Каков относительный КПД различных ступеней пропеллера, вращающегося в противоположных направлениях?

Изучив результаты CFD проекта беспилотника, в котором я участвую, я заметил, что данные показывают значительное увеличение (+10%) тяги на второй ступени двухступенчатого канального вентилятора, вращающегося в противоположных направлениях. Обе ступени используют одинаковые аэродинамические поверхности и вращаются с одинаковыми оборотами. Они также имеют низкую прочность, а это означает, что они больше похожи на пропеллеры, чем на вентиляторы авиалайнеров, поскольку лопасти занимают небольшую часть площади диска.

Как правило, пропеллеры менее эффективны, когда входящий воздушный поток имеет высокую скорость, поэтому я ожидаю, что в любом вентиляторе N-ступени, использующем в остальном идентичные ступени, ступень N будет создавать меньшую тягу, чем ступень N-1, но, по-видимому, я чего-то не хватает.

В предыдущем ответе здесь Питер Кемпф упомянул, что первая ступень турбовинтового двигателя Кузнецова НК-12 предварительно закручивает поток для улучшения условий создания тяги на второй ступени. Как работает этот процесс? Требуется ли особый дизайн этапов для совместной работы?

Ответы (2)

Главное, о чем следует помнить, это то, что первая ступень не просто ускоряет воздух вниз, но и заставляет его вращаться («закручиваться») в том же направлении, что и пропеллер первой ступени.

Это происходит потому, что воздушный винт первой ступени, будучи аэродинамическим профилем, создает как подъемную силу, так и сопротивление. Подъемная сила соответствует ускорению воздуха по оси воздуховода; сопротивление соответствует круговому ускорению воздуха вокруг него. Таким образом, величина вихревой силы связана с тягой и эффективным отношением длины к диаметру гребного винта.

Затем аэродинамический профиль пропеллера второй ступени сталкивается с воздухом, который движется к нему с тангенциальной скоростью пропеллера, плюс тангенциальная скорость воздуха, который теперь был ускорен по окружности («предварительно закручен») в противоположном направлении за счет Начальная ступень.

Эта увеличенная скорость означает, что угол атаки аэродинамического профиля второй ступени будет увеличен по сравнению с углом атаки первой ступени, и, следовательно, при том же числе оборотов создается большая подъемная сила.

Чтобы сбалансировать нагрузку на две ступени, вам потребуется отрегулировать шаг или число оборотов гребного винта второй ступени.

Обратите внимание, что после второй ступени воздух будет «раскручиваться» обратно, чтобы он был ближе к невращающемуся потоку, и это одна из причин, по которой пара, вращающаяся в противоположных направлениях, может быть более эффективной, чем одиночный винт: в целом, система тратит меньше энергии на закручивание воздуха, чем на его осевое ускорение.

Я задавался вопросом об этом; если вы хотите иметь два пропеллера, вращающихся в противоположных направлениях, как на дроне, с фиксированным шагом, было бы неправильно иметь одинаковый шаг на обоих пропеллерах. Тогда второй винт должен иметь немного меньший шаг, если он будет работать на тех же оборотах, что и первый, и вы хотите, чтобы он создавал такую ​​же тягу?
Спасибо за ответ. Я понимаю, что вы хотите сказать относительно индуцированной скорости с первой ступени на интуитивном уровне, но я чувствую, что это могло бы быть яснее. Также во втором и третьем абзацах вы используете радиальный для описания компонента завихрения. Радиальный обычно используется для обозначения чего-то вдоль радиального вектора, я думаю, вы имели в виду азимутальный или угловой.
@JohnK, вы могли бы уменьшить шаг второго винта или просто управлять им на немного более низких оборотах. На типичном электрическом мультикоптере регулировать число оборотов было бы намного проще, поскольку тогда вы могли бы придерживаться стандартных типов винтов с одинаковым шагом.
@AEhere спасибо за отзыв. Я заменил неправильное использование «радиальных» скоростей на «тангенциальные». Угловая скорость не будет правильной - это относится к скорости вращения, например, в оборотах в минуту или радианах в секунду, тогда как здесь важна линейная скорость любой заданной точки вдоль лопасти винта, касательной к его круговой траектории.

Задний гребной винт работает в среде с более высоким давлением, которое создает передний гребной винт. Тяга является функцией давления торможения набегающего потока - тот же принцип, что и поступательная подъемная сила в вертолетах.

Каков относительный КПД различных ступеней пропеллера, вращающегося в противоположных направлениях?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v