Optimalizace poměru tah-příkon vrtulové pohonné jednotky

Jan Gebauer

Doctoral thesis

The propeller propulsion drive optimization

Abstract:

Disertační práce je zaměřena na možnost využití pohonné jednotky s variabilním úhlem náběhu vrtulových listů za účelem snížení spotřeby energie bezpilotních letounů. Úvodní část práce je zaměřena na obecný matematický popis vnitřní struktury regulace stability letounu v prostoru. Dále je v práci řešen častý problém nevhodně zvolené kombinace motoru a vrtule, která snižuje celkovou účinnost pohonu, a tak i celkovou dobu letu. Pohonné jednotky s variabilním úhlem náběhu jsou v leteckém průmyslu nezbytné pro minimalizaci spotřeby energie. Využití těchto jednotek pro bezpilotní letouny je jen experimentální a z hlediska optimalizace spotřeby energie unikátní. Z hlediska optimalizace spotřeby energie bylo zvoleno kritérium maximalizace poměru tah-příkon T/P_C v co nejširším využitelném rozsahu otáček pohonu. Byl vytvořen návrh celkem čtyř algoritmů pro optimalizaci poměru tah-příkon. První algoritmus využívá pohonnou jednotku v režimu pevného nastavení úhlu náběhu. Druhý algoritmus je rozšířen o tvarovače signálu, které upravují za letu jednu vstupní hodnotu pro dva výstupy – otáčky a úhel nastavení. Třetí algoritmus přidává regulátor otáček motoru ω. Výhodou zavedení regulace je možnost přesného dodržení žádaných otáček a možnost dodržení požadavků na otáčky z tvarovačů signálu. Čtvrtý představený algoritmus je rozšířen o adaptivní změny v úhlu nastavení. Dále byl vytvořen simulační model pohonné jednotky, včetně modelu vrtule zahrnujícího vlastnosti profilu vrtulového listu, které byly odvozeny na základě teoretických poznatků z oblasti aerodynamiky. Vznikl také laboratorní model vrtulového pohonu, na kterém byly ověřovány algoritmy regulace. Software laboratorního modelu zajišťuje několik funkcí včetně kalibrace tenzometrů a zpracování všech vstupních veličin připojených k A/D převodníkům. Veškerá měření je možné v reálném čase přenášet do PC. Realizace všech představených algoritmů regulace je na reálném modelu možná v plném rozsahu. Výsledky měření na laboratorním modelu přinesly s navrženým algoritmem regulace úsporou energie 5,7% ve srovnání se standardní pohonnou jednotkou. Výstupem práce je vytvoření pohonné jednotky s variabilním úhlem nastavení využité nekonvenčním způsobem ke snížení spotřeby energie pomocí navrženého algoritmu regulace.

Abstract:

The thesis deals with the use of the propeller drive unit with variable pitch in order to reduce the power consumption of drones. The introductory part of the work aims at a general mathematical description of the internal structure of the aircraft attitude control. The work also deals with the common problem of the inappropriately chosen combination of motor and propeller. Variable pitch propeller drive is useful to minimize power consumption. The use of these units for the drones is only experimental and in terms of optimization of energy consumption. In terms of the power consumption optimization the ratio of thrust-power T/P_C was calculated. Four control algorithms are presented. The first algorithm takes advantage of the power unit in the fixed mode to adjust the angle of attack. The signal conditioner extends the second algorithm. One input value is used for the two outputs – speed and angle settings. The third algorithm adds a motor speed controller ω. Advantage of the introduction of the inner control loop is the possibility of precise compliance with the desired engine speed. The fourth introduced algorithm is extended with adaptive changes at the angle settings. The simulation model of drive unit including the airfoil model was created. Software on embedded platform of laboratory model provides several functions including calibration of strain gauges and the processing of all inputs connected to the AD converters. All measurements are real-time with transfer to the PC. The results of measurements on the laboratory model brought energy-saving 5.7% compared to the standard power unit.

Keywords

vrtulová pohonná jednotka, variabilní úhel náběhu, bezpilotní letoun

Keywords

variable pitch, propulsion drive, UAV

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 31. 8. 2017

Thesis defence

• Date of defence: 15. 12. 2017
• Supervisor: Renata Wagnerová
• Reader: Tomáš Březina, Jan Žídek, Ján Piteľ

VŠB - Technical University of Ostrava

Fakulta strojní

Doctoral programme / field:
Strojní inženýrství / Automatizace technologických procesů