Fråga:
Skulle anslutning av propellerblad med en kontinuerlig ring minska inducerat drag?
falstro
2014-01-08 13:43:05 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Turbinmotorer täcks, vilket naturligtvis ska innehålla processen (precis som en super / turboladdad motor är så snart luften kommer in i intaget). Men det fick mig att tänka, minskar inte detta - eller tar till och med helt bort - det inducerade släpet runt fläktklingornas spetsar?

Skulle det vara möjligt att ha en liknande inställning för en vanlig prop, det behöver inte ens vara stillastående, det kan vara en ring som förbinder propets spetsar och snurrar med den, som en oändlig ving. Det har den extra säkerhetsfördelen att den blir synlig när propellen snurrar. Och jag räknar ut att om ringen är tillräckligt stark för att bibehålla sin omkrets, bör belastningen på propellen vara marginell eftersom den snurrar runt sitt eget masscentrum.

Är den inducerade dragningen på propellen inte tillräckligt stor för att motiverar någon tanke, eller skulle en sådan prop-winglet-ring (jag är säker på att det finns ett riktigt namn på det, någon som vet vad jag pratar om?) orsakar andra störningar i luftflödet? Eller kanske det finns andra orsaker, som att det helt enkelt skulle vara för svårt att lösa för rekvisita med konstant hastighet?

Det finns redan många svar nedan som löser inducerad drag på rekvisita. För att direkt svara på din fråga angående en ring fäst direkt på knivarna - det skulle drabbas av varierande centrifugalbelastningar, som i sig själva skulle vara ganska stora vid högt varvtal, men det faktum att belastningarna skulle variera så mycket skulle leda till materialutmattning och fel.
Hur skulle du ansluta propellerbladets spetsar med en kontinuerlig ring utan att göra dem oförmögna att ändra stigning?
Fem svar:
#1
+19
Daniel Steele
2014-01-08 17:45:37 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Det du pratar om existerar, de kallas Q-Tip Propellers.

Kom ihåg att ett propellerblad bara är en flygplatta - som en vinge - och grundläggande aerodynamik är inte annorlunda än en vinge. Men bladets rotation skapar fler fenomen än en vinge, i synnerhet den heloidformade virveln man ser bakom propellen och orsakar alla möjliga propellereffekter .

I teorin skulle ingenting hindra oss från att ha vingar på stödspetsarna: fördelarna skulle vara

  1. Att göra propellen effektivare genom att reducera det inducerade motståndet (samma som en winglet on a wing)
  2. Minska bullret
  3. Att hålla propellerns spetshastighet subsonisk genom att minska dess längd

Det stora problemet ligger i aerodynamiska spänningar, och så vitt jag vet har det skett några ganska spektakulära misslyckanden under testningen, så lösningen är nu att ge ett större svep till spetsarna (se det som motsvarar 777 vingspetsen jämfört med till exempel 787). Försök hitta artiklar om Hartzell Q-tip .

Eftersom marinpropellrar är bredare och kan hantera större vridmomentspänningar, har moderna vingar. Du kan hitta några bilder på webben.

Häftigt! Vet du om det finns några "ringar" som förbinder alla prop-tips, hela vägen runt? Eller sätt en ram runt stödet, som på vissa vattenfordon och vissa helikoptrar (sci-fi åtminstone, inte säker på riktiga)?
Ett relaterat koncept till Q-Tip-propellern (med färre problem på grund av aerodynamisk stress) är [Scimitar Propeller] (http://en.wikipedia.org/wiki/Scimitar_propeller), som finns på många turbopropflygplan inklusive [the C-130J "Super Hercules"] (http://en.wikipedia.org/wiki/Lockheed_Martin_C-130J_Super_Hercules). Även om de flesta av de scimitarpropellrar jag känner till är konstanta, tror jag att det också finns några varianter med fast tonhöjd ...
#2
+12
Peter Kämpf
2014-09-29 00:59:03 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Som andra har påpekat ökar spänningen på knivarna kraftigt om du monterar ringen på stödet. Samma effekt kan uppnås med ett snyggt monterat hölje.

Det har verkligen funnits ett plan som använde detta koncept, RFB FanTrainer (se bilden nedan). För att minska vikten och den fuktade ytan var propendiametern mycket mindre än med en vanlig propeller, så den totala effektiviteten var inte bättre. De mindre roterande trögheten gav emellertid en mer turbinliknande effekt (mindre precession), så konceptet användes för en grundläggande tränare för framtida jetpiloter.

FanTrainer 400

Till slut hade FanTrainer endast begränsad framgång och avbröts efter att 50 hade byggts. Designen var för lätt för att stödja alla flygvapnens önskningar för en grundläggande tränare, och den privata marknaden var då krympande och full av äldre flygplan som betjänade de kostnadsmedvetna kunderna lika bra. Det erbjöd dock nästan jetliknande egenskaper till ett unikt lågt pris per flygtimme.

I allmänhet, om du vill hölja propellern för bättre effektivitet, måste du acceptera den högre ytan av höljet, vilket snabbt kommer att lägga till mer drag än vad du någonsin kommer att spara genom att förhindra flöde runt stödspetsarna.

Vad kan du spara genom att hölja stöttan? Framkallat drag skulle vara detsamma, eftersom det här kommer från hissskapande. Den klassiska teorin för minsta framkallade propellrar av A. Betz och L. Prandtl kräver en elliptisk lyftfördelning över propellerskivan, så att en smidig lyftning smalnar av vid spetsarna. Artificiellt ökning skulle det bara hjälpa om detta skulle kunna minska bladkord i spetsarna - eftersom spetsarna ser det högsta dynamiska trycket kan detta verkligen översättas till mindre friktionsdrag. Denna vinst är dock liten jämfört med den massiva ökningen av friktionsdraget på ett hölje.

Vid höga hastigheter är de inducerade förlusterna små och andra faktorer blir dominerande. Observera att turbofläktar och högt belastade propellrar inte är konstruerade för minimalt inducerad förlust, utan för maximal dragkraft med en given diameter. En höljd propeller kan njuta av en högre skivbelastning, så du får samma dragkraft med mindre blad och lägre spetshastigheter, vilket hjälper till med hög hastighetseffektivitet. Mindre blad översätts till mindre friktionsförluster på propellen, och lägre spetshastigheter översätts till högre kryssningshastighet innan Mach-förluster börjar bita.

Således kan ett hölje vara till hjälp när det inte är för stort . Turbofan-motorer lider av detta dilemma. De kunde ha mycket högre förbikopplingsförhållanden än idag, men det skulle betyda enorma naceller, och den ökade nacelldragningen skulle kompensera för vinsterna från det ökade bypassförhållandet. Aktivt laminäriserande nacellflöde är vägen framåt här, men hittills har det praktiska genomförandet ännu inte hänt.

När det gäller roterande tröghet föreställer jag mig att ett roterande hölje också skulle ha en hög vinkelmoment, vilket skulle leda till gyroskopiska effekter när propellerskivans orientering ändrades. Förutom att påverka hanteringen av flygplanet tror jag att detta skulle medföra en cyklisk böjbelastning på propellerbladen under manövreringen, och jag kan föreställa mig att arrangemanget är benäget att vackla.
@sdenham: Ja, att låta höljet rotera med propellern ger många problem. Det är bättre att hålla det fast, som på turbofans.
@PeterKämpf - du berör spetshastigheter och vinklar bara, men hur är det med förstärkning av tryck? Visst var det ett viktigt mål i tidiga konstruktioner som de olika lyftplattformarna.
@MauryMarkowitz Tryckförstärkning behöver något framåtvänd område av höljet för sug att arbeta på. Lyftplattformarna hade det, men stödhöljen erbjuder väldigt lite för att de är utformade för att fungera med hög hastighet framåt. Med andra ord, de låga vertikala hastigheterna på lyftplattformar gör det möjligt för dem att utnyttja tryckförstoring, men den höga flyghastigheten hos stötdämpningar förskjuter det optimala för att lämna mindre möjlighet till tryckförstoring.
#3
+11
Philippe Leybaert
2014-01-08 22:17:38 UTC
view on stackexchange narkive permalink

En kanalfläkt kommer nära det du beskriver, även om ringen runt propellern är stationär istället för att fästas på och snurra med propellern.

Den huvudsakliga fördelen med en kanalfläkt är högre verkningsgrad på grund av minskade propellerbladspetsförluster (väsentligen inducerat drag) men denna effektivitetsfördel förloras vid högre hastigheter och / eller lägre tryckkrav.

I "normala" flygplan överväger nackdelarna med en kanalfläkt effektivitetsvinsterna. Kanalfläktar används främst i luftskepp och VTOL-flygplan som den ökända Bell X-22. De används också i de flesta jetmodellflygplan.

Rätt kanaliserad fläkt var det jag letade efter när jag nämnde "sci-fi" -hackarna, tack! :)
#4
+4
StallSpin
2014-01-09 00:35:01 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Q-Tips och Ducted fans är de stora för att lösa de problem du tänker på.

Din ringidé skulle vara väldigt svår att genomföra av ett antal skäl, eftersom vikten är primär. En metallring hela vägen runt propellern skulle tillföra flygplanet en betydande vikt, vilket sannolikt skulle eliminera alla effektivitetsvinster du får från att stabilisera luftflödet. Dessutom upplever en propellerspets flera tusen G: ar vid normala varvtal. Detta är acceptabelt eftersom stödet blir kontinuerligt lättare när du närmar dig tipsen. Men om du skulle fästa en metallring som väger några dussin pund, skulle krafterna vara astronomiska, och din prop skulle snabbt misslyckas.

En andra fråga är att för att ha effektiva propellrar, rotera knivarna något för att ändra vinkeln i vilken de biter i luften. Dessa kallas propeller med konstant hastighet, och de är redan lite komplicerade. Om du går och lägger till en andra svängningspunkt i stödspetsarna så att de kan röra sig inuti ringen lägger du bara till en massa lager, fett, vikt och en annan felpunkt.

Slutligen, balansera ringen skulle sannolikt vara en svår uppgift. Först måste din ring tillverkas med mycket exakta toleranser som skulle vara ganska dyra. Det minsta nicket eller bucklan i ringen (vilket händer ofta för propellrarna) kommer att få den att vara obalanserad och skulle åtminstone kräva arbete, och högst skulle kunna få hela propellern att skaka sig isär. Detta är redan en mindre oro för rekvisita, men när du lägger ut din tunga skiva på en lång arm från dess stöd och sedan utsätter den för otroligt höga G-krafter förstärker du bara eventuella fel.

#5
+2
Skip Miller
2014-01-09 00:04:40 UTC
view on stackexchange narkive permalink

För historiskt perspektiv, undersök Culver Channel Wing som producerades 1952-53. Detta tvåmotoriga (skjutbara) plan har två kanaler som inte helt omsluter stödet men är en del av vingen. Detta ledde till extremt korta startfunktioner eftersom luftflödet över vingen inte var bunden till markhastighet framåt. Jag skulle till och med gå så långt att säga att det var ett tidigt steg i kanaliserad fläktens VTOL-funktioner.

Denna artikel av Doug Robertson publicerad 2005 på flygplats-data.com innehåller några vackra bilder och en som verkar vara en väl undersökt berättelseshistoria för flygplanet.



Denna fråga och svar översattes automatiskt från det engelska språket.Det ursprungliga innehållet finns tillgängligt på stackexchange, vilket vi tackar för cc by-sa 3.0-licensen som det distribueras under.
Loading...