プロペラの特性評価:性能のピッチ、直径、ブレード数の変動

出典:シュレヤス・ナルシプル、機械・航空宇宙工学、ノースカロライナ州立大学、ローリー、NC

プロペラはねじれた翼で、図1に示すように、放射状のステーションに沿って、弦の角度が位置に対して変化します。プロペラは航空機やウォータークラフトの推進システムで広く使用されており、高性能車両を設計するためにプロペラの詳細な特性を必要としています。

図 1.放射状のステーションでコード、厚さ、およびピッチ。

プロペラの特徴の1つはピッチ/ねじれです。プロペラのピッチは、一般的に長さの単位で与えられ、プロペラが1回の回転で空気を通過する理論的な距離です。しかし、航空機とプロペラのドラッグ力のために、プロペラは理論的な距離を移動することはありません。実際の走行距離はプロペラの有効ピッチと呼ばれ、図2に示すように、理論ピッチまたは幾何学的ピッチと有効ピッチの差をプロペラスリップと呼ぶ。

図 2.ピッチとスリップの表現。

このデモンストレーションでは、7つのプロペラが亜音速風洞のプロペラテストリグを使用して特徴付けされています。その後、ピッチ、直径、ブレード数の変動がプロペラの性能に与える影響を分析するための詳細なパラメトリックスタディが行われています。

主なプロペラタイプは、固定ピッチと可変ピッチの2種類です。固定ピッチプロペラは1つの最適操作条件のために設計され、有効である;彼らは、ほとんどの場合、航空機の巡航条件である、所定の対気速度とRPMのための電力入力比に高い出力を持っています。しかし、離着陸時に、RPMと対気速度が低い場合、固定ピッチプロペラは非常に非効率的です。可変ピッチプロペラブレードは、パイロットがプロペラピッチを変更して、あらゆる動作状態のプロペラ効率を最大化できるようにすることで、固定ピッチの問題に対する解決策を提供します。そのため、燃費が優勢な大型プロペラ機では、可変ピッチプロペラを使用して効率を最大化しています。

高度比、推力係数、トルク係数、電力係数、プロペラ効率は、プロペラを特徴付けるために必要な重要な非次元パラメータです。これらのパラメータに基づいて、プロペラ、エアブレーキ、風車の体制は、プロペラの異なる動作体制である、識別することができます。プロペラ政権では、プロペラは正の推力とトルクを生み出しています。エアブレーキ体制は、トルクが正のままである間、推力が負になると始まります。この体制では、プロペラはシステムを遅くします。最後に、推力とトルクの両方がゼロ以下に落ちると、プロペラは風車の体制にあります。ここでは、プロペラを駆動するモーター/エンジンが克服できないプロペラに力を与えるため、エアーフローがプロペラを制御します。プロペラの効率はプロペラ領域を超えて無意味です。

特定の対気速度とRPMの高効率プロペラ体制でプロペラを操作することが常に望ましい。前述のように、固定ピッチプロペラは一般的に巡航飛行中に最高効率で動作するように設計されており、離着陸時など低速で動作できますが、効率は非常に低くなります。可変ピッチプロペラは、飛行体制(離陸、巡航、着陸)に応じてプロペラ体制で可能な限り最高の効率を得るために調整することができ、それによって航空機の燃費を最大化します。

プロペラピッチに加えて、プロペラブレードの数は、プロペラから利用可能な推力を設定する上で重要な役割を果たしています。一般に、プロペラの直径またはピッチに設計上の制約がある場合、ブレードの数を増やすことで、生成される推力量を増加させることができる。しかし、余分な推力はプロペラ効率を犠牲にして来ることができ、詳細な分析の必要性を必要とする。

プロペラ回転速度(n)と直径(D)のフリーストリーム速度(V∞)を正規化するパラメータである高度比Jは、次の式で示されます。

フリーストリーム流速は、方程式を使用して測定できます。

ここでεはフリーストリーム密度です。

推力係数、C_Tは、プロペラ推力Tの非次元尺度であり、式によって与えられます。

同様に、トルク、C_Q、およびパワー、C _P、係数、プロペラトルクと出力電力の非次元測定は、それぞれ式によって与えられます。

ここで、tはトルクであり、Pはプロペラを実行するためにブラシレスDCモータに供給される電力です。電力 P は、電圧、V、および電流Iの積として計算できます。

最後に、プロペラの効率は次のように表すことができます。

1. 亜音速風洞におけるプロペラ特性の測定

1. 図 3 に示すように、4 軸スティング マウントを使用して、亜音速風洞内のプロペラ テスト リグをセットアップします。このデモでは、2.6 フィート x 3.7 フィートのテスト セクションと最大動的圧力設定 25 psf の風洞を使用しました。

