Wie groß ist der Schub von zwei gestapelten Propellern?

Es gibt einen wirklich interessanten Artikel von Manikandan Ramasamy ( Hover Performance Measurements Toward Understanding Aerodynamic Interference in Coaxial, Tandem, and Tilt Rotors, Journal of the American Helicopter Society, Vol. 60, 2015), der sich mit dieser Frage befasst und für ihn von großem Interesse ist UAS mit mehreren Rotoren (was für Drehflügler eine beträchtliche Anzahl von Flugzeugen ist): Wie ändert das Stapeln von zwei Rotoren ihre Effizienz und Schubleistung?

Seine Testapparatur sah so aus: Zwei genau übereinander angeordnete Rotoren, und seine Apparatur ermöglichte es ihm, sowohl das Drehmoment als auch den Schub zu messen, die von jedem unabhängig voneinander erzeugt wurden. Er könnte auch den Abstand zwischen den beiden Rotoren variieren. Als Referenz haben die Rotoren einen Durchmesser von ~ 4,3 Fuß. Außerdem, nur um die Diagramme zu erklären, die ich aus seinem Papier werfen werde, verwendete er Klingen sowohl mit als auch ohne Verdrehung.

Der Grund, warum er Drehmomentsensoren hat, wird mit den Ergebnissen ins Spiel kommen. Für einen Koaxialrotorhubschrauber (nicht unbedingt für ein Koaxialpropellerflugzeug - ich bin mir nicht sicher, was Sie interessiert) ist es wünschenswert, einen Koaxialrotoraufbau zu haben, bei dem jeder Rotor das gleiche Drehmoment erzeugt. Multikopter-UAS stören dann dieses Drehmomentgleichgewicht, um sich selbst beim Gieren zu kontrollieren. Die von Ramasamy durchgeführten Tests wurden alle durchgeführt, als die Rotoren drehmomentausgeglichen waren, sodass jeder Rotor ein Drehmoment erzeugte, das dem des anderen Rotors gleich und entgegengesetzt war.

Seine Ergebnisse sind ziemlich beeindruckend, wie unten gezeigt. Dies ist ein Diagramm, wie sich der "Interferenzfaktor" für jeden Rotor in Bezug darauf änderte, wie nahe die Rotoren beieinander waren. "z/D" bezieht sich auf den vertikalen Abstand der Rotoren, z, als Bruchteil des Rotordurchmessers. Der Interferenzfaktor ist ein Maß für die zusätzliche Kraft, die erforderlich ist, um den oberen und unteren Rotor zu drehen, ($\kappa_u$Und$\kappa_l$) im Vergleich zu einem isolierten Rotor. Ein Störfaktor von 1 bedeutet, dass der Rotor einem isolierten Rotor entspricht. Größer als 1 bedeutet, dass er weniger effizient ist als ein isolierter Rotor und umgekehrt.

Wie Sie sehen, verhält sich der obere Rotor, wenn die Rotoren weiter auseinander gehen, als wäre er ganz von selbst ($\kappa_u=1$). Der untere Rotor ist jedoch aufgrund des Abwinds vom oberen Rotor immer ineffizienter als ein isolierter Rotor. Je näher die beiden Rotoren kommen, desto wilder werden die Effekte.

Wenn sich der untere Rotor dem oberen Rotor nähert, hilft er, Luft durch den oberen Rotor zu ziehen, sodass Sie vielleicht denken, dass der Winkel der Luft, die auf die Blätter trifft, steiler wird (auch als höherer Einströmwinkel bezeichnet). Dies führt auch zu einem geringeren Anstellwinkel an den Blättern, was zu folgenden Effekten für den oberen Rotor führt: verringerte Schuberzeugung (abhängig von einem hohen Anstellwinkel, um mehr Auftrieb zu erzeugen) und erhöhter Drehmomenteintrag (abhängig von einem Anströmwinkel). Folglich,$\kappa_u$erhöht sich.

Da der obere Rotor jedoch weniger Schub erzeugt, nimmt der Abwind am unteren Rotor ab … und, wie Sie sich vorstellen können, sieht er den gegenteiligen Effekt, den der obere Rotor sieht: höhere Schuberzeugung, geringere Drehmomentzufuhr und$\kappa_l$nimmt tatsächlich ab . Aus diesem Grund müssen Sie jetzt entweder den oberen Rotor verlangsamen oder den unteren Rotor beschleunigen, um einen Drehmomentausgleich zu erreichen.

Daher lautet die erste Antwort auf Ihre Frage ... es kommt darauf an, aber es sieht so aus, als könnten Sie tatsächlich mehr Schub aus der koaxialen Konfiguration herausholen (im Gegensatz zu zwei isolierten Rotoren), wenn Sie die Rotoren gut verteilen können. Dies ist zumindest teilweise auf eine gewisse "Wirbelerholung" zurückzuführen, die von dem unteren, gegenläufig rotierenden Rotor durchgeführt wird. Mit anderen Worten, da ein Rotor die Luft nicht nur nach unten drückt, sondern sie auch zum Drehen zwingt (wie ein Tornado), sieht der untere, gegenläufige Rotor schnellere Luftbewegungen und kann dies nutzen, um mit einem geringeren Anstellwinkel zu arbeiten: Erzeugt die gleiche Menge an Schub mit geringeren Widerstandsnachteilen. Die Wirksamkeit davon variiert jedoch, wie gesagt, mit der Trennung der beiden Rotoren.

Und noch einmal, das größere Problem ist meiner Meinung nach (aus Performance-Sicht) bei koaxialen Setups nicht die Schuberzeugung, sondern der Leistungsbedarf. Einer der beiden Rotoren (wenn nicht beide) wird immer weniger effizient sein als ein isolierter Rotor, der den gleichen Schub erzeugt. Deutlicher wird dies weiter unten in einem Vergleich von Leistungszahl (Leistungszahl = (Idealisierter Leistungsbedarf)/(Tatsächlicher Leistungsbedarf), also ein Maß für den Rotorwirkungsgrad) mit dem Schubkoeffizienten (analog zur Menge des erzeugten Schubs). durch den Rotor) für die Rotoren mit unverdrillten Blättern.

Kurz gesagt, Sie können zwar mehr Schub aus einem Paar koaxialer, gegenläufiger Rotoren herausholen, aber es gibt kein kostenloses Mittagessen. Und das Mittagessen kann ziemlich teuer werden, zumindest aus Sicht der Leistung (ganz zu schweigen von der zusätzlichen Struktur usw., die für größere axiale Trennungsabstände erforderlich ist).