Việc tăng số lượng cánh quạt sẽ có tác động như thế nào
Số lượng cánh quạt ảnh hưởng thế nào đến hiệu suất.
Hiệu suất của cánh quạt
Đầu tiền, chúng ta cần phải hiểu hiệu suất của một cánh quạt là gì.
Một cánh quạt quay chủ động có một năng lượng đầu vào đó chính là lực của trục xoay. Trong thực tế, lực của trục xoay này thường là do động cơ tạo ra. Lực của trục xoay được biểu diễn bằng Watt (W), là tích của nô-men xoắn (N.m) và tốc độ góc (rad/s). Và lực này sẽ được truyền tới cánh quạt. Công suất đầu ra có thể coi là lực đẩy của cánh quạt tạo ra (N) tại một tốc độ không khí nhất định. Tốc độ không khí này là tốc độ không khí đi vào cánh quạt.
Hiệu suất của cánh quạt (eta) là tỉ lệ giữa nặng lượng đầu vào và năng lượng đầu ra (P-out/P-in). Hiệu suất cánh quạt nói lên sự hữu dụng của cánh quạt đó.
Biểu đồ trên là hiệu suất của cánh quạt dựa theo J. J=v/(nD)
Trong đó v là tốc độ gió vào cánh quạt, n là tốc độ xoay(vòng/s) và D là đường kính của cánh quạt theo tính theo mét. Trong quá trình vận hành, D thường là một số không đổi, n cũng không thay đổi quá nhiều. J nói lên lên hiệu suất của cánh quạt bị tác động của tốc độ không khí lên cánh quạt. Tốc độ cánh quạt không phải là một hằng số, nó bị tác động bởi 3 yếu tố trên. Và quan trọng là cánh quạt có thể đạt hiệu suất cực đại hoặc cực tiểu ở một điểm J nào đó. Vì vậy chúng ta có thể điều chỉnh các thông số trên để có được hiệu suất cánh quạt tốt nhất.
Vì vậy khi nói đến hiệu suất của cánh quạt thì ta đang tìm kiếm loại cánh quạt có thể tạo ra được lực cần thiết với năng lực đầu vào nhỏ hoặc là một cánh quạt có thể tạo ra một lực đẩy cực lớn với cùng một năng lượng trục. Chúng ta cần phải tính toán rất nhiều thứ như tốc độ góc, lực đẩy, lực của trục xoay, lực cản,.. Nhưng trong giới hạn của bài viết nên mình sẽ không nói quá sâu về hiệu suất cánh quạt.
2 cánh 3 cánh hay 4 cánh?
Vì hiệu suất cánh quạt bị tác động rất nhiều bởi các yếu tố bên ngoài. Cho nên để đo hiệu suất của một cánh quạt chúng ta nên thử nghiệm, đo đạc lực đẩy, vận tốc của chúng trên cũng một điều kiện cụ thể. Chúng ta không thể lấy chân vịt của tàu thủy đang quay ở dưới nước đi so sánh hiệu suất với cánh máy bay đang quay trong không khí. Vì điều kiện bên ngoài của 2 môi trường này rất khác nhau. Việc tạo ra lực hay tiêu thụ năng lượng từ trục rất có liên quan tới diện tích của các cánh quạt. Và nếu thêm cánh quạt chúng ta cần phải giảm diện tích của các cánh quạt để đảm bảo lực đẩy và vận tốc vẫn ổn định.
Các bạn có thể tham khảo về thiết kế cánh quạt ở đây
Có hai cách để đảm bảo công suất đó là giảm chiều ngang của cánh quạt hoặc giảm đường kính của nó. Hoặc có thể cả hai phương pháp trên. Khi chúng ta thêm 1, 2 cánh vào cánh quạt chúng ta cần phải đổi hình dạng của các cánh.
