كفاءة المروحة أحادية الشفرة: النتائج غير المتوقعة

بواسطة لورين ناجل

يسود اعتقاد بأن المراوح أحادية الشفرة تحقق، على الأقل من الناحية النظرية، كفاءة أعلى من المراوح التي لها نفس الحجم ولكن بعدد أكبر من الشفرات. ولهذه الظاهرة عدة تفسيرات مختلفة، سنتناولها بالتفصيل أدناه.

قررنا اختبار هذه النظرية من خلال مقارنة أداء مروحة طائرة مسيرة أحادية الشفرة بمروحة ثنائية الشفرات من نفس الشركة المصنعة.

اقرأ المزيد لمعرفة نتائجنا غير المتوقعة.

جدول المحتويات:

1. لماذا المراوح أحادية الشفرة أكثر كفاءة

2. الإعداد التجريبي

3. النتائج: المراوح أحادية الشفرة مقابل ثنائية الشفرات

1. عدد الدورات في الدقيقة والدفع 
2. كفاءة المروحة

3. الكفاءة الإجمالية

4. المناقشة: مقايضات الأداء والعوامل المربكة

1. لماذا المراوح أحادية الشفرة أكثر كفاءة

استُخدمت المراوح أحادية الشفرة تجاريًا في حالات محدودة، بما في ذلك طائرات بايبير كاب المعدلة والطائرات الشراعية المزودة بمحركات، لكنها لم تحظَ بانتشار كبير بخلاف ذلك.

وهذا أمر مفاجئ إلى حد ما بالنظر إلى أن النماذج أحادية الشفرة يُفترض أنها أكثر كفاءة من النماذج ذات الشفرتين أو أكثر، فلماذا ليست أكثر شيوعًا؟

لنبدأ بالنظر في النظرية الكامنة وراء الكفاءة المعززة للمراوح أحادية الشفرة.

تقترح إحدى النظريات أن قلة عدد الشفرات تعني وجود مصادر أقل لدوامات طرف الشفرة التي تستنزف الطاقة. ويمكن أن تؤدي هذه الدوامات إلى فقدان الطاقة عند نسب التقدم المنخفضة، لذا فإن الحد منها يمكن أن يحسن الكفاءة.

وتنص نظرية رائدة أخرى على أن المراوح أحادية الشفرة أكثر كفاءة لأنها لا تتعرض لاضطراب الهواء الناتج عن الشفرات الأخرى، وبالتالي تدور في هواء أقل اضطرابًا. 

ولمعرفة ما إذا كانت هذه النظرية صحيحة عمليًا، وضعناها قيد الاختبار باستخدام منصة فلايت ستاند 15.

الشكل 1: اختبار مراوح أحادية وثنائية الشفرات من نفس الحجم والشركة المصنعة

2. الإعداد التجريبي

لهذا الاختبار، حصلنا على مجموعة من مراوح ألياف الكربون، وحوّلنا إحداهما إلى مروحة أحادية الشفرة. ثم أجرينا اختبارًا خطويًا بسيطًا عبر مجموعة من أعداد الدورات في الدقيقة.

صنع المروحة أحادية الشفرة

كانت عملية صنع المروحة أحادية الشفرة بسيطة إلى حد ما: 

1. قطع الجزء الأكبر من إحدى الشفرتين

2. حفر ثقب في منتصف الجزء المتبقي من الشفرة

3. تثبيت مسمار في الثقب

الشكل 2: لقطة مقربة للمروحة أحادية الشفرة بعد التعديلات

4. موازنة المروحة تقريبًا باستخدام موازن ثابت، مع ضبط المسمار و/أو إضافة حلقات تثبيت حتى تصبح متوازنة بشكل مرئي

الشكل 3: مروحة أحادية الشفرة مثبتة على موازن ثابت

5. موازنة المروحة ديناميكيًا باستخدام منصة فلايت ستاند، وإضافة شريط لاصق للحصول على درجة جودة ISO مقبولة (6.996 G)

الشكل 4: موازنة المروحة أحادية الشفرة باستخدام برنامج منصة فلايت ستاند

بينما كنا نهدف إلى تحقيق درجة جودة تبلغ 6.3 G، لم يكن ذلك ممكنًا على الرغم من عدة محاولات وتعديلات وزنية أكثر دقة (المناقشة في القسم 4).

