Preizkuševališča za potisk propelerjev: Zakaj so statične vrednosti zavajajoče in kaj bi morali meriti namesto njih
Zakaj statični potisk ne napoveduje zmogljivosti letenja, kako količnik napredovanja spreminja izkoristek propelerja in kaj potrebuje merilna miza za potisk znotraj vetrovnika.
Skoraj vsak program brezpilotnih letalnikov (UAV) začne s preizkušanjem pogona na enak način: motor in propeler, pritrjena na merilno mizo, merilna celica, tahometer in tabela potiska v odvisnosti od plina.
To je uporabna tabela. Vendar je to tudi tabela enega samega pogoja letenja, v katerem letalnik preživi skoraj nič časa – in sklepanje o vzdržljivosti, dosegu ali vzpenjanju na njeni podlagi je razlog, zakaj številni programi izgubijo mesece.
1. Statični potisk je le ena točka na krivulji
Propeler v mirujočem zraku deluje pri ničelnem količniku napredovanja . Količnik napredovanja, običajno označen z J, povezuje hitrost premikanja letalnika naprej s hitrostjo vrtenja in premerom propelerja. Lebdenje se nahaja pri J = 0. Vzlet in vzpenjanje sta pri nizkem J. Križarjenje pa se nahaja precej višje na krivulji.
Ko se J spreminja, se koeficient potiska, koeficient moči in izkoristek propelerja prav tako spreminjajo – in to ne zanemarljivo. Pogonski sistemi se pri statičnih preizkusih pogosto obnašajo povsem drugače kot med letom, kar je natanko razlog, zakaj se preizkušanje v zračnem toku obravnava kot nujen korak pri resnem razvoju dronov in ne le kot izbirna izboljšava. Objavljene raziskave v vetrovnikih poročajo o razlikah v izkoristku do približno 10 % med najnižjimi in najvišjimi preizkušenimi vrtljaji na minuto (RPM), ko količnik napredovanja ni enak nič.
Praktična posledica: propeler, ki zmaga na merilni mizi, lahko izgubi pri križarjenju, in par, ki ga na koncu dobavite, pogosto ni tisti, ki je dosegel najboljše statične vrednosti.
2. Kaj meri ustrezen preizkus pogona
Preizkuševališče, nameščeno znotraj vetrovnika, vam namesto ene same točke zagotovi celotno sliko. Običajno se izvajata dve vrsti preizkusov:
Statične zmogljivosti — potisk in navor, izmerjena v celotnem razponu vrtljajev pri hitrosti zraka nič. To je referenca in primer za lebdenje.
Zmogljivosti v gibajočem se toku — vrtljaji so nastavljeni na fiksno vrednost, hitrost v vetrovniku se povečuje v korakih, potisk in navor pa se beležita na vsaki točki. Postopek se ponovi za več nastavitev vrtljajev. Iz tega se izračunajo koeficient potiska, koeficient moči in izkoristek v odvisnosti od količnika napredovanja – krivulje, ki jih potrebuje vsak resen izračun zmogljivosti.
Hkrati se merijo: potisk, navor, hitrost vrtenja, vhodna električna moč (napetost in tok) ter referenčna hitrost vetrovnika. Izkoristek brez meritve električnega vnosa vam pove le podatke o propelerju; z njo pa spoznate celotno pogonsko verigo, kar dejansko določa vzdržljivost.
3. Popravki, ki jih nihče ne omenja v tehničnih listih
Dva pojava vplivata na podatke o propelerju v vetrovniku in za oba obstajajo uveljavljene rešitve:
Blokada. Propeler ni majhen predmet glede na merilno sekcijo in pospešuje tok skozi samega sebe. Klasični popravki za blokado propelerja segajo v čas Glauerta (1926) in ostajajo v redni uporabi.
Lokalna hitrost na disku. Ker se propeler običajno preizkuša na nosilcu pred aerodinamičnim okrovom, je hitrost, ki jo dejansko občutijo lopatice, nižja od hitrosti, izmerjene na vhodu v merilno sekcijo, zato je treba uporabiti korekcijski faktor hitrosti.
Če izpustite katerega koli od njiju, bo vaša krivulja izkoristka optimistična na način, ki se pokaže šele pri preizkusu letenja, ko letalnik ne doseže predvidene vzdržljivosti.
4. Merilna miza ali vetrovnik?
| Vprašanje | Merilna miza | Preizkuševališče v vetrovniku |
|---|---|---|
| Potisk pri lebdenju in razpon vrtljajev | Da | Da |
| Toplotne omejitve motorja in ESC | Da | Da |
| Izkoristek pri križarjenju | Ne | Da |
| Razpoložljiv potisk pri hitrosti vzpenjanja | Ne | Da |
| Primerjava propelerjev za dejansko misijo | Zavajajoče | Da |
| Interakcija rotor-rotor in rotor-trup | Ne | Da , z nameščenim letalnikom |
| Razmerje med hrupom in potiskom | Ne | Da , v akustično obdelani sekciji |
Merilna miza ne postane neuporabna — ostaja pravo orodje za preizkuse vzdržljivosti, toplotno stabilizacijo in preverjanje komponent. Preprosto pa ne more odgovoriti na vprašanja, ki določajo doseg.
5. Kaj to zahteva od objekta
Če je preizkušanje pogona ključni primer uporabe, se specifikacije vetrovnika spremenijo na specifične načine:
- Kakovost in stabilnost pri nizkih hitrostih. Zanimiv del krivulje količnika napredovanja se začne blizu ničle, kjer je najtežje ustvariti enakomeren tok pri nizki hitrosti.
- Velikost sekcije v primerjavi s premerom diska. Omejitve blokade določajo največji propeler, ki ga lahko verodostojno preizkusite; to je številka, ki najpogosteje prisili v spremembo velikosti sekcije v pozni fazi projekta.
- Tog, dobro poravnan nosilec. Merjenje potiska in navora je le tako dobro, kot je dobra struktura, ki drži motor, resonanca v nosilcu pa se bo v vaših podatkih pokazala kot šum.
- Električna infrastruktura pri modelu. Oskrba z visokim tokom, varno ravnanje z baterijami in merilna oprema, ki to prenese.
- Sinhronizirano zajemanje podatkov. Mehanski, električni in pretočni podatki na enotni časovni osnovi — v nasprotnem primeru je izkoristek le ocena in ne meritev.
- Izbirne akustične zmogljivosti. Potisk na vat in hrup na potisk sta krivulji, ki odločata o tem, ali je zasnovo mogoče certificirati, zato je smiselno že vnaprej določiti mikrofonsko mrežo ob tehtnici, namesto da bi jo naknadno vgrajevali.
6. Pet napak
- Primerjava propelerjev na podlagi statičnega potiska. Razvrstitev se spreminja s količnikom napredovanja.
- Zanemarjanje popravkov za blokado in hitrost. Oboje umetno poveča zmogljivosti.
- Merjenje potiska brez električne moči. V tem primeru so napovedi vzdržljivosti le ugibanja.
- Preizkušanje pri samo eni vrednosti vrtljajev. Za izris map izkoristka jih je potrebnih več.
- Preizkušanje samega propelerja in pričakovanje, da se bo letalnik obnašal enako. Učinki interakcije so resnični in so lahko veliki.
7. Vzpostavitev zmogljivosti
Merjenje pogona je ena izmed najdragocenejših uporab skromnejšega vetrovnika: sekcija je lahko majhna, hitrosti nizke, povračilo pa se takoj odraža v zmogljivostih letalnika. Prav tako je to naravna prva zmogljivost za proizvajalca UAV, ki gradi lastno infrastrukturo za preizkušanje.
Načrtujemo vetrovnike in merilne sekcije natanko za tovrstne programe, pri čemer so pritrditev, merilna oprema in električna oskrba načrtovani že od samega aerodinamičnega koncepta. Sorodno branje:
Vetrni generatorji z matriko ventilatorjev proti vetrovnikom z zaprtim krogotokomin
Testiranje v vetrovniku za urbano zračno mobilnost.
Sporočite nam velikosti vaših propelerjev in razpon hitrosti in predlagali vam bomo ustrezno sekcijo in nabor merilne opreme.
Viri in opombe
- Preizkuševališča znotraj vetrovnikov, ki merijo potisk, navor in hitrost vrtenja; statične kampanje v celotnem razponu vrtljajev in kampanje v gibajočem se toku pri fiksnih vrtljajih s stopenjskim povečevanjem hitrosti vetrovnika; koeficienti in izkoristek, prikazani v odvisnosti od količnika napredovanja; razlike v izkoristku do približno 10 % med najnižjimi in najvišjimi preizkušenimi vrtljaji pri neničelnem količniku napredovanja; Glauertovi (1926) popravki za blokado in korekcija hitrosti za propeler, preizkušen na nosilcu pred aerodinamičnim okrovom: "Wind Tunnel Study on Drone Propeller Thrust and Efficiency", Unmanned Systems Technology, "Measurement of Static and Dynamic Performance".
- Metodologija podatkov o zmogljivosti propelerjev pri nizkih Reynoldsovih številih: Brandt & Selig, AIAA 2011-1255; APC propeller test series, AIAA 2022-4020.
- Definicije koeficientov potiska in zmogljivosti: Tyto Robotics, propeller performance coefficients.
- Smernice za objekte (dimenzioniranje sekcije glede na premer diska, togost nosilca, sinhronizirano zajemanje podatkov) so inženirska praksa podjetja TunnelTech.