Trochę o śmiglach

jarek_aviatik · 22 Lipca 2022

Ze względu na brak danych producentów śmigieł modelarskich, nie jestem w stanie przygotować lepszego wspomnianego arkusza o doborze śmigła do silnika i modelu.

Moja ocena, nawet eCalc to bullshit w tym zakresie.

Proponuję (nie zmuszam) do sprawdzenia specyfikacji silnika (data sheet) jakie śmigła proponuje.

Czasem producent podaje zalecane napięcie akumulatora dla silnika i danego śmigła.

Teraz, które wybrać?
Wszystko zależy od przeznaczenia modelu.
Trenerek, czy akrobat zwykły, czy akrobat 3D(tu się nie znam), czy model szybki.
Każdy z tych modeli będzie potrzebował innego śmigła do tego samego silnika.

Ale najpierw trochę teorii, aby zrozumieć temat.

Śmigła modelarskie mają informację o średnicy i skoku, z reguły w calach.
Np. 22x12

Przy obliczaniu śmigieł - wszystko oblicza się w stosunku do tzw średnicy referencyjnej, która wynosi
0,75, lub 0,7 średnicy śmigła.

Ale to tylko dygresja.

Wróćmy do wymiarów śmigła 22x12 = DxH
Jak powiązać ze sobą te wymiary?
To nic innego jak trójkąt prostokątny o wymiarach boków przypπostokątnych: π*D i H

Rysunek 1

φ - kąt skoku geometrycznego śmigła.

Przy obliczaniu śmigieł stosuje się wielkość bezwymiarową, po polsku: posuw, oznaczany J, a po angielsku: Propeller adcvance ratio.

wzór:
J = V / n * D
V - prędkość lotu [m/s]
n - obroty śmigła [obr/s]
D - średnica śmigła [m]

Inną ważną wartością jest sprawność śmigła.

Najlepszym wzorem, na sprawność śmigła będzie ten (pomoże zrozumieć kryteria wyboru śmigła)
η = J *(Cp/Cn)
J - posuw, jest to stosunek H/π*D lub V/n*D, czyli tangens kąta.
Cp - cecha ciągu śmigła
Cn - cecha mocy śmigła

Czyli dla danego skoku śmigła, aby jego sprawność była jak największa, to:
Cp - powinno być jak największe, a
Cn - jak najmniejsze

Jaki my możemy mieć wpływ na sprawność śmigła dokonując wyboru z zalecanych dla sinika?

Najlepiej spojrzeć na wzory:

Cp = Pśm / (ρ * n^2 * D^4)

Cn = Nsil / (ρ * n^3 * D^5)

gdzie:

Pśm - ciąg śmigła [N]
Nsil - moc pobierana przez śmigło (moc silnika) [W]
ρ - gęstość powietrza
n - obroty śmigła [obr/s]
D - średnica śmigła [m]

Widać od razu, że ma tu duży wpływ średnica śmigła, dla cechy mocy śmigła, która to jest w mianowniku we wzorze na sprawność śmigła jest w piątej potędze, a w liczniku w czwartej.

Ktoś powie - obroty też w mianowniku są w wyższej potędze niż w liczniku, tak.
Możemy posterować i obrotami - wszystko zależy od przeznaczenia modelu. Np. do przelotów w FPV może nam zależeć na jak najdłuższym czasie lotu.

Wniosek - nie warto iść w kierunku maksymalnych średnic.

A co ze skokiem?

Prawie w 100% mamy śmigła o stałym skoku.

Wartość skoku śmigła determinuje nam prędkość maksymalną modelu z jaką może on lecieć w locie poziomym.
Prawa fizyki.

Wróćmy do tego wzoru

J = V / n * D
V - prędkość lotu [m/s]
n - obroty śmigła [obr/s]
D - średnica śmigła [m]

W tym wzorze ukryty jest skok geometryczny śmigła

V/n - to nic innego jak skok geometryczny - czyli ile metrów skoku na obrót.

