Caratterizzazione dell'elica: variazioni di passo, diametro e numero di pale sulle prestazioni

Fonte: Shreyas Narsipur, Ingegneria meccanica e aerospaziale, North Carolina State University, Raleigh, NC

Un'elica è un profilo alare attorcigliato, in cui l'angolo della corda cambia rispetto alla posizione, lungo la stazione radiale, come mostrato nella Figura 1. Le eliche sono ampiamente utilizzate nei sistemi di propulsione di aeromobili e moto d'acqua, rendendo quindi necessarie caratterizzazioni dettagliate delle eliche per progettare veicoli ad alte prestazioni.

Figura 1. Accordo, spessore e passo in una stazione radiale.

Una delle caratteristiche distintive di un'elica è il beccheggio/ torsione. Il passo dell'elica, generalmente dato in unità di lunghezza, è la distanza teorica che l'elica percorrerà attraverso l'aria in un singolo giro. Tuttavia, a causa della forza di trascinamento sull'aereo e sull'elica, l'elica non percorre mai la sua distanza teorica. La distanza effettiva percorsa è indicata come passo effettivo dell'elica e la differenza tra il passo teorico o geometrico e il passo effettivo è indicata come slittamento dell'elica, come illustrato nella Figura 2.

Figura 2. Rappresentazione di pitch e slip.

In questa dimostrazione, sette eliche sono caratterizzate utilizzando un banco di prova dell'elica in una galleria del vento subsonica. Questo è seguito da uno studio parametrico dettagliato per analizzare gli effetti delle variazioni di passo, diametro e numero di pale sulle prestazioni dell'elica.

Esistono due tipi di eliche principali: passo fisso e passo variabile. Le eliche a passo fisso sono progettate per una condizione operativa ottimale e sono efficienti; hanno un elevato rapporto potenza/potenza in ingresso per una data velocità dell'aria e RPM, che nella maggior parte dei casi sono le condizioni di crociera dell'aeromobile. Tuttavia, durante il decollo e l'atterraggio, quando il numero di giri e le velocità dell'aria sono inferiori, l'elica a passo fisso è altamente inefficiente. Le pale dell'elica a passo variabile offrono una soluzione al problema del passo fisso consentendo al pilota di modificare il passo dell'elica per massimizzare l'efficienza dell'elica per qualsiasi condizione operativa. È per questo motivo che negli aerei ad elica più grandi, dove l'efficienza del carburante è un fattore dominante, le eliche a passo variabile vengono utilizzate per massimizzare l'efficienza.

Rapporto avanzato, coefficiente di spinta, coefficiente di coppia, coefficiente di potenza ed efficienza dell'elica sono importanti parametri non dimensionali necessari per caratterizzare un'elica. Sulla base di questi parametri, è possibile identificare i regimi dell'elica, del freno ad aria e del mulino a vento, che sono i diversi regimi operativi di un'elica. Nel regime dell'elica, l'elica produce spinta e coppia positive. Il regime del freno pneumatico inizia quando la spinta diventa negativa mentre la coppia rimane positiva. In questo regime, l'elica rallenta il sistema. Infine, quando sia la spinta che la coppia scendono sotto lo zero, l'elica è nel regime del mulino a vento. Qui, il flusso d'aria controlla l'elica in quanto produce forze sull'elica di cui il motore / motore che aziona l'elica non può superare. L'efficienza dell'elica è priva di significato oltre la regione dell'elica.

È sempre auspicabile azionare l'elica nel regime dell'elica ad alta efficienza per una determinata velocità dell'aria e RPM. Come accennato in precedenza, le eliche a passo fisso sono generalmente progettate per operare alla loro massima efficienza durante il volo di crociera e, sebbene possano operare a velocità inferiori, come durante il decollo e l'atterraggio, l'efficienza è molto bassa. Le eliche a passo variabile possono essere regolate per ottenere le massime efficienze possibili nel regime dell'elica a seconda del regime di volo (decollo, crociera o atterraggio), massimizzando così l'efficienza del carburante dell'aeromobile.

Oltre al passo dell'elica, il numero di pale dell'elica svolge un ruolo importante nell'impostazione della spinta disponibile dall'elica. Generalmente, se ci sono vincoli di progettazione sul diametro o sul passo dell'elica, aumentare il numero di pale può aumentare la quantità di spinta prodotta. Tuttavia, la spinta extra può venire a scapito dell'efficienza dell'elica, rendendo necessaria un'analisi dettagliata.

Il rapporto avanzato, J, che è un parametro per normalizzare la velocità del flusso libero (V_∞) sulla velocità di rotazione dell'elica (n) e il diametro (D), è dato dalla seguente equazione:

La velocità del flusso a flusso libero può essere misurata usando l'equazione:

dove ρ è la densità del flusso libero.

Il coefficiente di spinta, C_T, è una misura non dimensionale della spinta dell'elica, T, ed è dato dall'equazione:

Allo stesso modo, la coppia, C_Q, e la potenza, C_P, coefficienti, le misure non dimensionali della coppia dell'elica e la potenza di uscita, rispettivamente, sono date dalle equazioni:

dove τ è la coppia e P è la potenza fornita al motore DC brushless per far funzionare l'elica. La potenza, P, può essere calcolata come il prodotto di tensione, Ve corrente, I:

Infine, l'efficienza dell'elica può essere espressa come:

1. Misurazione delle caratteristiche dell'elica in una galleria del vento subsonica

1. Impostare il banco di prova dell'elica nella galleria del vento subsonica utilizzando un supporto a 4 assi, come mostrato nella Figura 3. In questa dimostrazione è stata utilizzata una galleria del vento con una sezione di prova di 2,6 piedi x 3,7 piedi e un'impostazione della pressione dinamica massima di 25 psf.

Figura 3. Rig ad elica. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

2. Collegare una cella di carico a 6 assi al carro. Questo sarà usato per misurare la spinta e la coppia.
3. Fissare un motore DC brushless al carro, quindi collegare la prima elica.
4. Collegare il motore CC al regolatore elettronico di velocità e al generatore di segnali modulati a larghezza pulsata, che controlla la velocità del motore.
5. Collegare un analizzatore di potenza, che misurerà la corrente e la tensione fornite al motore, e collegarlo a una batteria ai polimeri di litio.
6. Utilizzare un livello di spirito per garantire che la configurazione dell'elica pungente sia allineata nella direzione del flusso con passo zero e imbardata zero.
7. Fissare le porte della galleria del vento e accendere l'alimentazione principale.
8. Accendere la galleria del vento, quindi accendere il generatore di segnale e il sistema di acquisizione dati della cella di carico.
9. Azzerare le forze sulla cella di carico utilizzando il software dello strumento virtuale.
10. Impostare il generatore di segnale per far funzionare il motore con l'acceleratore al 10%.
11. Inizia a registrare una lettura zero con la galleria del vento spenta. Registrare la velocità seguenti dati:
    un. Caratteristiche dell'elica: numero di pale, diametro dell'elica (in) e passo dell'elica (in).
    b. Velocità (in termini di percentuale di acceleratore) in base alla configurazione del generatore di segnale.
    c. Pressione dinamica (psf) dal trasduttore della galleria del vento.
    d. Tensione (V) e corrente (A) fornite al motore BLDC dall'analizzatore di potenza.
    e. Spinta (lb) e coppia (in-lb) dalla cella di carico.
    f. RPM dell'elica (rotazioni al minuto). Si noti che la lettura RPM può essere estratta solo alla fine dell'esperimento.
12. Accendere la galleria del vento e variare la pressione dinamica da 0 psf a 10 psf a passi di 0,5 psf.
13. Ad ogni impostazione, consenti alla galleria del vento di stabilizzarsi, quindi registra gli stessi dati sopra elencati.
14. Continuare ad aumentare l'impostazione della pressione dinamica con incrementi di 0,5 psf fino a un'impostazione dinamica della pressione a cui la spinta e la coppia diventano negative. Registrare tutti i dati ad ogni incremento.
15. Ripristina la pressione dinamica del tunnel a zero e spegni la galleria del vento
16. Impostare la velocità del motore su 50% dell'acceleratore e ripetere i passaggi 1.11 - 1.15.
17. Impostare la velocità del motore su 100% dell'acceleratore e ripetere i passaggi 1.11 - 1.15.
18. Ripetere la procedura di cui sopra per tutte le eliche, assicurandosi di testare velocità del 10%, 50% e 100% dell'acceleratore fino a una pressione dinamica in cui spinta e coppia diventano negative.
19. Quando tutti i test sono stati completati, collegare il regolatore di velocità elettronico al kit di programmazione, registrare tutti i dati RPM dell'elica.
20. Arrestare tutti i sistemi.

Tabella 1. Eliche testate.

Diametro elica x Passo (in)	# di Lame	Materiale
18 x 8	2	APC
16 x 8	2	APC
15 x 8	2	APC
15 x 10	2	APC
15 x 12	2	APC
18 x 8	2	Legno
18 x 8	4	Legno

Si noti che le eliche a passo fisso utilizzate in questo studio sono definite dal loro diametro e dal passo in pollici. Ad esempio, un'elica 18 x 8 è un'elica di 18 di diametro con un passo geometrico di 8 pollici.

Una densità di flusso libero, ρ: 0,074 lb / ft³, è stata utilizzata per determinare i risultati. La variazione dei coefficienti di spinta, coppia, potenza ed efficienza dell'elica per l'elica a due pale, 18 x 8 nell'elica è mostrata nella Figura 4. Le regioni dell'elica, del freno pneumatico e del mulino a vento sono delimitate. L'elica a due pale, 18 x 8 in elica produce una spinta positiva fino a un rapporto avanzato di 0,6 dopo di che passa alla regione del freno pneumatico fino a J 0,85. A questo punto e dopo questo punto, l'elica inizia a produrre una coppia negativa e si comporta come un mulino a vento. L'elica raggiunge la sua massima efficienza a J = 0,4.

Figura 4. Caratteristiche di una due pale, 18 x 8 in elica.

Le figure 5-7 confrontano i comportamenti C_T, C_Q, C_Pe η per le eliche con variazioni di diametro, passo e numero di pale, rispettivamente. Come mostrato nella Figura 5, la variazione del diametro dell'elica mantenendo costante il numero di pale e il passo dell'elica ha avuto un effetto trascurabile sull'efficienza dell'elica, η. Tuttavia, il C_T, C_Qe C_P per un dato rapporto avanzato, J, aumentava leggermente con la diminuzione del diametro dell'elica.

Figura 5. Confronto delle caratteristiche per eliche di diametro variabile. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

La variazione del passo dell'elica ha influenzato in modo significativo tutti i parametri, come mostrato nella Figura 6. In generale, un'elica ad alto passo produce più spinta, coppia e potenza per un dato rapporto avanzato rispetto a un'elica a passo basso. L'aumento del passo dell'elica ha anche aumentato la portata della regione dell'elica, cioè l'ampia regione di spinta positiva e coppia. Infine, la massima efficienza operativa si è verificata con un rapporto avanzato più elevato con l'aumentare del passo dell'elica.

Figura 6. Confronto delle caratteristiche per eliche con passo variabile. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

La figura 7 mostra che raddoppiare il numero di pale porta a una quantità significativamente maggiore di spinta e coppia. Mentre la regione dell'elica è simile, l'elica a quattro pale inizia a comportarsi come un mulino a vento con un rapporto avanzato più elevato rispetto all'elica a due pale. Inoltre, l'elica a due pale è leggermente più efficiente della sua controparte a quattro pale.

Figura 7. Confronto delle caratteristiche delle eliche che variano nel numero di pale. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Le eliche sono utilizzate per alimentare aerei su piccola scala e forniscono un metodo semplice per fornire spinta. Possono essere collegati a un motore elettrico o alternativo, dove convertono la velocità di rotazione in spinta per la propulsione. In questa dimostrazione, sette eliche con passo, diametro e numero di pale variabili sono state caratterizzate utilizzando un banco di prova dell'elica montato in una galleria del vento subsonica. Per ogni elica, sono state identificate le regioni di funzionamento dell'elica, del freno ad aria e del mulino a vento. Uno studio parametrico condotto per studiare gli effetti del diametro dell'elica ha mostrato una leggera diminuzione della spinta e della coppia con diametro decrescente. Tuttavia, il passo dell'elica ha un effetto significativo sulle caratteristiche di spinta e coppia con eliche ad alto passo che hanno un chiaro vantaggio. Inoltre, l'estensione della regione dell'elica decelera con il passo decrescente. Infine, l'aumento del numero di pale aumenta la spinta, la coppia e la potenza con una leggera diminuzione dell'efficienza dell'elica.

La selezione del sistema di propulsione appropriato (combinazione motore/motore-elica) per aeromobili o moto d'acqua è necessaria per ottenere un veicolo aereo o acquatico efficiente e ad alte prestazioni. I dati dettagliati sulle caratteristiche dell'elica forniscono agli ingegneri un modo accurato per valutare i parametri delle prestazioni di volo su tutte le velocità operative dell'aeromobile / moto d'acqua per determinare correttamente il sistema di propulsione ottimale.