By Lauren Nagel
Windkanaltests sind ein wesentlicher Schritt bei der Konstruktion und Entwicklung von Drohnen, da sich Antriebssysteme bei statischen und realen Bedingungen oft unterschiedlich verhalten.
Der Schub und der Wirkungsgrad eines Propellers sind beispielsweise entscheidend für den Erfolg einer Mission, variieren jedoch stark mit der Fluggeschwindigkeit. Die Charakterisierung der Leistung einer Drohne bei verschiedenen Fluggeschwindigkeiten ist für jedes Fluggerät wichtig, das auch außerhalb von Schönwetterbedingungen eingesetzt wird.
Um zu testen, wie sich die Leistung eines Propellers mit der Fluggeschwindigkeit verändert, setzen wir unsere Propeller-Teststation ein und testen Drohnenpropeller bei Fluggeschwindigkeiten von 0 bis 38 mph (0 - 17 m/s).
Inhaltsverzeichnis:
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Verfahren des Windkanaltests
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Propellerschub im Verhältnis zur Drehzahl bei verschiedenen Fluggeschwindigkeiten
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Verhältnis von Propellerschub zu Leistung
- Propellerwirkungsgrad (2 Methoden)
Abbildung 1: Aufbau eines Propeller-Windkanaltests
1. Verfahren des Windkanaltests
Unser Testaufbau umfasst drei wichtige Messgeräte:
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2x2 Windshaper - eine modulare Lüfterwand, die Fluggeschwindigkeiten von über 16 m/s erzeugt und den herkömmlichen Windkanal ersetzt. Die Geschwindigkeit und der Turbulenzgrad jedes einzelnen Lüfters werden mit der Software WindControl gesteuert.
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Schubprüfstand der Serie 1585 - ein Propellerschubprüfstand, der Schub, Drehmoment, Drehzahl, Strom und Spannung misst, um Leistung und Wirkungsgrad zu ermitteln. Die Tests wurden mit der Flight Stand-Software automatisiert durchgeführt.
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Fluggeschwindigkeits-Drucksensor - verbunden mit einer Pitot-Sonde und der Flight Stand-Software werden die Fluggeschwindigkeitsdaten mit den Messungen des Schubprüfstands synchronisiert.
Abbildung 2: Propellerschubprüfstand der Serie 1585 mit Fluggeschwindigkeitsmesser und Pitot-Sonde
Wir montierten einen 9-Zoll-Propeller in einem Abstand von 210 cm zum Windshaper und führten einen automatisierten Stufentest mit vier Gashebelstellungen durch: 1550, 1700, 1850 und 2000 µs.
Abbildung 3: Im Flight Stand-Programm dargestellter Stufentest
Bei jedem Test wurde eine konstante Fluggeschwindigkeit und ein konstanter Turbulenzgrad über alle Lüfter hinweg verwendet. Der Test wurde bei 6 verschiedenen Geschwindigkeiten wiederholt:
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0 m/s (0 mph)
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4,2 m/s (9,4 mph)
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7,5 m/s (16,8 mph)
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10,7 m/s (24 mph)
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14 m/s (31,3 mph)
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17 m/s (38 mph)
Abbildung 4: Windshaper-Lüfterleistung in der WindControl-Software auf 100 % (17 m/s) eingestellt
Die Schubmessungen wurden „nullgestellt“, indem der Schub bei 0 % Gas bei jeder Fluggeschwindigkeit aufgezeichnet und der gemessene Schub von der Gesamtschubkraft abgezogen wurde, die bei jedem Gashebelstand aufgezeichnet wurde. Bei der höchsten Fluggeschwindigkeit wurde der Propeller vorsichtig fixiert, um zu verhindern, dass er sich während der Basismessung dreht. Ziel war es, den vom Propeller erzeugten Schub zu isolieren.
Weiterführende Literatur: CFD vs. experimentelle Propellerprüfung (Ergebnisse)
Weitere Überlegungen zum Testaufbau:
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Es ist wichtig, hinter dem Windshaper genügend Platz zu lassen, um eine effiziente Luftzufuhr zu gewährleisten
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Wir haben sichergestellt, dass der Eingang der Pitot-Sonde nicht verdeckt war, um die Messung von laminarer Luft zu gewährleisten
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Wir wollten den Abstand zwischen der Pitot-Sonde und dem Testpropeller minimieren und gleichzeitig die Beeinträchtigung des Luftstroms begrenzen. Beim nächsten Mal werden wir die aerodynamischen Strömungen mit einem WindProbe 3D visualisieren.
Abbildung 5: 2x2 Windshaper-Windwand mit 36 einzeln steuerbaren Lüftern
2. Propellerschub im Verhältnis zur Drehzahl bei verschiedenen Fluggeschwindigkeiten
Das folgende Diagramm zeigt die Ergebnisse der Schubentwicklung im Verhältnis zur Drehzahl bei jeder Windbedingung. Die vier Datenpunkte bei jeder Fluggeschwindigkeit stellen die Messwerte bei jedem Gashebelstand dar.
