Por Lauren Nagel
La creencia popular sostiene que, al menos en teoría, las hélices de una sola pala logran una mayor eficiencia que las hélices del mismo tamaño con más palas. Este fenómeno tiene varias explicaciones diferentes, que analizaremos a continuación.
Decidimos poner a prueba la teoría, comparando el rendimiento de una hélice de dron de una sola pala con una hélice de dos palas del mismo fabricante.
Sigue leyendo para ver nuestros inesperados resultados.
Contenidos:
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¿Por qué las hélices de una sola pala son más eficientes?
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Montaje experimental
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Resultados: Hélices de 1 pala frente a hélices de 2 palas
- RPM y empuje
- Eficiencia de la hélice
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Eficiencia general
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Discusión: Compromisos de rendimiento y factores de confusión
1. ¿Por qué las hélices de una sola pala son más eficientes?
Las hélices de una sola pala se han utilizado comercialmente en algunos casos, incluyendo Piper Cubs modificados y planeadores motorizados, pero no han ganado mucha popularidad de otra manera.
Esto resulta algo sorprendente, teniendo en cuenta que se supone que los modelos de 1 pala son más eficientes que los modelos con 2 o más palas, así que ¿por qué no son más comunes?
Comencemos analizando la teoría detrás de la mayor eficiencia de las hélices de una sola pala.
Una teoría propone que menos palas implican menos fuentes de vórtices de punta de pala que consumen energía. Estos vórtices pueden provocar una pérdida de energía a bajas relaciones de avance, por lo que limitarlos puede mejorar la eficiencia.
Otra teoría destacada sostiene que las hélices de una sola pala son más eficientes porque no experimentan la turbulencia de estela de otras palas y, por lo tanto, giran en un aire menos perturbado.
Para averiguar si esta teoría se cumple en la práctica, la pusimos a prueba utilizando nuestro Flight Stand 15.
Figura 1: prueba de hélices de una y dos palas del mismo tamaño y fabricante
2. Montaje experimental
Para este experimento, adquirimos un juego de hélices de fibra de carbono y modificamos una de las dos en una hélice de una sola pala. Luego realizamos una prueba de escalón simple en un rango de RPM.
Creación de la hélice de una sola pala
El proceso para crear la hélice de una sola pala fue bastante sencillo:
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Cortar la mayor parte de una de las palas
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Taladrar un agujero en el centro del resto de la pala
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Fijar un perno en el agujero
Figura 2: primer plano de la hélice de una sola pala después de las modificaciones
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Equilibrar aproximadamente la hélice utilizando un equilibrador estático, ajustando el perno y/o añadiendo arandelas hasta que esté visiblemente equilibrada
Figura 3: hélice de una sola pala montada en un equilibrador estático
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Equilibrar dinámicamente la hélice utilizando el Flight Stand, añadiendo cinta para obtener una calificación de calidad ISO aceptable (6,996 G)
Figura 4: equilibrado de la hélice de una sola pala con el software Flight Stand
Aunque nuestro objetivo era alcanzar una calificación de calidad de 6,3 G, no fue posible a pesar de varios intentos y correcciones de peso cada vez más precisas (discusión en la sección 4).
El Flight Stand 15 mide la vibración para evaluar la calidad del equilibrado en el sistema, por lo que podría ser que los efectos aerodinámicos del perno influyeran en los resultados, que la posición axial del contrapeso requiera un equilibrado en dos planos, o que el empuje desequilibrado simplemente esté causando más ruido...
La hélice de dos palas alcanzó una calificación de calidad de 5,552 G sin ninguna modificación.
La hélice de una sola pala tenía una masa final de 29 g, mientras que la hélice de dos palas tenía una masa de 18 g.
Utilizamos una hélice en sentido horario (CW) y otra en sentido antihorario (CCW), ya que eran las que teníamos a mano, y no se espera que esta diferencia afecte al rendimiento.
