Стендове за изпитване на тягата на пропелери: Защо статичните данни подвеждат и какво трябва да се измерва вместо тях
Защо статичната тяга не прогнозира полетните характеристики, как относителното постъпателно движение променя ефективността на пропелера и от какво се нуждае стендът за тяга в аеродинамичен тунел.
Почти всяка програма за безпилотни летателни апарати (БЛА) започва изпитванията на задвижването по един и същ начин: двигател и пропелер, закрепени към стенд, динамометрична клетка, тахометър и таблица, показваща тягата спрямо подадената газ.
Това е полезна таблица. Но тя отразява само един режим на полет, в който летателният апарат почти не прекарва време — и именно при правенето на изводи за продължителност на полета, обсег или скорост на изкачване въз основа на нея, много програми губят месеци.
1. Статичната тяга е само една точка от кривата
Пропелер в неподвижен въздух работи при нулево относително постъпателно движение (advance ratio) . Относителното постъпателно движение, обикновено обозначавано с J, свързва скоростта на движение напред на летателния апарат със скоростта на въртене и диаметъра на пропелера. Висенето се намира при J = 0. Излитането и изкачването са при ниски стойности на J. Крейсерският полет се намира доста по-нагоре по кривата.
С промяната на J, коефициентът на тягата, коефициентът на мощността и ефективността на пропелера също се променят — и то не плавно. Задвижващите системи често се държат съвсем различно при статични изпитвания в сравнение с полет, което е и точната причина изпитванията в поток да се разглеждат като необходима стъпка при сериозната разработка на дронове, а не като опционално усъвършенстване. Публикувани изследвания в аеродинамичен тунел отчитат разлики в ефективността до около 10% между най-ниските и най-високите тествани обороти (RPM), когато относителното постъпателно движение е различно от нула.
Практическото следствие: пропелер, който показва най-добри резултати на стенда, може да се окаже по-слаб в крейсерски режим, а конфигурацията, която в крайна сметка внедрявате, често не е тази, която е дала най-добрите статични показатели.
2. Какво измерва правилното изпитване на задвижването
Изпитателен стенд, монтиран в аеродинамичен тунел, ви дава пълната картина вместо само една точка. Обикновено се провеждат два типа изпитателни кампании:
Статични характеристики — тяга и въртящ момент, измерени в целия диапазон на оборотите при нулева скорост на въздуха. Това е референтната база и режимът на висене.
Характеристики в настъпващ поток — оборотите са зададени на фиксирана стойност, скоростта в тунела се увеличава на стъпки, като във всяка точка се записват тягата и въртящият момент. Това се повтаря за няколко различни настройки на оборотите. От тези данни се изграждат кривите на коефициента на тягата, коефициента на мощността и ефективността спрямо относителното постъпателно движение — кривите, от които се нуждае всяко реално изчисление на характеристиките.
Едновременно се измерват: тяга, въртящ момент, скорост на въртене, входяща електрическа мощност (напрежение и ток) и референтната скорост на тунела. Ефективността без измерване на входящата електрическа мощност ви дава информация само за пропелера; с нея научавате за цялата задвижваща верига, което всъщност определя продължителността на полета.
3. Корекциите, които никой не споменава в техническите спецификации
Два ефекта изкривяват данните за пропелера в тунела и за двата има утвърдени методи за корекция:
Запушване (Blockage). Пропелерът не е малък обект спрямо изпитателната секция и той ускорява потока през себе си. Класическите корекции за запушване от пропелер датират от Glauert (1926) и остават в рутинна употреба.
Локална скорост при диска. Тъй като пропелерът обикновено се тества на държач пред обтекател, скоростта, която реално достига до лопатките, е по-ниска от скоростта, измерена на входа на изпитателната секция, поради което трябва да се приложи корекционен коефициент на скоростта.
Пропуснете което и да е от двете и вашата крива на ефективност ще бъде оптимистична по начин, който ще проличи едва при полетните изпитания, когато летателният апарат не успее да достигне проектната си продължителност на полет.
4. Настолен стенд или аеродинамичен тунел?
| Въпрос | Настолен стенд | Стенд в аеродинамичен тунел |
|---|---|---|
| Тяга при висене и диапазон на оборотите | Да | Да |
| Термични граници на двигателя и ESC | Да | Да |
| Ефективност в крейсерски режим | Не | Да |
| Налична тяга при скорост на изкачване | Не | Да |
| Сравнение на пропелери за реална мисия | Подвеждащо | Да |
| Взаимодействие ротор–ротор и ротор–корпус | Не | Да , с инсталиран апарат |
| Компромис между шум и тяга | Не | Да , в акустично обработена секция |
Настолният стенд не става безполезен — той остава правилният инструмент за тестове за издръжливост, термично натоварване и първоначален подбор на компоненти. Той просто не може да отговори на въпросите, които определят обсега.