تقيس منصة فلايت ستاند 15 الاهتزاز لتقييم جودة الموازنة في النظام، لذا فمن الممكن أن تكون الآثار الديناميكية الهوائية للمسمار قد أثرت على النتائج، أو أن موضع الثقل الموازن يتطلب موازنة على مستويين، أو أن الدفع غير المتوازن يسبب ببساطة المزيد من الضوضاء...

حققت المروحة ثنائية الشفرات درجة جودة تبلغ 5.552 G دون أي تعديلات.

بلغت الكتلة النهائية للمروحة أحادية الشفرة 29 غ، بينما بلغت كتلة المروحة ثنائية الشفرات 18 غ.

استخدمنا مروحة واحدة باتجاه عقارب الساعة (CW) وأخرى عكس اتجاه عقارب الساعة (CCW)، لأن هذه هي التي كانت متوفرة لدينا، ولا يُتوقع أن يؤثر هذا الاختلاف على الأداء.

الشكل 5: مراوح أحادية وثنائية الشفرات المعدلة جنبًا إلى جنب

موصى به لك: كيفية موازنة مروحة ثلاثية الشفرات

اختبار مقارنة الأداء

باستخدام برنامج منصة فلايت ستاند، صممنا وأجرينا اختبارًا خطويًا مؤتمتًا بخمس خطوات للخانق:

• 1200 µs
• 1350 µs
• 1500 µs
• 1650 µs
• 1800 µs

فيما يلي لقطة شاشة لواجهة المستخدم الرسومية للبرنامج مباشرة بعد اكتمال الاختبار الأول.

الشكل 6: اختبار خطوي مؤتمت في برنامج منصة فلايت ستاند

3. النتائج التجريبية: مروحة أحادية مقابل مروحة ثنائية الشفرات

عدد الدورات في الدقيقة والدفع

عند إدخال نفس قيمة الخانق، كان عدد الدورات في الدقيقة المحقق متطابقًا عمليًا للمروحتين أحادية الشفرة وثنائية الشفرات. وظهر أكبر فرق عند 1650 µs، حيث بلغت قراءات عدد الدورات في الدقيقة 2330 و2318 على التوالي، بفرق قدره 12 دورة في الدقيقة فقط أو 0.5%. وهذا يشير إلى أن وحدة التحكم الإلكترونية في السرعة (ESC) لدينا تتحكم في عدد الدورات في الدقيقة في حلقة مغلقة، لأن الحمل كان مختلفًا تمامًا للمروحتين.

عند نفس عدد الدورات في الدقيقة، كان الدفع الناتج عن المروحة ثنائية الشفرات أعلى بكثير من المروحة أحادية الشفرة. وهذه النتيجة غير مفاجئة، إذ تمتلك المروحة ثنائية الشفرات مساحة إنتاج رفع تقارب ضعف مساحة المروحة أحادية الشفرة. ويصبح الفرق أكثر وضوحًا مع زيادة عدد الدورات في الدقيقة.

الشكل 7: الدفع مقابل سرعة الدوران للمراوح أحادية وثنائية الشفرات

كفاءة المروحة

عند رسم كفاءة المروحة، والتي تُحسب بقسمة الدفع (gf) على القدرة الميكانيكية (W)، يمكننا أن نرى أنه عند جميع سرعات الدوران، تكون المروحة أحادية الشفرة أكثر كفاءة من المروحة ثنائية الشفرات. وهذا يتفق مع النظرية التي نوقشت في القسم الأول.

الشكل 8: كفاءة المراوح أحادية وثنائية الشفرات مقابل عدد الدورات في الدقيقة

ومع ذلك، عندما نرسم كفاءة المروحة مقابل الدفع، بهدف مقارنة الظروف ذات الفوائد الطيران المتكافئة، نرى أن المروحة أحادية الشفرة تحافظ على كفاءة متفوقة فقط عند مستويات الدفع المنخفضة.

