Pruebas de formación de hielo en hélices en un túnel de viento climatizado

Introducción

Este artículo resume la investigación realizada en la Instalación de Pruebas Climáticas de Gran Tamaño Sirris (Amberes, Bélgica), que analizó el rendimiento de los drones en condiciones de formación de hielo.

El equipo de investigación incluyó a Guillaume Catry, Nicolas Bosson, Luca J. Bardazzi y Sergio Márquez de Windshape (Suiza), Özlem Ceyhan y Daniele Brandolisio de OWI-Lab (Bélgica) y Flavio Noca de la Universidad de Ciencias Aplicadas y Artes de la Región Occidental de Suiza HES-SO (Suiza).

Figura 1: Instalación de Pruebas Climáticas de Gran Tamaño Sirris

Configuración de las pruebas

La configuración de las pruebas se diseñó para caracterizar el rendimiento del sistema de propulsión del dron, así como la acumulación de hielo. Incluyó lo siguiente:

1. Se utilizó la Instalación de Pruebas Climáticas de Gran Tamaño Sirris (Amberes, Bélgica) para crear las condiciones de temperatura y humedad necesarias para la formación de hielo. La configuración de las pruebas de formación de hielo es de nueva construcción y cuenta con 25 boquillas de agua fijadas a una grúa pórtico que cubren un área de 6 m x 4 m. Las boquillas pueden alcanzar una variedad de tamaños de gotas al modificar el caudal de agua, de modo que se pueden crear tanto hielo vítreo como hielo de escarcha.
2. Se utilizó un túnel de viento Windshaper para generar el viento aparente sobre la hélice. El sistema consta de 162 pares de unidades de ventilador contrarrotatorias de 110 W cada una, distribuidas uniformemente sobre una superficie vertical y plana de 1,5 m x 0,75 m. El sistema es capaz de generar velocidades de viento de entre 1 m/s y 16 m/s.
3. Se utilizó un banco de empuje Series 1585 de Tyto Robotics para medir el rendimiento del sistema de propulsión, incluyendo empuje de hasta 50 N, par de hasta 2,0 Nm, RPM, potencia y eficiencia. La celda de carga está montada en un brazo robusto cuyo ángulo se puede ajustar para variar el ángulo de paso de la hélice. La plataforma de software del banco genera la señal PWM para controlar el motor. Los autores diseñaron un script de control PID dentro del software para permitir pruebas a velocidad de motor constante, incluso cuando el hielo se acumula en la hélice.
4. El motor de CC sin escobillas, un Taft Hobby 3553 1550kv de 10 polos, se alimentó con una fuente de alimentación de laboratorio de 12 V a través de un ESC SimonK Turnigy de 60 A. La hélice era una HQProp MacroQuad de 3 palas y 9 pulgadas con un paso de 5 pulgadas.
5. Se diseñó un sistema de captura de imágenes para visualizar la formación de hielo en la hélice. Contaba con dos luces estroboscópicas de corta duración que generan destellos de tan solo 1 µs. El destello era activado por el controlador del banco de empuje en función de la posición angular del motor (sensor de RPM), de modo que la misma pala estuviera en la misma posición en cada imagen.
6. Las imágenes se capturaron con una Canon 5D Mk2, una cámara DSLR digital de fotograma completo, configurada a 6400 ISO y equipada con un objetivo de 80 mm f/1,8 configurado a máxima apertura. Durante los experimentos, se toma una imagen cada 2 s.

 Se completaron un total de 21 pruebas utilizando variaciones de estos parámetros:

1. Velocidad de la hélice: 3.500 RPM y 5.000 RPM
2. Velocidad del viento: 3,2 m/s, 6 m/s y 9 m/s
3. Presión de pulverización de agua: 2 bar y 8 bar

Cada prueba se realizó una vez con una hélice estándar y una segunda vez con una hélice similar cubierta con un revestimiento antihielo. La temperatura se mantuvo a -10 °C en todas las pruebas.

Resultados

La acumulación de hielo en la hélice siguió un patrón similar en todas las pruebas: la formación de hielo comienza después de unos segundos de pulverización, hay una acumulación significativa de hielo a los 20 segundos, se produce una pérdida total del empuje de la hélice alrededor de los 60 segundos y el hielo acumulado se desprende alrededor de los 80 segundos.

Figura 3: Acumulación de hielo en la hélice

Los resultados de rendimiento registrados en el banco de empuje (con la hélice revestida) revelaron varios hallazgos interesantes:

1. Se observa una pérdida de empuje casi inmediatamente después de encontrarse con condiciones de formación de hielo.
2. El empuje tardó poco más de 1 minuto en disminuir de 1,6 N a 0 N.
3. Cuando el hielo se desprende de la hélice alrededor de los 75 segundos, hay un rápido aumento del empuje a medida que aumentan las RPM antes de que el PID pueda estabilizarlo.
4. La masa de la acumulación de hielo justo antes de desprenderse era de 17 g.
5. La eficiencia de la hélice disminuye gradualmente a medida que se acumula el hielo, hasta llegar al 0 % justo antes de desprenderse.
6. La hélice con el revestimiento antihielo mantuvo un empuje >0 N aproximadamente 4 veces más tiempo que la hélice sin el revestimiento antihielo (48 segundos en comparación con 12 segundos).

Figura 4: Evolución del empuje, el par del motor, el peso del hielo, la eficiencia de la hélice y la velocidad del motor durante una prueba a 3500 RPM con la velocidad del viento configurada a 3,2 m/s. La línea discontinua representa el control sin formación de hielo. La línea continua representa una situación de formación de hielo con la presión de pulverización de agua configurada a 8 bar.

Figura 5: Comparación de rendimiento entre una hélice sin revestimiento y una hélice con revestimiento antihielo.

Conclusión

En conclusión, los autores del estudio desarrollaron una configuración de pruebas realista que proporciona un medio para estudiar el rendimiento de los drones en condiciones de formación de hielo.

El artículo completo se puede descargar aquí.