Model poháňaný tandemovými protibežnými vrtuľami

V podstate ako z núdze cnosť (a z túžby vyskúšať niečo nové a neobvyklé) sme jednému takmer "odpísanému" modelu zmenili pohon z klasických vrtúľ na vrtule tandemovo protibežné.
Vo svete je to označované ako Contra-rotating propellers ( http://en.wikipedia.org/wiki/Contra-rotating_propellers ).



Výhodou tohto usporiadania je väčšia účinnosť pohonu, ale hlavne vyššia rýchlosť prúdu vzduchu za vrtuľami.
U klasického vrtuľového pohonu vzduch za vrtuľou rotuje. To má za následok, že pôsobí na smerovku (preto je treba motor vyosiť do boku) a vďaka rotácii je jeho tangenciálna (pozdĺžne-osová) zložka rýchlosti menšia, ako keby nerotoval.

U pohonu Contra-Prop prvá vrtuľa vzduch posunie dozadu a (nežiadúco) ho roztočí. Druhá - opačne sa točiaca vrtuľa vzduch ešte rýchlejšie posunie dozadu a tiež sa ho snaží roztočiť - ale opačným smerom. Keďže obidve "otáčavé" sily sú rovnaké, ale opačne orientované, tak vzduch za obidvomi vrtuľami nerotuje, ale postupuje v osi pohonu o to väčšou rýchlosťou.

Dobre to vidno na tomto videu: https://www.youtube.com/watch?v=_QvPslL9WHs&feature=youtu.be&t=10

Model, ktorý má teraz skratku CP-QS (Contra-rotating Propellers Quattro Star), familiárne Contra Quattro, vyzerá takto:



Bližšie informácie sú tu: http://rcmodely.cevaro.sk/index.php?id=1167&n=contra-quattro

Zvuk motorov počas motorovej skúšky: https://www.youtube.com/watch?v=ZlEEyzB8tXE

U takýchto najmenších Kontra-Propov sa s tým (aj renomovaní) výrobcovia (ak k tomu dodávajú aj vrtule) príliš netrápia.
Ale kto chce, môže si dať vlastné vrtule aké chce.

Ale už u stredných a väčších pohonných jednotiek k tomu seriózny výrobca spravidla dodáva vrtule, kde tá zadná má mierne menší priemer a trochu väčšie stúpanie.

Treba sa trošku pohrať s vektormi a z toho vyplynie stúpanie druhej vrtule. To je dôležité ak takýto pohon je riešený jedným motorom a reduktorom spoločným pre obidve vrtule. V prípade dvoch elektromotorov sa otáčky ustália na rôznej hodnote, podľa toho ktorá vrtuľa potrebuje väčší príkon.
Čo sa týka rozdielneho priemeru vrtúľ, dá sa, ale potom mám aj nerovnaké zotrvačné momenty, pretože tá väčšia je logicky aj ťažšia.
Aby som príliš neteoretizoval, najjednoduchšie je ako to vyladiť je vybrať takú dvojicu vrtúľ, aby mali v spolupráci rovnaké otáčky, vtedy budú momenty vyrovnané a teda aj efekt najväčší. Zároveň by som popri tom meral ťah.
Určite sa to nebude dať vyladiť celkom presne, lebo vrtule sa vyrábajú v odstupňovaných priemeroch a stúpaniach, ale pohrať sa s tým stojí za to.

https://www.youtube.com/watch?v=1y_acrzgpFo

Vtedy budú vyrovnané momenty od rotujúcich častí motorov a vrtúľ.....
Zároveň musia byť vrtule rôzneho stúpania, aby sa odstránilo skrútenie prúdenia vzduchu za nimi.
Čiže riešiš dva problémy naraz.

"Preto by som sa uspokojil aj s takou pohonnou jednotkou, ktorá bude mať dobrý ťah, slušnú účinnosť a že výstupný vzduch ešte trochu rotuje a jednotka má nejaký nenulový reakčný moment (ale oboje je oveľa menšie ako u "singl" vrtule), by som nejako oželel."

Samozrejme, že si to môžeš zjednodušiť.

Minimálne by som,k meraniu ťahu pridal meranie príkonu na každom motore zvlášť, to Ti ukáže, ktorý z nich sa ulieva..