الشكل 9: كفاءة المراوح أحادية وثنائية الشفرات مقابل الدفع

مزيد من القراءة: كيف تقلل سرعة الرياح من كفاءة المروحة

الكفاءة الإجمالية لنظام الدفع

بالنظر إلى الكفاءة الإجمالية لنظام الدفع، والتي تُحسب بقسمة الدفع الناتج (gf) على القدرة الكهربائية الداخلة (W)، نلاحظ أن النظام ثنائي الشفرات أكثر كفاءة عند جميع سرعات الدوران. ويزداد كلا النظامين كفاءة مع زيادة عدد الدورات في الدقيقة، مع تشكل هضبة بعد حوالي 2500 دورة في الدقيقة.

حدث أقصى فرق مطلق عند 1500 µs و1720 دورة في الدقيقة، حيث حقق النظام ثنائي الشفرات كفاءة إجمالية لنظام الدفع أعلى من النظام أحادي الشفرة بمقدار 1.89 gf/W. وحدث أقصى فرق من حيث النسبة المئوية عند 1200 µs و495 دورة في الدقيقة، حيث كانت المروحة ثنائية الشفرات أكثر كفاءة بنسبة 65%.

الشكل 10: كفاءة نظام الدفع مقابل عدد الدورات في الدقيقة لأنظمة الدفع أحادية وثنائية الشفرات

من المرجح أن يكون هذا ناتجًا عن كفاءة المحرك ووحدة التحكم الإلكترونية (ESC) في النظام، أي النسبة بين القدرة الميكانيكية الخارجة والقدرة الكهربائية الداخلة. وعلى عكس الكفاءة الأعلى للمروحة في النظام أحادي الشفرة، أظهر النظام ثنائي الشفرات كفاءة أعلى بكثير للمحرك ووحدة التحكم الإلكترونية.

كانت المروحة المختارة لهذه التجارب صغيرة مقارنة بالمراوح المناسبة لهذا المحرك، وكانت المروحة أحادية الشفرة أقل ملاءمة للمحرك، إذ ولّدت عزمًا أقل.

إن نتيجة التشغيل دون منطقة الكفاءة القصوى للمحرك هي أنه على الرغم من الكفاءة الأعلى للمروحة عند دفع يقل عن 0.175 kgf، تظل الكفاءة الإجمالية لنظام الدفع أقل للمروحة أحادية الشفرة عبر كامل نطاق الدفع وعدد الدورات في الدقيقة. 

في تجربة لاحقة، يمكننا إجراء عدة تعديلات لمقارنة أداء المراوح في ظروف مثالية. نناقش هذه النقاط في القسم التالي.

اطّلع على رسم خريطة كفاءة المحرك لدينا لمعرفة المزيد عن قياس كفاءة المحرك.

المناقشة: مقايضات الأداء والعوامل المربكة

مقايضات الأداء

بينما يبدو أن المراوح أحادية الشفرة أكثر كفاءة بالفعل عند قيم الدفع المنخفضة، يجب علينا أيضًا الاعتراف بمقايضات الأداء التي تأتي مع استخدامها.

أولًا، من أجل تحقيق التوازن، يجب أن يكون الثقل الموازن أثقل من الشفرة الأصلية التي تمت إزالتها، لأن الكتلة أصبحت الآن أقرب إلى المحور. ويُعد الثقل الموازن في الأساس وزنًا ميتًا، إذ لا يساهم في توليد الرفع ولكنه يساهم على الأرجح في السحب (ومن المؤكد تقريبًا أنه ساهم في تصميمنا).

بالإضافة إلى ذلك، أحد الأسباب الرئيسية لعدم اعتماد المراوح أحادية الشفرة على نطاق أوسع هو المستويات العالية من الاهتزاز التي تنتجها. وينعكس هذا الاهتزاز في جميع أنحاء النظام، مما يؤدي إلى آثار لا يمكن إهمالها لاحقًا، مثل تقصير العمر الافتراضي للمحامل والمكونات. ويمكن أن تكون عواقب الاهتزاز في الطائرات المسيرة وخيمة.