Figura 5: hélices modificadas de una y dos palas una al lado de la otra
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Prueba comparativa de rendimiento
Utilizando el software Flight Stand, diseñamos y ejecutamos una prueba de escalón automatizada con cinco pasos de acelerador:
- 1200 µs
- 1350 µs
- 1500 µs
- 1650 µs
- 1800 µs
A continuación se muestra una captura de pantalla de la interfaz gráfica del software justo después de completar la primera prueba.
Figura 6: prueba de escalón automatizada en el software Flight Stand
3. Resultados experimentales: Hélices de 1 pala frente a hélices de 2 palas
RPM y empuje
Con la misma entrada de acelerador, las RPM alcanzadas fueron prácticamente idénticas para las hélices de una y dos palas. La mayor diferencia se produjo a 1650 µs, donde las lecturas de RPM fueron de 2330 y 2318 respectivamente, una diferencia de apenas 12 RPM o 0,5%. Esto indica que nuestro ESC controla las RPM en un bucle cerrado, ya que la carga era bastante diferente para las dos hélices.
A las mismas RPM, el empuje de la hélice de dos palas fue significativamente mayor que el de la hélice de una sola pala. Este resultado no es sorprendente, ya que la hélice de dos palas tiene casi el doble de superficie de generación de sustentación que la hélice de una sola pala. La diferencia se vuelve cada vez más pronunciada a medida que aumentan las RPM.
Figura 7: empuje frente a velocidad de rotación para hélices de una y dos palas
Eficiencia de la hélice
Cuando graficamos la eficiencia de la hélice, que se calcula dividiendo el empuje (gf) por la potencia mecánica (W), podemos ver que a todas las velocidades de rotación, la hélice de una sola pala es más eficiente que la hélice de dos palas. Esto concuerda con la teoría discutida en la primera sección.
Figura 8: eficiencia de hélices de una y dos palas frente a RPM
Sin embargo, cuando graficamos la eficiencia de la hélice frente al empuje, con la intención de comparar condiciones con beneficios de vuelo equivalentes, vemos que la hélice de una sola pala solo mantiene una eficiencia superior a menor empuje.
Figura 9: eficiencia de hélices de una y dos palas frente a empuje
Lectura adicional: Cómo la velocidad del viento reduce la eficiencia de la hélice
Eficiencia general del sistema de propulsión
Al observar la eficiencia general del sistema de propulsión, calculada como el empuje (gf) dividido por la potencia eléctrica de entrada (W), observamos que el sistema de dos palas es más eficiente a todas las velocidades de rotación. Ambos sistemas aumentan su eficiencia a medida que aumentan las RPM, formando una meseta después de aproximadamente 2500 RPM.
La máxima diferencia absoluta se produjo a 1500 µs y 1720 RPM, con la hélice de dos palas alcanzando una eficiencia general del sistema de propulsión 1,89 gf/W superior a la del sistema de una sola pala. La máxima diferencia en términos porcentuales se produjo a 1200 µs y 495 RPM, donde la hélice de dos palas fue un 65% más eficiente.
Figura 10: eficiencia del sistema de propulsión frente a RPM para sistemas de propulsión de una y dos palas
Esto probablemente se observa debido a la eficiencia del motor y del ESC del sistema, la relación entre la potencia mecánica de salida y la potencia eléctrica de entrada. En contraste con la mayor eficiencia de la hélice del sistema de una sola pala, el sistema de dos palas demostró una eficiencia del motor y del ESC mucho mayor.
La hélice elegida para estos experimentos estaba en el extremo pequeño de las hélices adecuadas para este motor, y la hélice de una sola pala habría sido aún menos adecuada para el motor, ya que generaba menos par.
El resultado de operar por debajo de la zona de máxima eficiencia del motor es que, a pesar de la mayor eficiencia de la hélice a un empuje inferior a 0,175 kgf, la eficiencia general del sistema de propulsión sigue siendo menor para la hélice de una sola pala en todo el rango de empuje y RPM.
En un experimento de seguimiento, hay varias modificaciones que podríamos hacer para comparar cómo se desempeñan las hélices en condiciones ideales. Discutimos estos puntos en la siguiente sección.
Consulta nuestra Mapeo de eficiencia del motor guía para aprender más sobre cómo medir la eficiencia del motor.
