique et la hauteur efficace est appelée glissement de l'hélice, comme l'illustre la figure 2.
Figure 2. Représentation de la hauteur et du glissement.
Dans cette démonstration, sept hélices sont caractérisées à l'aide d'une plate-forme d'essai d'hélice dans une soufflerie subsonique. Elle est suivie d'une étude paramétrique détaillée pour analyser les effets des variations de hauteur, de diamètre et de nombre de pales sur les performances de l'hélice.
Principles
Il existe deux types d'hélices principales : la hauteur fixe et la hauteur variable. Les hélices à pas fixe sont conçues pour une condition de fonctionnement optimale et sont efficaces; ils ont un rapport puissance haute de puissance/entrée de puissance pour une vitesse et un RPM donnés, qui dans la plupart des cas est les conditions de croisière d'avion. Cependant, au décollage et à l'atterrissage, lorsque le régime et la vitesse sont plus faibles, l'hélice à tangage fixe est très inefficace. Les pales d'hélice à pas variable offrent une solution au problème de tangage fixe en permettant au pilote de modifier la hauteur de l'hélice afin de maximiser l'efficacité de l'hélice pour n'importe quelle condition de fonctionnement. C'est pour cette raison que dans les gros avions à hélice, où l'efficacité énergétique est un facteur dominant, des hélices à pas variable sont utilisées pour maximiser l'efficacité.
Le rapport avancé, le coefficient de poussée, le coefficient de couple, le coefficient de puissance et l'efficacité de l'hélice sont d'importants paramètres non dimensionnels nécessaires pour caractériser une hélice. Sur la base de ces paramètres, les régimes de l'hélice, du frein à air et du moulin à vent, qui sont les différents régimes de fonctionnement d'une hélice, peuvent être identifiés. Dans le régime de l'hélice, l'hélice produit une poussée et un couple positifs. Le régime de frein à air commence lorsque la poussée devient négative tandis que le couple reste positif. Dans ce régime, l'hélice ralentit le système. Enfin, lorsque la poussée et le couple descendent en dessous de zéro, l'hélice est dans le régime du moulin à vent. Ici, le flux d'air contrôle l'hélice car elle produit des forces sur l'hélice dont le moteur/moteur conduisant l'hélice ne peut pas surmonter. L'efficacité de l'hélice n'a aucun sens au-delà de la région de l'hélice.
Il est toujours souhaitable d'utiliser l'hélice dans le régime d'hélice à haut rendement pour une vitesse et un régime de rPM donnés. Comme nous l'avons mentionné précédemment, les hélices à tangage fixe sont généralement conçues pour fonctionner à leur plus grande efficacité pendant le vol de croisière, et bien qu'elles puissent fonctionner à des vitesses plus faibles, comme pendant le décollage et l'atterrissage, l'efficacité est très faible. Les hélices à pas variable peuvent être ajustées afin d'obtenir les gains d'efficacité les plus élevés possibles dans le régime de l'hélice en fonction du régime de vol (décollage, croisière ou atterrissage), maximisant ainsi l'efficacité énergétique de l'avion.
En plus de la hauteur de l'hélice, le nombre de pales d'hélice joue un rôle important dans le réglage de la poussée disponible à partir de l'hélice. En général, s'il y a des contraintes de conception sur le diamètre ou la hauteur de l'hélice, l'augmentation du nombre de pales peut augmenter la quantité de poussée produite. Cependant, la poussée supplémentaire peut venir au coût de l'efficacité de l'hélice, nécessitant la nécessité d'une analyse détaillée.
Le rapport avancé, J, qui est un paramètre pour normaliser la vitesse du courant libre (V)sur le taux d'hélice de rotation (n) et le diamètre (D), est donné par l'équation suivante:
La vitesse d'écoulement en cours libre peut être mesurée à l'aide de l'équation :
où est la densité du courant libre.
Le coefficient de poussée, CT, est une mesure non dimensionnelle de la poussée de l'hélice, T, et est donné par l'équation:
De même, le couple, CQ, et la puissance, CP, coefficients, les mesures non dimensionnelles du couple d'hélice et la puissance de sortie, respectivement, sont donnés par les équations:
où est le couple et P est la puissance fournie au moteur Sans brosse DC pour faire fonctionner l'hélice. La puissance, P, peut être calculée comme le produit de la tension, V, et le courant, I:
Enfin, l'efficacité de l'hélice peut être exprimée comme :
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Procedure
1. Mesurer les caractéristiques de l'hélice dans une soufflerie subsonique
- Installez la plate-forme d'essai de l'hélice dans la soufflerie subsonique à l'aide d'une monture à 4 axes, comme le montre la figure 3. Une soufflerie avec une section d'essai de 2,6 pi x 3,7 pi et un réglage de pression dynamique maximale de 25 psf a été utilisée dans cette démonstration.