Jaką możemy mieć max prędkość dla śmigła 22x12
D = 22" = 558 mm = 0,558 m
H = 12" = 304 mm = 0,304 m
silnik kV = 195 i napięcie 37V (10S)
n = 7215 [obr/min] = 120 [obr/s]

Skok geometryczny H = 0,304 m
n = 120 [obr/s]

V = H*n = 36 m/s = ~ 130 km/h

EDIT2 - zapomniałem napisać, że ta prędkość jest to prędkość teoretyczna, maksymalna prędkość w locie poziomym będzie nieco mniejsza ze względu na poślizg śmigła.

Może w dalszej części napiszę kilka słów o projektowaniu śmigieł.

Czy na tym można poprzestać?
Może komuś tyle wystarczy.

Ale skok śmigła to jeszcze inne problemy

Co to znaczy śmigło "ciężkie" i śmigło "lekkie"?

Zwykle mówi się, że to śmigło jest albo za ciężkie, albo za lekkie.

Bynajmniej nie chodzi o masę śmigła, tylko o zupełnie coś innego.

W każdej książce o teorii śmigieł znajdziecie taki wykres.

źródło: http://www.epi-eng.com/propeller_technology/selecting_a_propeller.htm

Tu mamy od razy kąt beta - co to, o tym poźniej.

Co z tego wykresu możemy wyczytać?
1) Ano to, że maksymalna sprawność śmigła o ~~starym~~ stałym skoku jest dla jakiejś tam prędkość i jak widać powyżej gwałtownie spada, później wyjaśnię dlaczego.
2) Dla różnych wartości skoku śmigła mamy rożne maksymalne wartości sprawności dla różnych prędkości lotu.

Zwłaszcza pierwszy wykres zachęca nas do stosowania śmigieł o większym skoku - no bo ma większą sprawność.

ŚMIGŁO MUSI BYĆ DOBRANE DO SILNIKA PRAWIDŁOWO!

Teraz trochę geometrii.
(nie mam czasu rysować - wykorzystam Internet)

źródło: http://www.pilotfriend.com/training/flight_training/fxd_wing/props.htm

Helix Angle - kąt na rysunku nr 1 powyżej. Opisałem go jako kąt skoku geometrycznego
AoA to jest kąt natarcia łopaty, różne są teorie jak je dobierać, jedni na maksymalną doskonałość profilu czyli stosunek współczynnika siły nośnej do współczynnika siły oporu jest największy.

Blade Angke - oznaczany zwykle jako beta. Występuje na wykresie powyżej.

Dobrze, znając już te kąty możemy wyjaśnić co to znaczy śmigło ciężkie i lekkie

Śmigło za ciężkie to takie, którego kąt beta, czyli suma kąta skoku geometrycznego i AOA jest tak duża, że moment oporowy generowany przez śmigło stanowi zbyt duże obciążenie dla silnika. Może nie osiągnąć swoich maksymalnych obrotów.

Śmigło za lekkie - tzn. o zbyt małym skoku. Tu mamy niebezpieczeństwo wiatrakowania śmigła nawet na pełnej mocy silnika. Np jeśli wprowadzimy model w lot nurkowy. Śmigło wówczas napędza silnik.
Elektryk zaczyna działać jak prądnica, a spalinowy może ulec uszkodzeniu.

~~Może dojść do tego co na rysunku poniżej.~~

~~EDIT3 - to powyżej na czerwono, nie jest do końca prawdą i nikt nie protestuje - poprawię w niedalekiej przyszłości~~

EDIT4 - poprawione i opisane w kolejnym poście tego wątku

źródło: http://www.pilotfriend.com/training/flight_training/fxd_wing/props.htm

Elektryk zaczyna działać jak prądnica, a spalinowy może ulec uszkodzeniu.

Dochodzi do tego wówczas jeśli kąt strumienia napływu na łopatę śmigła (edit: na rysunku powyżej opisane jako Relative airflow) jest większy niż suma kąta skoku geometrycznego i AOA dla zerowej siły nośnej profilu śmigla.

Właśnie to ten gwałtowny spadek sprawności na wykresie: sprawność śmigła vs J

Generalnie:

- śmigło o małym skoku lepiej spisuje się na wznoszeniu, nie poszalejemy z prędkością lotu.

