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Propellercharakterisierung: Variationen in Tonhöhe, Durchmesser und Klingennummer auf Leistung

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Propeller sind weit verbreitet in vielen verschiedenen Arten von Flugzeugen für den Antrieb und die Erzeugung von Schub verwendet, und muss daher sorgfältig entworfen und charakterisiert werden. Ein Propeller ist im Wesentlichen ein verdrehtes Tragblatt, bei dem sich der Winkel der Schnur radial ändert. Eines der bestimmenden Merkmale des Propellers ist die Steigung oder seine Drehung.

Die Steigung des Propellers ist in der Regel in Längeneinheiten angegeben und ist die theoretische Entfernung, die der Propeller in einer einzigen Umdrehung durch die Luft bewegen wird. Aufgrund der Zugkraft am Flugzeug und Propeller legt der Propeller jedoch nie seine theoretische Distanz zurück. Die tatsächlich zurückgelegte Entfernung wird als effektive Steigung des Propellers bezeichnet. Der Unterschied zwischen der theoretischen Tonhöhe und der effektiven Tonhöhe wird als Schubser des Propellers bezeichnet.

Bei der Beschreibung von Propellern sprechen wir auch über Schub, Drehmoment und Leistung, die sich durch ihre jeweiligen dimensionslosen Koeffizienten auszeichnen. Hier ist T Schub, Tau ist Drehmoment, P ist Stromversorgung für den Motor, rho ist die Freestream-Dichte, n ist die Drehrate des Propellers, und D ist der Propellerdurchmesser. Wichtig ist, dass wir auch die Effizienz eines Propellers definieren. Diese wird anhand der Drehmoment- und Schubkoeffizienten zusammen mit dem fortgeschrittenen Verhältnis J berechnet, das die Freestream-Geschwindigkeit auf die Propellerdrehung und den Durchmesser normalisiert. Anhand dieser dimensionenlosen Werte können wir bestimmen, wie ein Propeller unter verschiedenen Bedingungen arbeitet.

Im Propellerregime erzeugt der Propeller positiven Schub und Drehmoment. Das Luftbremssystem beginnt, wenn der Schub negativ wird, während das Drehmoment positiv bleibt. In diesem Regime verlangsamt der Propeller das System, anstatt positive Vorwärtsbewegung zu liefern. Wenn Schub und Drehmoment beide unter Null fallen, befindet sich der Propeller im Windmühlenregime. Hier steuert der Luftstrom den Propeller, da er Kräfte am Propeller erzeugt, die der Motor, der den Propeller antreibt, nicht überwinden kann.

Es ist wichtig zu beachten, dass über das Propellerregime hinaus die Berechnung der Propellereffizienz bedeutungslos ist. Es ist immer wünschenswert, den Propeller im hocheffizienten Propellerregime für eine bestimmte Luftgeschwindigkeit und Drehzahl zu betreiben. Bei Propellern mit festem Pitch kann dies schwierig sein, da die Festseilpropeller für einen optimalen Betriebszustand ausgelegt sind und in der Regel am effizientesten unter Kreuzfahrtbedingungen und ineffizient bei Start und Landung sind.

Eine Möglichkeit, den Betrieb zu verbessern, vor allem, wenn es keine Einschränkungen für den Durchmesser oder die Steigung des Propellers gibt, besteht darin, die Anzahl der Schaufeln zu erhöhen. Dies kann die Schubmenge erhöhen. Es geht jedoch um Kosten einer geringeren Propellereffizienz. In diesem Experiment werden wir mehrere verschiedene Propeller charakterisieren und den Einfluss von Steigung, Durchmesser und Anzahl der Klingen auf die Leistung bestimmen.

In diesem Experiment werden wir die Propellereigenschaften in einem Unterschall-Windkanal mit einer Reihe von fünf APC- und zwei Holzpropellern mit unterschiedlichem Durchmesser, Steigung und Anzahl der Schaufeln untersuchen.

Zunächst richten Sie den Propellerprüfstand im Inneren des Windkanals mit einer vierachsigen Stachelhalterung ein, um die Komponenten des Propellerprüfstandes zu halten. Zur Messung von Schub und Drehmoment wird eine sechsachsige Wägezelle verwendet. Befestigen Sie die Wägezelle am Rig, sichern Sie den bürstenlosen Dc-Motor, der den Propeller antreibt, und befestigen Sie dann den ersten Propeller.

