Pervane itkisini hesaplamak, uçak tasarım sürecinin yararlı bir parçasıdır.
Doğru bileşenleri seçmenize ve faydalı yük sınırlarınızı belirlemenize yardımcı olabilir.Hesaplamalar varsayımlara dayanır ve sizi sadece belli bir noktaya kadar götürür; bu nedenle hesaplamaları doğrulamak için pervane itkisini ölçmek üzere bir itki test standı kullanmanızı öneririz.
Bu makalede hem denklemlere ve varsayımlara dayanan teorik tarafı hem de gerçek değerler elde etmek için fiziksel test kullanan pratik tarafı ele alacağız. Ayrıca, girdilerinize ve gerçek pervane verilerine dayanarak performansı tahmin eden bir pervane itki hesaplayıcısını nasıl kullanacağınızı da göstereceğiz.
İçindekiler:
- Pervaneler itki nasıl üretir
- Pervane itki denklemi
- Pervane itki hesaplayıcısı
- Bir itki test standı ile pervane itkisi nasıl ölçülür
- Örnek: bir pervanenin itkisi nasıl belirlenir
Pervaneler İtki Nasıl Üretir?
Bir pervane, ister bir uçakta ister bir dron üzerinde olsun, havayı hızlandırarak itki üretir. Pervane kanatları, ön ve arka yüzeyleri arasında bir basınç farkı yaratacak şekilde şekillendirilmiştir; bu da havanın içeri çekilmesine ve ardından daha yüksek bir hızla dışarı atılmasına neden olur. Geleneksel uçaklar için bu, ileri yönlü hareketle sonuçlanır. Havada asılı kalan veya yükselen dronlar için pervaneler havayı aşağı doğru iter ve yukarı yönlü bir itki üretir.
Pervaneler hasar görürse veya dengesizleşirse, performansı olumsuz etkileyen titreşimlere neden olabilir.
Pervane İtki Denklemi
Pervane itkisi, pervanenin özelliklerine ve etrafındaki havaya bağlıdır. Bu birkaç farklı şekilde ifade edilebilir.
Öncelikle, rüzgarsız bir durumda sabit duran bir pervane için statik pervane itkisi denklemine bakacağız.
Ardından dinamik pervane itkisi için bir denkleme bakacağız.
Daha fazla okuma: Bir Rüzgar Tüneli ile Pervane Testi
Statik Pervane İtki Denklemi
İlk olarak, itki havanın kütle debisine ve hava hızındaki değişime bağlıdır:
Kütle debisi, hava yoğunluğu, pervanedeki hava hızı (Vₚ) ve pervanenin kapladığı alan cinsinden ifade edilebilir:
Bu nedenle pervane itkisi denklemini şu şekilde yeniden yazabiliriz:
Ve hızı ölçülebilirken, Vp'yi nicelleştirmek daha zordur. Bunu, itkiyi pervane diski üzerindeki kuvvet olarak düşünerek çözebiliriz; bu kuvvet, disk boyunca oluşan basınç değişimi ile alanın çarpımına eşittir:
ve:
Bu nedenle:
Yani pervane itkisini hesaplamak için hava yoğunluğuna, pervanenin yarıçapına ve pervaneye giren ve çıkan hava hızına ihtiyacımız vardır.
Web sitesinde, NASA, yukarıdaki denklemlerin Bernoulli ilkesi kullanılarak nasıl türetildiğini gösterir.
Dinamik Pervane İtki Denklemi
Dinamik pervane itkisini hesaplarken pervanenin / aracın ileri hava hızının yanı sıra devir sayısını ve pervane boyutlarını da dikkate almalıyız:
Bu denklem Electric Aircraft Guy tarafından türetilmiştir. Pervane çapını, adımı, pervanenin ileri hava hızını ve devir sayısını kullanır.
Kullanıcının pervane çapını metre yerine inç cinsinden girebilmesi için bir düzeltme uygulandığını belirtmek önemlidir.
Ayrıca sonuçları ölçtüğü verilere yaklaştırmak için düzeltme sabitleri de uygulamıştır, ancak itkiyi hala %15-30 oranında düşük tahmin edeceğini öngörmektedir.
Pervane İtki Hesaplayıcısı
Mejzlik Propellers, bir pervanenin ürettiği itkiyi tahmin etmek için kullanılabilecek statik ve dinamik itki hesaplayıcıları sunar.
Hesaplayıcılar, Mejzlik'in test ettiği pervanelerin performansına dayanarak verileri aralayarak çalışır. Web sitelerine göre bu, çapı 10’’ ile 48’’ arasında değişen çok motorlu pervane modellerini kapsar.
