단일 블레이드 프로펠러 효율: 예상치 못한 결과

작성자: Lauren Nagel

일반적으로 적어도 이론상으로는 단일 블레이드 프로펠러가 동일한 크기의 다중 블레이드 프로펠러보다 더 높은 효율을 달성한다고 알려져 있습니다. 이 현상에는 몇 가지 다른 설명이 있으며, 아래에서 자세히 살펴보겠습니다.

우리는 이론을 검증하기 위해 동일한 제조사의 단일 블레이드 드론 프로펠러와 이중 블레이드 프로펠러의 성능을 비교하기로 했습니다.

예상치 못한 결과를 확인하려면 계속 읽어보세요.

목차:

1. 단일 블레이드 프로펠러가 더 효율적인 이유는 무엇인가

2. 실험 설정

3. 결과: 1블레이드 대 2블레이드 프로펠러

1. RPM 및 추력 
2. 프로펠러 효율

3. 전체 효율

4. 고찰: 성능 트레이드오프 및 교란 요인

1. 단일 블레이드 프로펠러가 더 효율적인 이유는 무엇인가

단일 블레이드 프로펠러는 개조된 파이퍼 컵 및 동력 글라이더를 포함한 몇 가지 사례에서 상업적으로 사용되어 왔지만, 그 외에는 널리 보급되지 않았습니다.

1블레이드 모델이 2개 이상의 블레이드가 있는 모델보다 더 효율적이라고 알려져 있다는 점을 고려하면 다소 놀라운 일인데, 왜 더 흔하지 않은 걸까요?

먼저 단일 블레이드 프로펠러의 향상된 효율성 뒤에 숨겨진 이론부터 살펴보겠습니다.

한 가지 이론은 블레이드 수가 적을수록 에너지를 소모하는 블레이드 끝 와류의 발생원이 적어진다고 제안합니다. 이러한 와류는 낮은 전진비에서 에너지 손실을 초래할 수 있으므로, 이를 제한하면 효율을 향상시킬 수 있습니다.

또 다른 유력한 이론은 단일 블레이드 프로펠러가 다른 블레이드의 후류 난류를 겪지 않고 따라서 덜 교란된 공기 속에서 회전하기 때문에 더 효율적이라고 말합니다. 

이 이론이 실제로도 타당한지 알아보기 위해, 우리는 Flight Stand 15를 사용하여 테스트했습니다.

그림 1: 동일한 크기와 제조사의 단일 및 이중 블레이드 프로펠러 테스트

2. 실험 설정

이 실험을 위해 탄소 섬유 프로펠러 한 세트를 구입한 후, 두 개 중 하나를 단일 블레이드 프로펠러로 개조했습니다. 그런 다음 다양한 RPM 범위에서 간단한 스텝 테스트를 수행했습니다.

단일 블레이드 프로펠러 제작

단일 블레이드 프로펠러를 제작하는 과정은 꽤 간단했습니다: 

1. 블레이드 하나에서 대부분을 잘라냅니다

2. 남은 블레이드 중앙에 구멍을 뚫습니다

3. 구멍에 볼트를 고정합니다

그림 2: 개조 후 단일 블레이드 프로펠러 근접 사진

4. 정적 밸런서로 프로펠러의 균형을 대략 맞추고, 눈에 띄게 균형이 잡힐 때까지 볼트 및/또는 와셔를 조정합니다

그림 3: 정적 밸런서에 장착된 단일 블레이드 프로펠러

5. Flight Stand를 사용하여 프로펠러를 동적으로 밸런싱하고, 수용 가능한 ISO 품질 등급(6.996 G)을 얻기 위해 테이프를 추가합니다

그림 4: Flight Stand 소프트웨어로 단일 블레이드 프로펠러 밸런싱

우리는 6.3 G의 품질 등급을 달성하는 것을 목표로 했지만, 여러 번의 시도와 점점 더 정밀한 무게 보정에도 불구하고 불가능했습니다(4절에서 논의).

Flight Stand 15는 시스템의 밸런싱 품질을 평가하기 위해 진동을 측정하므로, 볼트의 공기역학적 효과가 결과에 영향을 미쳤거나, 카운터웨이트의 축 방향 위치에 대해 2평면 밸런싱이 필요했거나, 또는 불균형한 추력이 단순히 더 많은 소음을 유발하고 있었을 수도 있습니다...

이중 블레이드 프로펠러는 아무런 개조 없이 5.552 G의 품질 등급을 달성했습니다.

단일 블레이드 프로펠러의 최종 질량은 29g이었고, 이중 블레이드 프로펠러의 질량은 18g이었습니다.

우리는 시계 방향(CW) 프로펠러 하나와 반시계 방향(CCW) 프로펠러 하나를 사용했는데, 이는 우리가 가지고 있던 것이었으며, 이 차이가 성능에 영향을 미칠 것으로 예상되지는 않습니다.

