Overview
Fonte: Shreyas Narsipur, Ingegneria meccanica e aerospaziale, North Carolina State University, Raleigh, NC
Un'elica è un profilo alare attorcigliato, in cui l'angolo della corda cambia rispetto alla posizione, lungo la stazione radiale, come mostrato nella Figura 1. Le eliche sono ampiamente utilizzate nei sistemi di propulsione di aeromobili e moto d'acqua, rendendo quindi necessarie caratterizzazioni dettagliate delle eliche per progettare veicoli ad alte prestazioni.
Figura 1. Accordo, spessore e passo in una stazione radiale.
Una delle caratteristiche distintive di un'elica è il beccheggio/ torsione. Il passo dell'elica, generalmente dato in unità di lunghezza, è la distanza teorica che l'elica percorrerà attraverso l'aria in un singolo giro. Tuttavia, a causa della forza di trascinamento sull'aereo e sull'elica, l'elica non percorre mai la sua distanza teorica. La distanza effettiva percorsa è indicata come passo effettivo dell'elica e la differenza tra il passo teorico o geometrico e il passo effettivo è indicata come slittamento dell'elica, come illustrato nella Figura 2.
Figura 2. Rappresentazione di pitch e slip.
In questa dimostrazione, sette eliche sono caratterizzate utilizzando un banco di prova dell'elica in una galleria del vento subsonica. Questo è seguito da uno studio parametrico dettagliato per analizzare gli effetti delle variazioni di passo, diametro e numero di pale sulle prestazioni dell'elica.
Principles
Esistono due tipi di eliche principali: passo fisso e passo variabile. Le eliche a passo fisso sono progettate per una condizione operativa ottimale e sono efficienti; hanno un elevato rapporto potenza/potenza in ingresso per una data velocità dell'aria e RPM, che nella maggior parte dei casi sono le condizioni di crociera dell'aeromobile. Tuttavia, durante il decollo e l'atterraggio, quando il numero di giri e le velocità dell'aria sono inferiori, l'elica a passo fisso è altamente inefficiente. Le pale dell'elica a passo variabile offrono una soluzione al problema del passo fisso consentendo al pilota di modificare il passo dell'elica per massimizzare l'efficienza dell'elica per qualsiasi condizione operativa. È per questo motivo che negli aerei ad elica più grandi, dove l'efficienza del carburante è un fattore dominante, le eliche a passo variabile vengono utilizzate per massimizzare l'efficienza.
Rapporto avanzato, coefficiente di spinta, coefficiente di coppia, coefficiente di potenza ed efficienza dell'elica sono importanti parametri non dimensionali necessari per caratterizzare un'elica. Sulla base di questi parametri, è possibile identificare i regimi dell'elica, del freno ad aria e del mulino a vento, che sono i diversi regimi operativi di un'elica. Nel regime dell'elica, l'elica produce spinta e coppia positive. Il regime del freno pneumatico inizia quando la spinta diventa negativa mentre la coppia rimane positiva. In questo regime, l'elica rallenta il sistema. Infine, quando sia la spinta che la coppia scendono sotto lo zero, l'elica è nel regime del mulino a vento. Qui, il flusso d'aria controlla l'elica in quanto produce forze sull'elica di cui il motore / motore che aziona l'elica non può superare. L'efficienza dell'elica è priva di significato oltre la regione dell'elica.
È sempre auspicabile azionare l'elica nel regime dell'elica ad alta efficienza per una determinata velocità dell'aria e RPM. Come accennato in precedenza, le eliche a passo fisso sono generalmente progettate per operare alla loro massima efficienza durante il volo di crociera e, sebbene possano operare a velocità inferiori, come durante il decollo e l'atterraggio, l'efficienza è molto bassa. Le eliche a passo variabile possono essere regolate per ottenere le massime efficienze possibili nel regime dell'elica a seconda del regime di volo (decollo, crociera o atterraggio), massimizzando così l'efficienza del carburante dell'aeromobile.
Oltre al passo dell'elica, il numero di pale dell'elica svolge un ruolo importante nell'impostazione della spinta disponibile dall'elica. Generalmente, se ci sono vincoli di progettazione sul diametro o sul passo dell'elica, aumentare il numero di pale può aumentare la quantità di spinta prodotta. Tuttavia, la spinta extra può venire a scapito dell'efficienza dell'elica, rendendo necessaria un'analisi dettagliata.
Il rapporto avanzato, J, che è un parametro per normalizzare la velocità del flusso libero (V∞) sulla velocità di rotazione dell'elica (n) e il diametro (D), è dato dalla seguente equazione:
La velocità del flusso a flusso libero può essere misurata usando l'equazione:
dove ρ è la densità del flusso libero.
Il coefficiente di spinta, CT, è una misura non dimensionale della spinta dell'elica, T, ed è dato dall'equazione:
Allo stesso modo, la coppia, CQ, e la potenza, CP, coefficienti, le misure non dimensionali della coppia dell'elica e la potenza di uscita, rispettivamente, sono date dalle equazioni:
dove τ è la coppia e P è la potenza fornita al motore DC brushless per far funzionare l'elica. La potenza, P, può essere calcolata come il prodotto di tensione, Ve corrente, I:
Infine, l'efficienza dell'elica può essere espressa come:
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Procedure
1. Misurazione delle caratteristiche dell'elica in una galleria del vento subsonica
- Impostare il banco di prova dell'elica nella galleria del vento subsonica utilizzando un supporto a 4 assi, come mostrato nella Figura 3. In questa dimostrazione è stata utilizzata una galleria del vento con una sezione di prova di 2,6 piedi x 3,7 piedi e un'impostazione della pressione dinamica massima di 25 psf.
Figura 3. Rig ad elica. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
- Collegare una cella di carico a 6 assi al carro. Questo sarà usato per misurare la spinta e la coppia.
- Fissare un motore DC brushless al carro, quindi collegare la prima elica.
- Collegare il motore CC al regolatore elettronico di velocità e al generatore di segnali modulati a larghezza pulsata, che controlla la velocità del motore.
- Collegare un analizzatore di potenza, che misurerà la corrente e la tensione fornite al motore, e collegarlo a una batteria ai polimeri di litio.
- Utilizzare un livello di spirito per garantire che la configurazione dell'elica pungente sia allineata nella direzione del flusso con passo zero e imbardata zero.
- Fissare le porte della galleria del vento e accendere l'alimentazione principale.
- Accendere la galleria del vento, quindi accendere il generatore di segnale e il sistema di acquisizione dati della cella di carico.
- Azzerare le forze sulla cella di carico utilizzando il software dello strumento virtuale.
- Impostare il generatore di segnale per far funzionare il motore con l'acceleratore al 10%.
- Inizia a registrare una lettura zero con la galleria del vento spenta. Registrare la velocità seguenti dati:
un. Caratteristiche dell'elica: numero di pale, diametro dell'elica (in) e passo dell'elica (in).
b. Velocità (in termini di percentuale di acceleratore) in base alla configurazione del generatore di segnale.
c. Pressione dinamica (psf) dal trasduttore della galleria del vento.
d. Tensione (V) e corrente (A) fornite al motore BLDC dall'analizzatore di potenza.
e. Spinta (lb) e coppia (in-lb) dalla cella di carico.
f. RPM dell'elica (rotazioni al minuto). Si noti che la lettura RPM può essere estratta solo alla fine dell'esperimento. - Accendere la galleria del vento e variare la pressione dinamica da 0 psf a 10 psf a passi di 0,5 psf.
- Ad ogni impostazione, consenti alla galleria del vento di stabilizzarsi, quindi registra gli stessi dati sopra elencati.
- Continuare ad aumentare l'impostazione della pressione dinamica con incrementi di 0,5 psf fino a un'impostazione dinamica della pressione a cui la spinta e la coppia diventano negative. Registrare tutti i dati ad ogni incremento.
- Ripristina la pressione dinamica del tunnel a zero e spegni la galleria del vento
- Impostare la velocità del motore su 50% dell'acceleratore e ripetere i passaggi 1.11 - 1.15.
- Impostare la velocità del motore su 100% dell'acceleratore e ripetere i passaggi 1.11 - 1.15.
- Ripetere la procedura di cui sopra per tutte le eliche, assicurandosi di testare velocità del 10%, 50% e 100% dell'acceleratore fino a una pressione dinamica in cui spinta e coppia diventano negative.
- Quando tutti i test sono stati completati, collegare il regolatore di velocità elettronico al kit di programmazione, registrare tutti i dati RPM dell'elica.
- Arrestare tutti i sistemi.
Tabella 1. Eliche testate.
| Diametro elica x Passo (in) | # di Lame | Materiale |
| 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 | Legno |
| 18 x 8 | 4 | Legno |
Si noti che le eliche a passo fisso utilizzate in questo studio sono definite dal loro diametro e dal passo in pollici. Ad esempio, un'elica 18 x 8 è un'elica di 18 di diametro con un passo geometrico di 8 pollici.
