Дослідження NRC: обмерзання пропелерів дронів на високих обертах

Випробували чотири пропелери діаметром 8–14 дюймів: три вуглепластикові та один склопластиковий.

Їх характеристики наведено в таблиці 1. Усі випробування завершували при зниженні тяги на 50%. 

Таблиця 1. Характеристики пропелерів

Частина 1. Медіанний об’ємний діаметр крапель (MVD)

Спочатку дослідили вплив розміру крапель на лід і характеристики трьох CF-пропелерів. MVD задавали 20, 40 або 60 мкм за незмінних 8000 об/хв, TAS = 15 м/с, AOS = 0°, SAT = −12 °C та LWC = 0,5 г/м³.

Для всіх пропелерів і MVD вплив льоду на тягу починався приблизно через 20 с: тяга повільно й поступово знижувалася.

Для Prop1 при MVD = 20 і 40 мкм зниження тимчасово виходило на плато, після чого відновлювалося. За 60 мкм плато не було. Для Prop21 і Prop3 спостерігали подібні, але коротші плато.

Prop1 досягав 50% тяги за 75–130 с — приблизно вдвічі довше за Prop21 (48–64 с) та Prop3 (40–47 с), рисунок 4a. 

Рисунок 4. Зміни тяги (a) та крутного моменту (b) з часом за різних MVD

Лід також збільшував крутний момент і електричну потужність. При зниженні тяги до 50% для Prop1 зростання моменту становило 150% (рисунок 4b), а електричної потужності — 100% від початкового значення (рисунок 5).

Для Prop21 зростання було меншим: 100% моменту та 60% потужності; для Prop3 — 40% і 25%.

Рисунок 5. Зростання електричної потужності з часом обмерзання

Плато тяги дослідники пов’язують зі скиданням льоду та/або його переміщенням до кінців лопатей. Загальна маса льоду й час до 50% тяги за MVD = 60 мкм наведені в таблиці 2.

Зі збільшенням діаметра пропелера потрібний час зменшувався. 

Таблиця 2. Маса льоду й час розпилення до 50% тяги за MVD = 60 мкм

Частина 2. Вміст рідкої води (LWC)

Дослідили LWC = 0,2; 0,5 та 1,0 г/м³ за 8000 об/хв, TAS = 15 м/с, AOS = 0°, температури −12 °C та MVD = 20 мкм.

LWC мав подібний до MVD, але сильніший вплив: зі зростанням LWC час до 50% тяги зменшувався.

Для трьох LWC час істотно відрізнявся: у вихідному описі наведено 20–50 с для 0,2 г/м³, 45–130 с для 0,5 г/м³ та 120–430 с для 1,0 г/м³.

Як і для MVD, тяга виходила на плато, помітніше для 0,2 і 0,5 г/м³, ніж для 1,0 г/м³. За LWC = 1,0 г/м³ скидання льоду не спостерігали, що частково пояснює швидше зниження до 50% (рисунок 6). 

Рисунок 6. Скидання льоду за LWC = 0,2 г/м³ (ліворуч) і його відсутність за 1,0 г/м³ (праворуч)

Момент і потужність також зростали, найбільше при LWC = 0,5 г/м³. Для Prop1 зростання становило 130% і 80%, для Prop21 — 100% і 60%, для Prop3 — 30% і 20%.

Загалом LWC сильніше впливав на стійкість до обмерзання, ніж MVD, що видно з коротшого часу до 50% тяги за 1,0 г/м³ (таблиця 3). 

Таблиця 3. Маса льоду й час розпилення до 50% тяги за LWC = 1,0 г/м³

Частина 3. Статична температура повітря (SAT)

Перевірили SAT = −2, −5 та −12 °C за 8000 об/хв, TAS = 15 м/с, AOS = 0°, MVD = 20 мкм та LWC = 0,5 г/м³.

