Что мне нужно знать, чтобы спроектировать пропеллеры, вращающиеся в противоположных направлениях, для параплана с двигателем?

Использование двух винтов, вращающихся в противоположных направлениях, действительно устраняет проблемы с крутящим моментом. Коаксиальная конфигурация существует уже некоторое время, как и успешный Breguet Dorand 1936 года . С вопросами тяги, мощности и гребного диска немного сложновато, начнем с качественного обсуждения.

1. Два 2-лопастных соосных ротора по сравнению с одним 4-лопастным ротором того же размера.

   Для создания заданной тяги два 2-лопастных винта, вращающихся в противоположных направлениях, потребляют меньше энергии, чем один 4-лопастной винт того же размера, если они установлены достаточно далеко друг от друга. Разделение двух пропеллеров помогает снизить мощность: чем ближе они друг к другу, тем меньше преимущество в мощности. Разделите их на 20% радиуса ротора, и у вас по-прежнему будет преимущество в мощности на 7% по сравнению с одним 4-лопастным винтом, как подсчитал Камов (ссылка) . Чем дальше, тем меньше потребляемой мощности. Обратите внимание, что преимущество в мощности на 7% может не учитывать потери от требуемых зубчатых передач с двумя передачами.

2. Соосный 2-лопастной винт по сравнению с двумя 2-лопастными отдельными гребными винтами того же размера.

   Теория импульса предсказывает штраф за мощность$\sqrt{2}$= 41%, когда два ротора размещены соосно без разделения, по сравнению с двумя идентичными роторами, работающими изолированно. Результаты испытаний показали, что это завышенная оценка: 20% более реалистичны.

Мы ограничены коммерчески доступными размерами и шагами и используем фиксированный шаг. Это означает, что мы не можем оптимизировать для конкретных обстоятельств. Мои рекомендации по процессу проектирования будут следующими:

• По вашей ссылке я вижу, что есть лезвия 40 и 49 дюймов. Идите на 40-дюймовый реквизит.
• Ваша ссылка дает выходную скорость 3500 об / мин. С 40-дюймовым винтом скорость наконечника становится (3500 об / мин *$2\pi$рад * 0,5 м/60 сек) = 183,3 м/с, около 0,55 Маха. Скорость движения около 20 м/с. Треугольник скоростей на вершине имеет угол тангенса$^{-1}$20/183 = 6,2°
• Типичный симметричный профиль, такой как NACA 0012, имеет максимальное значение L/D при угле атаки = 4° при M = 0,6 ( ссылка ).

• Добавьте это к треугольнику скоростей, и вы получите угол наклона лезвия 10°. Это соответствует шагу лопастей 22 дюйма для переднего винта. Выберите стандартный шаг, ближайший к 22 дюймам (24 дюйма?). Следующий шаг до 22 дюймов должен быть лучшим выбором, потому что задний винт будет втягивать воздух и увеличивать скорость свободного потока.
• Задний гребной винт пропускает ускоренный воздух от переднего гребного винта и должен иметь больший шаг лопастей, чем передний гребной винт. Выберите следующий доступный шаг вверх (28 дюймов?).
• Естественно, один пропеллер должен быть по часовой стрелке, а другой против часовой стрелки.
• Оба винта должны быть двухлопастными. В итоге получится четыре лезвия, что более чем достаточно для данного приложения. Добавление большего количества лопастей будет стоить лошадиных сил и не приведет к какому-либо полезному увеличению тяги.

Для тяги на винт, если я вычислю это из$C_L$0,55 и интегрируя это по радиусу лезвия от 5 см до 48 см (с учетом потерь на кончике), я получаю:

$$T = C_L \cdot \rho \cdot A \cdot \int_{0.05}^{0.48} \omega \cdot r \cdot dr$$

$$= C_L \cdot \rho \cdot A \cdot \frac{\omega^2}{2} \cdot (0.48^2 - 0.05^2)$$

$$= 0.55 \cdot 1.225 \cdot 0.05 \cdot \frac{366^2}{2} \cdot (0.2304 - 0.0025)$$

С

• $C_L$= 0,55
• $\rho$= 1,225 кг/м$^3$на уровне моря
• A = площадь лезвия около 0,05 м$^2$
• $\omega$= 3500*2$\pi$/60 = 366 рад/сек

= 514 Н на гребной винт. Обратите внимание, что здесь есть предположения о профиле винта и площади лопасти.$\alpha$может быть не точно 4 °, поэтому давайте возьмем значение на 10% меньше: 450 Н на винт = 900 Н всего.

Мощность, необходимая для создания этой тяги, равна мощности профиля лопасти плюс индуцированная мощность от создания тяги. Когда я смотрю вверх$C_T$и$C_P$факторов винтовых дисков, я получаю$C_P$0,001, в результате чего мощность P равна

$$P = C_P \cdot \rho \cdot A_{disk} \cdot {V_{tip}}^3 = 0.001 \cdot 1.225 \cdot 0.785 \cdot 183^3 = 5.9 kW$$

Таким образом, для двух гребных винтов со штрафом в 20% это будет 14,4 кВт = около 20 л.с. Здесь есть некоторые оценки, и все зависит от размера поля и от того, верны ли мои предположения о профиле и площади лезвия, но, похоже, это примерно. Конечно, продукт необходимо будет протестировать на фактическую тягу и потребляемую мощность.

Если ваша установка с противоположным вращением и зубчатая передача работают, основными преимуществами будут отсутствие крутящего момента и низкая скорость наконечника, что приводит к низкому уровню шума.

---

Обновлять

Некоторые комментарии касаются использования более крупных гребных винтов, одного 3-лопастного и 2-лопастного, и есть вопрос об использовании электронной таблицы для одиночных гребных винтов.

• Электронная таблица с одним пропеллером может быть компиляцией опыта использования одного пропеллера. Тем не менее, вы будете управлять двумя пропеллерами.
• Основным преимуществом вашей установки является устранение крутящего момента. Используйте один 3-лопастной и один 2-лопастной винт, и разница в сопротивлении снова создаст крутящий момент. Всего у вас уже есть 4 лезвия, нет необходимости добавлять пятое или более для каких-либо целей.
• Больший пропеллер использует больше лошадиных сил, чем меньший пропеллер, и вы управляете двумя пропеллерами. Если ваш двигатель может управлять 2 гребными винтами большего диаметра, обязательно вперед.
• Ваш автомобиль движется со скоростью не более 70 км/ч, пропеллеры не будут иметь проблем с притягиванием достаточного количества воздуха.
• Увеличение оборотов на выходе было бы хорошим способом увеличить тягу!

Мое первоначальное опасение заключается в том, что использование 100-сантиметровых (40 дюймов) винтов может быть неподходящим, так как громоздкость человека, сидящего перед двигателем и клеткой, может быть недостаточно аэродинамической, чтобы использовать воздух, когда он проходит вокруг пилота и двигателя?

В представленной информации появляется отличная математическая формула, которую я передам нашему инженеру-механику.

Я использовал эту старую электронную таблицу Prop-Speed , но я не уверен, что расчеты верны, так как я не уверен, к чему относится «256000» в ячейке «L24» (= J24 * 256000/K24)?