Le eliche sono ampiamente utilizzate in molti diversi tipi di velivoli per la propulsione e la generazione di spinta, e devono quindi essere attentamente progettate e caratterizzate. Un'elica è essenzialmente un profilo alare attorcigliato, in cui l'angolo del cavo cambia radialmente. Una delle caratteristiche distintive dell'elica è il passo, o la sua torsione.
Il passo dell'elica è generalmente dato in unità di lunghezza ed è la distanza teorica che l'elica percorrerà attraverso l'aria in un singolo giro. Tuttavia, a causa della forza di trascinamento sull'aereo e sull'elica, l'elica non percorre mai la sua distanza teorica. La distanza effettiva percorsa è chiamata passo effettivo dell'elica. La differenza tra il passo teorico e il passo effettivo è chiamato slittamento dell'elica.
Quando descriviamo le eliche, parliamo anche di spinta, coppia e potenza, che sono caratterizzate dai rispettivi coefficienti adimensionale. Qui, T è spinta, tau è coppia, P è l'alimentazione del motore, rho è la densità del flusso libero, n è la velocità di rotazione dell'elica e D è il diametro dell'elica. È importante sottolineare che definiamo anche l'efficienza di un'elica. Questo viene calcolato utilizzando i coefficienti di coppia e spinta insieme al rapporto avanzato J, che normalizza la velocità del flusso libero alla rotazione e al diametro dell'elica. Utilizzando questi valori adimensionati, possiamo determinare come un'elica funziona in condizioni diverse.
Nel regime dell'elica, l'elica produce spinta e coppia positive. Il regime del freno pneumatico inizia quando la spinta diventa negativa, mentre la coppia rimane positiva. In questo regime, l'elica rallenta il sistema piuttosto che fornire un movimento positivo in avanti. Quando la spinta e la coppia scendono entrambe sotto lo zero, l'elica è nel regime del mulino a vento. Qui, il flusso d'aria controlla l'elica, in quanto produce forze sull'elica che il motore che aziona l'elica non può superare.
È importante notare che al di là del regime dell'elica, il calcolo dell'efficienza dell'elica non ha senso. È sempre auspicabile azionare l'elica nel regime dell'elica ad alta efficienza per una data velocità dell'aria e RPM. Per le eliche a passo fisso, questo può essere difficile in quanto le eliche a passo fisso sono progettate per una condizione operativa ottimale e di solito sono più efficienti in condizioni di crociera e inefficienti nel decollo e nell'atterraggio.
Un modo per migliorare il funzionamento, soprattutto se non ci sono vincoli sul diametro o sul passo dell'elica, è aumentare il numero di pale. Questo può aumentare la quantità di spinta. Tuttavia, ha il costo di una minore efficienza dell'elica. In questo esperimento, caratterizzeremo diverse eliche e determineremo l'effetto di passo, diametro e numero di pale sulle prestazioni.
In questo esperimento, esamineremo le caratteristiche dell'elica in una galleria del vento subsonica utilizzando una serie di cinque ELICHE APC e due eliche di legno con diametro, passo e numero di pale variabili.
Per iniziare, impostare il banco di prova dell'elica all'interno della galleria del vento utilizzando un supporto a pungiglione a quattro assi per contenere i componenti del banco di prova dell'elica. Una cella di carico a sei assi viene utilizzata per misurare la spinta e la coppia. Collegare la cella di carico al carro, fissare il motore DC brushless, che alimenta l'elica, quindi collegare la prima elica.
Ora, collega il motore DC brushless al regolatore elettronico di velocità e al generatore di segnali modulati a larghezza di impulso, che controlla la velocità del motore. Inoltre, collegare il motore a un analizzatore di potenza per misurare la tensione e la corrente fornite. Quindi collegarlo e il motore DC brushless a una batteria ai polimeri di litio.
Una volta che la configurazione è completamente assemblata, utilizzare un livello di spirito per garantire che la configurazione dell'elica di pungiglione sia allineata nella direzione del flusso d'aria senza alcun passo o imbardata. Quindi fissare le porte della galleria del vento, accendere l'alimentazione principale e accendere la galleria del vento. Quindi, accendere il generatore di segnale e il sistema di acquisizione dati della cella di carico.
Prima di iniziare i test, registrare le caratteristiche dell'elica nel foglio di calcolo, incluso il numero di pale dell'elica, il diametro e il passo. Ora, azzerare le forze sulla cella di carico utilizzando il software di acquisizione dati sul computer della galleria del vento. Quindi, impostare il generatore di segnali per far funzionare il motore al 10% dell'acceleratore.
Inizia registrando una lettura zero con la galleria del vento spenta. Registra la velocità in termini di percentuale di acceleratore e la pressione dinamica dal trasduttore della galleria del vento. Inoltre, registrare la tensione e la corrente fornite al motore dall'analizzatore di potenza e la spinta e la coppia misurate dalla cella di carico.
Ora, accendi la galleria del vento e aumenta la pressione dinamica a 0,5 psf. Lascia il tempo per stabilizzare la galleria del vento, quindi registra tutti i dati. Continuare ad aumentare l'impostazione dinamica della pressione con incrementi di 0,5 psf fino a un'impostazione dinamica della pressione a cui la spinta e la coppia diventano negative.
Registrare tutti i dati ad ogni incremento. Una volta che le misurazioni di spinta e coppia sono negative, riportare la pressione dinamica a zero e spegnere la galleria del vento. Quindi aumentare la velocità del motore al 50% dell'acceleratore utilizzando il generatore di segnali. Prendi la misurazione zero, registrando tutti i dati con la galleria del vento spenta. Quindi accendere la galleria del vento e impostare la lettura dinamica della pressione su 0,5 psf. Quindi registrare tutti i dati.
Ripetere le misurazioni come prima con incrementi di 0. 5 psf fino a una lettura dinamica della pressione in cui coppia e spinta diventano negative. Quindi impostare la pressione dinamica a zero, spegnere la galleria del vento e aumentare la velocità dell'elica al 100% dell'acceleratore. Registrare la misurazione dello zero con la galleria del vento spenta, quindi ripetere nuovamente i test fino a una pressione dinamica in cui coppia e spinta diventano negative.
Ripeti questi test per tutte le eliche, assicurandoti di testare velocità del 10%, 50% e 100% dell'acceleratore per ogni elica fino a una pressione dinamica in cui spinta e coppia diventano negative. Al termine di tutti i test, collegare il regolatore di velocità elettronico al kit di programmazione e registrare tutti i dati RPM dell'elica. Quindi arrestare tutti i sistemi.
Per valutare i risultati dell'esperimento, calcoleremo prima il coefficiente di spinta, CT, usando la spinta dell'elica, la velocità di rotazione, il diametro e la densità del flusso libero. Possiamo anche calcolare i coefficienti di coppia e potenza, rispettivamente CQ e CP. Ricordiamo che tau è la coppia dell'elica e P è la potenza fornita al motore DC ed è calcolata come il prodotto di tensione e corrente.
Infine, possiamo calcolare il rapporto avanzato J, al fine di normalizzare la velocità del flusso libero alla velocità di rotazione e diametro dell'elica. La velocità di rotazione è la rotazione al minuto che è stata registrata durante l'esperimento, divisa per 60. La velocità del flusso libero viene calcolata utilizzando la pressione dinamica, che abbiamo controllato nella galleria del vento. Quindi, è possibile calcolare l'efficienza dell'elica.
Ora, tracciamo i tre coefficienti e l'efficienza rispetto al rapporto avanzato, J, per una delle eliche. Qui, mostriamo i dati per un'elica a due pale, diametro 18 pollici, passo 8 pollici. L'elica produce una spinta positiva fino a un rapporto avanzato di 0,6, dove poi passa alla regione del freno pneumatico. La regione del freno pneumatico inizia quando la spinta diventa negativa, mentre la coppia rimane positiva. In questa regione, l'elica rallenta il sistema.
Dopo un rapporto avanzato di 0,85, l'elica produce una coppia negativa e si comporta come un mulino a vento. Qui, il flusso d'aria produce forze sull'elica che il motore che aziona l'elica non può superare. Si noti che l'efficienza dell'elica è massima a J uguale a 0,4 ed è priva di significato oltre la regione dell'elica.
Ora, diamo un'occhiata al diametro variabile dell'elica, mantenendo costante il numero di pale e il passo dell'elica. Possiamo vedere che la variazione di diametro ha un effetto trascurabile sull'efficienza. Tuttavia, i tre coefficienti aumentano leggermente con la diminuzione del diametro dell'elica.
Successivamente, confronteremo l'effetto del passo vario dell'elica, mantenendo costante il diametro dell'elica e il numero di pale. Vediamo che, in generale, un'elica ad alto passo produce più spinta, coppia e potenza per un dato rapporto avanzato rispetto a un'elica a passo basso. L'aumento del passo dell'elica aumenta anche la portata della regione dell'elica. Vediamo che la massima efficienza operativa si verifica a un rapporto avanzato più elevato all'aumentare del passo dell'elica.
Infine, confronteremo l'effetto del numero di pale, mantenendo costante il diametro e il passo dell'elica. Possiamo vedere che raddoppiare il numero di pale porta a una quantità significativamente più elevata di spinta e coppia. Mentre l'estensione della regione dell'elica è simile, l'elica a quattro pale inizia a comportarsi come un mulino a vento con un rapporto avanzato più elevato rispetto all'elica a due pale. Si può anche osservare che l'elica a due pale è leggermente più efficiente della sua controparte a quattro pale.
In sintesi, abbiamo imparato a conoscere i diversi regimi operativi delle eliche e come il passo influisce sull'efficienza dell'elica. Abbiamo quindi caratterizzato 7 eliche in una galleria del vento subsonica per analizzare gli effetti di passo, diametro e numero di pale sulle prestazioni dell'elica.
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Results
Una densità di flusso libero, ρ: 0,074 lb / ft3, è stata utilizzata per determinare i risultati. La variazione dei coefficienti di spinta, coppia, potenza ed efficienza dell'elica per l'elica a due pale, 18 x 8 nell'elica è mostrata nella Figura 4. Le regioni dell'elica, del freno pneumatico e del mulino a vento sono delimitate. L'elica a due pale, 18 x 8 in elica produce una spinta positiva fino a un rapporto avanzato di 0,6 dopo di che passa alla regione del freno pneumatico fino a J 
0,85. A questo punto e dopo questo punto, l'elica inizia a produrre una coppia negativa e si comporta come un mulino a vento. L'elica raggiunge la sua massima efficienza a J = 0,4.
Figura 4. Caratteristiche di una due pale, 18 x 8 in elica.
Le figure 5-7 confrontano i comportamenti CT, CQ, CPe η per le eliche con variazioni di diametro, passo e numero di pale, rispettivamente. Come mostrato nella Figura 5, la variazione del diametro dell'elica mantenendo costante il numero di pale e il passo dell'elica ha avuto un effetto trascurabile sull'efficienza dell'elica, η. Tuttavia, il CT, CQe CP per un dato rapporto avanzato, J, aumentava leggermente con la diminuzione del diametro dell'elica.
Figura 5. Confronto delle caratteristiche per eliche di diametro variabile. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
La variazione del passo dell'elica ha influenzato in modo significativo tutti i parametri, come mostrato nella Figura 6. In generale, un'elica ad alto passo produce più spinta, coppia e potenza per un dato rapporto avanzato rispetto a un'elica a passo basso. L'aumento del passo dell'elica ha anche aumentato la portata della regione dell'elica, cioè l'ampia regione di spinta positiva e coppia. Infine, la massima efficienza operativa si è verificata con un rapporto avanzato più elevato con l'aumentare del passo dell'elica.
Figura 6. Confronto delle caratteristiche per eliche con passo variabile. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
La figura 7 mostra che raddoppiare il numero di pale porta a una quantità significativamente maggiore di spinta e coppia. Mentre la regione dell'elica è simile, l'elica a quattro pale inizia a comportarsi come un mulino a vento con un rapporto avanzato più elevato rispetto all'elica a due pale. Inoltre, l'elica a due pale è leggermente più efficiente della sua controparte a quattro pale.
Figura 7. Confronto delle caratteristiche delle eliche che variano nel numero di pale. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
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Applications and Summary
Le eliche sono utilizzate per alimentare aerei su piccola scala e forniscono un metodo semplice per fornire spinta. Possono essere collegati a un motore elettrico o alternativo, dove convertono la velocità di rotazione in spinta per la propulsione. In questa dimostrazione, sette eliche con passo, diametro e numero di pale variabili sono state caratterizzate utilizzando un banco di prova dell'elica montato in una galleria del vento subsonica. Per ogni elica, sono state identificate le regioni di funzionamento dell'elica, del freno ad aria e del mulino a vento. Uno studio parametrico condotto per studiare gli effetti del diametro dell'elica ha mostrato una leggera diminuzione della spinta e della coppia con diametro decrescente. Tuttavia, il passo dell'elica ha un effetto significativo sulle caratteristiche di spinta e coppia con eliche ad alto passo che hanno un chiaro vantaggio. Inoltre, l'estensione della regione dell'elica decelera con il passo decrescente. Infine, l'aumento del numero di pale aumenta la spinta, la coppia e la potenza con una leggera diminuzione dell'efficienza dell'elica.
La selezione del sistema di propulsione appropriato (combinazione motore/motore-elica) per aeromobili o moto d'acqua è necessaria per ottenere un veicolo aereo o acquatico efficiente e ad alte prestazioni. I dati dettagliati sulle caratteristiche dell'elica forniscono agli ingegneri un modo accurato per valutare i parametri delle prestazioni di volo su tutte le velocità operative dell'aeromobile / moto d'acqua per determinare correttamente il sistema di propulsione ottimale.
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