Ezek a furcsa formájú csavart toroid propellerek forradalmi előrelépésnek tűnnek a repülési és tengeri szektor számára. Levegőben és vízben ...
Ezek a furcsa formájú csavart toroid propellerek forradalmi előrelépésnek tűnnek a repülési és tengeri szektor számára. Levegőben és vízben is radikálisan halkabbak, mint a hagyományos propellerek, emellett hatalmas hatékonyság-növekedést is mutatnak.
A propellereket úgy tervezték, hogy általában levegőben vagy vízben működjenek, és forgó mozgással nyomják át a közeget. Ezek bizonyos értelemben Arkhimédész csavarjának evolúciói, amelyet valószínűleg az ókori Egyiptomban több ezer évvel azelőtt használtak, hogy Arkhimédész leírta volna i.e. 234-ben.
A forgásra tervezett eszközök esetében azonban borzasztóan hosszú ideig kevés volt a forradalmi tervezési változás; a propeller meghajtású repülőgépek még mindig olyan csavart, szárnyas lapátos légcsavarokat használnak, mint amit a kínai gyerekek 2400 évvel ezelőtt, és meglepően csekély hatékonyságnövekedést értek el a Wright fivérek által 1903-ban szélcsatornákban kifejlesztett fa légcsavarokhoz képest, amelyek változatai már az 1700-as években is léteztek.
Így hát lenyűgő látni ezeket a toroid gyűrűformákat, amelyek nemcsak sokkal csendesebbnek tűnnek, mint a hagyományos kialakítások, de sokkal hatékonyabbak is, különösen a tengeren, ami jelentős előrelépést jelenthet.
Potenciális változás a levegőben
A több propelleres eszközökkel kapcsolatos egyik kulcsprobléma a bosszantó zaj, amelyet gyakran "nyafogónak" neveznek, mivel nagy része ugyanabban a frekvenciatartományban van, mint a baba sírása. Az emberek általában a 100 Hz és 5 kHz közötti hangokra a legérzékenyebbek. Ennek evolúciós értelme van; itt hallunk magánhangzó hangokat, amelyek kulcsfontosságúak a verbális kommunikációban. De kulcskérdés, hogy a multikopterek kiaknázzák-e a benne rejlő lehetőségeket, hogy megtöltsék egeinket gyors, olcsó, tiszta légi szállítási szolgáltatásokkal. A lakosok és a törvényhozók nem akarnak több bosszantó zajt a városokban.
Az MIT Lincoln Laboratóriumában egy csendes, ionhajtású repülőgépen dolgozó csapat azon töprengett, hogy vajon csökkenthető-e a multirotorok propellerének zaja eltérő alakú kialakítással.
"A légcsavarok, mint tudjuk, elég hangosak," - mondja Dr. Thomas Sebastian, a Lincoln Lab szerkezeti és hőfolyadékok mérnöki csoportjának vezető munkatársa. "És megnézhetjük a szárnyakat, hogy lássuk, hogyan működik ez. Amikor az 1900-as évek elején és a 2. világháború alatt az emberek mindenféle őrült ötlettel álltak elő repülőgépekkel kapcsolatban, volt néhány olyan terv, amelyek alapvetően ezek a gyűrűs szárnyak voltak. Szóval azon töprengtem, hogyan nézne ki, ha vennénk egy gyűrűs szárnyat, és valami ilyesmit egy propellerré alakítanánk."
"Azt a kezdeti koncepciót hoztuk létre, hogy egy toroid alakot, ezt a gyűrű alakú szárnyformát használjuk, hogy reményeink szerint egy csendesebb légcsavart készítsünk," - folytatja Sebastian. "Volt egy gyakornokom, aki teljesen fenomenális volt, és az ötlettel foglalkozott. Ő átvette a koncepciót, és egy csomó változatot készített 3D nyomtatók segítségével."
Néhány próbálkozáson belül a csapat valóban talált egy olyan kialakítást, amely nem csak az általános zajszintet csökkentette egy adott tolóerőszint mellett, hanem különösen az 1-5 kHz-es tartományban.
Valójában inkább susogó szellőnek hangzik, mint légcsavarnak, így sokkal kevésbé tolakodó hangot adnak ki. A csapat szerint egy ezeket a propellereket használó drón nagyjából olyan zavaró hangot ad, mint egy átlagos drón körülbelül kétszer olyan messzire.
The toroidal propeller, one of the Lab's @RD100Awards winners, has a unique, closed-form propeller design that makes it a significantly quieter alternative to common multirotor propellers on commercial uncrewed aerial vehicles. https://t.co/hgda3NgYIz pic.twitter.com/5XkIxNVPHd
— Lincoln Laboratory (@MITLL) January 6, 2023
"A legfontosabb dolog, amiről azt gondoltuk, hogy csendesebbé tesszük a légcsavarokat, az a tény, hogy a légcsavar által generált örvényeket most a propeller teljes alakjában osztja el, nem csak a csúcson," - mondja Sebastian. "Ez aztán hatékonyan és gyorsabban eloszlik a légkörben. Ez az örvény nem terjed olyan messzire, így kevésbé valószínű, hogy meghallja az ember."
A propellerzaj némileg csökkenthető, ha akusztikus kezelésű gyűrűket helyeznek el a propeller pályájának kerületén, amelyek biztonsági szempontból védelemként is működhetnek. De ezek növelik a felesleges tömeget, csökkentik az akkumulátor élettartamát, és kültéri helyzetekben belekaphat a szél, így a drón nehezebben dolgozik, hogy stabil maradjon.
