1 UDF An Experimental Study of High-speed Counter-rotation Propeller on Low Speed Wind Range Abstract A collaborative research project between the Nat

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1 1 UDF An Experimental Study of High-speed Counter-rotation Propeller on Low Speed Wind Range Abstract A collaborative research project between the National Aerospace Laboratory and Japan Aircraft Development Company entitled Wind tunnel testing of aircraft with advanced propeller in low- speed wind tunnel was conducted from 1998 to This paper summarizes a series of experiments conducted on the counter-rotation type advanced turboprop propeller (CRP) under this project. The contents of the project were the development of a propeller test ring driven by an airturbine, measurement of the thrust characteristics of the 8 blades CRP with 0.3 m diameter SR 2 blade, measurement of the propeller wake and measurement of the propeller noise. The overall characteristics of the counter-rotation propeller were estimated SR 2 0.3m 8 2 A b C LD Cp Ct Ct D E F Fxb Fzb J L q Mt m Cp (Pt Ps) Ct T n 2 D 4 q SPL db m V N T J V nd m V x V 2 q V 2 n Mb Pt P shaft P pipe Ps r S t V r s Pa (kw) pa Pa m m 2 m N m s V r V 28 received 28 March 1997

2 V c V Z F A deg deg deg b 0.75R d ALP BET x y z on off deg F A deg kg m deg deg 0.15m 74.5 kw (100HP) VTOL 74.5 kw kw 4.41MPaA( kgf cm A 2.84kg s 1) 2) 0.8 UDF Un-Duct Fan ATP Advanced Turbo-Prop 1970 UDF UDF 63 3) 9) m 6.5 m 3.0 m 74.5 kw 100HP 3.0 m 0.15m 0.3 m

3 3

4 4 1326

5 MPaA 1.57MPaA 16kgf 16kgf cm cm A 4.61MPaA 4.61MPaA 47kgf 47kgf cm cm A 1400kW 1400kW kW 1221kW

6 A 760A A 400A 288A 288A m 0.11m 0.02 m 0.02 m 0.002m 0.002m 0.004m 0.004m 0.4m 0.4m

7 7

8 8 1326

9 9 13.3cm cm TDI Tech Development INC MODEL m 3.88IN 0.433m 17.06IN MODEL MPa 49.22kgf cm 100rps

10

11 kW 4.43kW 59.5HP 59.5HP 256.6rps 256.6rps 81.95kW 81.95kW 110HP 110HP

12

13 m 2. 5 TDC The Digital Company MODEL RC-DIGITAL CONTROL METERING VALVES in in PID 6) MODEL-1700 n P shaft J Ct Mt 15 70m s 100rps 250rps Ct kg s m 2. 6 SR 2

14 Y Z 10 5m X m ) m A 45 m 0.07m

15 15

16 Bruel & Kjar TYPE-4149 TYPE-SK-4220 TYPE-SK Hz 124dB TEAC-SR-51 FFT YEW dB FFT 51.2kHz Fx Fz Mx My Mz

17 17

18

19 19

20 Fx Mz Fx Mz 2.94MPa kg s Fx Fx ( 1 2) A (3-1) Mz E Mz ( 1 2) L A 0 (3-2) df Mz E Mz ( 1 2) L A (3-3) Fx Fz Mx Mz Fx 0.5 My E Fx ( 1 2) A 0 (3-4) 1.0 Fx Mz E V A Fx Mz Fx Fx Mz 1 2 Fx Fx dfx Fx Mz Fx Mz x Mz dfx F Fx ( 1 2 x) A (3-5) Fx Mz E Mz (( 1 2) L x L) A (3-6) dfx Mz x Mz E Fx L dfx Mz dfx dfx Mz Mz Fx Mz

21 21 21 Fx Fx dfx dfx 5 dfx dfx 1 3 dfx dfx in in in in P pipe P pipe d d 4deg 4deg n F rps rps n A rps rps

22 ) 2) 3) ) 5) 75 F A n 150rps 100rps 6) n 190rps F A 700N N F A N

23 23 Ct Ct n 150rps n 160rps Ct Ct 4. 2 V a Fzb b

24 c 70m s Fx 3.5N 15 Fx 113N Fxb cos Fzb sin Fzb sin Fxb cos d Fzb sin Fxb cos Fxb cos Fzb sin Fzb sin( ) T Ton Toff T Ton Toff (Fxon Fxoff) {(Fxb on cos Fzb on sin ) (Fxb off cos Fzb off sin )}(3.7) c Fxoff 4. 3

25 25 J Ct 82rps 250rps 10m s 70m s 10 rps J J Ct J 0.4 Ct J 0.2 Ct F A F A Ct 0.08 n 100rps 250rps Ct 40m s 70m s Ct n 82rps n 244rps n 132rps 400N Ct A F Ct Ct Ct Ct Ct J cos Ct

26

27 27

28 J Ct J Ct d 0 d 4 Ct 10 J 1.3 Ct J Ct 0.09 F A Ct Ct 12 F A Ct d ( F A Ct F A Ct d ( F A Ct A F Ct d Ct 0.2

29 29 F 5. 1 A d Ct m s 40m Ct s 50m s 60m s 15 Ct ALP BET X F A Hz ms

30

31 RUN RUN 1D RUN rps 216rps RUN 2D m m 0.02m 0.02m a, b 1D Cp c X Vx V d Vr V e Vc V 0.25 Vx f f 0.5kg rps 216rps 20m s 70m s 20m s 1D Vx V Vx V Vx V Vx V 1D

