Авторка — Лорен Нейґел
Поширена думка стверджує: принаймні теоретично однолопатеві пропелери ефективніші за пропелери того самого розміру з більшою кількістю лопатей. Нижче розглянемо кілька пояснень.
Ми вирішили перевірити теорію, порівнявши однолопатевий і дволопатевий пропелери тієї самої моделі.
Читайте далі про несподівані результати.
Зміст:
Чому однолопатеві пропелери ефективніші
Експериментальна установка
Результати: одна й дві лопаті
- Оберти й тяга
- Ефективність пропелера
Загальна ефективність
Обговорення: компроміси та чинники впливу
1. Чому однолопатеві пропелери ефективніші
Однолопатеві пропелери комерційно використовували в кількох випадках, зокрема на модифікованих Piper Cub і мотопланерах, але широкого поширення вони не набули.
Це дещо дивує, якщо вони справді ефективніші за моделі з двома й більше лопатями. Чому їх не використовують частіше?
Почнімо з теорій підвищеної ефективності.
За однією теорією, менше лопатей означає менше кінцевих вихорів, що забирають енергію. За малих коефіцієнтів поступу ці вихори спричиняють втрати, тож їх обмеження підвищує ефективність.
За іншою теорією, одна лопать не потрапляє в турбулентний слід інших і тому рухається в менш збуреному повітрі.
Ми перевірили цю теорію на практиці за допомогою Flight Stand 15.
Рисунок 1. Випробування одно- й дволопатевого пропелерів однакового розміру та моделі
2. Експериментальна установка
Ми придбали пару вуглепластикових пропелерів і переробили один на однолопатевий. Потім виконали просте ступінчасте випробування в діапазоні обертів.
Створення однолопатевого пропелера
Процес був відносно простим:
Відрізали більшу частину однієї лопаті
Просвердлили отвір у центрі її залишку
Закріпили болт в отворі
Рисунок 2. Однолопатевий пропелер після модифікації зблизька
Грубо збалансували пропелер на статичному балансирі, регулюючи болт і додаючи шайби до візуальної рівноваги
Рисунок 3. Однолопатевий пропелер на статичному балансирі
Виконали динамічне балансування на Flight Stand, додаючи стрічку до отримання класу 6,996 G
Рисунок 4. Балансування однолопатевого пропелера в програмі Flight Stand
Ми прагнули класу 6,3 G, але не змогли його досягти попри кілька спроб і дедалі точніші коригування маси. Причини обговорюються в розділі 4.
Flight Stand 15 оцінює балансування за вібрацією. Можливо, вплинула аеродинаміка болта, осьове положення противаги потребувало балансування у двох площинах або неврівноважена тяга створювала додатковий шум.
Дволопатевий пропелер без змін досяг класу 5,552 G.
Кінцева маса однолопатевого пропелера — 29 г, дволопатевого — 18 г.
Ми використали один пропелер правого обертання (CW) і один лівого (CCW), оскільки вони були в наявності. Очікується, що ця різниця не впливає на характеристики.
Рисунок 5. Модифікований однолопатевий і дволопатевий пропелери поруч
Рекомендуємо: Як збалансувати трилопатевий пропелер
Порівняльне випробування характеристик
У Flight Stand запрограмували п’ять ступенів газу:
- 1 200 мкс
- 1 350 мкс
- 1 500 мкс
- 1 650 мкс
- 1 800 мкс
Нижче — знімок інтерфейсу одразу після першого випробування.
Рисунок 6. Автоматизоване ступінчасте випробування у Flight Stand
3. Результати: одна й дві лопаті
Оберти й тяга
За однакового газу оберти були майже однакові. Найбільша різниця за 1 650 мкс: 2 330 і 2 318 об/хв відповідно — лише 12 об/хв, або 0,5%. Це вказує на замкнений контур регулювання обертів ESC, адже навантаження пропелерів суттєво відрізнялося.
За однакових обертів дволопатевий пропелер створював значно більшу тягу. Це очікувано, оскільки його підйомна площа майже вдвічі більша. Різниця зростала з обертами.
Рисунок 7. Тяга залежно від обертів одно- й дволопатевого пропелерів
Ефективність пропелера
Ефективність, тобто тяга в гс, поділена на механічну потужність у Вт, була вищою для однієї лопаті за всіх обертів. Це відповідає теорії першого розділу.
