«Результати показують: для різнорозмірних пар менший пропелер слід розміщувати попереду за потоком, щоб підвищити ефективність. Для максимальної тяги краще використовувати два однакові пропелери».
У нещодавньому дослідженні «Дослідження робочих характеристик різнорозмірних коаксіальних роторів»Макс Майлз і доктор Стівен Д. Прайор аналізують вплив розміру пропелерів і відстані між ними на тягу, ефективність і споживання потужності рушійних систем БПЛА.
Попередні дослідження вказували, що менший пропелер перед більшим може поліпшити характеристики за оптимального відношення відстані z/D від 0,1 до 0,4. Команда доктора Прайора вирішила перевірити ці результати й поглибити розуміння динаміки коаксіальних роторів.
Випробувальна установка
Досліди проводили на Flight Stand 15 Pro— добре знайомому команді стенді. Доктор Прайор зазначив: «Протягом останнього десятиліття ми використовували різні стенди TYTO — 1585, 1780 і FS15 — для кращого розуміння й вимірювання характеристик масштабних пропелерів». Команда також створила сценарій MATLAB для оптимізації конструкцій і випробування 3D-друкованих пропелерів під конкретні робочі діапазони.
Рисунок 1. Стенди тяги Flight Stand 15 Pro в коаксіальній конфігурації «обличчям до обличчя»
Кожен пропелер приводився електродвигуном T-Motor U8 Kv100; після початкової перевірки характеристики скоригували до Kv80. Двигунами керували ESC T-Motor Alpha 60A 6S, а живлення забезпечували повністю заряджені акумулятори LiPo 25C 6S (22,2 В).
Дослідили поєднання вуглепластикових пропелерів T-Motor діаметром 26 і 29 дюймів за п’яти z/D: 0,05, 0,1, 0,2, 0,3 та 0,35. Тут z — відстань між лопатями, D — діаметр пропелера.
Обидва пропелери працювали за однакового газу. Починали з 20%, чекали стабілізації й збільшували газ кроками по 5% до 90%. Програма стенда записувала тягу, струм, крутний момент, оберти, вхідну електричну й вихідну механічну потужність.
Спочатку пропелери випробували окремо для отримання бази порівняння. Її названо «ідеальною коаксіальною парою»: два ізольовані пропелери, що працюють незалежно без взаємного впливу.
Нижче узагальнено основні результати.
Результати
Оптимізація відстані між роторами (z/D)
Оптимальна відстань за критерієм мінімальних втрат тяги дещо відрізнялася між конфігураціями. Залежність мала характерну форму: за малої відстані характеристики гірші, зі збільшенням поліпшуються, а потім знову погіршуються (рисунок 2).
Для різнорозмірної пари з меншим пропелером попереду оптимальне z/D становило 0,2; для інших конфігурацій — від 0,1 до 0,2.
Рисунок 2. Втрати тяги однакових і різнорозмірних коаксіальних систем порівняно з ідеальною парою
Втрати тяги
На рисунку 3 показано відсоток втрат тяги кожної системи порівняно з ідеальною парою. Для різнорозмірних пропелерів найменші втрати забезпечувало розташування меншого попереду за потоком.
Пара 26 дюймів попереду й 29 дюймів позаду мала мінімальні втрати 17,3%, а зворотна конфігурація — 23,8%.
Рисунок 3. Втрати тяги різних коаксіальних систем порівняно з ідеальною парою
Загальна тяга
Найбільшу сумарну тягу створювали однакові пропелери. Пара 29 дюймів досягла 34,9 Н за максимального газу — на 12% більше за найкращу різнорозмірну комбінацію.
Серед різнорозмірних пар менший пропелер 26 дюймів попереду більшого 29 дюймів давав на 2,2 Н більше тяги за максимального газу, ніж зворотне розташування, — приріст 7,5%.
Рисунок 4. Сумарна тяга однакових і різнорозмірних коаксіальних пар
Щоб зменшити вплив розміру, сумарну тягу нормували на площу диска коаксіальної системи, отримавши навантаження на диск.
Після нормування більша однакова пара 29 дюймів мала найвище навантаження на диск і найбільшу загальну тягу за всіх частот від 400 до 1 700 об/хв.
Рисунок 5. Навантаження на диск коаксіальної системи залежно від обертів
Споживання потужності та ефективність
Задній пропелер у сліді переднього потребував більшої потужності для тієї самої тяги, ніж ізольований. Для обох різнорозмірних пар приріст потужності був меншим, ніж для однакових. Пара з меншим пропелером попереду потребувала на 22,7% більше потужності, а однакові пари — на 27%.
Рисунок 6. Відсоткове збільшення потужності коаксіальних систем порівняно з ідеальною парою
Висновок
Дослідження докладно розглянуло зв’язок коаксіальної конфігурації з характеристиками. Воно підтвердило попередні висновки й дало цінні відомості про вплив положення, відстані та співвідношення розмірів пропелерів на тягу, потужність і ефективність.