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推进器特性:音高、直径和叶片数在性能上的变化
 

推进器特性:音高、直径和叶片数在性能上的变化

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推进器广泛用于许多不同类型的飞机,用于推进和产生推力,因此必须经过精心设计和定性。螺旋桨本质上是一个扭曲的翼,其中线的角度径向变化。螺旋桨的决定性特征之一是音高,或其扭曲。

螺旋桨的螺距通常以长度单位表示,是螺旋桨在一次旋转中通过空气的理论距离。然而,由于飞机和螺旋桨的阻力,螺旋桨从未在理论上飞行。实际行驶距离称为螺旋桨的有效螺距。理论螺距与有效螺距的区别称为螺旋桨的滑动。

在描述螺旋桨时,我们还讨论推力、扭矩和功率,它们的特点是各自的无尺寸系数。在这里,T是推力,tau是扭矩,P是电机的电源,罗是自由流密度,n是螺旋桨的旋转速率,D是螺旋桨的直径。重要的是,我们还定义了螺旋桨的效率。这是使用扭矩和推力系数以及高级比 J 进行计算的,后者将自由流速度与螺旋桨的旋转和直径规范化。使用这些无尺寸值,我们可以确定螺旋桨在不同条件下的运行方式。

在螺旋桨系统中,螺旋桨产生正推力和扭矩。当推力变为负时,空气制动系统启动,而扭矩仍为正。在这个制度下,螺旋桨减慢系统的速度,而不是提供积极的前进运动。当推力和扭矩都降至零以下时,螺旋桨处于风车系统。在这里,气流控制螺旋桨,因为它产生力的螺旋桨,驱动螺旋桨的电机无法克服。

需要注意的是,除了螺旋桨系统之外,螺旋桨效率的计算是毫无意义的。在高效率螺旋桨系统中,对于给定的空气速度和转速,始终需要操作螺旋桨。对于固定螺距螺旋桨,这可能很难,因为固定螺距螺旋桨设计为一种最佳操作条件,通常在巡航条件下效率最高,在起飞和着陆时效率低。

改进操作的一种方法是增加叶片数量,尤其是在螺旋桨的直径或螺距没有限制的情况下。这会增加推力。然而,它的代价是螺旋桨效率降低。在本实验中,我们将描述几个不同的螺旋桨,并确定螺距、直径和叶片数量对性能的影响。

在本实验中,我们将使用五个 APC 系列和两个直径、螺距和叶片数量不同的木材螺旋桨来检查亚音速风洞中的螺旋桨特性。

首先,使用四轴刺装在风洞内设置螺旋桨测试台,以容纳螺旋桨测试装置部件。六轴称重传感器用于测量推力和扭矩。将称重传感器连接到钻机上,固定无刷直流电机,该电机为螺旋桨提供动力,然后连接第一个螺旋桨。

现在,将无刷直流电机连接到电子速度控制器和脉冲宽度调制信号发生器,控制电机的速度。此外,将电机连接到功率分析仪以测量提供的电压和电流。然后将其和无刷直流电机连接到锂聚合物电池。

一旦设置完全组装,使用精神水平,以确保刺螺旋桨设置对齐气流的方向,没有任何俯仰或偏航。然后固定风洞门,打开主电源,然后打开风洞。然后,打开信号发生器和称重传感器数据采集系统。

在开始测试之前,在电子表格中记录螺旋桨特性,包括螺旋桨叶片的数量、直径和间距。现在,使用风洞计算机上的数据采集软件将称重传感器上的力归零。然后,设置信号发生器以 10% 油门运行电机。

首先,在风洞关闭时记录零读数。记录油门百分比和风洞传感器的动态压力的速度。此外,记录从功率分析仪提供给电机的电压和电流,以及称重传感器测量的推力和扭矩。

现在,打开风洞,将动态压力增加到0.5 psf。让风洞有时间稳定下来,然后记录所有数据。继续以 0.5 psf 的增量增加动态压力设置,以增强推力和扭矩变为负的动态压力设置。

以每个增量记录所有数据。一旦推力和扭矩的测量值为负,将动态压力设定为零并关闭风洞。然后使用信号发生器将电机转速提高到 50% 节气门。进行零测量,在风洞关闭时记录所有数据。然后在风洞上打开,并将动态压力读数设置为 0.5 psf。然后记录所有数据。

以 0 的增量重复测量值。5 psf 至动态压力读数,扭矩和推力变为负数。然后将动态压力设定为零,关闭风洞,并将螺旋桨速度提高到 100% 油门。在风洞关闭后记录零测量值,然后再次重复测试,达到扭矩和推力变为负的动态压力。

对所有螺旋桨重复这些测试,确保测试每个螺旋桨的 10%、50% 和 100% 油门的速度,以及推力和扭矩变为负的动态压力。完成所有测试后,将电子速度控制器插入编程套件并记录所有螺旋桨转速数据。然后关闭所有系统。

为了评价实验结果,我们将首先使用螺旋桨推力、旋转速率、直径和自由流密度计算推力系数、CT。我们还可以分别计算扭矩和功率系数,CQ和CP。回想一下,tau 是螺旋桨扭矩,P 是提供给直流电机的电源,计算为电压和电流的积。

最后,可以计算出高级比J,使自由流速度与螺旋桨的旋转率和直径标准化。旋转速率是实验期间记录的每分钟旋转数除以 60。自由流速度是利用风洞中控制的动态压力计算的。然后,可以计算出螺旋桨效率。

现在,让我们绘制一个螺旋桨的三个系数和效率与高级比率 J。在这里,我们展示一个双叶片,18in直径,8in螺距螺旋桨的数据。螺旋桨产生正推力,达到0.6的先进比,然后过渡到空气制动区域。当推力变为负时,空气制动区域开始,而扭矩仍为正。在这个区域,螺旋桨使系统变慢。

在 0.85 的先进比后,螺旋桨产生负扭矩,并且像风车一样工作。在这里,气流产生力的螺旋桨,驱动螺旋桨的电机无法克服。请注意,螺旋桨效率最高,J 等于 0.4,在螺旋桨区域之外没有意义。

现在,让我们来看看不同的螺旋桨直径,同时保持叶片和螺旋桨间距的数量恒定。我们可以看到,直径的变化对效率的影响可以忽略不计。然而,随着螺旋桨直径的减小,三个系数略有增加。

接下来,我们将比较各种螺旋桨间距的影响,同时保持恒定的螺旋桨直径和叶片数量。我们看到,一般来说,与低螺距螺旋桨相比,高螺距螺旋桨在给定的先进比下产生更多的推力、扭矩和功率。增加螺旋桨间距也增加了螺旋桨区域的范围。我们看到,随着螺旋桨螺距的增加,最高运行效率以更高的先进比率出现。

最后,我们将比较叶片数的影响,同时保持恒定的螺旋桨直径和螺距。我们可以看到,刀片数量翻倍会导致推力和扭矩明显增加。虽然螺旋桨区域的范围相似,但与双叶片螺旋桨相比,四叶片螺旋桨开始以更高的先进比例开始像风车一样工作。还可以看到,双叶片螺旋桨的效率略高于其四叶片螺旋桨。

总之,我们了解了螺旋桨的不同运行制度,以及螺距如何影响螺旋桨的效率。然后,我们在亚音速风洞中对7个螺旋桨进行了特征分析,以分析螺距、直径和叶片数量对螺旋桨性能的影响。

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