Abbildung 6: Diagramm des Propellerschubs im Verhältnis zur Drehzahl bei Fluggeschwindigkeiten von 0 bis 17 m/s
Die Schubentwicklung nahm mit zunehmendem Gashebelstand zu und war bei Windstille am höchsten. Mit zunehmender Fluggeschwindigkeit war eine höhere Drehzahl erforderlich, um den gleichen Schub zu erzielen.
Bei einem gegebenen Schub nahm die Propellerdrehzahl mit zunehmendem Gashebelstand und zunehmender Fluggeschwindigkeit zu. Der Wind des Windshapers ist für die höhere Drehzahl verantwortlich, da er auf die Propellerblätter drückt und ihn noch schneller rotieren lässt.
Eine höhere Drehzahl ist in der Regel mit einer höheren Schubentwicklung verbunden, dies gilt jedoch nur bei konstanter Fluggeschwindigkeit. Der Propellerschub hängt von den physikalischen Eigenschaften des Propellers ab, d. h. Radius und Steigung, aber auch vom Druck der durch die Propellerfläche strömenden Luft.
Die folgende Gleichung für den dynamischen Propellerschub (Electric Aircraft Guy) zeigt, wie sich die Vorwärtsfluggeschwindigkeit des Propellers auf die Schubentwicklung auswirkt. Beachten Sie, dass die Koeffizienten theoretisch sind und aufgrund des Propellerprofils, der Reynolds-Zahl und der Umweltbedingungen variieren.
Dennoch ist die Gleichung nützlich, um zu verstehen, wie sich Änderungen der Parameter auf den Propellerschub auswirken. Beispielsweise nimmt der Propellerschub ab, wenn die Vorwärtsfluggeschwindigkeit zunimmt.
Diese Abnahme des Schubs tritt auf, weil der Schub ein Produkt der Geschwindigkeitsdifferenz der in den Propeller eintretenden und austretenden Luft ist. Der Propellerschub kann auch wie folgt ausgedrückt werden:
Weiterführende Literatur: Berechnung des Propellerschubs (statisch und dynamisch)
Wenn ein Propeller stillsteht, d. h. wenn sich ein Fluggerät am Boden befindet, wird die umgebende Luft beim Eintritt in den Propeller schnell beschleunigt. Wenn das Fluggerät beschleunigt und der Propeller an Vorwärtsgeschwindigkeit gewinnt, nimmt die relative Geschwindigkeit der Luft, die auf die Propellerblätter trifft (V0), zu, während Ve nicht proportional zunimmt, was zu einer geringeren Schubentwicklung führt.
Darüber hinaus führt eine zunehmende Fluggeschwindigkeit zu einer Änderung des relativen Luftstromvektors am Propeller. Dieser Vektor stellt die Summe aus dem Rotationsgeschwindigkeitsvektor des Propellers und dem Fluggeschwindigkeitsvektor dar. Der Winkel zwischen dem relativen Luftstromvektor und der Propellersehne ist der Anstellwinkel. Wenn die Größe des Fluggeschwindigkeitsvektors zunimmt, nimmt der Anstellwinkel ab, was zu einer geringeren Schubentwicklung führt.
Abbildung 7: Änderung des Propelleranstellwinkels bei zunehmender Fluggeschwindigkeit (Roddy Mc Namee)
Sehen Sie sich Roddy Mc Namees Video über den Anstellwinkel der Propellerblätter an, um mehr zu erfahren.
3. Verhältnis von Propellerschub zu Leistung
Mit zunehmender Fluggeschwindigkeit nimmt die mechanische Leistung ab. Im folgenden Diagramm visualisieren wir den Rückgang von Schub und Leistung sowie das Verhältnis von Schub zu Leistung:
Abbildung 8: Propellerschub, Leistung und Schub-Leistungs-Verhältnis bei 9000 U/min
Das Diagramm vergleicht Schub und Leistung bei 9000 U/min für jede der sechs Fluggeschwindigkeiten und leitet die Werte aus ihren Leistungsdiagrammen ab. Das Schub-Leistungs-Verhältnis ist einfach der Schub geteilt durch die Leistung.
Im Diagramm ist deutlich zu erkennen, dass der Schub schneller abnimmt als die Leistung. Obwohl mit zunehmender Fluggeschwindigkeit weniger Schub erzeugt wird, wird eine ähnliche Menge an Leistung aufgenommen, was zu einem niedrigeren Schub-Leistungs-Verhältnis bei höheren Fluggeschwindigkeiten führt.
Zwischen 0 und 17 m/s nimmt der Schub um 75 % ab, während die Leistung nur um 19 % abnimmt.
Dies bedeutet einen Rückgang des Propellerwirkungsgrads bei höheren Fluggeschwindigkeiten, wie wir im nächsten Abschnitt sehen werden.
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4. Propellerwirkungsgrad (2 Methoden)
Schließlich werden wir uns den Propellerwirkungsgrad über verschiedene Fluggeschwindigkeiten hinweg mit zwei verschiedenen Ansätzen ansehen.