Statik Pervane İtki Hesaplayıcısı
Statik itkiyi hesaplamak için girmeniz gereken tek şey:
- Çap
- Kanat sayısı
- İtki/ pervane
- Hava yoğunluğu
- Motor verimliliği
Bu hesaplayıcıyı bir dronun ne kadar ağırlık taşıyabileceğini öğrenmek için kullandık. Arayüz şu şekildedir:
Şekil 2: Mejzlik'in pervane statik itki hesaplayıcısı
Dinamik Pervane İtki Hesaplayıcısı
Dinamik hesaplayıcı şunları gerektirir:
- Motor girdileri (Io, Rm, KV, ESC verimliliği)
- Pervane çapı
- Pervane adımı
- Hava yoğunluğu
- Sürtünme
- Araç hızı
Hesaplayıcılar, farklı RPM değerlerinde itki ve verimliliği karşılaştıran grafikler oluşturur. Ayrıca güç tüketimini tahmin eder ve sonuçlarınızı benzer pervane boyutları için elde edilen sonuçlarla karşılaştırır.
Eğer kendinize “yapımım için hangi boyutta pervane kullanmalıyım?” diye soruyorsanız ve nereden başlayacağınıza dair bir başlangıç noktasına ihtiyacınız varsa, bu harika bir araç olabilir.
Hesaplayıcılar aşağıdaki feragatnamelerle birlikte gelir:
- Sadece çok motorlu pervane modelleriyle sınırlıdır, bu nedenle pervane adımını ayarlayamazsınız (sizin için en uygun adım seçilir)
- RPM ve güç değerleri yalnızca Mejzlik çok motorlu pervane modelleri için geçerlidir
- Kanat sayısı arttıkça doğruluk azalır
- Motor verileri üreticiyle doğrulanmalıdır
Statik ve Dinamik Pervane Dengeleme Teknikleri hakkında daha fazla bilgi edinin
Bir İtki Standı ile Pervane İtkisi Nasıl Ölçülürür
Bir pervanenin ne kadar itki üretebileceğini gerçekten bilmek istiyorsanız, en iyi yol onu test etmektir. itki test standlarımız statik ve dinamik testleri destekler, bu nedenle neyi ölçmek isterseniz isteyin ihtiyacınızı karşılar.
Pervanenizin itkisini test etmek için şunlara ihtiyacınız olacak:
- Pervane
- Motor
- ESC / motor kontrolcüsü
- itki test standı
- Güç kaynağı
- Test yazılımı
Gerekli ekipmanları topladıktan sonra, itki testinizi kurmanın zamanıdır:
- itki test standını sert bir yüzeye sabitleyin
- ESC ve motorunuzu itki test standına takın
- Pervanenizi motorunuza takın
- itki test standını güç kaynağına ve yazılıma bağlayın
- Yazılımla itki test standını kontrol edin ve verilerin gelmesini izleyin
Bu videoda bu kurulumu nasıl yapacağınızı gösteriyoruz, ayrıca ekstra gerçekçi dinamik sonuçlar elde etmek için bir rüzgar jeneratörü kullanıyoruz:
Pervane testleri için, yazılım tarafından kaydedilen pervane verimi gibi pervane itki verileriyle ilgileneceksiniz.
İşte dışa aktarılan verilerin nasıl göründüğüne dair bir örnek:
Örnek: Bir Pervanenin İtkisi Nasıl Belirlenir
Belirli bir pervanenin ihtiyacınız olan itkiyi üretebileceğini öğrenmenin birkaç yolu vardır ve bu teknikleri genellikle birlikte kullanabilirsiniz.
Diyelim ki toplam ağırlığı 40 kg olan bir quadcopter dron inşa ediyoruz ve iyi bir manevra kabiliyeti için havada asılı kalmada gereken itkinin iki katını, yani 80 kgf üretmek istiyoruz.
Dört pervaneye bölündüğünde, bu, pervane başına 20 kgf itki üretebilmemiz gerektiği anlamına gelir.
Yeterli itki üreten bir pervane nasıl bulabiliriz? Bu adımları izleyeceğiz:
- Pervane veritabanında itki verilerini kontrol edin
- Bir pervane itki hesaplayıcısı kullanın
- Pervaneyi bir itki test standı ile test edin
Pervane Veritabanını Kontrol Edin
Dron motoru ve pervane verilerinden oluşan ücretsiz bir veritabanı sunuyoruz. Veriler, pervanelerini test etmek için itki test standlarımızı kullanan kullanıcılar tarafından sağlanmaktadır.
20 kgf itki üretebilen pervane boyutunu öğrenmek için “Test Data” başlığına ve ardından “Add filters” düğmesine tıklayacağız. Sonra “Data”, “Powertrain Data” düğmelerine tıklayacağız ve ilk açılır menüden “Thrust (kgf)” seçeneğini, bir sonraki açılır menüden “≥” seçeneğini ve son olarak son kutuya manuel olarak 20 gireceğiz. Son olarak “Apply Filters” düğmesine tıklayabiliriz.
Bu ayarlar, en az 20 kgf kuvvet üreten pervanelerle gerçekleştirilen tüm testleri gösterecektir.
Görünen tabloda, kriterlerimize uyan pervanelerin çapını ve adımını gösteren “Propellers” sütununa bakabiliriz. Onlar hakkında daha fazla bilgi edinmek istersek, daha fazla ayrıntı ve veri elde etmek için her bir teste tıklayabiliriz.
