“Los resultados muestran que para las combinaciones desiguales, el usuario debe colocar la hélice más pequeña aguas arriba para una mayor eficiencia, pero para una máxima capacidad de empuje, se prefieren dos hélices iguales”
En su estudio reciente, Investigación de las características de rendimiento de rotores coaxiales desiguales, Max Miles y el Dr. Stephen D. Prior investigan cómo los diferentes tamaños de hélice y las distancias de separación afectan el empuje, la eficiencia y el consumo de energía de los sistemas de propulsión de UAV.
Estudios anteriores indicaron que posicionar una hélice más pequeña aguas arriba de una hélice más grande podría mejorar el rendimiento, con una relación de separación óptima (z/D) en el rango de 0.1 a 0.4. El equipo del Dr. Prior se propuso validar aún más estos hallazgos y ampliar nuestra comprensión de la dinámica de rotores coaxiales.
Configuración de la prueba
Los experimentos se llevaron a cabo utilizando el Flight Stand 15 Pro, un banco de empuje bien conocido por el equipo. El Dr. Prior comentó: “Hemos utilizado una gama de bancos de empuje TYTO (1585, 1780 y FS15) durante la última década para mejorar nuestra comprensión y medición de hélices a escala”. El equipo también desarrolló un script de MATLAB personalizado para optimizar los diseños de las hélices y probar una gama de hélices impresas en 3D adaptadas para envolventes operativas específicas.
Figura 1: Bancos de empuje Flight Stand 15 Pro en una configuración coaxial cara a cara
Cada hélice fue alimentada por un motor eléctrico U8 Kv100 de T-Motor, con el rendimiento corregido a Kv80 tras la validación inicial. Los motores fueron accionados por un ESC T-Motor Alpha 60A 6S y alimentados por baterías Li-Po 25C 6S (22.2 V) completamente cargadas.
El estudio probó combinaciones de hélices de fibra de carbono T-Motor de 26″ y 29″ en cinco relaciones z/D: 0.05, 0.1, 0.2, 0.3 y 0.35. La relación z/D es la relación entre la distancia entre las palas, z, y el diámetro de la pala, D.
Ambas hélices se ejecutaron a aceleraciones equivalentes. Comenzando con un 20% de aceleración, se le dio tiempo al sistema para estabilizarse antes de aumentar la aceleración en un cinco por ciento, hasta un 90% de aceleración. El software del banco de empuje registró el empuje, la corriente, el par, las RPM, la potencia eléctrica de entrada y la potencia mecánica de salida.
Las hélices se probaron primero de forma aislada para establecer una línea base de comparación con las configuraciones coaxiales experimentales. Esta línea base se denomina “par coaxial ideal”: dos hélices aisladas actuando independientemente la una de la otra sin interferencia entre ellas.
A continuación hemos resumido algunos de sus hallazgos clave.
Resultados
Optimización de la distancia de separación (relación z/D)
La distancia de separación óptima, en términos de mínima pérdida de empuje, varió ligeramente entre las configuraciones. Los resultados siguieron la característica forma de “cubeta”, donde el rendimiento es deficiente con una separación pequeña, mejora a medida que aumenta la separación, y luego eventualmente disminuye de nuevo, como se ve en la figura 2.
La relación z/D ideal fue de 0.2 para el par desigual con la hélice más pequeña aguas arriba, mientras que para otras configuraciones, la separación óptima fue entre 0.1 y 0.2.
Figura 2: Pérdidas de empuje para sistemas de propulsión coaxiales iguales y desiguales, cuando se comparan con un par coaxial ideal
Pérdida de empuje
La Figura 3 muestra el % de pérdida de empuje de cada sistema de propulsión coaxial comparado con el par coaxial ideal. Para las combinaciones de hélices desiguales, posicionar la hélice más pequeña aguas arriba resultó en las pérdidas de empuje más bajas.
Una hélice aguas arriba de 26″ emparejada con una hélice aguas abajo de 29″ mostró la mínima pérdida de empuje del 17.3%, mientras que la configuración inversa resultó en una pérdida del 23.8%.
Figura 3: Pérdida de empuje para diferentes sistemas coaxiales comparados con un par ideal
Empuje total
Al comparar la producción de empuje total de cada configuración, los pares de hélices iguales produjeron el mayor empuje neto. El par de hélices de 29″ logró 34.9 N de empuje a máxima aceleración, lo cual fue un 12% más alto que la combinación desigual de mejor rendimiento.
Dentro de los pares desiguales, la configuración con la hélice más pequeña de 26” aguas arriba de la hélice más grande de 29” produjo 2.2 N más de empuje a máxima aceleración que la configuración inversa, un aumento del 7.5%.
Figura 4: Empuje total producido por combinaciones de hélices coaxiales iguales y desiguales
Para intentar eliminar el tamaño de la hélice como factor influyente, normalizaron el empuje total al área del disco de la hélice coaxial, referido como carga del disco.
Con esta normalización en su lugar, observaron que el par igual más grande de hélices de 29” logró la carga del disco más alta y la mayor producción de empuje total en cualquier velocidad de rotación de 400 - 1700 RPM.
Figura 5: Carga del disco coaxial por RPM
Consumo de energía y eficiencia
La hélice aguas abajo, posicionada en la estela de la hélice aguas arriba, requirió energía adicional para producir el mismo empuje que una hélice aislada. Ambos pares desiguales mostraron un aumento de energía menor en comparación con los pares iguales. El par desigual pequeño-adelante mostró un aumento de energía del 22.7%, mientras que los pares iguales exhibieron un aumento de energía del 27%.
Figura 6: Porcentaje de aumento de energía para sistemas coaxiales comparados con un par ideal
Conclusión
Este estudio proporcionó una mirada profunda a la relación entre la configuración de rotores coaxiales y el rendimiento. Validó varios hallazgos existentes y contribuyó con valiosos conocimientos sobre cómo el empuje, la energía y la eficiencia se ven afectados por la posición de la hélice, la distancia de separación y el tamaño relativo.