Schließen Sie nun den bürstenlosen Gleichstrommotor an den elektronischen Drehzahlregler und den pulsbreitenmodulierten Signalgenerator an, der die Drehzahl des Motors steuert. Schließen Sie den Motor außerdem an einen Leistungsanalysator an, um die mitgelieferte Spannung und den Strom zu messen. Dann verbinden Sie es und den bürstenlosen DC-Motor mit einer Lithium-Polymer-Batterie.

Sobald das Setup vollständig montiert ist, verwenden Sie eine Spirit-Level, um sicherzustellen, dass der StachelPropeller-Setup in Richtung des Luftstroms ohne Tonhöhe oder Gähnen ausgerichtet ist. Dann sichern Sie die Windkanaltüren, schalten Sie den Hauptstrom ein und schalten Sie den Windkanal ein. Schalten Sie dann den Signalgenerator und das Datenerfassungssystem der Wägezelle ein.

Zeichnen Sie vor Beginn der Tests die Propellereigenschaften in Ihrer Kalkulationstabelle auf, einschließlich der Anzahl der Propellerblätter, des Durchmessers und der Steigung. Nun, Null die Kräfte auf die Wägezelle mit der Datenerfassungssoftware auf dem Windkanal-Computer. Stellen Sie dann den Signalgenerator so ein, dass der Motor mit 10 % Drosselklappe betrieben wird.

Beginnen Sie mit der Aufzeichnung einer Null-Lesung mit dem Windkanal aus. Zeichnen Sie die Geschwindigkeit in Bezug auf den Prozentsatz der Drosselklappe und den dynamischen Druck des Windkanalwandlers auf. Zeichnen Sie außerdem die Spannung und den Strom auf, die dem Motor vom Leistungsanalysator zugeführt werden, sowie den Schub und das Drehmoment, die von der Wägezelle gemessen werden.

Schalten Sie nun den Windkanal ein und erhöhen Sie den dynamischen Druck auf 0,5 psf. Lassen Sie sich Zeit, damit sich der Windkanal stabilisiert, und erfassen Sie dann alle Daten. Erhöhen Sie die dynamische Druckeinstellung in Schritten von 0,5 psf bis zu einer dynamischen Druckeinstellung, bei der Schub und Drehmoment negativ werden.

Zeichnen Sie alle Daten in jedem Inkrement auf. Sobald die Messungen für Schub und Drehmoment negativ sind, stellen Sie den dynamischen Druck wieder auf Null und schalten Sie den Windkanal aus. Erhöhen Sie dann die Motordrehzahl mit dem Signalgenerator auf 50% Drosselklappe. Nehmen Sie die Nullmessung und erfassen Sie alle Daten mit dem Windkanal aus. Schalten Sie dann den Windkanal ein und stellen Sie den dynamischen Druckwert auf 0,5 psf ein. Zeichnen Sie dann alle Daten auf.

Wiederholen Sie die Messungen wie zuvor in Schritten von 0. 5 psf bis zu einem dynamischen Druckmesswert, bei dem Drehmoment und Schub negativ werden. Stellen Sie dann den dynamischen Druck wieder auf Null, schalten Sie den Windkanal ab und erhöhen Sie die Propellerdrehzahl auf 100% Gas. Notieren Sie die Nullmessung mit dem Windkanal aus, und wiederholen Sie dann die Tests erneut bis zu einem dynamischen Druck, bei dem Drehmoment und Schub negativ werden.

Wiederholen Sie diese Tests für alle Propeller, und stellen Sie sicher, dass die Geschwindigkeiten von 10%, 50% und 100% Drosselung für jeden Propeller bis zu einem dynamischen Druck, bei dem Schub und Drehmoment negativ werden, getestet werden. Schließen Sie nach Abschluss aller Tests den elektronischen Drehzahlregler in das Programmierkit an und erfassen Sie alle Propeller-Drehzahldaten. Fahren Sie dann alle Systeme herunter.

Um die Ergebnisse des Experiments zu bewerten, berechnen wir zunächst den Schubkoeffizienten CT unter Verwendung des Propellerschubs, der Rotationsrate, des Durchmessers und der Freistromdichte. Wir können auch die Drehmoment- und Leistungskoeffizienten CQ und CP berechnen. Daran erinnern, dass Tau ist Propeller Drehmoment und P ist die Leistung an den Gleichstrommotor geliefert und wird als Produkt von Spannung und Strom berechnet.

Schließlich können wir das fortgeschrittene Verhältnis J berechnen, um die Freestream-Geschwindigkeit auf die Propellergeschwindigkeit von Rotation und Durchmesser zu normalisieren. Die Rotationsrate ist die Rotation pro Minute, die während des Experiments protokolliert wurde, geteilt durch 60. Die Freestream-Geschwindigkeit wird anhand des dynamischen Drucks berechnet, den wir im Windkanal gesteuert haben. Dann kann die Propellereffizienz berechnet werden.

Lassen Sie uns nun die drei Koeffizienten und die Effizienz im Vergleich zum fortgeschrittenen Verhältnis J für einen der Propeller darstellen. Hier zeigen wir Daten für einen zweiflügeligen, 18-zolligen Durchmesser, 8-Zoll-Pitch-Propeller. Der Propeller erzeugt einen positiven Schub bis zu einem fortgeschrittenen Verhältnis von 0,6, wo er dann in den Luftbremsbereich übergeht. Der Luftbremsbereich beginnt, wenn der Schub negativ wird, während das Drehmoment positiv bleibt. In dieser Region verlangsamt der Propeller das System.

Nach einem fortgeschrittenen Verhältnis von 0,85 erzeugt der Propeller ein negatives Drehmoment und verhält sich wie eine Windmühle. Hier erzeugt der Luftstrom Kräfte am Propeller, die der Motor, der den Propeller antreibt, nicht überwinden kann. Beachten Sie, dass der Propellerwirkungsgrad bei J mit 0,4 am höchsten ist und jenseits der Propellerregion bedeutungslos ist.

Werfen wir nun einen Blick auf den variierenden Propellerdurchmesser, während die Anzahl der Schaufeln und propellerpitch konstant bleibt. Wir sehen, dass die Änderung des Durchmessers einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Effizienz hat. Die drei Koeffizienten nehmen jedoch mit abnehmendem Propellerdurchmesser leicht zu.

Als Nächstes vergleichen wir den Effekt der unterschiedlichen Propellerneigung, wobei der konstante Propellerdurchmesser und die Anzahl der Schaufeln beibehalten werden. Wir sehen, dass ein Propeller mit hoher Steigung im Allgemeinen mehr Schub, Drehmoment und Leistung für ein bestimmtes fortgeschrittenes Verhältnis erzeugt als ein Propeller mit niedriger Steigung. Die Erhöhung der Propellerneigung erhöht auch die Reichweite der Propellerregion. Wir sehen, dass die maximale Betriebseffizienz bei einem höheren fortgeschrittenen Verhältnis auftritt, wenn die Propellerneigung zunimmt.

Schließlich vergleichen wir den Effekt der Klingennummer, wobei der konstante Propellerdurchmesser und die Steigung beibehalten werden. Wir sehen, dass die Verdoppelung der Anzahl der Klingen zu einer deutlich höheren Schub- und Drehmomentmenge führt. Während die Ausdehnung der Propellerregion ähnlich ist, beginnt sich der Vierblattpropeller wie eine Windmühle mit einem höheren fortgeschrittenen Verhältnis im Vergleich zum Zweiblattpropeller zu verhalten. Es ist auch zu beobachten, dass der Zweiblattpropeller etwas effizienter ist als sein Vierblatt-Gegenstück.

Zusammenfassend haben wir über die verschiedenen Betriebsabläufe von Propellern und wie sich die Steigung auf die Propellereffizienz auswirkt, erfahren. Wir haben dann 7 Propeller in einem Unterschall-Windkanal charakterisiert, um die Auswirkungen von Steigung, Durchmesser und Anzahl der Schaufeln auf die Propellerleistung zu analysieren.

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