32

33 33

34 rps 75m s 216rps 120m s Vc V Vc V

35 Vr V Vr V 0.9 NASA TM ) 1D J 1.21 Ct 0.56 F A Vr V 0.1 F A J Ct NASA J 0.93

36 Ct 0.52 Vr V D Cp 12 1D 2D Cp

37 dt 13a 5 13h dt 0.6R Ct dt 5. 9

38

39 39 同軸反転型高速プロペラの低速域における風洞実験 ルは図6 1に示す様に各周波数で大きな差が無く オ ルは図6 1に示す様に各周波数で大きな差が無く オ ーバオール値で約1 d B の差となり の差となり 壁の反射音の影響 壁の反射音の影響 が小さいことを確認した 6. 2 風洞暗騒音 プロペラを回転させない時の風洞暗騒音の音圧スペ クトル SPL を図6 2に示す を図6 2に示す 低周波部分に大きなピー 低周波部分に大きなピー クが現れる このピークは風洞送風機の回転数 ブレー クが現れる このピークは風洞送風機の回転数 ブレー ド数 ド数 36Hz に等しい 後に示すプロペラ運転時の騒 音とは有意な差が生じる 6. 3 静止気体中のプロペラ騒音 風洞風速0 m s 静止気体中 静止気体中 でプロペラを回転さ でプロペラを回転さ せた時の音圧スペクトルを図6 3に示す ピーク値は せた時の音圧スペクトルを図6 3に示す ピーク値は 5分力天秤で推力を計測している 後流計測から求めた 5分力天秤で推力を計測している 後流計測から求めた 回転数 n rps ブレード数 Z 8枚 8枚 Mb 倍 以下 推力係数と力試験結果の推力係数を図5 1 4 で比較す ブレード通過周波数 B P F で示す で示す の周波数に強く現 の周波数に強く現 る る 印は回転数 印は回転数 n 133rps の試験データ の試験データ 印は 印は n れ 特に Mb が3のとき最大となる また回転数が 166rps 216rps の試験データを示す また 印 1D と 印 2D を超えると 1BPF 3BPF のピーク値が急速に増大する は力試験から求めた推力係数である J 1.0 付近では良 ランダムレベル 広帯域レベル ランダムレベル 広帯域レベル は全周波数域で回転数 は全周波数域で回転数 く一致するが J が小さくなる程両者の差が開く 後流計 測で求めた Ct は小さめ目になった この原因は不明であ る 6 6 プロペラ騒音計測結果 プロペラ騒音計測結果 6. 1 風洞測定部内壁の反射音の影響 当風洞の測定部は壁厚 0.04m の木製で出来ており の木製で出来ており 四 四 方の壁からの反射音による音圧増加が心配される そこ 方の壁からの反射音による音圧増加が心配される そこ でプロペラの位置にスピーカーを配置し マイクロホン でプロペラの位置にスピーカーを配置し マイクロホン をプロペラ試験と同じ位置に取り付け ランダム音を発 をプロペラ試験と同じ位置に取り付け ランダム音を発 生させて壁の有無による音圧の変化を測定した 壁の無 生させて壁の有無による音圧の変化を測定した 壁の無 い状態はカート室 幅 い状態はカート室 幅 12m 30m 高さ 10m の中央部 床面から 2.05m 壁から 6.0m にスピーカー にスピーカー マイク マイク 図6 2 風洞暗騒音 ロホンを風洞内と同様に位置関係で配置し 同一音源出 ロホンを風洞内と同様に位置関係で配置し 同一音源出 力 スペクトルで音圧を測定した 力 スペクトルで音圧を測定した 両者の音圧スペクト 両者の音圧スペクト 図6 1 風洞内反射音の影響 図6 3 静止気体中のプロペラ騒音 β F β A 30 30

40

41 41 同軸反転型高速プロペラの低速域における風洞実験 図6 6 暗騒音を差し引いたプロペラ騒音 図6 5a 主流のある時のプロペラ騒音 β F β A n 133rps 図6 5b 主流のある時のプロペラ騒音 β F β A n 216rps

42

43 43 1.5kHz F A 30 khz BPF BPF BPF 5.5 khz 6. 4 V n 133rps V m s BPF 63 V BPF n 216rps m Mb SR J Ct

44 BPF 15kHz BPF dB 5 1.5KHz 10 George L. Stefko and Robert J. Jeracki Wind Tun- Takeoff, Climb, and Landing Operating Regimes Langley Research Center AIAA Dana Morris D L. Garl L, Gentry Jr. and Paul L. Coe, Jr Low-Speed Wind-Tunnel Tests of Single and Counter-Rotation propellers Langley Research Center NASA TM Woodward, R, P Noise of Model High-speed Counter-rotaion Propeller at Simulated Takeoff Ap- proach Conditions (F7 A7) AIAA Paper NASA TM-88869, p ATP Advanced Turboprop No nel Results of Advanced High Speed Propellers in the Oct Dittmar, J. H. Cruise Noise of Counter-Rotation Propeller at Anglr of Attac Measuerd in Wind Tunnel 14) TM T R

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