그림 5: 개조된 단일 및 이중 블레이드 프로펠러 나란히 보기

추천: 3블레이드 프로펠러 밸런싱 방법

성능 비교 테스트

Flight Stand 소프트웨어를 사용하여 5개의 스로틀 단계가 있는 자동 스텝 테스트를 설계하고 실행했습니다:

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

아래는 첫 번째 테스트가 완료된 직후의 소프트웨어 GUI 스크린샷입니다.

그림 6: Flight Stand 소프트웨어의 자동 스텝 테스트

3. 실험 결과: 1블레이드 대 2블레이드 프로펠러

RPM 및 추력

동일한 스로틀 입력에서 단일 블레이드와 이중 블레이드 프로펠러의 달성된 RPM은 거의 동일했습니다. 가장 큰 차이는 1650 µs에서 발생했으며, RPM 수치는 각각 2330과 2318으로 단 12 RPM 또는 0.5%의 차이였습니다. 이는 두 프로펠러의 부하가 상당히 달랐기 때문에 ESC가 폐루프 방식으로 RPM을 제어하고 있음을 나타냅니다.

동일한 RPM에서 이중 블레이드 프로펠러의 추력 출력은 단일 블레이드 프로펠러보다 상당히 높았습니다. 이중 블레이드 프로펠러는 단일 블레이드 프로펠러보다 양력을 생성하는 면적이 거의 두 배이기 때문에 이 결과는 놀랍지 않습니다. RPM이 증가함에 따라 차이는 점점 더 뚜렷해집니다.

그림 7: 단일 및 이중 블레이드 프로펠러의 추력 대 회전 속도

프로펠러 효율

추력(gf)을 기계적 출력(W)으로 나눈 프로펠러 효율을 그래프로 그리면, 모든 회전 속도에서 단일 블레이드 프로펠러가 이중 블레이드 프로펠러보다 더 효율적임을 알 수 있습니다. 이는 첫 번째 절에서 논의한 이론과 일치합니다.

그림 8: 단일 및 이중 블레이드 프로펠러 효율 대 RPM

그러나 동일한 비행 이점을 제공하는 조건을 비교하기 위해 프로펠러 효율을 추력에 대해 그래프로 그리면, 단일 블레이드 프로펠러는 낮은 추력에서만 우수한 효율을 유지한다는 것을 알 수 있습니다.

그림 9: 단일 및 이중 블레이드 프로펠러 효율 대 추력

추가 읽을거리: 풍속이 프로펠러 효율을 감소시키는 방법

전체 파워트레인 효율

추력 출력(gf)을 전기 입력(W)으로 나눈 전체 파워트레인 효율을 살펴보면, 모든 회전 속도에서 이중 블레이드 시스템이 더 효율적임을 알 수 있습니다. 두 시스템 모두 RPM이 증가함에 따라 효율이 증가하며, 약 2500 RPM 이후에는 정체되는 양상을 보입니다.

최대 절대 차이는 1500 µs 및 1720 RPM에서 발생했으며, 이중 블레이드 프로펠러는 단일 블레이드 시스템보다 전체 파워트레인 효율이 1.89 gf/W 더 높았습니다. 백분율 측면에서의 최대 차이는 1200 µs 및 495 RPM에서 발생했으며, 이중 블레이드 프로펠러가 65% 더 효율적이었습니다.

그림 10: 단일 및 이중 블레이드 추진 시스템의 파워트레인 효율 대 RPM

이는 시스템의 모터 및 ESC 효율, 즉 기계적 출력과 전기 입력 사이의 비율 때문에 관찰된 것으로 보입니다. 단일 블레이드 시스템의 높은 프로펠러 효율과 대조적으로, 이중 블레이드 시스템은 훨씬 높은 모터 및 ESC 효율을 보여주었습니다.

이 실험에 선택된 프로펠러는 이 모터에 적합한 프로펠러 중 작은 편이었으며, 단일 블레이드 프로펠러는 토크를 덜 생성하기 때문에 모터에 훨씬 덜 적합했을 것입니다.

모터의 최대 효율 영역 미만에서 작동한 결과, 0.175 kgf 미만의 추력에서 프로펠러 효율이 더 높음에도 불구하고 전체 파워트레인 효율은 모든 추력 및 RPM 범위에서 단일 블레이드 프로펠러가 더 낮게 유지되었습니다. 

후속 실험에서는 프로펠러가 이상적인 조건에서 어떻게 작동하는지 비교하기 위해 몇 가지 수정을 가할 수 있습니다. 다음 절에서 이 점들에 대해 논의합니다.

모터 효율 측정에 대해 더 자세히 알아보려면 모터 효율 매핑 가이드를 확인해 보세요.

고찰: 성능 트레이드오프 및 교란 요인

성능 트레이드오프

단일 블레이드 프로펠러가 낮은 추력 값에서 실제로 더 효율적인 것으로 보이지만, 이를 사용할 때 수반되는 성능 트레이드오프도 인정해야 합니다.