Figure 3. Plate-forme d'hélice. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
- Fixez une cellule de charge à 6 axes à la plate-forme. Ceci sera utilisé pour mesurer la poussée et le couple.
- Fixez un moteur DC sans brosse sur la plate-forme, puis attachez la première hélice.
- Connectez le moteur DC au contrôleur de vitesse électronique et au générateur de signal modulé à largeur pulsée, qui contrôle la vitesse du moteur.
- Connectez un analyseur de puissance, qui mesurera le courant et la tension fournis au moteur, et le connectera à une batterie de polymère de lithium.
- Utilisez un niveau d'esprit pour vous assurer que la configuration à hélice de piqûre est alignée dans la direction du flux avec zéro pas et zéro lacet.
- Sécurisez les portes du tunnel-souffle et allumez la puissance principale.
- Allumez la soufflerie, puis allumez le générateur de signal et le système d'acquisition de données de cellules de charge.
- Zéro les forces sur la cellule de charge à l'aide d'un logiciel d'instrument virtuel.
- Définir le générateur de signal pour faire fonctionner le moteur à 10% de la manette des gaz.
- Commencez à enregistrer une lecture à zéro avec la soufflerie éteinte. Enregistrez la vitesse suivante :
a. Caractéristiques de l'hélice - nombre de pales, diamètre de l'hélice (dans), et hauteur de l'hélice (dans).
b. Vitesse (en pourcentage de la manette des gaz) basée sur la configuration du générateur de signal.
c. Pression dynamique (psf) du transducteur de soufflerie.
d. Tension (V) et courant (A) fourni au moteur BLDC à partir de l'analyseur de puissance.
e. Poussée (lb) et couple (en lb) de la cellule de charge.
f. Propeller RPM (rotations par minute). Notez que la lecture RPM ne peut être extraite qu'à la fin de l'expérience. - Allumez la soufflerie et variez la pression dynamique de 0 psf à 10 psf en étapes de 0,5 psf.
- À chaque réglage, permettre à la soufflerie de se stabiliser, puis enregistrer les mêmes données que énumérées ci-dessus.
- Continuer à augmenter le réglage de pression dynamique par incréments de 0,5 psf jusqu'à un réglage de pression dynamique à laquelle la poussée et le couple deviennent négatifs. Enregistrez toutes les données à chaque incrément.
- Remettre la pression dynamique du tunnel à zéro et éteindre la soufflerie
- Fixez la vitesse du moteur à 50 % de la manette des gaz et répétez les étapes 1,11 à 1,15.
- Fixez la vitesse du moteur à 100% de la manette des gaz et répétez les étapes 1.11 - 1.15.
- Répétez la procédure ci-dessus pour toutes les hélices, en veillant à tester des vitesses de 10%, 50% et 100% étrangler jusqu'à une pression dynamique où la poussée et le couple deviennent négatifs.
- Lorsque tous les tests sont terminés, branchez le contrôleur de vitesse électronique à la trousse de programmation, enregistrez toutes les données rPM de l'hélice.
- Arrêtez tous les systèmes.
Tableau 1. Hélices testées.
| Propeller Diameter x Pitch (entre) | - de Lames | tissu |
| 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 | bois |
| 18 x 8 | 4 | bois |
Notez que les hélices à pas fixe utilisées dans cette étude sont définies par leur diamètre et leur hauteur en pouces. Par exemple, une hélice de 18 x 8 est une hélice de 18 de diamètre avec une hauteur géométrique de 8 po.
Les hélices sont largement utilisées dans de nombreux types d'aéronefs pour la propulsion et la génération de poussée, et doivent donc être soigneusement conçues et caractérisées. Une hélice est essentiellement un aéroglisseur tordu, où l'angle du cordon change radialement. Une des caractéristiques déterminantes de l'hélice est la hauteur, ou sa torsion.
Le pas de l'hélice est généralement donné en unités de longueur et est la distance théorique de l'hélice se déplacera dans les airs en une seule révolution. Cependant, en raison de la force de traînée sur l'avion et l'hélice, l'hélice ne parcourt jamais sa distance théorique. La distance réelle parcourue est appelée la hauteur efficace de l'hélice. La différence entre la hauteur théorique et la hauteur efficace est appelée le glissement de l'hélice.
