„Die Ergebnisse zeigen, dass bei ungleichen Kombinationen der kleinere Propeller für eine höhere Effizienz vor dem größeren angebracht werden sollte, für maximale Schubkraft jedoch zwei gleiche Propeller bevorzugt werden.“
In ihrer aktuellen Studie untersuchen Max Miles und Dr. Stephen D. Prior die Leistungsmerkmale ungleicher koaxialer Rotoren, wie sich unterschiedliche Propellergrößen und Abstände auf den Schub, die Effizienz und den Stromverbrauch von UAV-Antriebssystemen auswirken.
Vorherige Studien deuteten darauf hin, dass die Positionierung eines kleineren Propellers vor einem größeren die Leistung verbessern könnte, mit einem optimalen Abstandverhältnis (z/D) im Bereich von 0,1 bis 0,4. Dr. Priors Team wollte diese Erkenntnisse weiter validieren und das Verständnis der Dynamik koaxialer Rotoren vertiefen.
Versuchsaufbau
Die Experimente wurden mit dem Flight Stand 15 Pro durchgeführt, einem Schubprüfstand, der dem Team bestens bekannt ist. Dr. Prior merkte an: „Wir haben im letzten Jahrzehnt eine Reihe von TYTO Schubprüfständen (1585, 1780 und FS15) verwendet, um unser Verständnis und die Messung von Propellern im Maßstab zu verbessern.“ Das Team entwickelte außerdem ein eigenes MATLAB-Skript, um Propellerdesigns zu optimieren und eine Reihe von 3D-gedruckten Propellern zu testen, die für bestimmte Einsatzbereiche zugeschnitten sind.
Abbildung 1: Flight Stand 15 Pro Schubprüfstände in einer direkten koaxialen Konfiguration
Jeder Propeller wurde von einem U8 Kv100-Elektromotor von T-Motor angetrieben, wobei die Leistung nach der ersten Validierung auf Kv80 korrigiert wurde. Die Motoren wurden von einem T-Motor Alpha 60A 6S ESC angetrieben und mit voll aufgeladenen 25C 6S (22,2 V) Li-Po-Akkus versorgt.
Die Studie untersuchte Kombinationen von 26″ und 29″ T-Motor-Carbonfaser-Propellern über fünf z/D-Verhältnisse: 0,05, 0,1, 0,2, 0,3 und 0,35. Das z/D-Verhältnis ist das Verhältnis zwischen dem Abstand der Blätter, z, und dem Blattdurchmesser, D.
Beide Propeller wurden mit gleicher Gaszufuhr betrieben. Ausgehend von 20 % Gaszufuhr wurde dem System Zeit gegeben, sich zu stabilisieren, bevor die Gaszufuhr in fünfprohigen Schritten bis 90 % erhöht wurde. Die Software des Schubprüfstands zeichnete Schub, Strom, Drehmoment, Drehzahl, elektrische Eingangsleistung und mechanische Ausgangsleistung auf.
Die Propeller wurden zunächst einzeln getestet, um eine Vergleichsbasis für die experimentellen koaxialen Konfigurationen zu schaffen. Diese Vergleichsbasis wird als „ideales koaxiales Paar“ bezeichnet: zwei isolierte Propeller, die unabhängig voneinander wirken, ohne gegenseitige Beeinflussung.
Nachfolgend haben wir einige ihrer wichtigsten Erkenntnisse zusammengefasst.
Ergebnisse
Optimierung des Abstands (z/D-Verhältnis)
Der optimale Abstand, ausgedrückt als minimaler Schubverlust, variierte je nach Konfiguration leicht. Die Ergebnisse folgten der charakteristischen „Schüsselform“, bei der die Leistung bei geringem Abstand schlecht ist, sich mit zunehmendem Abstand verbessert und dann schließlich wieder abnimmt, wie in Abbildung 2 zu sehen ist.
Das ideale z/D-Verhältnis betrug 0,2 für das ungleiche Paar mit dem kleineren Propeller vor dem größeren, während der optimale Abstand für andere Konfigurationen zwischen 0,1 und 0,2 lag.
Abbildung 2: Schubverluste bei gleichen und ungleichen koaxialen Antriebssystemen im Vergleich zu einem idealen koaxialen Paar
Schubverlust
Abbildung 3 zeigt den prozentualen Schubverlust jedes koaxialen Antriebssystems im Vergleich zum idealen koaxialen Paar. Bei ungleichen Propellerkombinationen führte die Positionierung des kleineren Propellers vor den geringsten Schubverlusten.
Ein 26″-Propeller vor einem 29″-Propeller zeigte den geringsten Schubverlust von 17,3 %, während die umgekehrte Konfiguration zu einem Verlust von 23,8 % führte.
Abbildung 3: Schubverlust für verschiedene koaxiale Systeme im Vergleich zu einem idealen Paar
Gesamtschub
Beim Vergleich der Gesamtschubkraft jeder Konfiguration erzeugten Paare mit gleichen Propellern den höchsten Nettoschub. Das Paar aus 29″-Propellern erreichte bei maximaler Gaszufuhr 34,9 N Schub, was 12 % höher war als bei der leistungsstärksten ungleichen Kombination.
Innerhalb der ungleichen Paare erzeugte die Konfiguration mit dem kleineren 26”-Propeller vor dem größeren 29”-Propeller bei maximaler Gaszufuhr 2,2 N mehr Schub als die umgekehrte Konfiguration, was einer Steigerung von 7,5 % entspricht.
Abbildung 4: Gesamtschub, der von gleichen und ungleichen koaxialen Propellerkombinationen erzeugt wird
Um die Propellergröße als Einflussfaktor zu eliminieren, wurde der Gesamtschub auf die Scheibenfläche des koaxialen Propellers normiert, was als Scheibenbelastung bezeichnet wird.
Mit dieser Normierung stellten sie fest, dass das größere Paar aus 29”-Propellern die höchste Scheibenbelastung und die größte Gesamtschubkraft bei jeder Drehzahl von 400 - 1700 U/min erreichte.
Abbildung 5: Koaxiale Scheibenbelastung nach U/min
Stromverbrauch und Effizienz
Der hintere Propeller, der sich im Nachlauf des vorderen Propellers befindet, benötigte zusätzliche Leistung, um den gleichen Schub wie ein isolierter Propeller zu erzeugen. Beide ungleichen Paare wiesen eine geringere Leistungssteigerung auf als die gleichen Paare. Das ungleiche Paar mit dem kleineren vorderen Propeller zeigte eine Leistungssteigerung von 22,7 %, während gleiche Paare eine Leistungssteigerung von 27 % aufwiesen.
Abbildung 6: Prozentuale Leistungssteigerung für koaxiale Systeme im Vergleich zu einem idealen Paar
Fazit
Diese Studie bot einen detaillierten Einblick in den Zusammenhang zwischen koaxialer Rotorkonfiguration und Leistung. Sie validierte mehrere bestehende Erkenntnisse und lieferte wertvolle Einblicke darüber, wie Schub, Leistung und Effizienz von der Propellerposition, dem Abstand und der relativen Größe beeinflusst werden.