Автор звіту — Жан Шмітт
Багато БПЛА мають двомоторні або коаксіальні рушійні системи, у яких два ротори обертаються навколо спільної осі в протилежних напрямках.
Під час проєктування таких систем потрібно враховувати кілька змінних: співвідношення розмірів пропелерів, частоти їх обертання та відстань між роторами. Правильні рішення дають змогу створити БПЛА з найкращими можливими показниками тяги, крутного моменту й ефективності.
Нещодавно ми завершили дослідження, у якому порівняли різні двомоторні та коаксіальні конфігурації роторів.
Ми дослідили вплив кожної змінної на характеристики, зокрема:
- Частоти обертання ротора
- Відстані між роторами
- Розміру пропелера
- Співвідношення частот обертання роторів
Ми вважаємо, що ці результати корисні всім розробникам безпілотних літальних апаратів: вони допомагають удосконалювати конструкції, підвищувати ефективність і поліпшувати характеристики.
Методика
Цей звіт узагальнює результати дослідження фізичної взаємодії роторів під час коаксіальних випробувань, насамперед впливу переднього ротора на задній. Ми кількісно оцінили вплив відстані між роторами, частоти обертання та діаметра пропелера.
Для випробувань ми використали два стенди тяги Flight Stand 50 , які вимірюють тягу до 50 кгс і крутний момент до 30 Н·м, а також частоту обертання, напругу, струм, механічну й електричну потужність, ефективність пропелера, ККД двигуна та загальну ефективність рушійної системи.
Програмне забезпечення Flight Stand керує стендом і дає змогу випробовувати до 8 силових установок одночасно. Також можна керувати Flight Stand дистанційно , залишаючись на безпечній відстані від пропелерів, що обертаються.
Під час коаксіальних випробувань два стенди Flight Stand встановили «спина до спини» на рейковій системі. На блоці вимірювання сили (FMU) кожного стенда закріпили безщітковий двигун із пропелером.
Пропелери налаштували на обертання в протилежних напрямках, щоб крутні моменти двигунів компенсували один одного й урівноважували конструкцію. У БПЛА така коаксіальна схема допомагає уникнути обертання навколо вертикальної осі під дією крутного моменту.
Задній пропелер перевернули, щоб створений ним потік повітря мав той самий напрямок, що й потік від переднього пропелера (рисунок 1).
У випробуваннях зі змінною відстанню між роторами відстань вимірювали між двома FMU.
Як частота обертання пропелерів і відстань між роторами впливають на тягу та крутний момент
Спочатку ми дослідили вплив частоти обертання й відстані між роторами на тягу та крутний момент заднього ротора 2 (R2). Ми очікували, що ротор 1 (R1) впливатиме на характеристики R2, оскільки той розташований безпосередньо в потоці повітря від R1.
Першу серію випробувань провели за двох частот обертання R1: 1 600 і 2 200 об/хв. Випробування також повторили для чотирьох відстаней: 10, 30, 50 і 70 мм. Результати наведено на рисунках 2 і 3.
Рисунок 2. Залежність тяги R2 від частоти обертання за чотирьох коаксіальних відстаней і двох частот R1
На рисунку 2 показано зміну тяги R2 залежно від його частоти обертання за різних частот R1 і відстаней між роторами. Видно дві групи кривих, кожна з яких відповідає певній частоті R1. Коли R1 обертався швидше — із частотою 2 200 об/хв, — тяга R2 була нижчою за всіх відстаней і частот R2.
Рисунок 3. Залежність крутного моменту R2 від частоти обертання за чотирьох відстаней і двох частот R1
На рисунку 3 показано зміну крутного моменту R2 залежно від його частоти обертання за тих самих частот R1 і відстаней, що й у попередньому випробуванні. Знову утворюються дві групи кривих, визначені частотою R1. Як і тяга, крутний момент R2 був нижчим, коли R1 обертався з частотою 2 200 об/хв.
І для тяги, і для крутного моменту істотного впливу відстані між роторами на результати R2 не спостерігається. Загалом можна зробити висновок: збільшення частоти обертання переднього ротора R1 зменшує тягу та крутний момент заднього ротора R2.
Читайте також: Аналіз потужності та ККД безщіткового двигуна
Вплив розміру заднього пропелера на тягу та крутний момент
У цьому розділі досліджуємо, як зміна розміру (діаметра) пропелера R2 впливає на його тягу та крутний момент. Використали задні пропелери двох розмірів: 40 дюймів, як і передній, та 47 дюймів.
На практиці БПЛА використовують різні двигуни й конфігурації пропелерів. Виробники часто обирають коаксіальну схему завдяки високій щільності тяги: вона дає змогу переносити важчі вантажі, зберігаючи компактність апарата.
Ця схема найкраще підходить для невеликих апаратів і рідше застосовується у великих VTOL або eVTOL через нижчу ефективність. Далі у звіті розглянуто ефективність R2 за різних частот обертання та положень R1. Для великих апаратів, які мають долати значні відстані, втрата ефективності є серйозним недоліком. Саме тому коаксіальну схему переважно застосовують у менших дронах, де пріоритетами є компактність і максимальна тяга.
Частоту обертання змінювали, підтримуючи постійну відстань між FMU — 20 мм.