図 3.プロペラリグ。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

2. リグに 6 軸ロード セルをアタッチします。これは推力およびトルクを測定するために使用される。
3. ブラシレスDCモーターをリグに固定し、最初のプロペラを取り付けます。
4. DCモータを電子速度コントローラとパルス速度変調信号ジェネレータに接続し、モータの速度を制御します。
5. モータに供給される電流と電圧を測定するパワーアナライザを接続し、リチウムポリマー電池に接続します。
6. スピリットレベルを使用して、スティングプロペラの設定がゼロピッチとゼロヨーの流れの方向に位置合わせされていることを確認します。
7. 風洞ドアを固定し、主電源をオンにします。
8. 風洞をオンにし、信号発生器とロードセルデータ集録システムをオンにします。
9. 仮想計測器ソフトウェアを使用してロードセルのフォースをゼロにします。
10. モータを10%スロットルで動かすために信号発生器を設定します。
11. 風洞をオフにしてゼロ読み取りを記録開始します。次のデータの速度を記録します。
    a. プロペラ特性 - ブレード数、プロペラ径(in)、プロペラピッチ(in)。
    b. 信号発生器の設定に基づく速度(パーセントスロットル)。
    風洞トランスデューサからの動的圧力(psf)。
    d. パワーアナライザからBLDCモータに供給される電圧(V)と電流(A)。
    e. ロードセルからの推力(ポンド)とトルク(インポンド)。
    f. プロペラ RPM (1 分あたりの回転)RPM 読み取り値は、実験の最後にのみ抽出できることに注意してください。
12. 風洞をオンにし、0.5 psfのステップで0 psfから10 psfまでの動的圧力を変化させる。
13. 各設定で、風洞が安定するようにし、上記と同じデータを記録します。
14. 推力とトルクが負になる動的圧力設定まで、0.5 psf単位で動的圧力設定を引き続き増加させます。すべてのデータを各増分で記録します。
15. トンネルの動的圧力をゼロにリセットし、風洞をオフにします。
16. モータ速度を 50% スロットルに設定し、ステップ 1.11 ~ 1.15 を繰り返します。
17. モータ速度を 100% スロットルに設定し、ステップ 1.11 ~ 1.15 を繰り返します。
18. すべてのプロペラに対して上記の手順を繰り返し、推力とトルクが負になるダイナミックな圧力まで10%、50%、100%の速度をテストします。
19. すべてのテストが完了したら、電子速度コントローラをプログラミングキットにプラグインし、プロペラRPMデータのすべてを記録します。
20. すべてのシステムをシャットダウンします。

表 1.プロペラをテスト。

プロペラ直径×ピッチ(イン)	ブレードの数	材料
18×8	2	Apc
16×8	2	Apc
15×8	2	Apc
15×10	2	Apc
15×12	2	Apc
18×8	2	木
18×8	4	木

このスタディで使用する固定ピッチプロペラは、直径とピッチ(インチ)で定義されます。たとえば、18 x 8 プロペラは直径 18 のプロペラで、幾何学的なピッチは 8 です。

フリーストリーム密度(0.074ポンド/^{フィート3)}を用いて結果を決定した。 2ブレードの推力、トルク、パワー、プロペラ効率の係数のばらつきを、プロペラの18 x 8に示します(図4)。プロペラ、エアブレーキ、風車の領域は区切られています。プロペラの2ブレード、18 x 8は、J 0.85までエアブレーキ領域に移行した後、0.6の高度な比率まで正の推力を生成します。この時点で、プロペラは負のトルクを生成し始め、風車のように振る舞います。プロペラはJ =0.4で最高の効率を達成する。

図 4.プロペラの2枚刃、18×8の特徴。

図 5-7 は、直径、ピッチ、およびブレード数のばらつきがあるプロペラのC_{T、C Q、C P、}およびεの動作をそれぞれ比較します。図5に示すように、ブレードとプロペラピッチの数を一定に保ちながらプロペラ径を変化させることは、プロペラ効率に対して無視できる効果を持っていました。しかし、所定の先進比Jに対するCT、CQ、_およびCPは、プロペラ径が小さくなって若干増加した。

図 5.直径変化するプロペラの特性の比較この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図 6 に示すように、プロペラ ピッチの変化は、すべてのパラメータに大きな影響を与えました。一般に、高ピッチプロペラは、低ピッチプロペラに比べて、所定の高度な比に対してより多くの推力、トルク、およびパワーを生み出します。プロペラピッチを増加させることはまた、プロペラ領域、すなわち、正の推力およびトルクの大きな領域の範囲を増加させた。最後に、最大の動作効率は、プロペラピッチが増加するにつれて、より高い高度な比率で発生しました。

図 6.ピッチの変化を持つプロペラの特性の比較。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図7は、ブレードの数を倍増すると、推力とトルクの大幅に高い量につながることを示しています。プロペラの領域は似ていますが、4枚刃のプロペラは、2ブレードプロペラに比べて高度な比率で風車のように振る舞い始めます。また、2ブレードプロペラは、その4ブレードの対応よりもわずかに効率的です。

図 7.ブレード数が異なるプロペラの特性の比較この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

プロペラは、小型航空機に電力を供給し、推力を提供するための簡単な方法を提供するために使用されます。それらは電気か往復エンジンに取り付けられ、そこで回転速度を推進のための推力に変えることができる。このデモンストレーションでは、音質、直径、ブレード数が異なる7つのプロペラを、亜音速風洞に搭載したプロペラテストリグを用いて特徴付けました。各プロペラについて、プロペラ、エアブレーキ、風車の運転領域を特定した。プロペラ径の影響を調べたパラメトリック研究では、推力とトルクが小さくなり、直径が小さくなっています。しかし、プロペラピッチは、明らかな利点を有する高ピッチプロペラを有する推力およびトルク特性に大きな影響を及ぼす。さらに、プロペラ領域の範囲は、ピッチが減少して死に立つ。最後に、ブレードの数を増やすと、推進力の効率がわずかに低下し、推力、トルク、およびパワーが増加します。

航空機やウォータークラフトのための適切な推進システム(エンジン/モータープロペラの組み合わせ)の選択は、高性能かつ効率的な空中または水上車両を達成するために必要とされます。詳細なプロペラ特性データは、エンジニアが航空機/ウォータークラフトのすべての動作速度にわたって飛行性能パラメータを正確に評価し、最適な推進システムを正確に決定する方法を提供します。