Ефективність пропелера за повітряних швидкостей 0–38 миль/год

Авторка — Лорен Нейґел

Випробування в аеродинамічній трубі — важливий етап розроблення дрона, адже рушійна система часто працює по-різному в статичних і реальних умовах.

Наприклад, тяга й ефективність пропелера критичні для виконання завдання, але істотно залежать від повітряної швидкості. Визначення характеристик за різних швидкостей важливе для апаратів, які працюють не лише за сприятливої погоди.

Щоб дослідити зміну характеристик із повітряною швидкістю, ми використали нашу станцію випробування пропелерів і випробували пропелери за швидкостей від 0 до 38 миль/год (0–17 м/с).

Зміст:

1. Порядок випробувань в аеродинамічній трубі

2. Тяга залежно від обертів за різних повітряних швидкостей

3. Співвідношення тяги до потужності

4. Два способи оцінювання ефективності

Рисунок 1. Установка випробування пропелера в аеродинамічній трубі

1. Порядок випробувань

Установка містить три основні вимірювальні компоненти:

1. WindShaper 2×2 — модульну стіну вентиляторів зі швидкістю потоку понад 16 м/с замість традиційної труби. Швидкість і турбулентність кожного вентилятора задають у WindControl.

2. Стенд тяги Series 1585 — вимірює тягу, крутний момент, оберти, струм і напругу для розрахунку потужності й ефективності. Випробування автоматизували через програмне забезпечення Flight Stand.

3. Датчик тиску для вимірювання повітряної швидкості — під’єднаний до трубки Піто й програми Flight Stand; дані швидкості синхронізуються з вимірюваннями стенда.

Рисунок 2. Series 1585 із датчиком повітряної швидкості та трубкою Піто

Ми встановили пропелер 9 дюймів за 210 см від WindShaper і виконали автоматизоване ступінчасте випробування з чотирма рівнями газу: 1 550, 1 700, 1 850 і 2 000 мкс.

Рисунок 3. Ступінчасте випробування в програмі Flight Stand

У кожному досліді підтримували сталі швидкість і турбулентність усіх вентиляторів. Досліди повторили для шести швидкостей: 

• 0 м/с (0 миль/год)

• 4,2 м/с (9,4 милі/год)

• 7,5 м/с (16,8 милі/год)

• 10,7 м/с (24 милі/год)

• 14 м/с (31,3 милі/год)

• 17 м/с (38 миль/год)

Рисунок 4. Потужність вентиляторів WindShaper 100% (17 м/с) у WindControl

Для тарування вимірювали тягу за нульового газу на кожній швидкості потоку й віднімали це значення від сумарної тяги кожного ступеня. За найвищої швидкості пропелер обережно фіксували, щоб він не обертався під час базового вимірювання. Мета — відокремити тягу самого пропелера.

Читайте також: CFD і експериментальні випробування пропелерів: результати

Інші особливості установки:

• Позаду WindShaper потрібно залишити достатньо місця для ефективного забору повітря

• Ми перевірили відсутність перешкод перед входом трубки Піто для вимірювання незбуреного потоку

• Ми прагнули наблизити трубку Піто до пропелера, мінімізуючи збурення. Наступного разу візуалізуємо потік за допомогою WindProbe 3D.

Рисунок 5. WindShaper 2×2 із 36 індивідуально керованими вентиляторами

2. Тяга залежно від обертів за різних повітряних швидкостей

Графік показує залежність тяги від обертів для кожного вітрового режиму. Чотири точки відповідають чотирьом ступеням газу.

Рисунок 6. Тяга залежно від обертів за повітряних швидкостей 0–17 м/с

Тяга зростала з газом і була найбільшою без вітру. Зі збільшенням швидкості потоку для тієї самої тяги були потрібні вищі оберти.

Для заданої тяги оберти збільшувалися зі зростанням газу й повітряної швидкості. Потік WindShaper тисне на лопаті, змушуючи їх обертатися швидше.

