Was sind die relativen Wirkungsgrade der verschiedenen Stufen eines gegenläufigen Propellers?

Nachdem ich die CFD-Ergebnisse eines Drohnenprojekts, an dem ich beteiligt bin, durchgesehen hatte, bemerkte ich, dass die Daten eine deutlich erhöhte Schuberzeugung (+10 %) in der zweiten Stufe eines gegenläufigen, zweistufigen Impellergebläses zeigen. Beide Stufen verwenden identische Tragflächen und drehen sich mit der gleichen Drehzahl. Sie haben auch eine geringe Festigkeit, was bedeutet, dass sie eher wie Propeller als Flugzeuglüfter aussehen, da die Blätter einen kleinen Teil der Scheibenfläche einnehmen.

Im Allgemeinen sind Propeller weniger effizient, wenn der einströmende Luftstrom eine hohe Geschwindigkeit hat, daher würde ich bei jedem N-Stufen-Lüfter mit ansonsten identischen Stufen erwarten, dass die N-Stufe weniger Schub erzeugt als die N-1-Stufe, aber anscheinend bin ich es etwas vermissen.

In einer früheren Antwort hier erwähnte Peter Kämpf, dass die erste Stufe des Turboprops Kuznetsov NK-12 die Strömung vorwirbelt, um die Schuberzeugungsbedingungen in der zweiten Stufe zu verbessern. Wie funktioniert dieser Prozess? Ist ein bestimmtes Design der Stufen erforderlich, um im Tandem zu arbeiten?

Antworten (2)

Das Wichtigste, woran Sie denken sollten, ist, dass die erste Stufe die Luft nicht nur nach unten beschleunigt, sondern sie auch dazu bringt, sich in die gleiche Richtung wie der Propeller der ersten Stufe zu drehen ("wirbeln").

Dies geschieht, weil der Propeller der ersten Stufe, der ein Tragflächenprofil ist, sowohl Auftrieb als auch Luftwiderstand erzeugt. Der Auftrieb entspricht der Luft, die entlang der Achse des Kanals beschleunigt wird; Der Luftwiderstand entspricht der Luft, die kreisförmig um ihn herum beschleunigt wird. Die Größe der Drallkraft hängt daher mit dem Schub und dem effektiven L/D-Verhältnis des Propellers zusammen.

Das Schaufelblatt des Propellers der zweiten Stufe trifft dann auf Luft, die sich mit der Tangentialgeschwindigkeit des Propellers zuzüglich der Tangentialgeschwindigkeit der Luft, die nun kreisförmig in die entgegengesetzte Richtung beschleunigt ("vorgewirbelt") wurde, auf sie zubewegt erste Stufe.

Diese erhöhte Geschwindigkeit bedeutet, dass der Anstellwinkel für das Flügelprofil der zweiten Stufe im Vergleich zu dem der ersten Stufe erhöht wird, und daher wird bei der gleichen Drehzahl ein größerer Auftrieb erzeugt.

Um die Last auf den beiden Stufen auszugleichen, müssten Sie die Steigung oder Drehzahl des Propellers der zweiten Stufe anpassen.

Beachten Sie, dass die Luft nach der zweiten Stufe wieder "entwirbelt" wird, um näher an einer nicht rotierenden Strömung zu sein, und dies ist einer der Gründe, warum ein gegenläufiges Paar effizienter sein kann als ein einzelner Propeller: insgesamt die Das System verschwendet weniger Energie, um die Luft zu verwirbeln, anstatt sie axial zu beschleunigen.

Ich habe mich darüber gewundert; Wenn Sie zwei gegenläufige Propeller wie bei einer Drohne mit fester Steigung haben möchten, reicht es nicht aus, bei beiden Propellern die gleiche Steigung zu haben. Der zweite Propeller sollte dann etwas weniger Steigung haben, wenn er mit der gleichen Drehzahl wie der erste arbeiten soll und Sie möchten, dass er den gleichen Schub erzeugt?
Danke für die Antwort. Ich verstehe, was Sie bezüglich der induzierten Geschwindigkeit von der ersten Stufe auf einer intuitiven Ebene sagen wollen, aber ich denke, es könnte klarer sein. Auch in Ihrem zweiten und dritten Absatz verwenden Sie radial, um die Wirbelkomponente zu beschreiben. Radial wird normalerweise verwendet, um etwas entlang des radialen Vektors zu bezeichnen, ich denke, Sie wollten azimutal oder winklig verwenden.
@JohnK Sie könnten dem zweiten Propeller weniger Steigung geben oder ihn einfach mit etwas niedrigerer Drehzahl betreiben. Bei einem typischen elektrischen Multirotor wäre das Einstellen der Drehzahl viel einfacher, da Sie sich dann an alle Ihre Propeller halten könnten, die Standardtypen mit der gleichen Steigung sind.
@AEhere danke für das Feedback. Ich habe den Missbrauch von „radialen“ Geschwindigkeiten durch „tangential“ ersetzt. Winkelgeschwindigkeit wäre nicht korrekt – das bezieht sich auf eine Rotationsgeschwindigkeit in zB U/min oder Bogenmaß/Sekunde, wohingegen es hier auf die lineare Geschwindigkeit eines beliebigen Punkts entlang des Propellerblatts ankommt, der tangential zu seiner kreisförmigen Bahn verläuft.

Der hintere Propeller arbeitet in der Umgebung mit höherem Druck, die der vordere Propeller erzeugt. Der Schub ist eine Funktion des Staudrucks der ankommenden Strömung – dasselbe Prinzip wie der translatorische Auftrieb bei Hubschraubern.

Was sind die relativen Wirkungsgrade der verschiedenen Stufen eines gegenläufigen Propellers?
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