Por Lauren Nagel
Las pruebas en túnel de viento son un paso esencial en el diseño y desarrollo de drones, ya que los sistemas de propulsión suelen comportarse de manera diferente en condiciones estáticas frente a las del mundo real.
El empuje y la eficiencia de la hélice, por ejemplo, son cruciales para completar la misión, pero varían enormemente con la velocidad del aire. Caracterizar el rendimiento de un dron a distintas velocidades del aire es fundamental para cualquier aeronave que realice operaciones más allá de volar con buen tiempo.
Para comprobar cómo cambia el rendimiento de la hélice con la velocidad del aire, utilizamos nuestra estación de pruebas de hélices, probando hélices de drones a velocidades del aire de 0 a 38 mph (0-17 m/s).
Contenidos:
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Procedimiento de pruebas en túnel de viento
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Empuje de la hélice frente a RPM a distintas velocidades del aire
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Relación entre empuje y potencia de la hélice
- Eficiencia de la hélice (2 formas)
Figura 1: Configuración de pruebas de hélices en túnel de viento
1. Procedimiento de pruebas en túnel de viento
Nuestra configuración de pruebas incluye tres equipos de medición clave:
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Windshaper de 2x2 - una pared modular de ventiladores que genera velocidades del aire de más de 16 m/s, sustituyendo al túnel de viento tradicional. La velocidad y el nivel de turbulencia de cada ventilador se controlan mediante el software WindControl.
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Banco de empuje Series 1585 - un banco de empuje para hélices que mide el empuje, el par motor, la velocidad de rotación, la corriente y el voltaje para calcular la potencia y la eficiencia. Las pruebas se automatizaron mediante el software Flight Stand.
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Sensor de presión de velocidad del aire - conectado a un tubo Pitot y al software Flight Stand, los datos de velocidad del aire se sincronizan con las mediciones del banco de empuje.
Figura 2: Banco de empuje para hélices Series 1585 con sensor de velocidad del aire y tubo Pitot
Instalamos una hélice de 9” a 210 cm del Windshaper y realizamos una prueba automática por tramos con cuatro niveles de aceleración: 1550, 1700, 1850 y 2000 µs.
Figura 3: Prueba por tramos representada en el software Flight Stand
Cada prueba se realizó a una velocidad del aire y un nivel de turbulencia constantes en los ventiladores, y se repitió a 6 velocidades diferentes:
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0 m/s (0 mph)
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4,2 m/s (9,4 mph)
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7,5 m/s (16,8 mph)
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10,7 m/s (24 mph)
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14 m/s (31,3 mph)
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17 m/s (38 mph)
Figura 4: Potencia de los ventiladores del Windshaper configurada al 100 % (17 m/s) en el software WindControl
Las mediciones de empuje se «tararon» registrando el empuje al 0 % de aceleración en cada velocidad del aire y restando el empuje medido del empuje total registrado en cada nivel de aceleración. A la velocidad del aire más alta, se inmovilizó suavemente la hélice para evitar que girara durante la medición de referencia. Este procedimiento tuvo como objetivo aislar el empuje generado por la hélice.
Lecturas complementarias: CFD frente a pruebas experimentales de hélices (resultados)
Otras consideraciones sobre la configuración de las pruebas:
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Es esencial dejar suficiente espacio detrás del Windshaper para garantizar una entrada de aire eficiente
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Nos aseguramos de que la entrada del tubo Pitot no tuviera obstrucciones para garantizar la medición de un flujo de aire uniforme
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Nuestro objetivo era minimizar la distancia entre el tubo Pitot y la hélice de prueba, limitando al mismo tiempo la perturbación del flujo de aire. La próxima vez visualizaremos los flujos aerodinámicos con un WindProbe 3D.
Figura 5: Pared de viento Windshaper de 2x2 con 36 ventiladores controlados individualmente
2. Empuje de la hélice frente a RPM a distintas velocidades del aire
El gráfico siguiente muestra los resultados de la generación de empuje frente a las RPM en cada condición de viento. Los cuatro puntos de datos de cada velocidad del aire representan las lecturas de cada nivel de aceleración.
