프로펠러 특성: 성능 관련 피치, 직경 및 블레이드 수의 변화

고정 피치와 가변 피치의 두 가지 주요 프로펠러 유형이 있습니다. 고정 피치 프로펠러는 하나의 최적의 작동 조건을 위해 설계되었으며 효율적입니다. 그들은 주어진 된 공기 속도 및 RPM에 대 한 전력 입력 비율에 높은 전력 출력, 대부분의 경우 항공기 크루즈 조건. 그러나 이착륙 중에는 RPM과 비행 속도가 낮을 때 고정 피치 프로펠러가 매우 비효율적입니다. 가변 피치 프로펠러 블레이드는 파일럿이 프로펠러 피치를 변경하여 모든 작동 조건에 대한 프로펠러 효율을 극대화할 수 있도록 하여 고정 피치 문제에 대한 솔루션을 제공합니다. 이러한 이유로 연료 효율이 지배적인 요소인 대형 프로펠러 항공기에서 가변 피치 프로펠러가 효율성을 극대화하는 데 사용됩니다.

고급 비율, 추력 계수, 토크 계수, 전력 계수 및 프로펠러 효율은 프로펠러를 특성화하는 데 필요한 중요한 비차원 파라미터입니다. 이러한 매개 변수에 기초하여 프로펠러, 에어 브레이크 및 프로펠러의 다른 작동 체제인 풍차 정권을 식별할 수 있습니다. 프로펠러 정권에서 프로펠러는 양성 추력과 토크를 생성합니다. 공중 브레이크 정권은 토크가 긍정적으로 유지되는 동안 추력이 음수될 때 시작됩니다. 이 정권에서 프로펠러는 시스템을 느리게 합니다. 마지막으로 추력과 토크가 모두 영하로 떨어지면 프로펠러는 풍차 정권에 있습니다. 여기서, 기류는 프로펠러를 구동하는 모터/엔진이 극복할 수 없는 프로펠러에 힘을 생성할 때 프로펠러를 제어합니다. 프로펠러 효율은 프로펠러 영역 을 넘어서는 의미가 없습니다.

주어진 공기 속도 및 RPM에 대한 고효율 프로펠러 체제에서 프로펠러를 작동하는 것이 항상 바람직하다. 앞서 언급했듯이 고정 피치 프로펠러는 일반적으로 크루즈 비행 중 가장 높은 효율로 작동하도록 설계되었으며, 이륙 및 착륙 시와 같이 낮은 속도로 작동할 수 있지만 효율성은 매우 낮습니다. 가변 피치 프로펠러는 비행 정권(이륙, 크루즈 또는 착륙)에 따라 프로펠러 정권에서 가능한 가장 높은 효율성을 얻기 위해 조정하여 항공기의 연료 효율을 극대화할 수 있습니다.

프로펠러 피치 외에도 프로펠러 블레이드의 수는 프로펠러에서 사용할 수 있는 추력을 설정하는 데 중요한 역할을 합니다. 일반적으로 프로펠러의 직경 또는 피치에 설계 제약 조건이 있는 경우 블레이드 수를 늘리면 생성된 추력의 양이 증가할 수 있습니다. 그러나, 여분의 추력은 프로펠러 효율의 비용으로 올 수 있습니다, 상세한 분석의 필요성을 필요로.

프로펠러 회전속도(n)및직경(D)에대한 프리스트림 속도(V_∞)를정상화하는 매개변수인 고급 비율, J는다음과 같은 방정식에 의해 주어진다.

프리스트림 흐름 속도는 방정식을 사용하여 측정할 수 있습니다.

여기서 프리스트림 밀도입니다.

추력 계수, C_T는프로펠러 추력, T의비차원 척도이며 방정식에 의해 제공됩니다.

마찬가지로, 토크, C_Q및 전력, C_P,계수, 프로펠러 토크 및 출력 전력의 비차원 측정은 각각 방정식에 의해 제공됩니다.

θ가 토크이고 P는 프로펠러를 실행하기 위해 브러시리스 DC 모터에 공급되는 전력입니다. 전력, P, 전압, V및 전류의 제품으로 계산할 수 있습니다.

마지막으로 프로펠러 효율은 다음과 같이 표현할 수 있습니다.