En décrivant les hélices, nous parlons également de poussée, de couple et de puissance, qui se caractérisent par leurs coefficients dimensionnels respectifs. Ici, T est poussée, tau est couple, P est l'alimentation du moteur, rho est la densité du courant libre, n est le taux de rotation de l'hélice, et D est le diamètre de l'hélice. Fait important, nous définissons également l'efficacité d'une hélice. Ceci est calculé à l'aide des coefficients de couple et de poussée ainsi que du rapport avancé J, qui normalise la vitesse du courant libre à la rotation et au diamètre de l'hélice. En utilisant ces valeurs sans dimension, nous pouvons déterminer comment une hélice fonctionne dans des conditions différentes.
Dans le régime de l'hélice, l'hélice produit une poussée et un couple positifs. Le régime de frein à air commence lorsque la poussée devient négative, tandis que le couple reste positif. Dans ce régime, l'hélice ralentit le système plutôt que de fournir un mouvement positif vers l'avant. Lorsque la poussée et le couple descendent tous les deux en dessous de zéro, l'hélice est dans le régime du moulin à vent. Ici, le flux d'air contrôle l'hélice, car il produit des forces sur l'hélice que le moteur conduisant l'hélice ne peut pas surmonter.
Il est important de noter qu'au-delà du régime de l'hélice, le calcul de l'efficacité de l'hélice n'a aucun sens. Il est toujours souhaitable d'utiliser l'hélice dans le régime d'hélice à haute efficacité pour une vitesse d'air donnée et RPM. Pour les hélices à pas fixe, cela peut être difficile car les hélices à pas fixe sont conçues pour une condition de fonctionnement optimale et sont généralement plus efficaces dans des conditions de croisière et inefficaces au décollage et à l'atterrissage.
Une façon d'améliorer le fonctionnement, surtout s'il n'y a pas de contraintes sur le diamètre ou la hauteur de l'hélice, est d'augmenter le nombre de pales. Cela peut augmenter la quantité de poussée. Cependant, il vient au coût de l'efficacité inférieure d'hélice. Dans cette expérience, nous caractériserons plusieurs hélices différentes et déterminerons l'effet de la hauteur, du diamètre et du nombre de pales sur les performances.
Dans cette expérience, nous examinerons les caractéristiques de l'hélice dans une soufflerie subsonique à l'aide d'une série de cinq APC et de deux hélices en bois de diamètre, de hauteur et de nombre de pales variables.
Pour commencer, installez la plate-forme d'essai de l'hélice à l'intérieur de la soufflerie à l'aide d'une monture à quatre axes pour retenir les composants de la plate-forme d'essai de l'hélice. Une cellule de charge à six axes est utilisée pour mesurer la poussée et le couple. Fixez la cellule de charge à la plate-forme, fixez le moteur Sans brosse DC, qui alimente l'hélice, puis attachez la première hélice.
Maintenant, connectez le moteur Sans brosse DC au contrôleur de vitesse électronique et au générateur de signal modulé à largeur d'impulsion, qui contrôle la vitesse du moteur. En outre, connectez le moteur à un analyseur de puissance pour mesurer la tension et le courant fournis. Connectez-le et le moteur Sans brosse DC à une batterie de polymère au lithium.
Une fois que la configuration est complètement assemblée, utilisez un niveau d'esprit pour vous assurer que la configuration de l'hélice de piqûre est alignée dans la direction du flux d'air sans aucun pas ou lacet. Puis fixer les portes de la soufflerie, allumer la puissance principale, et allumer la soufflerie. Ensuite, allumez le générateur de signal et le système d'acquisition de données de cellules de charge.
Avant de commencer les essais, enregistrez les caractéristiques de l'hélice dans votre feuille de calcul, y compris le nombre de pales d'hélice, le diamètre et la hauteur. Maintenant, zéro les forces sur la cellule de charge en utilisant le logiciel d'acquisition de données sur l'ordinateur de soufflerie. Ensuite, placez le générateur de signal pour faire fonctionner le moteur à 10% de gaz.
Commencez par enregistrer une lecture zéro avec la soufflerie éteinte. Enregistrez la vitesse en pourcentage de la manette des gaz et la pression dynamique du transducteur de soufflerie. En outre, enregistrez la tension et le courant fournis au moteur à partir de l'analyseur de puissance, et la poussée et le couple mesurés par la cellule de charge.
Maintenant, allumez la soufflerie et augmentez la pression dynamique à 0,5 psf. Laissez le temps à la soufflerie de se stabiliser, puis enregistrez toutes les données. Continuer à augmenter le réglage de pression dynamique par incréments de 0,5 psf jusqu'à un réglage de pression dynamique à laquelle la poussée et le couple deviennent négatifs.