Рисунок 8. Ефективність одно- й дволопатевого пропелерів залежно від обертів
Проте графік залежності ефективності від тяги, який порівнює режими з однаковою користю для польоту, показує перевагу однієї лопаті лише за малої тяги.
Рисунок 9. Ефективність одно- й дволопатевого пропелерів залежно від тяги
Читайте також: Як швидкість вітру знижує ефективність пропелера
Загальна ефективність силової установки
Загальна ефективність — тяга в гс, поділена на вхідну електричну потужність у Вт — була вищою для дволопатевої системи за всіх обертів. Для обох ефективність зростала з обертами й виходила на плато приблизно після 2 500 об/хв.
Найбільша абсолютна різниця за 1 500 мкс і 1 720 об/хв становила 1,89 гс/Вт на користь двох лопатей. Найбільша відносна різниця за 1 200 мкс і 495 об/хв — 65%.
Рисунок 10. Загальна ефективність одно- й дволопатевих систем залежно від обертів
Імовірна причина — спільний ККД двигуна й ESC, тобто відношення механічної потужності до електричної. Попри вищу ефективність однолопатевого пропелера, система з двома лопатями мала значно вищий ККД двигуна й ESC.
Обраний пропелер був на нижній межі розмірів, придатних для цього двигуна. Однолопатевий підходив ще гірше через менший крутний момент.
Робота нижче зони максимального ККД означає, що навіть за вищої ефективності пропелера при тязі менш як 0,175 кгс загальна ефективність однолопатевої системи була нижчою в усьому діапазоні.
У наступному експерименті можна внести кілька змін для порівняння за оптимальних умов. Їх розглянуто далі.
Перегляньте наш посібник із побудови карти ККД двигуна , щоб дізнатися більше про вимірювання ефективності.
Обговорення: компроміси та чинники впливу
Компроміси характеристик
Хоча одна лопать справді видається ефективнішою за малої тяги, потрібно враховувати пов’язані компроміси.
Для балансування противага має бути важчою за зняту лопать, оскільки розташована ближче до маточини. Це зайва маса: вона не створює підйомної сили, але, ймовірно, створює опір — майже напевно в нашій конструкції.
Одна з головних причин обмеженого поширення — висока вібрація, яка передається системою й скорочує строк служби підшипників та інших компонентів. Наслідки вібрації для дронів можуть бути серйозними.
Ми порівнювали пропелери в статичних умовах, які не обов’язково відображають політ. Надалі можна повторити досліди з імітацією польоту за допомогою WindShaper для реалістичніших результатів.
Чинники, що ускладнюють порівняння
Досліди дали змогу порівняти характеристики, проте кілька чинників зробили порівняння неідеальним.
Противага була громіздка й необтічна. Ідеальна конструкція мала б обтічну противагу та клас балансування <6,3 G. Імовірно, це поліпшило б результат.
Для мобільності й безпеки наш Flight Stand 15 встановлений на візку з огородженням навколо пропелера. Це впливає на місцеву аеродинаміку, але вплив, на нашу думку, був досить сталим у всіх випробуваннях, тож порівняння залишається чинним.
Двигун, імовірно, був завеликим для цих пропелерів. Оскільки вимірювали крутний момент і механічну потужність, це не скасовує результату. Проте для реального дрона ми обрали б менший двигун або більші пропелери для роботи в зоні максимального ККД. Це змінило б загальний результат силової установки.
Ми виконували однакове випробування, а не порівнювали однакові робочі показники. Цікаво було б отримати однакову тягу за різних обертів або різної геометрії й діаметра — наприклад, порівняти однолопатевий пропелер удвічі більшого діаметра з дволопатевим за однакової тяги.
У реальних умовах максимальна тяга однолопатевого пропелера також обмеженіша. Перевищення швидкості звуку кінцем лопаті спричиняє дуже значне погіршення характеристик.
Підсумок
Результати підтримують думку про вищу ефективність однієї лопаті порівняно з пропелерами того самого розміру з більшою кількістю лопатей. Але за це доводиться платити меншою тягою, більшою масою, вищою вібрацією та швидшим зношенням компонентів.
Дякуємо за увагу до статті. Запитання й пропозиції щодо наступних випробувань залишайте в коментарях.
Хочете більше матеріалів про випробування пропелерів? Завантажте наш безкоштовний технічний матеріал про методи балансування пропелерів:
