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Caractérisation de l'hélice : Variations du nombre de pas, de diamètre et de lame sur la performance

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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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