Enregistrez toutes les données à chaque incrément. Une fois que les mesures de poussée et de couple sont négatives, remettre la pression dynamique à zéro et éteindre la soufflerie. Ensuite, augmentez la vitesse du moteur à 50% de la manette des gaz à l'aide du générateur de signal. Prenez la mesure zéro, l'enregistrement de toutes les données avec la soufflerie hors tension. Ensuite, allumez la soufflerie et placez la lecture de pression dynamique à 0,5 psf. Enregistrez ensuite toutes les données.
Répétez les mesures comme avant par incréments de 0. 5 psf jusqu'à une lecture de pression dynamique où le couple et la poussée deviennent négatifs. Ensuite, remettre la pression dynamique à zéro, éteindre la soufflerie, et augmenter la vitesse de l'hélice à 100% de la manette des gaz. Enregistrez la mesure zéro avec la soufflerie éteinte, puis répétez les essais à nouveau jusqu'à une pression dynamique où le couple et la poussée deviennent négatifs.
Répétez ces essais pour toutes les hélices, en veillant à tester des vitesses de 10 %, 50 % et des gaz à 100 % pour chaque hélice jusqu'à une pression dynamique où la poussée et le couple deviennent négatifs. À la fin de tous les essais, branchez le contrôleur de vitesse électronique dans la trousse de programmation et enregistrez toutes les données du RPM de l'hélice. Puis arrêtez tous les systèmes.
Pour évaluer les résultats de l'expérience, nous calculerons d'abord le coefficient de poussée, le CT, en utilisant la poussée de l'hélice, le taux de rotation, le diamètre et la densité du courant libre. Nous pouvons également calculer les coefficients de couple et de puissance, CQ et CP, respectivement. Rappelons que le tau est un couple d'hélice et que Le P est la puissance fournie au moteur DC et qu'il est calculé comme le produit de la tension et du courant.
Enfin, nous pouvons calculer le rapport avancé J, afin de normaliser la vitesse du courant libre au taux d'hélice de rotation et de diamètre. Le taux de rotation est les rotations par minute qui ont été enregistrées pendant l'expérience, divisées par 60. La vitesse du courant libre est calculée à l'aide de la pression dynamique que nous avons contrôlée dans la soufflerie. Ensuite, l'efficacité de l'hélice peut être calculée.
Maintenant, nous allons tracer les trois coefficients et l'efficacité par rapport au rapport avancé, J, pour l'une des hélices. Ici, nous montrons des données pour une hélice à deux lames, 18 po de diamètre et 8 po. L'hélice produit une poussée positive jusqu'à un rapport avancé de 0,6, où elle passe ensuite à la région de frein à air. La région de frein à air commence lorsque la poussée devient négative, tandis que le couple reste positif. Dans cette région, l'hélice ralentit le système.
Après un rapport avancé de 0,85, l'hélice produit un couple négatif et se comporte comme un moulin à vent. Ici, le flux d'air produit des forces sur l'hélice que le moteur conduisant l'hélice ne peut pas surmonter. Notez que l'efficacité de l'hélice est la plus élevée à J égale 0,4 et n'a aucun sens au-delà de la région de l'hélice.
Maintenant, nous allons jeter un oeil à différents diamètre shélie, tout en gardant le nombre de pales et de hauteur de l'hélice constante. Nous pouvons voir que le changement de diamètre a un effet négligeable sur l'efficacité. Cependant, les trois coefficients augmentent légèrement avec la diminution du diamètre de l'hélice.
Ensuite, nous comparerons l'effet de la hauteur variée de l'hélice, tout en maintenant le diamètre constant de l'hélice et le nombre de pales. Nous voyons que, en général, une hélice à hauteur de tangage produit plus de poussée, de couple et de puissance pour un rapport avancé donné par rapport à une hélice à faible pas. L'augmentation de la hauteur de l'hélice augmente également la portée de la région de l'hélice. Nous voyons que l'efficacité maximale de fonctionnement se produit à un rapport avancé plus élevé à mesure que la hauteur de l'hélice augmente.
Enfin, nous allons comparer l'effet du nombre de lames, tout en maintenant le diamètre et la hauteur constante de l'hélice. Nous pouvons voir que le doublement du nombre de lames conduit à une quantité significativement plus élevée de poussée et de couple. Bien que l'étendue de la région de l'hélice soit similaire, l'hélice à quatre pales commence à se comporter comme un moulin à vent à un rapport avancé plus élevé par rapport à l'hélice à deux pales. On peut également observer que l'hélice à deux pales est légèrement plus efficace que son homologue à quatre pales.
