螺旋桨推力影响因素分析

不同类型螺旋桨推力分析

摘要

本文介绍了一种用于测量螺旋桨推力的试验台设计。文中展示了不同螺旋桨的推力测试结果，研究共针对六种不同的螺旋桨进行。这些螺旋桨在直径、螺距和材料方面各不相同。所有螺旋桨均采用相同的驱动装置和相同的控制参数（电压、电流）。在推力测量过程中使用了HBM力传感器。螺旋桨驱动采用无刷直流电机，由dSPACE系统进行控制。后续分析表明，螺旋桨直径是其最重要的参数，在一定范围内推力与直径成正比。

关键词 ：螺旋桨, 推力, 无刷直流电机, 螺旋桨平衡, dSPACE

1 引言

螺旋桨是旋翼设计中最重要的部件之一，广泛应用于飞机、直升机、气垫船及其他类似飞行器。过去二十年间，军用和民用无人车辆的使用显著增长。在无人机（无人驾驶飞行器）类别中，包括一些遥控结构，如四旋翼飞行器（四个旋翼）、六旋翼飞行器（六个旋翼），以及微型直升机和采用同轴旋翼系统的无人机[1]。这些设备最常见的名称是无人机[2]。众所周知，这些设备可在人类无法作业的环境中成功应用，可用于救援、支援或邮政车辆。此外，这些飞行器无需跑道和特殊着陆技术[3]。然而，无人机的主要缺点是功耗较高，从而限制了飞行距离和飞行时间。因此，驱动系统需要进行优化。

这些车辆中最常用的转子驱动基于无刷直流（BLDC）电机，其转速由 PWM信号（脉冲宽度调制）设定。根据文献，可以找到几种不同的螺旋桨推力测量方法。在论文[2]中，作者展示了升力与PWM信号脉冲宽度之间的关系结果，但未提供实验装置配置。有趣的是方法在[4]中提出，其中被测转子固定在实验室配重上。在[5]中介绍了使用风洞的高级实验。还对螺旋桨无刷直流电机系统进行了仿真[6]。

在本出版物中，作者为不同螺旋桨的测试建立了测试台架，以确定哪种螺旋桨性能最佳。开展这些研究的原因是，水平旋翼飞行器（各种类型的直升机）不像飞机那样具有机翼作为升力面，因此需要对螺旋桨进行测试。

2 实验装置

图3展示了螺旋桨推力试验台。该试验台由以下部分组成：配备Matlab‐Simulink和dSPACE Control Desk（编号15）的个人计算机，用作控制系统以设定PWM信号宽度（编号9）。无刷直流电机（iPower iBM2212 Q，编号2）连接至ESC 20A控制器（编号13），该控制器由两个实验室直流电源（编号10）供电，电源范围为0–12 V，0–10 A。所测试的无刷直流电机（图1.）参数列于表1中。

表1. 无刷直流电机参数

电流最大 [A]	最大供电电压 [V]	最大功率 [W]	质量 [g]
12.2	14.8	135	77

表2. 被测螺旋桨列表

序号	直径 [英寸]	螺距 [英寸]	材料	叶片
1	6	4	塑料	3
2	8	6	塑料	3
3	8	6	塑料	2
4	10	6	塑料	2
5	11	4	Wood	2
6	13	4.5	塑料	2

ESC 20A控制器接收由dSPACE RapidPro系统生成的占空比范围为1至2毫秒的PWM信号（编号11）。框架（编号5）通过螺钉与底座（编号8）连接。可移动框架（编号4）由滚子轴承支撑，实现自由角运动（编号12）。在无刷直流电机的另一侧，通过螺栓固定了用于配重的钢板（编号3）。该解决方案

钢丝绳（编号6）在转子不旋转时进行了预紧，从而确保测量过程中无间隙。钢丝绳作为框架与固定在底座上的HBM U9N力传感器（编号7）之间的连接件。

推力值显示在HBM测量放大器显示器（编号14）上。所测试螺旋桨（编号1）的参数列于表2中。

在螺旋桨调查中，从用于业余应用的群体中选取了少量样品。塑料螺旋桨由注塑机制造，并且未经过最终机械加工即交付。模制螺旋桨的缺陷会导致不平衡。

平衡操作在专用平衡器上进行（图3）。螺旋桨安装在销轴（编号2）上，并通过两个锥形夹持器（编号3）固定。销轴位于两个永磁体（编号1）之间，可实现自由旋转。下一步是将螺旋桨置于水平位置。如果螺旋桨保持在此位置，则表示其已正确平衡；如果其偏离水平位置，则应对其表面进行打磨，直至螺旋桨能维持在水平位置。

3 实验结果

不同螺旋桨的测试结果如图4所示。对于所有测试的螺旋桨，推力与PWM信号的脉冲宽度不成正比。8×6 –3叶片和8×6 –2叶片螺旋桨的推力变化趋势相似，这表明叶片数量对推力没有显著影响。当PWM信号的脉冲宽度较小时（不超过1.2 ms），所有测试的螺旋桨的推力差异不大。在PWM信号的最大脉冲宽度下，各螺旋桨的推力变化明显增大。螺旋桨转速的提高导致推力值的差异更加显著。

在最大转速（即最大脉冲宽度）下记录到的最大推力出现在13×4.5–2叶片螺旋桨上，其值为7 N；而在最大脉冲宽度下获得的最小推力出现在6×4 –3叶片螺旋桨上，约为1.2 N。螺旋桨直径对推力值的影响最大。为了获得可获得的最大推力和螺距，这一点非常重要。8×6 –2叶片螺旋桨与10×6 –2叶片螺旋桨的比较显示，10×6 –2叶片螺旋桨的推力值是8×6 –2叶片螺旋桨的两倍。前者的推力值约为6 N，后者约为3 N。

4 讨论

在图5和图6中，作者展示了所选螺旋桨在设定的最大转速下的推力变化情况。

值得注意的是，对于直径小于10英寸的螺旋桨，推力值随直径成比例变化——见图5。比较图6中几乎所有螺旋桨可以看出，当直径大于10英寸时，推力变化率较小且呈下降趋势。这两种变化趋势可分别用相应的线性和三次函数进行近似。

5 结论

研究证明，这是最重要的可用推力，适用于两个具有相似特性的螺旋桨，并得出结论：在测试速度范围内的数量变化对所有可用的小型螺旋桨的推进器电机控制应具有明确的方向性。

随着螺旋桨直径的增加，推力呈正比上升，该参数保持不变。根据已知数据，推力与螺旋桨直径成正比。对不同直径但叶片数量不同的螺旋桨进行比较，结果表明，在所述速度范围内，叶片数量对推力没有显著影响。该试验台可用于测量螺旋桨产生的升力。

该试验台还可用于检测配备螺旋桨驱动装置的电机甚至完整设备，适用于未来的研究。