Propelerių traukos bandymų stendai: kodėl statiniai skaičiai klaidina ir ką reikėtų matuoti vietoj jų
Kodėl statinė trauka nenumato skrydžio charakteristikų, kaip žingsnio santykis keičia propelerio efektyvumą ir ko reikia traukos stendui vėjo tunelyje.
Beveik kiekviena bepiločių orlaivių (UAV) programa pradeda varomosios sistemos bandymus vienodai: variklis ir propeleris, prisukti prie stalo stendo, apkrovos jutiklis, tachometras ir traukos priklausomybės nuo droselio padėties lentelė.
Tai naudinga lentelė. Tačiau tai taip pat yra lentelė, atspindinti vieną skrydžio sąlygą, kurioje orlaivis beveik nebūna – ir darant išvadas apie skrydžio trukmę, atstumą ar kilimą remiantis ja, daugelis programų praranda mėnesius.
1. Statinė trauka yra tik vienas taškas kreivėje
Propeleris ramiame ore veikia esant nuliniam žingsnio santykiui (angl. advance ratio). Žingsnio santykis, paprastai žymimas J, susieja orlaivio judėjimo pirmyn greitį su propelerio sukimosi greičiu ir skersmeniu. Kybojimas (angl. hover) atitinka J = 0. Kilimas ir greitėjimas atitinka mažą J reikšmę. Kreiserinis skrydis yra aukščiau kreivėje.
Keičiantis J, propelerio traukos koeficientas, galios koeficientas ir efektyvumas taip pat keičiasi – ir gana smarkiai. Varomosios sistemos statiniuose bandymuose dažnai elgiasi visiškai kitaip nei skrydžio metu, būtent todėl bandymai oro sraute yra laikomi būtinu rimto drono kūrimo etapu, o ne pasirenkamu patobulinimu. Paskelbtuose vėjo tunelių tyrimuose nurodomi efektyvumo skirtumai, siekiantys iki maždaug 10 % tarp mažiausių ir didžiausių tirtų sūkių per minutę (RPM), kai žingsnio santykis nėra nulinis.
Praktinė pasekmė: propeleris, kuris laimi ant stendo, gali pralaimėti kreiseriniame skrydyje, o ta pora, kurią galiausiai išleidžiate į rinką, dažnai nėra ta, kuri parodė geriausią statinį rezultatą.
2. Ką matuoja tinkamas varomosios sistemos bandymas
Bandymų stendas, sumontuotas vėjo tunelyje, suteikia visą žemėlapį, o ne vieną tašką. Paprastai vykdomos dviejų tipų kampanijos:
Statinės charakteristikos – trauka ir sukimo momentas matuojami visame RPM diapazone esant nuliniam oro greičiui. Tai yra atskaitos taškas ir kybojimo atvejis.
Charakteristikos judančiame sraute – RPM nustatomas ties fiksuota reikšme, tunelio greitis didinamas žingsniais, kiekviename taške fiksuojama trauka ir sukimo momentas. Tai pakartojama keliems RPM nustatymams. Iš to sudaromos traukos koeficiento, galios koeficiento ir efektyvumo priklausomybės nuo žingsnio santykio kreivės – kreivės, kurių reikia bet kokiems realiems charakteristikų skaičiavimams.
Vienu metu matuojama: trauka, sukimo momentas, sukimosi greitis, įėjimo elektrinė galia (įtampa ir srovė) ir tunelio atskaitos greitis. Efektyvumas be elektrinės įvesties matavimo suteikia informacijos apie propelerį; su juo sužinote apie visą varomąją grandinę, kuri iš tikrųjų ir lemia skrydžio trukmę.
3. Korekcijos, kurių niekas nemini duomenų lape
Du efektai iškraipo propelerio duomenis tunelyje, ir abu turi nustatytus sprendimo būdus:
Užblokavimas (angl. blockage). Propeleris nėra mažas objektas lyginant su bandymo sekcija, ir jis pagreitina srautą per save. Klasikinės propelerio užblokavimo korekcijos siekia Glauert (1926) laikus ir tebėra nuolat naudojamos.
Vietinis greitis ties disku. Kadangi propeleris paprastai bandomas ant laikiklio priešais aptaką, greitis, kurį faktiškai patiria mentės, yra mažesnis nei greitis, išmatuotas bandymo sekcijos įėjime, todėl turi būti taikomas greičio korekcijos koeficientas.
Praleiskite bet kurį iš jų, ir jūsų efektyvumo kreivė bus optimistiška taip, kad tai išryškės tik skrydžio bandymų metu, kai orlaivis nepasieks numatytos skrydžio trukmės.
4. Stalo stendas ar vėjo tunelis?
| Klausimas | Stalo stendas | Stendas vėjo tunelyje |
|---|---|---|
| Kybojimo trauka ir RPM diapazonas | Taip | Taip |
| Variklio ir ESC šiluminės ribos | Taip | Taip |
| Efektyvumas kreiseriniame skrydyje | Ne | Taip |
| Turima trauka kilimo greičiu | Ne | Taip |
| Propelerių palyginimas realiai misijai | Klaidina | Taip |
| Rotoriaus ir rotoriaus bei rotoriaus ir korpuso sąveika | Ne | Taip , sumontavus orlaivį |
| Triukšmo ir traukos kompromisas | Ne | Taip , akustiškai apdorotoje sekcijoje |
Stalo stendas netampa bevertis – jis išlieka tinkamu įrankiu skrydžio trukmės bandymams, šiluminiam stabilizavimuisi ir komponentų atrankai. Jis tiesiog negali atsakyti į klausimus, kurie lemia skrydžio atstumą.
5. Ko tai reikalauja iš įrenginio
Jei varomosios sistemos bandymai yra pagrindinis naudojimo atvejis, tunelio specifikacija keičiasi tam tikrais aspektais:
- Mažo greičio kokybė ir stabilumas. Įdomioji žingsnio santykio kreivės dalis prasideda netoli nulio, kur vienalytį mažo greičio srautą sukurti sunkiausia.
- Sekcijos dydis lyginant su disko skersmeniu. Užblokavimo ribos nustato didžiausią propelerį, kurį galite patikimai išbandyti; tai yra skaičius, kuris dažniausiai priverčia keisti sekcijos dydį vėlyvame projekto etape.
- Standus, gerai sulygiuotas tvirtinimas. Traukos ir sukimo momento matavimas yra tik toks geras, kokia yra variklį laikanti konstrukcija, o rezonansas laikiklyje atsispindės kaip triukšmas jūsų duomenyse.
- Elektrinė infrastruktūra prie modelio. Didelės srovės tiekimas, saugus baterijų tvarkymas ir matavimo įranga, kuri tai atlaiko.
- Sinchronizuotas duomenų surinkimas. Mechaniniai, elektriniai ir srauto duomenys vienoje laiko bazėje – kitaip efektyvumas yra tik sąmata, o ne matavimas.
- Pasirenkamos akustinės galimybės. Trauka vienam vatui ir triukšmas vienam traukos vienetui yra dvi kreivės, kurios nulemia, ar dizainas gali būti sertifikuojamas, todėl mikrofonų masyvą šalia svarstyklių verta numatyti iš anksto, o ne montuoti vėliau.
6. Penkios klaidos
- Propelerių lyginimas pagal statinę trauką. Reitingas keičiasi priklausomai nuo žingsnio santykio.
- Užblokavimo ir greičio korekcijų ignoravimas. Abu veiksniai dirbtinai padidina charakteristikas.
- Traukos matavimas be elektrinės galios. Tuomet skrydžio trukmės prognozės tėra spėjimai.
- Bandymas tik vienu RPM. Efektyvumo žemėlapiams reikia kelių.
- Tik propelerio bandymas tikintis, kad orlaivis atitiks rezultatus. Sąveikos efektai yra realūs ir gali būti dideli.
7. Pajėgumų kūrimas
Varomosios sistemos matavimas yra vienas vertingiausių nedidelio tunelio panaudojimo būdų: sekcija gali būti maža, greičiai nedideli, o atsiperkamumas orlaivio charakteristikų pavidalu – tiesioginis. Tai taip pat yra natūralus pirmasis pajėgumas UAV gamintojui, kuriančiam vidinę bandymų infrastruktūrą.
Mes projektuojame tunelius ir bandymo sekcijas būtent tokio tipo programoms, kur tvirtinimas, matavimo įranga ir elektros tiekimas planuojami dar aerodinaminės koncepcijos etape. Susiję skaitiniai:
Ventiliatorių matricos vėjo generatoriai ar uždaro kontūro vėjo tuneliaiir
Vėjo tunelių bandymai miesto oro mobilumui.
Nurodykite savo propelerių dydžius ir greičių diapazoną , ir mes pasiūlysime sekciją bei matavimo įrangos komplektą.
Šaltiniai ir pastabos
- Bandymų stendai vėjo tuneliuose, matuojantys trauką, sukimo momentą ir sukimosi greitį; statinės kampanijos visame RPM diapazone ir judančio srauto kampanijos esant fiksuotam RPM su pakopiniu tunelio greičiu; koeficientai ir efektyvumas, atvaizduoti priklausomybėje nuo žingsnio santykio; efektyvumo skirtumai iki maždaug 10 % tarp mažiausių ir didžiausių tirtų RPM esant nenuliniam žingsnio santykiui; Glauert (1926) užblokavimo korekcijos ir greičio korekcija propeleriui, bandomam ant laikiklio priešais aptaką: "Wind Tunnel Study on Drone Propeller Thrust and Efficiency", Unmanned Systems Technology, "Measurement of Static and Dynamic Performance".
- Propelerių charakteristikų duomenų metodologija esant mažiems Reinoldso skaičiams: Brandt & Selig, AIAA 2011-1255; APC propeller test series, AIAA 2022-4020.
- Traukos ir charakteristikų koeficientų apibrėžimai: Tyto Robotics, propeller performance coefficients.
- Įrenginių gairės (sekcijos dydžio parinkimas pagal disko skersmenį, tvirtinimo standumas, sinchronizuotas duomenų surinkimas) yra TunnelTech inžinerinė praktika.