To znamená, že by mu svedčala vrtuľa s trochu väčším stúpaním. Inak máš pravdu, prúd stačí merať, ale ja nemám ampérmetre s tak veľkým rozsahom.

V tomto vlákne spomínaná pohonná jednotka má obidve vrtule s priemerom 7 palcov a so stúpaním 3,5 palca.
Keďže je rozdiel otáčok predného a zadného motora len 7%, tak zväčšiť stúpanie zadnej vrtule môže byť trochu problém.

Chcelo by to vrtuľu 7x3,75. Ale taká sa zrejme ani nevyrába.

Ale "dorovnať" zaťaženie motorov predsa nie je nutné len tým, že sa zväčší stúpanie druhej vrtule.
V podstate rovnaký efekt prinesie aj zvýšenie otáčok zadného motora. Tak, aby bol prúdový odber oboch motorov rovnaký.

Buď by sa to dalo nastaviť na vysielači, ak by bol pre každý motor vyhradený samostatný kanál.
Alebo by to vyriešil (mikrokontrolérový) modul, ktorý by to "zariadil" v reťazci medzi RC prijímačom a regulátormi motorov. To by nebol žiadny problém.

Avšak: ten rozdiel otáčok medzi motormi (7%) nie je v celom rozsahu plynu nemenný.
Elegantnejším riešením by bol (opäť) modul, ktorý by však meral odber obidvoch motorov (predného aj zadného) - napríklad pomocou prúdových senzorov (s tými máme bohaté skúsenosti) a šírky "plynových" impulzov (do regulátorov) by nastavoval tak, aby bol odber oboch motorov rovnaký.

Keďže zadný motor má vyššie otáčky, tak ten by bol ovládaný priamo z RC prijímača a impulzy pre predný motor by "vyrábal" procesor tak, aby bol odber oboch motorov rovnaký.

1. Máme pevné vrtule, to znamená, že sa to bude dať vyladiť len pre úzku oblasť otáčok. Ak by si chcel aby to fungovalo v širšom spektre otáčok, museli by byť vrtule nastaviteľné za letu.
2. Rozdiel 7% otáčok je aký rozdiel v ťahu oproti 0% rozdielu otáčok?
3. Na základe čoho si určil stúpanie druhej vrtule 3,75"?
4. Je možné zameniť aj prednú vrtuľu a tak ďalej ak to prinesie zvýšenie ťahu. Je možné použiť vrtule od rôznych výrobcov, ktoré sa líšia napr. pôdorysom listov a pod.
5. Čo sa týka nastavovania otáčok motorov zvlášť, je cesta dosť komplikovaná, je potrebné uvedomiť si, že obidva motory sa cez vrtule navzájom ovplyvňujú. Pri zmene otáčok sa mení aj rýchlosť a smer prúdenia.


A ešte jedno video pre domácich bádateľov:

https://www.youtube.com/watch?v=A2JXnp5sDko

A teraz sa pokúsim odpovedať Mariánovi:

Podľa toho, čo som našiel na Wikipédii, zisk je od 6 do 16%, to je dané vyšším počtom listov - vyššou plnosťou. Výhoda je aj potlačenie reakčných momentov a z toho vyplýva lepšia ovládateľnosť lietadla. Veľká nevýhoda je vyššia hlučnosť (tým myslím skutočné lietadlá) ,vyššia hmotnosť pohonu a komplikovanosť konštrukcie.
Ale, čítal som porovnanie z inej oblasti, bol to vrtuľník Kamov voči klasickému vrtuľníku a tam bol zisk až 25% v nosnosti oproti klasike pri rovnakom priemere rotora. Tam ale berieme do úvahy aj nepotrebnosť vyrovnávacieho rotoru a teda aj výkonu, ktorý spotrebuje u klasického vrtuľníka.
Zaujímavé je, že práve v oblasti dopravných lietadiel výskum stále pokračuje pozri "Open rotor". Je to ale nesmierne komplikované na aerodynamický výpočet. Výsledok by mala byť nižšia spotreba paliva.

My modelári sa musíme zamerať asi len na to, čo vieme v našich podmienkach s modelárskym vybavením aj namerať.