A csapat elemezte ezeket a furcsán kinéző toroid propellereket, hogy kiderüljön, lesz-e tolóerő-hatékonyság csökkenés. Látszólag nem, sőt a csapat legjobban teljesítő B160-as konstrukciója adott tolóerőszint mellett nem csak halkabb volt, mint az általuk tesztelt legjobb szabványos légcsavar, hanem adott teljesítményszint mellett nagyobb tolóerőt is produkált, ami elég figyelemre méltó, tekintve, hogy a szabványos propellerek mögött több mint egy évszázados fejlesztés áll, és ezek a toroidok nagyon korai szakaszban vannak, és még rengeteg optimalizálás vár rájuk.
Sőt, hurkos formájuk nemcsak a szerkezeti stabilitást növeli, hanem csökkenti annak az esélyét is, hogy a propeller elvágja, elcsípje vagy elkapja a dolgokat, amibe beleütközik.
Hátrányait tekintve ezek meglehetősen összetett formák, így sokkal nehezebb előállítani, mint a hagyományos propellereket olcsó és egyszerű fröccsöntéssel. Valószínűleg 3D nyomtatásra van szükség a legyártásukhoz. De még ha duplájára vagy háromszorosára is nő a toroid légcsavarok ára, ezek a drónok olcsó részei, és összességében nem biztos, hogy olyan drága.
Jelenleg még nem világos, hogy az ehhez hasonló konstrukciók nagyobb léptékben is relevánsak lehetnek-e a hagyományos légcsavarok helyett a merevszárnyú repülőgépeken, vagy az elektromos VTOL légitaxikon. Utóbbiak már lényegesen halkabbnak tűnnek, mint a helikopterek, de ha végül gyors, olcsó, zöld légi közlekedéssel árasztják el a városi légteret, akkor a lakosság és a hatóságok számára minden zaj számítani fog. A kérdés valójában az, hogy ezek a nagyobb propellerek milyen frekvenciákat foglalnak el a hangspektrumban, és hogy a toroid formák emberbarát irányba tolják-e el a hangzást.
A csapat szabadalmaztatta a tervet, és bár nem világos, hogy tervezik-e kereskedelmi forgalomba hozatalát, az MIT készen áll arra, hogy engedélyezze az érdeklődő gyártók számára.
Még nagyobb előny a vízben
A drónok és a repülés egy dolog, de az aerodinamika és a hidrodinamika szorosan összefügg, és kiderült, hogy tengeri közegben már van egy olyan termék, amely közel áll a gyártáshoz, és nagyon hasonló megközelítést alkalmaz.
A Sharrow Marine őszintén szólva látványos eredményeket ért el olyan hajócsavarokkal, amelyek standard lapátok helyett toroid hurkokat használnak. Több éves fejlesztés után a cég több száz szabványos hajócsavarral szemben tesztelte propellereit, és a különbség hihetetlen. A Sharrow hajócsavarjai egyszerűen nem hoznak létre csúcsörvényeket - ez az energiaveszteség fő forrása, és meglepően nagy összetevője a külső motorok általános zajának.
Jelentősen csökkentve annak a folyadéknak a mennyiségét, amely "kicsúszik" a hajócsavar oldalain, ahelyett, hogy átnyomná, a toroid propellerek több vizet szívnak át, és fordulatonként tovább viszik a hajót. Rendszeresen megduplázzák azt a sebességet, amelyet egy hajó alacsonyabb és közepes fordulatszámon elérhet, radikálisan kiszélesítve a motor effektív fordulatszám-tartományát. És körülbelül 20%-kal csökkentik az üzemanyag-fogyasztást - ez komoly dolog, tekintve a propeller hajtású hajók hatalmas energiaigényét és az ipar méretét.
A Sharrow szerint megvan az az érdekes hatás, hogy nagymértékben csökkentik a hajók hajlamát arra, hogy gyorsulás közben hátradőljenek; ehelyett az egész hajó kiemelkedik a vízből, miközben sokkal vízszintesebb marad. Mindezeken felül a zajra gyakorolt hatás abszolút lenyűgöző, ahogy az alábbi videóban is látható.
Valójában a cég szerint ez egy olyan hajócsavar, amelyet többé-kevésbé bármilyen külső motorra fel lehet erősíteni, majd 48 km/h sebességgel elég halkan működik ahhoz, hogy anélkül beszélgessen az ember a fedélzeten, hogy fel kellene emlenie a hangját.
A Sharrow már árulja toroid propellereit, amelyek CNC-vel vannak megmunkálva, hogy illeszkedjenek a legtöbb nagyobb gyártó általános külső motorjaihoz. A hátrány itt az ár; 4999 USD-be kerülnek, függetlenül attól, hogy melyik modellről van szó, ahol egy normál propeller 500 USD-hoz közelíthet.
Ez azonban sok hajó összköltségének egy nagyon kis összetevője, és tekintettel az üzemanyag iránti étvágyukra, a ráfordítás rövid időn belül megtérülhet, és sokkal kényelmesebbé teheti az utazást a fedélzeten tartózkodó emberek, bámészkodók és a felszín alatti tengeri élőlények számára.
Az energiaátmenet korában ezek a dolgok is rendkívül érdekesek kell, hogy legyenek mindenki számára, akik elektromos hajókat készítenek, ahol 20%-os hatótávolság-növekedést lehet elérni egy pár kilós alkatrésztől. (1)
(1) - https://newatlas.com/aircraft/toroidal-quiet-propellers/