Вищі оберти зазвичай пов’язані з більшою тягою, але лише за сталої повітряної швидкості. Тяга залежить від радіуса й кроку пропелера, а також тиску повітря, що проходить через його диск.

Рівняння динамічної тяги нижче (Electric Aircraft Guy) показує зв’язок поступальної повітряної швидкості з тягою. Коефіцієнти теоретичні й залежать від профілю, числа Рейнольдса та умов середовища.

Рівняння корисне для розуміння впливу параметрів: наприклад, зі збільшенням поступальної швидкості тяга зменшується.

Це відбувається, оскільки тяга залежить від різниці швидкостей повітря перед пропелером і за ним. Її також можна виразити так:

Читайте також: Як розрахувати статичну й динамічну тягу пропелера

Коли апарат нерухомий, повітря різко прискорюється, проходячи через пропелер. Під час розгону відносна швидкість повітря перед лопатями V0 зростає, а Ve не збільшується пропорційно, тому тяга зменшується.

Також змінюється вектор відносного потоку — сума векторів обертальної та поступальної швидкостей. Кут між цим вектором і хордою лопаті — кут атаки. Зі зростанням повітряної швидкості кут атаки зменшується, знижуючи тягу.

Рисунок 7. Зміна кута атаки зі збільшенням повітряної швидкості (Родді Макнеймі)

Перегляньте відео Родді Макнеймі про кут атаки лопаті пропелера , щоб дізнатися більше.

3. Співвідношення тяги до потужності

Зі зростанням повітряної швидкості механічна потужність зменшується. Нижче показано зниження тяги й потужності, а також їхнє співвідношення.

Рисунок 8. Тяга, потужність і їхнє співвідношення за 9 000 об/хв

Графік порівнює тягу й потужність за 9 000 об/хв для шести швидкостей на основі кривих характеристик. Співвідношення — це тяга, поділена на потужність.

Видно, що тяга спадає швидше за потужність. За вищої швидкості створюється менша тяга, але споживається подібна потужність, тому співвідношення зменшується.

Між 0 і 17 м/с тяга знизилася на 75%, а потужність — лише на 19%.

Це означає зниження ефективності за вищих швидкостей, як побачимо далі.

Рекомендуємо: Два методи балансування пропелерів дронів

4. Два способи оцінювання ефективності

Нарешті порівняймо ефективність за різних швидкостей двома способами.

Перший вимірює ефективність у грамах-сили тяги на ват механічної потужності, яку визначають через крутний момент і частоту обертання:

Тягу вимірюють у гс, крутний момент — у Н·м, частоту — в об/хв.

Це дає показник у гс/Вт — інтуїтивний спосіб оцінювання рушійних систем VTOL, зокрема дронів.

Оскільки величина має розмірність, точніше називати її показником характеристик.

Другий спосіб — відношення корисної потужності до механічної. Він ураховує аеродинамічний ККД і особливо доречний для поступального польоту, відтвореного в досліді.

Корисна потужність — добуток тяги й швидкості. Зазвичай це швидкість літака, але для нерухомого пропелера в потоці використовуємо швидкість вітру WindShaper, оскільки відносний ефект той самий.

Отже,

тягу вимірюють у Н, швидкість потоку — у м/с, момент — у Н·м, кутову швидкість — у рад/с.

ККД пропелера позначають η; це безрозмірна величина, нижче виражена у відсотках.

Графіки залежності ефективності від обертів для кожної швидкості показують таку тенденцію:

Висновок

Експерименти демонструють зв’язок повітряної швидкості з тягою, потужністю та ефективністю. Такі досліди необхідні для розуміння роботи рушійної системи в реальному польоті.

Тут WindShaper 2×2 створював потік зі сталою швидкістю, але можливості цих установок значно ширші. Натисніть тут , щоб дізнатися, як WindShaper допомагає поліпшити характеристики дрона.