첫째, 균형을 맞추기 위해 카운터웨이트는 제거된 원래 블레이드보다 더 무거워야 하는데, 질량이 이제 허브에 더 가깝기 때문입니다. 카운터웨이트는 양력에 기여하지 않고 항력에는 기여할 가능성이 높기 때문에 본질적으로 무거운 짐에 불과합니다(우리 설계에서는 거의 확실히 기여했습니다).

또한, 단일 블레이드 프로펠러가 더 널리 채택되지 않은 주요 이유 중 하나는 이들이 생성하는 높은 수준의 진동 때문입니다. 이 진동은 시스템 전체에 울려 퍼져 베어링 및 부품의 수명을 단축하는 것과 같은 무시할 수 없는 후속 효과를 초래합니다. 드론에서 진동의 결과는 심각할 수 있습니다.

마지막으로, 이 실험에서는 정적인 상태에서 단일 및 이중 블레이드 프로펠러 간의 성능 차이를 조사했지만, 이것이 반드시 비행 중의 성능을 대표하는 것은 아닙니다. 향후에는 Windshaper를 사용하여 시뮬레이션된 비행 조건에서 동일한 테스트를 수행하여 더 실제와 같은 결과를 얻을 수 있습니다.

교란 요인

이번 연구를 위해 완료된 실험은 단일 및 이중 블레이드 프로펠러의 성능을 비교할 수 있게 해준다는 목표를 달성했습니다. 그렇긴 하지만, 비교를 완벽하지 않게 만든 몇 가지 교란 요인이 있었습니다.

첫째, 단일 블레이드 프로펠러의 카운터웨이트는 부피가 컸고 공기역학적으로 그리 뛰어나지 않았습니다. 이상적인 세상이라면 ISO 밸런싱 품질 등급이 <6.3 G인 완벽하게 유선형인 카운터웨이트를 갖춘 프로펠러를 제작했을 것입니다. 그렇게 했다면 우리가 관찰한 것보다 훨씬 더 나은 성능으로 이어졌을 것입니다.

다음으로, 이동성과 안전상의 이유로 우리의 Flight Stand 15는 카트에 장착되어 있어, 테스트는 프로펠러를 둘러싼 펜스 안에서 수행됩니다. 이것이 국부적인 역학 및 프로펠러 성능에 의심할 여지 없이 영향을 미치지만, 우리는 그 영향이 테스트마다 상당히 일관되게 유지되어 비교의 타당성을 유지했다고 확신합니다.

또한, 위에서 논의했듯이 이 실험에 사용한 모터는 테스트 대상 프로펠러에 비해 과대 사양이었을 가능성이 큽니다. 우리는 토크와 기계적 출력을 측정하고 있으므로, 이것은 결과의 타당성에 영향을 미치지 않습니다. 그러나 이를 실제 드론용으로 설계했다면, 모터의 최대 효율 영역에서 작동하기 위해 동일한 프로펠러를 더 작은 모터에(또는 동일한 모터에 더 큰 프로펠러를) 사용했을 것입니다. 이것은 전체 파워트레인 성능 측면에서 최종 결과를 변화시켰을 것입니다.

마지막으로, 이번 실험에서는 동일한 성능 지표에서 비교하는 대신 프로펠러를 정확히 동일한 테스트에 통과시키는 데 초점을 맞췄습니다. 서로 다른 RPM을 사용하거나 서로 다른 모양과 직경의 블레이드를 수용함으로써 단일 블레이드 프로펠러와 2엽 프로펠러로 동일한 추력을 달성하는 데 초점을 맞추는 것도 흥미로울 수 있습니다. 즉, 2엽 프로펠러의 두 배에 해당하는 직경의 단일 블레이드 프로펠러를 테스트하고 동일한 추력에서 전력과 효율을 비교하는 것입니다.

실제 환경에서는 단일 블레이드 프로펠러가 달성할 수 있는 최대 추력이 2엽 프로펠러보다 더 제한적이라는 점도 고려해야 합니다. 매우 큰 성능 저하 없이는 프로펠러 팁이 음속을 초과할 수 없습니다.

요약

요약하자면, 당사의 결과는 단일 블레이드 프로펠러가 동일한 크기의 더 많은 블레이드 프로펠러보다 실제로 더 효율적이라는 개념을 뒷받침합니다. 그렇긴 하지만, 효율성 향상은 추력 출력 감소, 질량 증가, 진동 증가 및 부품의 더 빠른 성능 저하 측면에서 성능 상충이 따릅니다.

이 글을 읽는 데 시간을 내주셔서 감사드리며 유익한 정보가 되었기를 바랍니다. 향후 테스트에 대한 질문이나 추천 사항이 있으시면 아래 댓글로 알려주세요.

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