Örneğin, bu 62” pervane için 20 kgf’den fazla itki ürettiğini görebiliriz:
Şekil 6: Veritabanından alınan pervane veri tablosu
Bununla birlikte, ihtiyacımızdan çok daha fazla itki üretiyor, bu da muhtemelen gereğinden büyük olduğu anlamına geliyor. Aşırıya kaçmadan bize yeterli itki sağlayacak bir pervane bulmak için diğer sonuçlara bakabiliriz. Bu, ihtiyacımızdan fazla ağırlık taşımadığımızdan emin olmamızı sağlayacaktır.
Adımı 10 olan bu 48” pervane iyi bir örnektir, çünkü 20 kgf’ye kadar itki üretir, ancak bundan çok fazla ileri gitmez:
Şekil 7: 48” pervanenin itki grafiği
Pervane İtki Hesaplayıcısı
Pervanemizin performansını tahmin etmek için motorumuzun, pervanemizin ve ortamın özelliklerini statik pervane itki hesaplayıcısına girebiliriz.
Fırçasız bir motorun ortalama maksimum verimliliğinin yaklaşık %78 olduğunu yakın zamanda öğrendik, bu nedenle motorumuzun verimliliğinin bu olduğunu varsayacağız.
Şekil 8: Pervane itki hesaplayıcısı çıktısı
Hesaplayıcı sonuçları bize 48” pervanenin 1880 devir/dakikada 20 kgf itki üretebildiğini gösteriyor.
İtki Standı Sonuçları
İhtiyacımız olan itkiyi üretip üretmediğini doğrulamak için 48” pervanemizi bir itki test standı kullanarak test edebiliriz. Ayrıca verimliliğini ölçebilir ve en verimli olanı bulmak için diğer pervanelerle karşılaştırabiliriz.
Series 1585 gibi bir itki test standı 5 kgf'ye kadar olan daha küçük pervaneler için harika çalışır, ancak 20 kgf'ye kadar ölçüm yapmamız gerekiyor, bu nedenle Flight Stand 50 en iyi sonucu verecektir.
Motorumuzu ve 48” pervanemizi Flight Stand 50'ye monte ederiz, ardından Flight Stand Yazılımını kullanarak manuel olarak kontrol edilen bir test gerçekleştiririz. Gaz kolunu kademeli olarak açarak ihtiyacımız olan 20 kgf itkiye ulaşıp ulaşmadığımızı görürüz.
Bu test, pervanenin ihtiyacımız olan itkiyi sağlayabileceğini doğrulamaktadır. 10 ila 20 kgf arasındaki çalışma aralığımızda hangisinin en verimli olduğunu görmek için benzer çap, adım ve malzemeye sahip farklı pervaneler kullanarak testi tekrarlayabiliriz.
Sonuçları Karşılaştırın
itki test standındaki testten verileri dışa aktardık ve sonuçları itki hesaplayıcısından elde edilen sonuçlarla yan yana grafik haline getirdik (Şekil 10).
İlginç bir şekilde, itki hesaplayıcısı pervanenin performansını düşük tahmin etmiştir. Tüm devir/dakika değerlerinde, itki test standı tarafından ölçülen itki, hesaplayıcı tarafından tahmin edilenden daha yüksekti.
Bu, hesaplayıcının performansı fazla tahmin etmesi ve hava aracının düşük performans göstermesi yerine, genellikle tercih edilen senaryodur.
Bu fark muhtemelen pervanedeki küçük farklılıklardan kaynaklanmaktadır - örneğin, kullandığımız pervanenin adımı hesaplayıcının varsaydığından farklı olabilir.
Bu durum, pervanenizin gerçek itkisini ve performansını bilmek istiyorsanız fiziksel testin en iyi yol olduğunu göstermektedir.
Sonuç
Sonuç olarak, denklemler ve itki hesaplayıcıları kullanarak pervanenizin ürettiği itkiyi tahmin etmenin birçok yolu vardır.
Ancak, itki sisteminizde gerçekten ne kadar itki ürettiklerini bilmek istiyorsanız, bunu öğrenmenin en iyi yolu onları bir itki test standı ile test etmektir.
Pervane performansı hakkında daha fazla bilgi edinmek için Pervane Dengesizliğinin İHA Performansını Nasıl Etkilediği hakkındaki beyaz kitabımıza göz atın.
Pervanelerinizi test etmek isterseniz, pervane test standlarımıza göz atın:
- Series 1585 - 5 kgf'ye kadar itki / 2 Nm tork ölçer
- Flight Stand 15 - 15 kgf'ye kadar itki / 8 Nm tork ölçer
- Flight Stand 50 - 50 kgf'ye kadar itki / 30 Nm tork ölçer
- Flight Stand 150 - 150 kgf'ye kadar itki / 150 Nm tork ölçer
- Flight Stand 500 - 500 kgf'ye kadar itki / 1500 Nm tork ölçer