Discusión: Compromisos de rendimiento y factores de confusión
Compromisos de rendimiento
Aunque parece que las hélices de una sola pala son de hecho más eficientes a valores bajos de empuje, también debemos reconocer los compromisos de rendimiento que conlleva su uso.
En primer lugar, para lograr el equilibrio, el contrapeso debe ser más pesado que la pala original que se retiró, ya que la masa ahora está más cerca del buje. El contrapeso es esencialmente peso muerto, ya que no contribuye a la sustentación, pero probablemente sí contribuye a la resistencia (casi con seguridad lo hizo en nuestro diseño).
Además, una de las principales razones por las que las hélices de una sola pala no se han adoptado más ampliamente se debe a los altos niveles de vibración que producen. Esto resuena en todo el sistema, lo que provoca efectos secundarios no despreciables como una vida útil más corta de los rodamientos y los componentes. Las consecuencias de la vibración en los drones pueden ser graves.
Por último, en este experimento, investigamos la diferencia de rendimiento entre hélices de una y dos palas en condiciones estáticas, pero esto no representa necesariamente su rendimiento en vuelo. En el futuro, podríamos realizar las mismas pruebas en condiciones de vuelo simuladas utilizando un Windshaper para obtener resultados más realistas.
Factores de confusión
Los experimentos realizados para esta investigación lograron su objetivo de permitirnos comparar el rendimiento de las hélices de una y dos palas. Dicho esto, hubo algunos factores de confusión que hicieron que la comparación no fuera perfecta.
En primer lugar, el contrapeso de la hélice de una sola pala era voluminoso y no muy aerodinámico. En un mundo ideal, habríamos fabricado una hélice con un contrapeso perfectamente aerodinámico que alcanzara una calificación de calidad de equilibrio ISO de <6,3 G. Esto probablemente habría llevado a un rendimiento aún mejor de lo que observamos.
A continuación, por razones de movilidad y seguridad, nuestro Flight Stand 15 está montado en un carro, por lo que las pruebas se realizan con cercas rodeando la hélice. Esto indudablemente tiene un impacto en la dinámica local y el rendimiento de la hélice, pero confiamos en que el impacto fue bastante consistente de una prueba a otra, manteniendo la validez de la comparación.
Además, como se discutió anteriormente, el motor que utilizamos para este experimento probablemente era demasiado grande para las hélices que se estaban probando. Dado que estamos midiendo el par y la potencia mecánica, esto no tiene efecto en la validez del resultado. Sin embargo, si estuviéramos diseñando esto para un dron real, usaríamos las mismas hélices en un motor más pequeño (o hélices más grandes en el mismo motor) para operar en la zona de máxima eficiencia del motor. Esto cambiaría el resultado final en términos de rendimiento general del sistema de propulsión.
Por último, en este experimento nos centramos en someter a las hélices exactamente al mismo ensayo, en lugar de compararlas con indicadores de rendimiento iguales. Podría ser interesante centrarse en conseguir el mismo empuje con una hélice de una y dos palas, ya sea utilizando diferentes RPM o aceptando palas con formas y diámetros distintos. Es decir, probar una hélice de una pala con un diámetro el doble que el de una hélice de dos palas y comparar su potencia y eficiencia a un empuje igual.
En un entorno real, también debemos tener en cuenta que el empuje máximo que puede alcanzar una hélice de una pala es más limitado que el de una hélice de dos palas. No podemos permitir que la punta de la hélice supere la velocidad del sonido sin sufrir una pérdida de rendimiento muy importante.
Resumen
En resumen, nuestros resultados respaldan la idea de que las hélices de una pala son, de hecho, más eficientes que las hélices del mismo tamaño con más palas. Dicho esto, la mejora de la eficiencia conlleva concesiones en el rendimiento en términos de menor empuje, mayor masa, mayores vibraciones y una degradación más rápida de los componentes.
Le agradecemos que se haya tomado el tiempo de leer este artículo y esperamos que le haya resultado informativo. Si tiene alguna pregunta o recomendación para futuros ensayos, háganoslo saber en los comentarios de abajo.
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