- śmigło o większym skoku, większe prędkości lotu poziomego, ale dłuższy rozbieg i wznoszenie

Nad arkuszem jeszcze trochę popracuję.

smigla.xlsx

young · 22 Lipca 2022

Dla mnie maluczkiego modelarza taki wykład jest bezcenny - dziękuję:)

jarek_aviatik · 23 Lipca 2022

20 godzin temu, young napisał:

Dla mnie maluczkiego modelarza taki wykład jest bezcenny - dziękuję:)

E no nie przesadzaj Mariusz, nie umniejszaj sobie. Jeden wie to, a inny tego nie wie, za to wie coś, czego tamten nie wie. Nie ma wszechwiedzących.

Cieszę się, że Ci się przydało.

Wracając do arkusza.

Dostałem jedną odpowiedź od producenta śmigieł modelarskich, że nie mają jednego wykresu - chciałem: sprawność śmigła vs obroty. Zapytałem o inny: sprawność vs J. Standardowy wykres dla śmigła. Zobaczymy.

Jeśli będę miał więcej czasu, to połączę te dwa arkusze dla doboru silnika z tym doboru śmigła.

Idea, aby to napisać ten wątek zrodziła się z tego, że na Forum pojawiły się dziwne teorie i porady, które nijak się mają do rzeczywistych informacji o śmigłach.

25 Lipca 2022

...

jarek_aviatik · 25 Lipca 2022

Jarku,

Wysłałem maile do kilku producentów śmigieł modelarskich. Dwóch odpisało.

Najbardziej popularny programik do liczenia śmigieł modelarskich to Bearcontrol - aplikacja uruchamiana z Matlaba.

Potem koordynaty przerzucają do solidowrks'a.

Nie sprawdzałem tej aplikacji.

W swoim życiu zaprojektowałem i wykonałem jedno śmigło do motolotni kolegi - i dobrze się spisywało (dwuosobowa, z silnikiem od Trabanta)

Myślę, że do tej pory parolotniarze korzystają z publikacji prof. inż. Bukowskiego "Katalog śmigieł" i wybierają typ M56

Odnośnie charakterystyk śmigieł modelarskich, to wczoraj przez przypadek znalazłem dużą bazę ze wszystkimi charakterystykami wielu śmigieł modelarskich wykonaną przez University of Illinois (UIUC) - znane pewnie dobrze ludziom którzy poszukują oryginalnych profili do samolotów.

https://m-selig.ae.illinois.edu/props/propDB.html

Np. Volume 4 to charakterystyki śmigieł typu APC (załączyłem pdf)

To jest to co chciałem uzyskać od producentów śmigieł, a nawet duuużo więcej.

Mając chwilę czasu opiszę, jak wykorzystać tego typu dane. Na razie czas u mnie jest mocno deficytowy.

DantskerCaccamoDetersSelig-2022-AIAA-Paper-2022-4020-APCEPropTestsVol4.pdf

Edytowane 25 Lipca 2022 przez jarek_aviatik
poprawki (literówki), uzupełnienie

25 Lipca 2022

...

jarek_aviatik · 4 Sierpnia 2022

Obiecane uzupełnienie do teorii śmigieł i ich doboru do silnika.

Tutaj przedstawiłem sposób obliczania i projektowania śmigła modelarskiego przy pomocy programu OpenVSP: http://forum.aerodesignworks.eu/viewtopic.php?f=69&t=2044

Nie odniosłem wielkiego sukcesu w pozyskiwaniu danych od producentów śmigieł.

Master Airscrew odpisał tak:

Jedynie APC sprawiło mi niespodziankę, okazuje się, że mają wszystkie dane śmigieł opublikowane na swojej stronie https://www.apcprop.com/technical-information/file-downloads/

Plik PE0-FILES_WEB-202206.zipx dane geometryczne łącznie z zastosowanym profilem

Plik PERFILES_WEB-202103.zipx - dane osiągów śmigieł.

Pliki maj rozszerzenie *.dat, otwierają się jako txt

Zakładka: sprawdzenie śmigła APC - plik Excel załączony

Jeśli robiliśmy dobór silnika przy pomocy zakładki silnik - część danych zostanie automatycznie pobrana do tej zakładki.

Wpisujemy sobie zalecane rozmiary śmigieł przez producenta silnika i sprawdzamy.

Jedynie co musimy to wpisać, to zakładaną maksymalną prędkość naszego modelu w locie poziomym.