Figura 6: Gráfico del empuje de la hélice frente a las RPM a velocidades del aire de 0 a 17 m/s
La generación de empuje aumentó al aumentar la aceleración y fue máxima en ausencia de viento. A medida que aumentó la velocidad del aire, se requirió una mayor velocidad de rotación para alcanzar el mismo empuje.
Para un empuje determinado, las RPM de la hélice aumentaron al aumentar la aceleración y la velocidad del aire. El viento generado por el Windshaper es responsable de las RPM más altas, ya que empuja las palas de la hélice y hace que gire aún más rápido.
Las RPM más altas suelen asociarse con una mayor generación de empuje, pero esto solo se cumple a velocidad del aire constante. El empuje de la hélice depende de las propiedades físicas de la hélice, es decir, del radio y el paso, pero también de la presión del aire que fluye a través del área del disco de la hélice.
La ecuación siguiente para el empuje dinámico de la hélice (Electric Aircraft Guy) muestra cómo se relaciona la velocidad del aire hacia adelante de la hélice con la generación de empuje. Tenga en cuenta que los coeficientes son teóricos y variarán en función del perfil de la hélice, el número de Reynolds y las condiciones ambientales.
No obstante, la ecuación es útil para comprender cómo afectarán los cambios en los parámetros al empuje de la hélice. Por ejemplo, a medida que aumenta la velocidad del aire hacia adelante, el empuje de la hélice disminuye.
Esta disminución del empuje se produce porque el empuje es el producto de la diferencia de velocidad del aire que entra y sale de la hélice. El empuje de la hélice también puede expresarse como:
Lecturas complementarias: Cómo calcular el empuje de la hélice (estático y dinámico)
Cuando una hélice está inmóvil, es decir, cuando una aeronave está en reposo, el aire circundante se acelera rápidamente al entrar en la hélice. Cuando la aeronave acelera y la hélice gana velocidad hacia adelante, la velocidad relativa del aire que choca con las palas de la hélice (V0) aumenta, mientras que Ve no aumenta proporcionalmente, lo que resulta en una menor generación de empuje.
Además, a medida que aumenta la velocidad del aire, se produce un cambio en el vector de flujo de aire relativo en la hélice. Este vector representa la suma del vector de velocidad de rotación de la hélice y el vector de velocidad del aire. El ángulo entre el vector de flujo de aire relativo y la línea de cuerda de la hélice es el ángulo de ataque. A medida que aumenta la magnitud del vector de velocidad del aire, el ángulo de ataque disminuye, lo que resulta en una menor generación de empuje.
Figura 7: Cambio en el ángulo de ataque de la hélice con un aumento de la velocidad del aire (Roddy Mc Namee)
Vea el vídeo de Roddy Mc Namee sobre el ángulo de ataque de las palas de la hélice para obtener más información.
3. Relación entre empuje y potencia de la hélice
A medida que aumenta la velocidad del aire, la potencia mecánica disminuye. En el gráfico siguiente, visualizamos la disminución del empuje y la potencia, así como la relación entre empuje y potencia:
Figura 8: Empuje, potencia y relación entre empuje y potencia de la hélice a 9000 RPM
El gráfico compara el empuje y la potencia a 9000 RPM en cada una de las seis velocidades del aire, obteniendo los valores a partir de sus curvas de rendimiento. La relación entre empuje y potencia es simplemente el empuje dividido por la potencia.
En el gráfico queda claro que el empuje disminuye más rápidamente que la potencia. Aunque se genera menos empuje a medida que aumenta la velocidad del aire, se consume una cantidad similar de potencia, lo que resulta en una relación entre empuje y potencia más baja a velocidades del aire más altas.
Entre 0 y 17 m/s, el empuje disminuye en un 75 %, mientras que la potencia solo disminuye en un 19 %.
Esto se traduce en una disminución de la eficiencia de la hélice a velocidades del aire más altas, como veremos en la siguiente sección.
