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プロペラの特性評価:性能のピッチ、直径、ブレード数の変動

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プロペラは、推進力と推力の生成のための航空機の多くの異なるタイプで広く使用されているので、慎重に設計され、特徴付けなければなりません。プロペラは本質的にねじれた翼で、コードの角度が放射状に変化します。プロペラの特徴の1つは、ピッチ、またはそのねじれです。

プロペラのピッチは、一般的に長さの単位で与えられ、プロペラが1回の回転で空気を通過する理論的な距離です。しかし、航空機とプロペラのドラッグ力のために、プロペラは理論的な距離を移動することはありません。実際の移動距離は、プロペラの有効ピッチと呼ばれています。理論ピッチと有効ピッチの違いはプロペラのスリップと呼ばれています。

プロペラについて説明する際には、それぞれの無次元係数によって特徴付けられる推力、トルク、パワーについても説明します。ここで、Tは推力であり、タウはトルクであり、Pはモータへの電源であり、rhoはフリーストリーム密度であり、nはプロペラの回転速度であり、Dはプロペラの直径である。重要なのは、プロペラの効率も定義します。これは、トルクと推力係数と、プロペラの回転と直径に対するフリーストリーム速度を正規化する高度な比率 J を使用して計算されます。これらの無次元値を使用して、プロペラが異なる条件でどのように動作しているかを判断できます。

プロペラ政権では、プロペラは正の推力とトルクを生み出しています。エアブレーキ体制は推力が負になると始まり、トルクは正のままです。この体制では、プロペラは正の前方運動を提供するのではなく、システムを遅くします。推力とトルクの両方がゼロ以下に落ちると、プロペラは風車の体制にあります。ここでは、プロペラを駆動するモーターが克服できないプロペラに力を与えるため、気流がプロペラを制御します。

プロペラの体制を超えて、プロペラ効率の計算は無意味であることを注意することが重要です。所定の対気速度とRPMに対して、高効率プロペラ体制でプロペラを操作することが常に望ましい。固定ピッチプロペラの場合、固定ピッチプロペラは1つの最適な動作条件のために設計されており、通常、巡航条件で最も効率的で、離着陸で非効率的です。

操作を改善する1つの方法は、特にプロペラの直径またはピッチに制約がない場合は、ブレードの数を増やすことである。これは推力の量を増やすことができる。しかし、それは低いプロペラ効率の費用で来る。この実験では、いくつかの異なるプロペラを特徴付け、ピッチ、直径、およびブレード数が性能に及ぼす影響を決定します。

本実験では、直径、ピッチ、ブレード数の変化を持つ一連の5つのAPCと2つの木製プロペラを用いて、亜音速風洞内のプロペラ特性を調べる。

まず、4軸スティングマウントを使用して、プロペラテストリグコンポーネントを保持するために、風洞内にプロペラテストリグをセットアップします。6軸ロードセルは、推力とトルクを測定するために使用されます。ロードセルをリグに取り付け、プロペラに電力を供給するブラシレスDCモーターを固定し、最初のプロペラを取り付けます。

次に、ブラシレスDCモータを電子速度コントローラとパルスの速度を制御するパルス幅変調信号発生器に接続します。また、モータをパワーアナライザに接続して、供給された電圧と電流を測定します。次に、ブラシレスDCモータをリチウムポリマー電池に接続します。

セットアップが完全に組み立てられると、スピリットレベルを使用して、スティングプロペラのセットアップがピッチやヨーなしで気流の方向に揃っていることを確認します。次に、風洞のドアを固定し、主電源をオンにし、風洞をオンにします。次に、信号発生器とロードセルデータ集録システムをオンにします。

テストを開始する前に、プロペラ ブレードの数、直径、ピッチなど、プロペラの特性をスプレッドシートに記録します。これで、風洞コンピュータ上のデータ取得ソフトウェアを使用して、ロードセルのフォースをゼロにします。次に、信号発生器を設定してモータを10%スロットルで動かします。

まず、風洞をオフにしてゼロ読み取りを記録します。スロットルのパーセンテージと風洞トランスデューサからの動的圧力の観点から速度を記録します。また、パワーアナライザからモータに供給される電圧と電流、およびロードセルで測定した推力とトルクを記録します。

次に、風洞をオンにし、動的圧力を 0.5 psf に上げます。推力とトルクが負になる動的圧力設定まで、0.5 psf単位で動的圧力設定を引き続き増加させます。

すべてのデータを各増分で記録します。推力とトルクの測定値が負の場合は、ダイナミック圧力をゼロに戻し、風洞をオフにします。次に、信号発生器を使用してモータ速度を 50% のスロットルに上げます。ゼロ測定を行い、風洞をオフにしてすべてのデータを記録します。次に、風洞をオンにし、動的圧力読み取り値を 0.5 psf に設定します。次に、すべてのデータを記録します。

前と同じように 0 の増分で測定を繰り返します。トルクおよび推力が負になる動的圧力読書まで5 psf。次に、ダイナミック圧力をゼロに戻し、風洞をオフにし、プロペラ速度を100%スロットルに上げます。風洞をオフにしてゼロ測定を記録し、トルクと推力が負になる動的圧力までテストを繰り返します。

すべてのプロペラに対してこれらのテストを繰り返し、推力とトルクが負になる動的圧力まで、各プロペラの速度を10%、50%、100%のスロットルでテストします。すべてのテストが完了すると、電子速度コントローラをプログラミングキットに接続し、プロペラRPMデータをすべて記録します。その後、すべてのシステムをシャットダウンします。

実験の結果を評価するために、まずプロペラ推力、回転速度、直径、フリーストリーム密度を用いて推力係数CTを計算します。また、トルクと電力係数、CQ、CPをそれぞれ計算することもできます。タウはプロペラトルクであり、PはDCモータに供給される電力であり、電圧と電流の積として計算されます。

最後に、回転と直径のプロペラ速度にフリーストリーム速度を正規化するために、高度な比率Jを計算することができます。回転率は、実験中に記録された 1 分あたりの回転を 60 で割った値です。フリーストリーム速度は、風洞で制御した動的圧力を使用して計算されます。そして、プロペラ効率を算出することができる。

次に、プロペラの 1 つに対して、3 つの係数と効率対高度比 J をプロットしてみましょう。ここでは、2枚刃、直径18インチ、8インチピッチプロペラのデータを示します。プロペラは0.6の高度な比率まで正の推力を作り出し、そこでエアブレーキ領域に移る。エアブレーキ領域は推力が負になると始まり、トルクは正のままです。この領域では、プロペラがシステムを遅くします。

0.85の高度の比率の後、プロペラは負のトルクを発生し、風車のように振る舞う。ここで、気流はプロペラを駆動するモータが克服できない力をプロペラに生成する。なお、プロペラの効率はJが0.4と最も高く、プロペラ領域を超えて意味がないことに注意してください。

次に、ブレードとプロペラのピッチの数を一定に保ちながら、さまざまなプロペラの直径を見てみましょう。直径の変化が効率に与える影響はごくわずかであることがわかります。ただし、3 つの係数は、プロペラの直径が小さくなるとわずかに増加します。

次に、プロペラの直径とブレード数を一定に保ちながら、様々なプロペラピッチの効果を比較します。一般に、高ピッチプロペラは、低ピッチプロペラに比べて、所定の高度な比に対してより多くの推力、トルク、パワーを生み出すことがわかります。プロペラピッチを大きくすると、プロペラ領域の範囲も広がります。プロペラピッチが大きくなるにつれて、最大の動作効率が高い高度な比率で発生することがわかります。

最後に、一定のプロペラの直径とピッチを維持しながら、ブレード番号の効果を比較します。ブレードの数を倍増すると、推力とトルクが大幅に増加することがわかります。プロペラの範囲は似ていますが、4枚刃のプロペラは、2ブレードプロペラに比べて高度な比率で風車のように振る舞い始めます。また、2ブレードプロペラは、その4ブレードのプロペラよりもわずかに効率的であることが観察することができます。

要約すると、プロペラのさまざまな動作体制と、ピッチがプロペラの効率に与える影響について学びました。その後、音速風洞内の7つのプロペラを特徴付け、プロペラ性能に対するピッチ、直径、ブレード数の影響を解析しました。

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