5. Какво изисква това от съоръжението
Ако изпитването на задвижването е основно приложение, спецификацията на тунела се променя по специфични начини:
- Качество и стабилност при ниски скорости. Интересната част от кривата на относителното постъпателно движение започва близо до нулата, където е най-трудно да се създаде равномерен поток с ниска скорост.
- Размер на секцията спрямо диаметъра на диска. Ограниченията за запушване определят най-големия пропелер, който можете да тествате достоверно; това е параметърът, който най-често налага преоразмеряване на секцията на късен етап от проекта.
- Твърд, добре центриран монтаж. Измерването на тягата и въртящия момент е толкова добро, колкото е добра конструкцията, държаща двигателя, а резонансът в държача ще се прояви като шум във вашите данни.
- Електрическа инфраструктура при модела. Захранване с голям ток, безопасно боравене с батерии и измервателна апаратура, която може да издържи на това.
- Синхронизирано събиране на данни. Механични, електрически и аеродинамични данни на една времева база — в противен случай ефективността е само приблизителна оценка, а не измерване.
- Опционални акустични възможности. Тяга на ват и шум спрямо тяга са двете криви, които решават дали даден дизайн може да бъде сертифициран, така че си струва да се специфицира микрофонна решетка заедно с везната още в началото, вместо да се прави ретрофит по-късно.
6. Пет грешки
- Сравняване на пропелери по статична тяга. Класирането се променя в зависимост от относителното постъпателно движение.
- Игнориране на корекциите за запушване и скорост. И двете изкуствено завишават характеристиките.
- Измерване на тягата без електрическата мощност. В такъв случай прогнозите за продължителност на полета са просто догадки.
- Тестване само на едни обороти (RPM). Картите на ефективността изискват няколко различни стойности.
- Тестване само на пропелера с очакване апаратът да покаже същите резултати. Ефектите от взаимодействието са реални и могат да бъдат значителни.
7. Изграждане на капацитет
Измерването на задвижването е едно от най-ценните приложения на един скромен аеродинамичен тунел: изпитателната секция може да бъде малка, скоростите ниски, а възвръщаемостта е незабавна под формата на подобрени характеристики на летателния апарат. Това е и естествената първа стъпка за производител на БЛА, който изгражда собствена изпитателна инфраструктура.
Ние проектираме аеродинамични тунели и изпитателни секции точно за такъв тип програми, като монтажът, измервателната апаратура и електрическото осигуряване са планирани още от аеродинамичната концепция. Свързани материали:
Ветрогенератори с масив от вентилатори срещу аеродинамични тунели със затворен контури
Изпитвания в аеродинамичен тунел за градска въздушна мобилност.
Споделете с нас размерите на вашите пропелери и диапазона на скоростите и ние ще ви предложим подходяща секция и набор от измервателна апаратура.
Източници и бележки
- Изпитателни стендове в аеродинамични тунели, измерващи тяга, въртящ момент и скорост на въртене; статични кампании в целия диапазон на оборотите и кампании в настъпващ поток при фиксирани обороти със стъпково увеличаване на скоростта в тунела; коефициенти и ефективност, нанесени спрямо относителното постъпателно движение; разлики в ефективността до около 10% между най-ниските и най-високите тествани обороти при ненулево относително постъпателно движение; корекции за запушване на Glauert (1926) и корекция на скоростта за пропелер, тестван на държач пред обтекател: "Wind Tunnel Study on Drone Propeller Thrust and Efficiency", Unmanned Systems Technology, "Measurement of Static and Dynamic Performance".
- Методология за данни за характеристиките на пропелери при ниски числа на Рейнолдс: Brandt & Selig, AIAA 2011-1255; APC propeller test series, AIAA 2022-4020.
- Дефиниции на коефициентите на тяга и характеристики: Tyto Robotics, propeller performance coefficients.
- Насоките за съоръженията (оразмеряване на секцията спрямо диаметъра на диска, твърдост на монтажа, синхронизирано събиране на данни) са инженерна практика на TunnelTech.