Усі три пропелери найшвидше втрачали тягу за −12 °C, потім за −5 °C. За −2 °C Prop21 і Prop3 не досягли 50%, зберігаючи щонайменше 80% початкової тяги.

За −5 °C Prop1 і Prop21 проходили кілька циклів скидання льоду. Prop1 зрештою досягав 50%, а Prop21 — ні. Лише Prop1 досягав 50% за всіх трьох температур (рисунок 7).

Рисунок 7. Зміни тяги (a) та моменту (b) з часом за різних SAT

Наростання та скидання льоду впливали й на вібрацію, яку стенд вимірював у g.

Накопичення льоду підвищувало вібрацію, а скидання знижувало її (рисунок 8). 

Рисунок 8. Вібрація під час циклів скидання льоду

Частина 4. Частота обертання

Далі випробували 9000 об/хв — на 1000 більше. Змінювали LWC і SAT, оскільки раніше вони впливали сильніше за MVD.

Збільшення до 9000 об/хв не спричинило значних змін наростання льоду й втрати тяги.

На рисунку 9 порівняно нормовану тягу Prop21 на 8000 і 9000 об/хв за найгірших умов: SAT = −12 °C, MVD = 20 мкм, LWC = 1,0 г/м³. 

Рисунок 9. Нормована тяга Prop21 з часом на 8000 і 9000 об/хв

Після випробувань на 9000 об/хв візуально виявили більше скидання льоду за деяких умов, але без суттєвих відмінностей характеристик.

Частина 5. Кут ковзання

Для моделювання горизонтального польоту пропелер нахилили на 30° відносно потоку труби.

Задали 8000 об/хв і MVD = 20 мкм, змінюючи LWC між 0,2; 0,5 і 1,0 г/м³ та SAT між −2, −5 і −12 °C.

Читайте також: Випробування силових установок в аеродинамічній трубі Університету Оттави

На початку обмерзання динамічна тяга зростала. Автори пов’язують це зі зменшенням ефективної швидкості потоку до пропелера під кутом 30°: 13 м/с замість 15.

Іншого помітного впливу кута 30° на стійкість Prop21 не виявили навіть за найгірших умов: −12 °C, 20 мкм і 1,0 г/м³ (рисунок 10).

Рисунок 10. Нормована тяга Prop21 за AOS = 0° і 30°

Частина 6. Матеріал лопатей

Склопластиковий Prop22 порівняли з вуглепластиковим Prop21 такого самого діаметра за AOS = 0° та 8000 об/хв. LWC змінювали між 0,2; 0,5 і 1,0 г/м³, SAT — між −2, −5 і −12 °C.

Для GFR виявили дві відмінності. Перша — швидше зниження тяги за LWC = 0,2 г/м³.

Друга — зниження тяги Prop22 приблизно на 25% перед скиданням льоду за SAT = 2 °C (рисунок 11), тоді як Prop21 такого не показав.

Відповідно зростали момент і потужність, чого для Prop21 не спостерігали. В інших випадках стійкість обох матеріалів була дуже подібною.

Рисунок 11. Тяга, момент і потужність Prop22 залежно від часу обмерзання

Висновок

Дослідження докладно описало стійкість малих пропелерів БПЛА до обмерзання на високих обертах і дало практичні висновки.

Більші пропелери швидше втрачали половину тяги, тобто діаметр має значення. GFR-лопаті були менш стійкими за CF та легше втрачали тягу.

Без належного розуміння показники можуть вводити в оману. У кількох випробуваннях скидання льоду тимчасово зупиняло зниження тяги.

Оператор може помилково вирішити, що вплив льоду досяг максимуму, хоча після плато тяга знову різко падала.

Без втручання обмерзання зазвичай погіршується. Оператори мають добре розуміти значення змін характеристик.

NRC планує додаткові експерименти з більшими пропелерами для розширення знань.

Читайте також: Як виміряти ККД безколекторного двигуна та ефективність пропелера