프리스트림 밀도, θ: 0.074 lb/ft^3,결과를 결정하는 데 사용되었다. 두 블레이드, 18 x 8 프로펠러의 추력, 토크, 파워 및 프로펠러 효율의 계수의 변화는 도 4에 도시되어 있다. 프로펠러, 에어 브레이크 및 풍차 영역이 경계됩니다. 프로펠러의 2블레이드, 18 x 8은 0.6의 고급 비율로 양수 추력을 생성하며, 그 후 J 0.85까지 에어 브레이크 영역으로 전환됩니다. 이 시점과 그 이후에 프로펠러는 음의 토크를 생성하기 시작하고 풍차처럼 행동합니다. 프로펠러는 J = 0.4에서 최고 효율을 달성합니다.

그림 4. 프로펠러에서 두 블레이드, 18 x 8의 특성.

그림 5-7은 프로펠러의 C_T, C_Q, C_P및 η 동작을 직경, 피치 및 블레이드 수의 변화와 비교합니다. 도 5에 도시된 바와 같이, 블레이드와 프로펠러 피치의 수를 유지하면서 프로펠러 직경이 달라지면서 프로펠러 효율에 무시할 수 있는 영향을 η. 그러나 주어진 고급 비율에 대한 C_T, C_Q및 C_P는 프로펠러 직경이 감소하면서 약간 증가하였다.

그림 5. 다양한 직경의 프로펠러에 대한 특성 비교. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

다양한 프로펠러 피치는 도 6에 도시된 바와 같이 모든 매개 변수에 크게 영향을 미쳤습니다. 일반적으로 고음 프로펠러는 저피치 프로펠러에 비해 주어진 고급 비율에 대해 더 많은 추력, 토크 및 전력을 생성합니다. 프로펠러 피치가 증가하면 프로펠러 영역의 범위, 즉 양성 추력 및 토크의 큰 영역이 증가했습니다. 마지막으로 프로펠러 피치가 증가함에 따라 최대 작동 효율이 높은 고급 비율로 발생했습니다.

그림 6. 다양한 피치프로펠러의 특성비교. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 7은 블레이드 수를 두 배로 늘리면 추력과 토크가 상당히 높다는 것을 보여줍니다. 프로펠러 영역은 비슷하지만 4블레이드 프로펠러는 2블레이드 프로펠러에 비해 고급 비율로 풍차처럼 행동하기 시작합니다. 또한 2블레이드 프로펠러는 4블레이드 프로펠러보다 약간 효율적입니다.

그림 7. 블레이드 수가 다양하여 프로펠러의 특성을 비교합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

프로펠러는 소규모 항공기에 전력을 공급하는 데 사용되며 추력을 제공하는 간단한 방법을 제공합니다. 전기 또는 왕복 엔진에 부착할 수 있으며, 회전 속도를 추진력을 위해 추력으로 변환할 수 있습니다. 이 데모에서는 피치, 직경 및 블레이드 수가 다양한 7개의 프로펠러가 아음속 풍동에 장착된 프로펠러 테스트 리그를 사용하여 특징지어졌습니다. 각 프로펠러에 대해 프로펠러, 에어 브레이크 및 풍차 영역이 확인되었다. 프로펠러 직경의 효과를 연구하기 위해 수행 된 파라메트릭 연구는 직경이 감소하는 추력과 토크의 약간의 감소를 보였다. 그러나 프로펠러 피치는 명확한 이점을 갖는 고피치 프로펠러를 통해 추력 및 토크 특성에 큰 영향을 미칩니다. 또한 프로펠러 영역의 범위는 피치가 감소하여 중단됩니다. 마지막으로, 블레이드의 수를 늘리면 추력, 토크 및 프로펠러 효율이 약간 감소하여 전력이 증가합니다.

항공기 또는 선박에 적합한 추진 시스템(엔진/모터 프로펠러 조합)을 선택하여 고성능및 효율적인 공중 또는 수상 차량을 달성해야 합니다. 상세한 프로펠러 특성 데이터는 엔지니어가 항공기/선박의 모든 작동 속도에서 비행 성능 파라미터를 정확한 방식으로 평가하여 최적의 추진 시스템을 올바르게 결정할 수 있는 정확한 방법을 제공합니다.