Der erste Ansatz misst den Propellerwirkungsgrad in Gramm-Kraft-Schub pro Watt mechanischer Leistung, dem Produkt aus Drehmoment und Drehzahl:
Dabei wird der Schub in gf, das Drehmoment in Nm und die Drehzahl in U/min gemessen.
Diese Gleichung liefert ein Maß für den Propellerwirkungsgrad in gf/W, eine intuitive Möglichkeit, die Leistung von Antriebssystemen bei VTOL-Fluggeräten wie Drohnen zu bewerten.
Da der angegebene Wert nicht einheitenlos ist, wird er genauer als Leistungskennzahl beschrieben.
Eine zweite Möglichkeit, den Propellerwirkungsgrad zu bewerten, besteht darin, das Verhältnis der verfügbaren Leistung zur mechanischen Leistung zu betrachten. Diese Methode ist nützlich, um den aerodynamischen Wirkungsgrad zu berücksichtigen, und ist besonders relevant für den Vorwärtsflug, wie in unserem Experiment simuliert:
Die verfügbare Leistung ist das Produkt aus Schub und Geschwindigkeit. In einer typischen Anwendung würde sich die Geschwindigkeit auf die Geschwindigkeit des Fluggeräts selbst beziehen, aber da wir diese Bedingung mit einem stationären Propeller in einem Luftstrom simulieren, verwenden wir die Geschwindigkeit des Windes vom Windshaper, da der relative Effekt gleich ist.
Daher,
Dabei wird der Schub in N, die Windgeschwindigkeit in m/s, das Drehmoment in Nm und die Drehzahl in rad/s gemessen.
Der Propellerwirkungsgrad wird mit „η“ bezeichnet und ist eine einheitenlose Eigenschaft, die unten als % angegeben wird.
Wenn wir den Propellerwirkungsgrad im Verhältnis zur Drehzahl bei jeder Fluggeschwindigkeit darstellen, sehen wir den folgenden Trend:
Abbildung 9: Propellerwirkungsgrad in gf/W und % im Verhältnis zur Drehzahl über verschiedene Fluggeschwindigkeiten hinweg
Die beiden Ansätze liefern ähnliche Ergebnisse, wobei die Wirkungsgradwerte bei höheren Fluggeschwindigkeiten konvergieren. Bei niedrigeren Fluggeschwindigkeiten nimmt der Wirkungsgrad ab und erreicht ein Plateau, während er bei höheren Fluggeschwindigkeiten ansteigt, bevor er ein Plateau erreicht.
Mit der zweiten Methode kann der Wirkungsgrad bei einer Windgeschwindigkeit von 0 m/s nicht berechnet werden, da eine Geschwindigkeit von 0 in beiden Fällen zu einem Wirkungsgrad von 0 % führt.
Die bei 17 m/s und den niedrigsten Gashebelstellungen gemessenen Werte für den Propellerwirkungsgrad waren in beiden Fällen deutlich negativ (-182 gf/W und -3065 %) und wurden daher aus dem Diagramm ausgeschlossen, um einen klareren Vergleich der verbleibenden Daten zu ermöglichen.
Der mit der zweiten Methode gemessene Propellerwirkungsgrad eignet sich zur Beurteilung des Wirkungsgrads bei verschiedenen Fluggeschwindigkeiten für eine feste Drehzahl. Dies kann hilfreich sein, um die effizientesten Betriebsbedingungen eines Fluggeräts zu ermitteln.
Nachfolgend haben wir die Daten zum Propellerwirkungsgrad mit Polynomkurven zweiten Grades angepasst, um die Leistung bei verschiedenen Fluggeschwindigkeiten abzubilden. Jede Kurve steht für eine andere Drehzahleinstellung.
Der Propellerwirkungsgrad steigt mit zunehmender Fluggeschwindigkeit bis zu einem Spitzenwert an und sinkt dann wieder, wenn der Anstellwinkel der Rotorblätter verringert wird. Die Kurven verschieben sich mit zunehmender Drehzahl nach rechts.
Abbildung 10: Propellerwirkungsgrad (%) vs. Fluggeschwindigkeit bei verschiedenen Drehzahlen
Diese Daten können bei der Auswahl einer Drehzahl oder Gashebelstellung in Abhängigkeit von den Flugbedingungen nützlich sein.
Fazit
Diese Experimente veranschaulichen den faszinierenden Zusammenhang zwischen Fluggeschwindigkeit und Propellerkraft, Leistung und Wirkungsgrad. Solche Experimente sind unerlässlich, um zu verstehen, wie ein Antriebssystem unter realen Flugbedingungen funktioniert.
In dieser Studie haben wir einen 2x2 Windshaper-Windkanal verwendet, um konstante Windgeschwindigkeiten zu erzeugen, doch diese Geräte können noch viel mehr. Klicken Sie hier, um zu erfahren, wie Windshaper Ihnen helfen können, die Leistung Ihrer Drohne zu verbessern.