Hiệu quả sẽ bị ảnh hưởng như thế nào bởi số lượng cánh
Nhiều lập luận trong cộng đồng RC (các đồ chơi điều khiển từ xa) đã nói rằng việc tăng số cánh quạt sẽ làm nhiễu động không khí nhiều hơn và khiến hiệu quả giảm. Nhưng một số cá nhân khác lại đưa ra ý kiến khác hẳn. Nhớ bài viết mình đã đưa cho các bạn ở phần trước chứ. Tác giả của bài viết đã nói rằng:
| The number of blades has a small effect on the efficiency only. Usually a propeller with more blades will perform slightly better, as it distributes its power and thrust more evenly in its wake. But for a given power or thrust, more blades also mean more narrow blades with reduced chord length, so practical limits have to be considered here. The chord length can be increased while decreasing the diameter to keep the power consumption constant, but a diameter reduction is usually a bad idea in terms of efficiency, as long as the tip mach number or tip cavitation is not an issue. |
Có thể hiều nôm na là số lượng cánh có tác động không lớn lên hiệu suất. Thông thường một cánh quạt có nhiều cánh sẽ hoạt động tốt hơn một chút, bởi vì nó phân phối lực đều hơn khi hoạt động. Nhưng như vậy các cánh quạt sẽ phải hẹp hơn, ngắn hơn để đảm bảo được công suất và lực đẩy. Vì vậy chúng ta cần phải xem xét lại ở điểm này. Chúng ta có thể tăng bề ngang của các cánh và giảm chiều dài để đảm bảo hằng số tiêu thụ năng lượng. Nhưng việc giảm đường kính là một ý tưởng tồi tệ với việc đảm bảo hiệu suất.
Quay lại giảm đường kính của của cánh quạt. Điều này sẽ làm giảm tỉ lệ của các cánh quạt và ảnh hưởng đến lực tác động ở các mũi cánh vì vậy nó có thể làm giảm đi hiệu suất. Đối với máy bay, tỉ lệ khung của cánh quạt khi xoay nhỏ có thể gây ra lực cản không khí cao hơn, như vậy sẽ làm giảm hiệu suất bay rất nhiều.
Còn đối với việc giảm bề ngang của cánh quạt. Ngược lại với việc giảm đường kính cánh quạt, giảm bề mặt ngang vẫn giữ được diện tích mặt phẳng được tạo bởi cánh quạt khi xoay nên hiệu suất vẫn được đảm bảo. Khi chúng ta tăng từ 2 cánh quạt lên 3 hoặc 4 cánh quạt mà vẫn giữ công suất đầu vào tương đương và không thay đổi đường kính thì hiệu suất cực đại có thể tăng thêm một ít.
Giảm chiều ngang của cánh và ảnh hưởng lên Số Reynolds: Mỗi phần trên cánh của máy bay đều phụ thuộc vào một khoảng Reynolds. Số Reynolds tỉ lệ thuận với chiều dài mặt ngang của cánh và vận tốc. Trong hầu hết trường hợp hiệu suất sẽ giảm khi Số Reynolds giảm. Tất cả cánh máy bay đều có một Số Reynolds để đảm bảo hiệu suất.
Ví dụ cánh quạt có 2 cánh quạt 9x6 quay ở tốc độ 8000 vòng một phút thì khoảng Reynolds từ 40.000 đến 80.0000. Hoặc một ví dụ khác là cánh quạt có 2 cánh 14x10, 8000 RPM, thì khoảng Reynolds sẽ từ 100.000 đến 200.000.
Chúng ta có thể thấy rằng việc giảm đường kính cánh quạt có thể ảnh hưởng rất nhiều đến số Reynolds. Vì vậy giảm đường kính có thể làm giảm nghiêm trọng hiệu suất của cánh quạt.
Bên cạnh đó, không chỉ có những yếu tố trên ảnh hưởng đến hiệu suất của cánh quạt. Góc nghiêng của cánh quạt (P/D ratio) cũng gây ảnh hưởng đến hiệu suất.
Kết luận cuối cùng của bài viết thì cũng ta vẫn không có câu trả lời rõ ràng cho việc tăng số cánh quạt có ảnh hưởng xấu đến hiệu suất. Nhưng có lẽ việc tăng số lượng cánh không ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất bay.