Рисунок 4. Залежність тяги R2 від частоти обертання із заднім пропелером 40 дюймів (угорі) та 47 дюймів (унизу)
На рисунку 4 показано тягу R2 залежно від його частоти обертання за чотирьох частот R1. Верхній графік відповідає задньому пропелеру 40 дюймів, нижній — 47 дюймів. Як і очікувалося, пропелер 47 дюймів створював більшу тягу за всіх частот R1 і R2.
Для обох розмірів пропелера тяга R2 зменшувалася зі збільшенням частоти R1 з 1 600 до 2 200 об/хв. Аналогічне зниження спостерігали для крутного моменту (дані не наведено). Задній пропелер 47 дюймів демонстрував більше зниження тяги, про що свідчить більша відстань між точками даних за 1 600 і 2 200 об/хв.
Ми маємо дві гіпотези щодо причин цього явища.
Гіпотеза 1: потік від переднього пропелера діє на задній із певною силою. Це навантаження спрямоване протилежно силі тяги R1 (рисунок 5) і реєструється FMU. У результаті сила опору віднімається від початкового значення тяги, яке записується.
Рисунок 5. Сили тяги та опору, що діють на R1 і R2
Гіпотеза 2: R1 створює турбулентність, а індукований опір протидіє тязі й крутному моменту R2. Про існування цього опору свідчить авторотація, яку спостерігаємо, коли подаємо газ на R1, але не на R2. Що швидше обертається R1, то більший опір і помітніша втрата тяги.
Коли на передній ротор подають газ і він починає обертатися, задній пропелер обертається без подавання газу. Крутний момент від’ємний, оскільки вимірюється момент опору двигуна, який гальмує обертання пропелера. Його спричиняє опір потоку повітря від R1.
Таку реакцію можна спостерігати без подавання електричної потужності: R2 обертається самостійно й стає своєрідною вітротурбіною (рисунок 6).
Рисунок 6. Аеродинамічні сили, що спричиняють авторотацію лопаті ротора (джерело)
Тривимірний графік на рисунку 7 показує зміну крутного моменту R2 за різних частот R1 і R2. Синю та жовту поверхні побудовано шляхом інтерполяції наведених точок даних.
Синя поверхня відображає крутний момент за відстані між роторами 10 мм, жовта — 25 мм. Графік демонструє від’ємний крутний момент за малого або нульового газу на R2.
Рисунок 7. Зміна крутного моменту R2 залежно від частот обертання роторів: відстань 10 мм (синій) і 25 мм (жовтий)
Ефективність пропелера
Ефективність пропелера — один з основних показників роботи ротора: вона характеризує створювану тягу відносно підведеної потужності.
Ефективність пропелера обчислюють як тягу, поділену на його механічну потужність — добуток кутової швидкості та крутного моменту.
Ми дослідили зміну ефективності пропелера залежно від частоти обертання та відстані між роторами. На рисунку 8 ефективність пропелера R2 показано як функцію частоти R2. Кожна крива відповідає певному поєднанню частоти R1 (1 600 або 2 200 об/хв) і відстані (10, 30, 50 або 70 мм).
Вимірювання виконували за частот R2 1 200, 1 400, 1 600, 1 800, 2 000 і 2 200 об/хв; криві отримали інтерполяцією цих точок.
Рисунок 8. Ефективність пропелера R2 залежно від частоти обертання та відстані між роторами
Видно дві групи кривих, розділені за частотою обертання R1. За всіх частот R2 і відстаней ефективність пропелера R2 вища за більшої частоти R1 — 2 200 об/хв.
Для кривих із частотою R1 2 200 об/хв ефективність R2 послідовно знижується в усьому діапазоні частот R2. За частоти R1 1 600 об/хв ефективність R2 спочатку зростає й досягає максимуму приблизно за 1 450 об/хв, після чого поступово знижується паралельно іншій групі кривих для більшої частоти R1.
За високих частот обертання відстань між роторами майже не впливає на ефективність пропелера R2. За нижчих частот обох роторів менша відстань відповідає вищій ефективності в межах групи.
Ця різниця помітніша за низьких частот R1 і R2, ніж за високої частоти R1 та низької частоти R2. Ефект стає видимим за частоти R2 приблизно 1 750 об/хв і нижче.
Висновок
Це дослідження дало змогу спостерігати вплив кількох змінних на характеристики коаксіальних роторних систем. Ми з’ясували, що передній ротор істотно впливає на задній.
Основні висновки дослідження:
- Збільшення частоти обертання переднього пропелера може зменшувати тягу й крутний момент заднього.
- Збільшення розміру (діаметра) заднього пропелера може посилювати відносне зниження його тяги зі зростанням частоти обертання переднього пропелера.
- У коаксіальній схемі більше перекриття площ дисків пропелерів (%) може призводити до більшої втрати тяги заднього пропелера.
- Під впливом переднього пропелера на задньому можна спостерігати від’ємні тягу й крутний момент, а також авторотацію.
- За низьких частот (<1 750 об/хв) ефективність заднього пропелера може бути вищою за меншої відстані між роторами.
- За вищих частот (>1 750 об/хв) відстань між пропелерами майже не має спостережуваного впливу на ефективність заднього пропелера.
- Ефективність заднього пропелера може бути вищою за більшої частоти обертання переднього.
Читайте також: Як випробовувати безщіткові двигуни
Напишіть у коментарях, що ви хотіли б дослідити наступним!