En résumé, nous avons pris connaissance des différents régimes d'exploitation des hélices et de la façon dont la hauteur affecte l'efficacité des hélices. Nous avons ensuite caractérisé 7 hélices dans une soufflerie subsonique pour analyser les effets de la hauteur, du diamètre et du nombre de pales sur les performances de l'hélice.
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Results
Une densité de courant libre, :0,074 lb/pi3, a été utilisée pour déterminer les résultats. La variation des coefficients de poussée, de couple, de puissance et d'efficacité de l'hélice pour l'hélice à deux pales 18 x 8 est indiquée dans la figure 4. Les régions de l'hélice, du frein à air et du moulin à vent sont délimitées. L'hélice à deux pales, 18 x 8, produit une poussée positive jusqu'à un rapport avancé de 0,6 après quoi elle passe à la région de frein à air jusqu'à J 
0,85. À ce moment-là, l'hélice commence à produire un couple négatif et se comporte comme un moulin à vent. L'hélice atteint sa plus grande efficacité à J 0,4.
Figure 4. Caractéristiques d'une hélice à deux lames, 18 x 8.
Les figures 5-7 comparent les comportements CT, CQ, CP, et les comportements pour les hélices avec des variations de diamètre, de hauteur et de nombre de pales, respectivement. Comme le montre la figure 5, le diamètre de l'hélice variable tout en gardant le nombre de pales et la hauteur de l'hélice une constante a eu un effet négligeable sur l'efficacité de l'hélice, . Cependant, le CT, CQ, et CP pour un rapport avancé donné, J, a légèrement augmenté avec le diamètre de l'hélice décroissante.
Figure 5. Comparaison des caractéristiques des hélices de diamètre variable. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
La variation de la hauteur de l'hélice a eu une incidence importante sur tous les paramètres, comme le montre la figure 6. En général, une hélice à hauteur élevée produit plus de poussée, de couple et de puissance pour un rapport avancé donné par rapport à une hélice à faible pas. L'augmentation de la hauteur de l'hélice a également augmenté la portée de la région de l'hélice, c'est-à-dire la grande région de poussée positive et de couple. Enfin, l'efficacité maximale de fonctionnement s'est produite à un ratio avancé plus élevé à mesure que la hauteur de l'hélice augmentait.
Figure 6. Comparaison des caractéristiques des hélices dont la hauteur varie. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
La figure 7 montre que le doublement du nombre de lames entraîne une poussée et un couple beaucoup plus élevés. Bien que la région de l'hélice soit similaire, l'hélice à quatre pales commence à se comporter comme un moulin à vent à un rapport avancé plus élevé par rapport à l'hélice à deux pales. De plus, l'hélice à deux pales est légèrement plus efficace que son homologue à quatre pales.
Figure 7. Comparaison des caractéristiques des hélices dont le nombre de pales varie. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
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Applications and Summary
Les hélices sont utilisées pour alimenter les petits avions et fournir une méthode simple pour fournir la poussée. Ils peuvent être fixés à un moteur électrique ou de réciproculage, où ils convertissent la vitesse de rotation en poussée pour la propulsion. Dans cette démonstration, sept hélices avec la hauteur, le diamètre, et le nombre variables de pales ont été caractérisés utilisant une plate-forme d'essai d'hélice montée dans une soufflerie subsonique. Pour chaque hélice, les régions d'action de l'hélice, du frein à air et du moulin à vent ont été identifiées. Une étude paramétrique menée pour étudier les effets du diamètre de l'hélice a montré une légère diminution de la poussée et du couple avec un diamètre décroissant. Cependant, la hauteur de l'hélice a un effet significatif sur les caractéristiques de poussée et de couple avec des hélices à hauteur de tangage ayant un net avantage. En outre, l'étendue de la région de l'hélice diminue avec la hauteur décroissante. Enfin, l'augmentation du nombre de pales augmente la poussée, le couple et la puissance avec une légère diminution de l'efficacité de l'hélice.
La sélection du système de propulsion approprié (combinaison moteur/moteur-hélice) pour les aéronefs ou les motomarines est nécessaire pour atteindre un véhicule aérien ou aquatique performant et efficace. Des données détaillées sur les caractéristiques de l'hélice fournissent aux ingénieurs un moyen précis d'évaluer les paramètres de performance en vol à toutes les vitesses de fonctionnement de l'avion ou de la motomarine afin de déterminer correctement le système de propulsion optimal.
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