أخيرًا، في هذه التجربة، بحثنا في فرق الأداء بين المراوح أحادية وثنائية الشفرات في حالة ثابتة، لكن هذا لا يمثل بالضرورة أداءها أثناء الطيران. في المستقبل، يمكننا إجراء الاختبارات نفسها في ظروف طيران محاكاة باستخدام Windshaper للحصول على نتائج أكثر واقعية.

العوامل المربكة

حققت التجارب المنجزة لهذا البحث هدفها في السماح لنا بمقارنة أداء المراوح أحادية وثنائية الشفرات. ومع ذلك، كانت هناك بعض العوامل المربكة التي جعلت المقارنة أقل من مثالية.

أولًا، كان الثقل الموازن في المروحة أحادية الشفرة ضخمًا وغير انسيابي إلى حد كبير. في عالم مثالي، كنا سنصنع مروحة بثقل موازن انسيابي تمامًا يحقق درجة جودة توازن ISO أقل من 6.3 G. وكان من المرجح أن يؤدي ذلك إلى أداء أفضل مما لاحظناه.

بعد ذلك، لأسباب تتعلق بالتنقل والسلامة، فإن منصة فلايت ستاند 15 الخاصة بنا مثبتة على عربة، لذا تُجرى الاختبارات مع وجود سياج يحيط بالمروحة. وهذا يؤثر بلا شك على الديناميكيات المحلية وأداء المروحة، لكننا واثقون من أن هذا التأثير كان متسقًا إلى حد كبير من اختبار إلى آخر، مما يحافظ على صحة المقارنة.

علاوة على ذلك، وكما نوقش أعلاه، من المرجح أن المحرك الذي استخدمناه في هذه التجربة كان أكبر من اللازم للمراوح التي يتم اختبارها. وبما أننا نقيس العزم والقدرة الميكانيكية، فإن هذا لا يؤثر على صحة النتيجة. ومع ذلك، إذا كنا نصمم هذا لطائرة مسيرة حقيقية، فسنستخدم نفس المراوح على محرك أصغر (أو مراوح أكبر على نفس المحرك) من أجل التشغيل في منطقة الكفاءة القصوى للمحرك. وهذا من شأنه أن يغير النتيجة النهائية من حيث الأداء الإجمالي لنظام الدفع.

أخيرًا، ركزنا في هذه التجربة على إخضاع المراوح لنفس الاختبار تمامًا، بدلًا من مقارنتها عند مؤشرات أداء متساوية. قد يكون من المثير للاهتمام التركيز على تحقيق نفس قوة الدفع باستخدام مروحة ذات شفرة واحدة ومروحة ذات شفرتين، إما باستخدام سرعات دورانية مختلفة، أو بقبول شفرات بأشكال وأقطار مختلفة. أي اختبار مروحة ذات شفرة واحدة بقطر يبلغ ضعف قطر مروحة ذات شفرتين، ومقارنة قدرتهما على استهلاك الطاقة وكفاءتهما عند قوة دفع متساوية.

في بيئة حقيقية، يتعين علينا أيضًا مراعاة أن أقصى قوة دفع يمكن أن تحققها مروحة ذات شفرة واحدة محدودة أكثر من مروحة ذات شفرتين. لا يمكننا السماح لطرف المروحة بتجاوز سرعة الصوت دون تكبد خسارة كبيرة في الأداء.

ملخص

باختصار، تدعم نتائجنا فكرة أن المراوح ذات الشفرة الواحدة أكثر كفاءة بالفعل من المراوح ذات الحجم نفسه والتي تحتوي على شفرات أكثر. ومع ذلك، فإن مكاسب الكفاءة تأتي مع مقايضات في الأداء تتمثل في انخفاض قوة الدفع، وزيادة الكتلة، وارتفاع الاهتزازات، والتدهور الأسرع للمكونات.

نقدر لك تخصيص الوقت لقراءة هذا المقال ونأمل أن يكون مفيدًا. إذا كانت لديك أي أسئلة أو توصيات لاختبارات مستقبلية، فأخبرنا في التعليقات أدناه.

هل تريد المزيد من المحتوى المتعلق باختبار المراوح؟ قم بتنزيل ورقتنا البيضاء المجانية حول تقنيات موازنة المراوح: