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 1992. 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. 63 4 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 1326 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 0.85 60 80 0.65 74.5 kw 4.41MPaA(45 0.75 kgf cm A 2.84kg s 1) 2) 0.8 UDF Un-Duct Fan ATP Advanced Turbo-Prop 1970 UDF UDF 63 3) 9) 2. 1 5.5 m 6.5 m 3.0 m 74.5 kw 100HP 3.0 m 0.15m 0.3 m
3
4 1326
5 2. 2 2. 2 20 20 1.57MPaA 1.57MPaA 16kgf 16kgf cm cm A 4.61MPaA 4.61MPaA 47kgf 47kgf cm cm A 1400kW 1400kW 7.99 7.99 1221kW 1221kW 30 30 50 50
1326 1326 6 760A 760A 16 16 400A 400A 288A 288A 1.4 1.4 20 20 2. 3 2. 3 0.11m 0.11m 0.02 m 0.02 m 0.002m 0.002m 0.004m 0.004m 0.4m 0.4m
7
8 1326
9 13.3cm 2 35.6cm 2 2. 4 TDI Tech Development INC MODEL-1700 0.0985m 3.88IN 0.433m 17.06IN MODEL-1700 10 4.82MPa 49.22kgf cm 100rps
10 1326
11 11 4.43kW 4.43kW 59.5HP 59.5HP 256.6rps 256.6rps 81.95kW 81.95kW 110HP 110HP 11 11 10 10 180 180 11 11 40 40
12 1326
13 30 20 70 75 0.4m 2. 5 TDC The Digital Company MODEL RC-DIGITAL CONTROL METERING VALVES in in 12 11 2048 11 14 PID 6) MODEL-1700 n P shaft J Ct Mt 15 70m s 100rps 250rps 0.8 2.2 Ct 13 2.9kg s 16 0.3m 2. 6 SR 2
14 1326 2. 7 Y Z 10 5m X 16 17 18 0.004m 45 2. 8 19 20 14) 17 0.58m 0.434 A 45 m 0.07m
15
16 1326 Bruel & Kjar TYPE-4149 TYPE-SK-4220 TYPE-SK-153 3. 1 250Hz 124dB TEAC-SR-51 FFT YEW-3655 124dB FFT 51.2kHz 512 16 Fx Fz Mx My Mz
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18 1326
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20 1326 Fx Mz Fx Mz 2.94MPa kg s 1 2 1 2 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 Fx Fx dfx dfx 5 dfx dfx 1 3 dfx dfx 0.6 0.6 3. 2 3. 2 in in in in P pipe P pipe 100 100 70 70 50 50 70 70 100 100 70 70 70 70 d d 4deg 4deg 10 10 n F rps rps n A rps rps
22 1326 1) 2) 3) 4. 1 4) 5) 75 F A n 150rps 100rps 6) n 190rps F A 700N 34 34 505N F A 30 28 425N
23 Ct Ct n 150rps n 160rps 32 30 30 28 34 34 32 32 Ct Ct 4. 2 V a Fzb b
24 1326 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 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 10 10 15 Ct Ct Ct Ct J cos Ct 4. 4 40 50
26 1326
27
28 1326 J Ct J Ct 10 10 d 0 d 4 Ct 10 J 1.3 Ct 0.12 10 J Ct 0.09 F A 46 46 46 50 11 Ct Ct 12 F A Ct d ( F A Ct 12 13 F A Ct 14 4. 5 d ( F A Ct A F Ct d Ct 0.2
29 F 5. 1 A d Ct 0.05 30m s 40m Ct s 50m s 60m s 15 Ct ALP BET X 2 0.1 10 0.2 0.5 10 0.5 F A 32 32 10Hz ms 50 45 90 180
30 1326
31 5. 2 RUN RUN 1D RUN 90 166rps 216rps RUN 2D 16 45 90 45 0.06m 17 0.06m 0.02m 0.02m 18 5. 3 4a, b 1D 45 90 45 Cp c X Vx V d Vr V e Vc V 0.25 Vx f f 0.5kg 5. 4 133rps 216rps 20m s 70m s 20m s 1D 45 90 180 Vx V Vx V Vx V 0.5 0.95 Vx V 1D
32 1326
33
34 1326 133rps 75m s 216rps 120m s 0.35 5. 5 Vc V 16 0.2 0.7 0.7 1.0 Vc V
35 0.9 5. 6 Vr V Vr V 0.9 NASA TM87656 11) 1D J 1.21 Ct 0.56 F A 41.34 41.34 Vr V 0.1 F A 32 32 J Ct NASA J 0.93
36 1326 Ct 0.52 Vr V 0.07 10 5. 7 11 1D 45 90 180 Cp 12 1D 2D Cp
37 5. 8 11 16 dt 13a 5 13h dt 0.6R Ct dt 5. 9
38 1326
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 1326
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 30 30 n 133rps 図６ ５ｂ 主流のある時のプロペラ騒音 β F β A 30 30 n 216rps
42 1326
43 1.5kHz F A 30 khz 28 30 30 BPF BPF BPF 5.5 khz 6. 4 V n 133rps V m s BPF 63 V BPF n 216rps 6. 5 0.3m Mb SR 2 1 2 3 J Ct 4 1 2 3 0.5
44 1326 10 4 0.6 0.7 30 5 6 1.0 0.5 30 10 1 45 11 8 2 BPF 15kHz BPF 3 9 4 10dB 5 1.5KHz 10 George L. Stefko and Robert J. Jeracki Wind Tun- Takeoff, Climb, and Landing Operating Regimes Langley Research Center AIAA-85-1259 11 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 TM87656 12 Woodward, R, P Noise of Model High-speed Counter-rotaion Propeller at Simulated Takeoff Ap- proach Conditions (F7 A7) AIAA Paper 87 2657 1 NASA TM-88869, 1986 31 350 p115 57 2 ATP Advanced Turboprop No. 395 1998 3 678 1995 28 15 12 4 1987 29 5 10 7 nel Results of Advanced High Speed Propellers in the Oct. 1987 13 Dittmar, J. H. Cruise Noise of Counter-Rotation Propeller at Anglr of Attac Measuerd in Wind Tunnel 14) TM T R