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4. Eficiencia de la hélice (2 formas)
Por último, analizaremos la eficiencia de la hélice a distintas velocidades del aire utilizando dos enfoques diferentes.
El primer enfoque mide la eficiencia de la hélice en términos de gramos de fuerza de empuje generados por vatio de potencia mecánica, el producto del par motor y las RPM:
Donde el empuje se mide en gf, el par motor en Nm y la velocidad de rotación en RPM.
Esta ecuación proporciona una medida de la eficiencia de la hélice en gf/W, una forma intuitiva de evaluar el rendimiento del sistema de propulsión cuando se trabaja con aeronaves VTOL como los drones.
Dado que el valor reportado no es adimensional, se describe con mayor precisión como una métrica de rendimiento.
Una segunda forma de evaluar la eficiencia de la hélice consiste en observar la relación entre la potencia disponible y la potencia mecánica. Este método es útil para tener en cuenta la eficiencia aerodinámica y es especialmente relevante para el vuelo hacia adelante, como se simula en nuestro experimento:
La potencia disponible es el producto del empuje y la velocidad. En una aplicación típica, la velocidad se referiría a la velocidad de la propia aeronave, pero dado que estamos simulando esta condición con una hélice estacionaria en una corriente de viento, utilizaremos la velocidad del viento del Windshaper, ya que el efecto relativo es equivalente.
Por lo tanto,
Donde el empuje se mide en N, la velocidad del viento en m/s, el par motor en Nm y la velocidad de rotación en rad/s.
La eficiencia de la hélice se denota como “η” y es una propiedad adimensional, reportada como % a continuación.
Cuando graficamos la eficiencia de la hélice frente a las RPM a cada velocidad del aire, observamos la siguiente tendencia:
Figura 9: Eficiencia de la hélice en gf/W y % frente a las RPM a distintas velocidades del aire
Los dos enfoques proporcionan resultados similares, con valores de eficiencia que convergen a velocidades del aire más altas. A velocidades del aire más bajas, la eficiencia disminuye y se estabiliza, mientras que a velocidades del aire más altas, la eficiencia aumenta antes de estabilizarse.
No se puede calcular la eficiencia a una velocidad del viento de 0 m/s utilizando el segundo método, ya que la velocidad de 0 da como resultado una eficiencia del 0 % en todos los casos.
Los valores de eficiencia de la hélice registrados a 17 m/s con los valores de aceleración más bajos fueron significativamente negativos en ambos casos (-182 gf/W y -3065 %) y, por lo tanto, se excluyeron del gráfico para facilitar una comparación más clara de los datos restantes.
La eficiencia de la hélice medida con el segundo método es útil para evaluar la eficiencia a diferentes velocidades de vuelo para un conjunto de RPM. Esto puede ser útil para determinar las condiciones de funcionamiento más eficientes de una aeronave.
A continuación, hemos ajustado los datos de eficiencia de la hélice con curvas polinómicas de segundo grado para modelar el rendimiento a diferentes velocidades de vuelo. Cada curva representa un ajuste de RPM diferente.
La eficiencia de la hélice aumenta hasta alcanzar un máximo a medida que aumenta la velocidad de vuelo, y luego disminuye de nuevo a medida que se reduce el ángulo de ataque de la pala. Las curvas se desplazan hacia la derecha con el aumento de las RPM.
Figura 10: Eficiencia de la hélice (%) vs. velocidad de vuelo a diferentes velocidades de rotación
Estos datos pueden ser útiles al elegir un ajuste de RPM o aceleración en función de las condiciones de vuelo.
Conclusión
Estos experimentos ilustran la fascinante relación entre la velocidad de vuelo y el empuje, la potencia y la eficiencia de la hélice. Este tipo de experimentos son esenciales para comprender cómo funciona un sistema de propulsión en condiciones de vuelo reales.
En este estudio, utilizamos un túnel de viento Windshaper de 2x2 para generar vientos de velocidad constante, pero estas máquinas son capaces de mucho más. Haz clic aquí para aprender cómo Windshapers puede ayudarte a mejorar el rendimiento de tu dron.