Już to pisałem:

Dobrze dobrane śmigło do silnika to takie, którego moment oporowy jest równy momentowi użytecznemu silnika.

Sprawdzamy pierwsze śmigło 22 x 10

maksymalne obroty silnika (i zarazem śmigła) 7215 - wybieramy dane dla RPM 7000

130 km/h to 80,8 mph

szukamy w kolumnie: Torque dla zakresu prędkości około 80 mph

Widać, że maksymalny moment to 17,141 In-lbs, a nasz silnik wytwarza moment 41,84 In-lbs

To śmigło jest za lekkie do tego silnika i zakładanej prędkości maksymalnej

Sprawdzamy drugie śmigło: 22x12E

Też za lekkie

Sprawdzamy trzecie śmigło: 22x12WE

Śmigło jest OK

Sprawdzamy śmigło 24x12E - 24x12 AXI zaleca do akrobacji 3D

EDIT

To śmigło jest za ciężkie do zakładanej prędkości maksymalnej - generowany moment oporowy jest większy niż moment generowany przez silnik.

Model będzie miał większą prędkość maksymalną

Załączam arkusze Excel.

Jeden z przykładem, drugi pusty.

kalkulator_V3.xlsx kalkulator_V3-pusty.xlsx

Edytowane 4 Sierpnia 2022 przez jarek_aviatik
uzupełnienie

jarek_aviatik · 29 Września 2022

Pora sprawdzić teorię w praktyce.

Postanowiłem zaprojektować i wykonać własne śmigło o wymiarach 13x6 - tak mi wyszło z wyliczeń dla mojego silnika, który będzie umieszczony w tym modelu.

https://www.rcgroups.com/forums/showthread.php?3803931-Burt-Rutan-Quickie-Q2

Będę go porównywał ze śmigłem APC 13x6E

Aby cokolwiek porównywać potrzebna jest waga do pomiaru ciągu. Tu też zaprojektowałem i wykonałem swój tester ciągu - wzorowany na rozwiązaniu komercyjnym:
Do testów EDFów:

I do testów śmigieł - zdjęcie poniżej.

Wracając do śmigła - zaprojektowane w OpenVSP wg tego, co opisałem wcześniej w poradniku.

Śmigło wydrukowane na zwykłej drukarce 3D

Obrobione we FreeCAD
Najpierw drukowałem w całości - ale wychodziło podle.

Zrobione finalnie z czterech elementów: dwie łopaty oraz dwie bazy ustalające - sklejone za pomocą CA.

Wyszło tak

Śmigło powinno być wzmocnione tkaniną szklaną, ale chciałem się przekonać ile wytrzyma takie z drukarki. Druk z Imact PLA

Pora na testy
Przed testami oczywiście wyważenie śmigła.

Testowałem na dwóch pakietach: 5S i 6S

Śmigło APC - wyniki:

dla pakietu 5S: 2,021 kg

dla pakietu 6S: 2,630 kg

Moje śmigło - wyniki:

dla pakietu 5S: 2,165 kg

dla pakietu 6S: zdjęcie poniżej.

Śmigło nie wytrzymało, siła nośna i bezwładność łopaty zrobiły swoje.

Wydrukowane kolejne śmigło, wzmacniane tkaniną szklaną 25 g/m2

Wrzucę filmik z testów.

Wstępne wnioski:

program OpenVSP działa prawidłowo jeśli chodzi o generowanie geometrii śmigła, co mnie bardzo cieszy;
czy warto się trudzić?
- Do budowy trenerków, modeli sylwetowych - oczywiście nie warto projektować i drukować, czy też strugać z drewna;
- do konstrukcji nietypowych, eksperymentalnych, dziwnych makiet - oczywiście warto.

Wybierając metodę wykonania warto pomyśleć o wytrzymałości łopat.

mucha100a · 29 Września 2022

Świetna sprawa! Czy możesz zdradzić @jarek_aviatik, jakie były różnice pomiędzy eksperymentalnymi i obliczeniowymi współczynnikami ciągu i mocy?
Akurat wyznaczenie charakterystyk śmigła w miejscu (ciąg statyczny) jest najgorszym przypadkiem obliczeniowym, dającym największe różnice w stosunku do eksperymentu (nawet w przypadku bardziej zaawansowanych metod niż te, które są w OpenVSP).

jarek_aviatik · 29 Września 2022

21 godzin temu, mucha100a napisał:

Świetna sprawa! Czy możesz zdradzić @jarek_aviatik, jakie były różnice pomiędzy eksperymentalnymi i obliczeniowymi współczynnikami ciągu i mocy?
Akurat wyznaczenie charakterystyk śmigła w miejscu (ciąg statyczny) jest najgorszym przypadkiem obliczeniowym, dającym największe różnice w stosunku do eksperymentu (nawet w przypadku bardziej zaawansowanych metod niż te, które są w OpenVSP).

Wg prof.inż. Bukowski "Katalog Śmigieł"

wzór na siłę ciągu przy V =0

P = (100ψ * π * 0,654 * ω) / 1600

Poniżej zrzut z ekranu z moimi wynikami - śmigło liczyłem dla prędkości obrotowej od pakietu 5S

Wg tego wzoru wyszło 1,935 kg (powinno być kG)

Z testów wyszło 2,165 kg, ale napięcie podczas testu było większe niż w obliczeniowym (5S = 18,5 V)

Wiadomo, że obroty silnika elektrycznego to kV * napięcie.

Ja miałem wyższe obroty bo pakiet był na full - w testach było ponad 20 V.

Wniosek - porównywalnie.

EDIT

Ale ten wzór ze względu na cechę ciągu śmigła jest słuszny dla profilu Clark Y

Ja zastosowałem: HQ 3.0/12

Jak w każdym projekcie - aby teoria była zgodna z praktyką potrzeba:

- Zrobić dobre założenia;

- Wykonać obliczenia i projekt;

- Zweryfikować wyniki z założeniami;

- Wykonać zgodnie z obliczeniami. W śmigle istotną rzeczą jest wykonanie dobrej geometrii. Druk 3D, to gwarantuje)

Edytowane 30 Września 2022 przez jarek_aviatik
poprawki (literówki), uzupełnienie

jarek_aviatik · 30 Września 2022

No niestety, śmigło wzmocnione tkaniną szklaną 25 g/m2 też uległo zniszczeniu. ?

Pewnie nie umiem jeszcze sporo jeśli chodzi o druk 3D.

Jeśli czas pozwoli, zrobię kolejne z drewna na frezarce CNC.

Granacik · 30 Września 2022

ustaw drukowanie wzdłuż śmigła i niską warstwę. Jaki materiał stosujesz?

jarek_aviatik · 30 Września 2022

31 minut temu, Granacik napisał:

ustaw drukowanie wzdłuż śmigła i niską warstwę. Jaki materiał stosujesz?

Może jeszcze jedno podejście.

Stosuję Impact PLA

Granacik · 30 Września 2022

spróbuj ASA, jest elastyczne i mniej kruche. Nie jest tak wymagające jak nylon. idzie bez kabiny.

jarek_aviatik · 30 Września 2022

3 godziny temu, Granacik napisał:

spróbuj ASA, jest elastyczne i mniej kruche. Nie jest tak wymagające jak nylon. idzie bez kabiny.

Dzięki, popróbuję.

japim · 1 Października 2022

Smigla drukuje na sztorc od krawedzi splywu.

jarek_aviatik · 1 Października 2022

1 godzinę temu, japim napisał:

Smigla drukuje na sztorc od krawedzi splywu.

Dzięki Przemek.

Z jakiego materiału drukujesz?

japim · 1 Października 2022

ABS. Łatwo sie szlifuje do finalnego kształtu. Wytrzymałość w tym kierunku jest wystarczająca.

PLA tez jest w tej materii wytrzymałe. Kolega na rcgroups drukował 3kW wentylator do EDF z PLA. Jak już opanujesz druk smigieł to PA15CF jest też dobre o wytrzymałe.

Granacik · 3 Października 2022

Przemku jakimi parametrami drukujesz śmigła? Dysza, warstwa, prędkość, ilość obwódek? Dostałem od Jarka jego STLa do próby z ASA. O ile materiał do tego celu będzie się nadawał to nad parametrami muszę popracować. Wiem na pewno, że prędkość powinna być niewielka.