Propellerite tõmbejõu katsestendid: miks staatilised näitajad on eksitavad ja mida tuleks tegelikult mõõta
Miks staatiline tõmbejõud ei ennusta lennujõudlust, kuidas edenemissuhe muudab propelleri tõhusust ja mida vajab tõmbejõu stend tuuletunnelis.
Peaaegu iga mehitamata õhusõiduki (UAV) programm alustab tõukejõu testimist ühtemoodi: mootor ja propeller kinnitatakse katsestendile, lisatakse jõuandur, tahhomeeter ning koostatakse tabel, mis näitab tõmbejõu sõltuvust gaasist.
See on kasulik tabel. Samas kajastab see lennutingimust, milles õhusõiduk viibib vaid murdosa ajast – ning tehes selle põhjal järeldusi lennukestvuse, lennukauguse või tõusuvõimekuse kohta, kaotavad paljud programmid kuid.
1. Staatiline tõmbejõud on vaid üks punkt kõveral
Seisvas õhus töötava propelleri edenemissuhe on null . Edenemissuhe, mida tähistatakse tavaliselt tähega J, seob õhusõiduki edasiliikumise kiiruse propelleri pöörlemiskiiruse ja läbimõõduga. Hõljumisel on J = 0. Õhkutõus ja tõus toimuvad madala J väärtuse juures. Matkalend asub kõveral märksa kõrgemal.
J väärtuse muutudes muutuvad ka propelleri tõmbejõutegur, võimsustegur ja tõhusus – ning need muutused on märkimisväärsed. Tõukejõusüsteemid käituvad staatilistes testides sageli hoopis teisiti kui lennul, mistõttu peetakse vooluses testimist tõsises drooniarenduses vajalikuks sammuks, mitte valikuliseks täiustuseks. Avaldatud tuuletunneli uuringud näitavad, et kui edenemissuhe erineb nullist, võivad madalaima ja kõrgeima testitud pöörlemiskiiruse (RPM) vahelised tõhususe erinevused ulatuda kuni 10%-ni.
Praktiline tagajärg: propeller, mis on parim stendil, võib osutuda kehvaks matkalennul, ning lõplikult valitud lahendus ei ole sageli see, mis andis parima staatilise näitaja.
2. Mida mõõdab korralik tõukejõu test
Tuuletunnelisse paigaldatud katsestend annab teile ühe punkti asemel tervikliku pildi. Tavaliselt viiakse läbi kahte tüüpi katseid:
Staatiline jõudlus — tõmbejõudu ja pöördemomenti mõõdetakse kogu pöörlemiskiiruste vahemikus null-õhukiiruse juures. See on võrdlusalus ja hõljumise stsenaarium.
Jõudlus liikuvas vooluses — pöörlemiskiirus (RPM) seadistatakse kindlale väärtusele, tuuletunneli kiirust suurendatakse astmeliselt ning igas punktis registreeritakse tõmbejõud ja pöördemoment. Seda korratakse mitme erineva pöörlemiskiiruse seadistusega. Selle põhjal koostatakse tõmbejõuteguri, võimsusteguri ja tõhususe sõltuvus edenemissuhtest – kõverad, mida vajab iga reaalne jõudlusarvutus.
Samaaegselt mõõdetakse: tõmbejõudu, pöördemomenti, pöörlemiskiirust, sisend-elektrivõimsust (pinge ja voolutugevus) ning tuuletunneli võrdluskiirust. Tõhusus ilma elektrilise sisendi mõõtmiseta annab teavet propelleri kohta; koos sellega saate ülevaate kogu tõukejõuahelast, mis tegelikult määrabki lennukestvuse.
3. Parandused, mida andmelehel ei mainita
Tuuletunnelis mõjutavad propelleri andmeid kaks efekti, mille mõlema jaoks on olemas kindlad käsitlusviisid:
Blokeering. Propeller ei ole katseosa suhtes väike objekt ning see kiirendab õhuvoolu läbi enda. Klassikalised parandused propelleri blokeeringu kohta pärinevad Glauertilt (1926) ja on siiani igapäevases kasutuses.
Kohalik kiirus propellerikettal. Kuna propellerit testitakse tavaliselt voolundi ees asuval tugivardal, on labadele tegelikult mõjuv kiirus madalam kui katseosa sissepääsu juures mõõdetud kiirus, mistõttu tuleb rakendada kiiruse parandustegurit.
Jätke kumbki neist tegemata ja teie tõhususkõver on liiga optimistlik, mis ilmneb alles lennukatsetustel, kui õhusõiduk ei saavuta oodatud lennukestvust.
4. Katsestend või tuuletunnel?
| Küsimus | Katsestend | Stend tuuletunnelis |
|---|---|---|
| Hõljumise tõmbejõud ja RPM-i vahemik | Jah | Jah |
| Mootori ja ESC termilised piirid | Jah | Jah |
| Tõhusus matkalennul | Ei | Jah |
| Saadaolev tõmbejõud tõusukiirusel | Ei | Jah |
| Propellerite võrdlus reaalse missiooni jaoks | Eksitav | Jah |
| Rootori-rootori ja rootori-kere vastastikmõju | Ei | Jah , koos paigaldatud sõidukiga |
| Müra ja tõmbejõu kompromiss | Ei | Jah , akustiliselt töödeldud sektsioonis |
Katsestend ei muutu kasutuks – see on endiselt õige tööriist kestvustestideks, termiliseks koormamiseks ja komponentide valikuks. See lihtsalt ei suuda vastata küsimustele, mis määravad lennukauguse.
5. Mida see rajatiselt nõuab
Kui tõukejõu testimine on peamine kasutusotstarve, muutuvad tuuletunneli spetsifikatsioonid teatud viisidel:
- Madala kiiruse kvaliteet ja stabiilsus. Edenemissuhte kõvera huvitavaim osa algab nulli lähedalt, kus ühtlast madala kiirusega voolust on kõige raskem tekitada.
- Katseosa suurus versus propelleriketta läbimõõt. Blokeeringu piirangud määravad suurima propelleri, mida saab usaldusväärselt testida; see on näitaja, mis sunnib projekti hilises faasis kõige sagedamini katseosa suurust muutma.
- Jäik ja hästi joondatud kinnitus. Tõmbejõu ja pöördemomendi mõõtmine on täpselt nii hea, kui hea on mootorit hoidev konstruktsioon, ning tugivarda resonants avaldub teie andmetes mürana.
- Elektriline infrastruktuur mudeli juures. Suure voolutugevusega toide, ohutu akude käsitsemine ja mõõteinstrumentatsioon, mis sellele vastu peab.
- Sünkroniseeritud andmekogumine. Mehaanilised, elektrilised ja vooluse andmed ühel ajateljel – vastasel juhul on tõhusus vaid hinnang, mitte mõõtmine.
- Valikuline akustiline võimekus. Tõmbejõud vati kohta ja müra tõmbejõu kohta on kaks kõverat, mis otsustavad, kas disain on sertifitseeritav, seega tasub kaalude kõrvale paigaldatav mikrofonimassiiv määratleda juba alguses, mitte lisada seda hiljem (retrofit).
6. Viis viga
- Propellerite võrdlemine staatilise tõmbejõu järgi. Paremusjärjestus muutub koos edenemissuhtega.
- Blokeeringu ja kiiruse paranduste eiramine. Mõlemad näitavad jõudlust tegelikust paremana.
- Tõmbejõu mõõtmine ilma elektrivõimsuseta. Sellisel juhul on lennukestvuse prognoosid vaid oletused.
- Testimine ainult ühel pöörlemiskiirusel (RPM). Tõhususkaartide jaoks on vaja mitut.
- Ainult propelleri testimine ja eeldamine, et sõiduk käitub samamoodi. Vastastikmõju efektid on reaalsed ja võivad olla suured.
7. Võimekuse loomine
Tõukejõu mõõtmine on tagasihoidliku tuuletunneli üks väärtuslikumaid kasutusviise: katseosa võib olla väike, kiirused madalad ning tasuvus õhusõiduki jõudluses on kohene. See on ka loomulik esimene võimekus UAV-tootjale, kes ehitab oma ettevõttesisest testimise infrastruktuuri.
Me projekteerime tuuletunneleid ja katseosasid just selliste programmide jaoks, kus kinnitused, mõõteinstrumentatsioon ja elektrivarustus on planeeritud juba aerodünaamilisest kontseptsioonist alates. Seotud lugemine:
Ventilaatorimassiiviga tuulegeneraatorid vs. suletud ringlusega tuuletunnelidja
Tuuletunneli katsetused linnaõhuliikluse jaoks.
Öelge meile oma propellerite suurused ja kiiruste vahemik ning me pakume välja sobiva katseosa ja mõõteinstrumentatsiooni komplekti.
Allikad ja märkused
- Tuuletunnelites asuvad katsestendid, mis mõõdavad tõmbejõudu, pöördemomenti ja pöörlemiskiirust; staatilised katsed erinevatel RPM-idel ja liikuva vooluse katsed fikseeritud RPM-il astmeliselt muutuva tuuletunneli kiirusega; tegurid ja tõhusus kantud graafikule edenemissuhte suhtes; kuni umbes 10% tõhususe erinevused madalaima ja kõrgeima testitud RPM-i vahel nullist erineva edenemissuhte korral; Glauerti (1926) blokeeringu parandused ja kiiruse parandus propellerile, mida testitakse voolundi ees asuval tugivardal: "Wind Tunnel Study on Drone Propeller Thrust and Efficiency", Unmanned Systems Technology, "Measurement of Static and Dynamic Performance".
- Propelleri jõudlusandmete metoodika madalate Reynoldsi arvude juures: Brandt & Selig, AIAA 2011-1255; APC propeller test series, AIAA 2022-4020.
- Tõmbejõu ja jõudlustegurite definitsioonid: Tyto Robotics, propeller performance coefficients.
- Rajatise juhised (katseosa suuruse määramine ketta läbimõõdu suhtes, kinnituse jäikus, sünkroniseeritud andmekogumine) põhinevad TunnelTech inseneripraktikal.