Estudo do NRC sobre o Gelo nas Hélices de Drones a Elevadas RPM

Quatro hélices foram testadas nos ensaios, com diâmetros variando entre 8” e 14”. Três das quatro hélices eram de fibra de carbono (CF) e a quarta era de plástico reforçado com fibra de vidro (GFR).

As suas características estão resumidas na tabela 1. Para todos os ensaios, uma redução de impulso de 50% foi definida como o limite para terminar o ensaio. 

Tabela 1: Características das hélices utilizadas nos ensaios

Parte 1: Diâmetro Mediano do Volume (MVD) do Tamanho das Gotículas de Água

A primeira ronda de ensaios analisou o efeito do tamanho das gotículas de água na acumulação de gelo e no desempenho de propulsão das três hélices de CF. O MVD das gotículas de água foi definido em 20, 40 ou 60 μm, mantendo os restantes parâmetros constantes em RPM = 8000, TAS = 15 m/s, AOS = 0°, SAT = -12 °C e LWC = 0,5 g/m3.

Para todas as hélices e todos os valores de MVD, demorou cerca de 20 s para a acumulação de gelo começar a ter impacto no impulso, causando um declínio lento e gradual do impulso em N.

Para a Prop1, a redução do impulso apresentou brevemente um patamar para MVD = 20 μm e 40 μm antes de retomar o seu declínio. Este efeito não foi observado para MVD = 60 μm na Prop1, enquanto “patamares semelhantes, mas mais curtos” foram observados na Prop21 e na Prop3.

Curiosamente, a Prop1 demorou cerca de duas vezes mais tempo para atingir 50% do impulso (75 - 130 s) em comparação com a Prop21 (48 - 64 s) e a Prop3 (40 - 47 s) (figura 4a). 

Figura 4: Aumento do impulso (a) e declínio do binário (b) ao longo do tempo em diferentes valores de MVD

A acumulação de gelo também levou a um aumento do binário e da potência elétrica do motor. A 50% do impulso, a Prop1 tinha atingido 150% do binário (figura 4b) e 100% da potência elétrica (figura 5) em relação ao valor no início do evento de congelamento.

Os aumentos do binário e da potência elétrica foram mais modestos para a Prop21 a 100% e 60%, e para a Prop3 a 40% e 25%.

Figura 5: Aumento da potência elétrica com o tempo de acumulação de gelo

Os investigadores atribuem os patamares de impulso à queda de gelo e/ou ao gelo que se desloca para as pontas das pás da hélice. A massa total de gelo e o tempo necessários para cada hélice atingir 50% do impulso para MVD = 60 μm estão apresentados na tabela 2.

O tempo necessário diminuiu com o aumento do diâmetro da hélice. 

Tabela 2: Massa de gelo e tempo de pulverização para as hélices atingirem 50% do impulso a MVD = 60 μm

Parte 2: Teor de Água Líquida (LWC)

Esta série de ensaios teve como objetivo investigar o efeito da variação do LWC na área de ensaio sobre o congelamento e o desempenho das hélices. O LWC foi definido em 0,2, 0,5 ou 1,0 g/m3, enquanto os restantes parâmetros foram mantidos constantes em RPM = 8000, TAS = 15 m/s, AOS = 0°, TAS = -12 °C e MVD = 20 μm.

O LWC teve um efeito semelhante, mas mais pronunciado, na tolerância ao congelamento em comparação com o MVD. À medida que o LWC aumentava, o tempo necessário para atingir 50% do impulso diminuía.

Houve diferenças significativas no tempo de acumulação de gelo para os três valores de LWC, demorando 20 - 50 s para atingir 50% do impulso para LWC = 0,2 g/m3, 45 - 130 s para 0,5 g/m3 e 120 - 430 s para 1,0 g/m3.

Tal como nos resultados do MVD, o impulso estabilizou durante um período para os três valores de LWC, embora os patamares tenham sido mais significativos para 0,2 e 0,5 g/m3 em comparação com 1,0 g/m3. Consequentemente, não se observou queda de gelo para LWC = 1,0 g/m3, o que explica em parte o declínio mais rápido para 50% do impulso (figura 6). 

Figura 6: Queda de gelo a LWC = 0,2 g/m3 (esquerda), mas não a LWC = 1,0 g/m3 (direita)

Tal como nos resultados do MVD, observou-se um aumento do binário e da potência elétrica, que foi maior a LWC = 0,5 g/m3. Neste nível de LWC, os aumentos do binário e da potência elétrica foram de 130% e 80% para a Prop1, 100% e 60% para a Prop21 e 30% e 20% para a Prop3.

No geral, o LWC teve um efeito mais significativo na tolerância ao congelamento do que o MVD, como demonstrado pelo tempo reduzido para atingir 50% do impulso quando o LWC = 1,0 g/m3 (tabela 3). 

Tabela 3: Massa de gelo e tempo de pulverização para as hélices atingirem 50% do impulso a LWC = 1,0 g/m3

Parte 3: Temperatura Estática do Ar (SAT)

O terceiro conjunto de ensaios analisou os efeitos da SAT na tolerância ao congelamento, investigando três valores de SAT: -2 °C, -5 °C e -12 °C, enquanto os restantes parâmetros eram mantidos constantes em PM = 8000, TAS = 15 m/s, AOS = 0°, MVD = 20 μm e LWC = 0,5 g/m3.

As três hélices apresentaram o declínio mais rápido do impulso a SAT = -12 °C, seguido de SAT = -5 °C. Curiosamente, a SAT = -2 °C, a Prop21 e a Prop3 nunca atingiram 50% do impulso, mantendo pelo menos 80% do impulso original durante todo o ensaio.

A SAT = -5 °C, a Prop1 e a Prop21 passaram por vários ciclos de queda de gelo, com a Prop1 a atingir eventualmente 50% do impulso, mas a Prop21 nunca a diminuir até esse ponto. A Prop1 foi a única hélice a atingir 50% do impulso nos três valores de SAT (figura 7).

Figura 7: Aumento do impulso (a) e declínio do binário (b) ao longo do tempo em diferentes valores de SAT

A acumulação e a queda de gelo também tiveram impacto nos níveis de vibração. A vibração foi medida pela bancada de ensaios em termos de aceleração da gravidade (g).

Observou-se um aumento da vibração com o aumento da acumulação de gelo, seguido de uma menor vibração quando o gelo caía da hélice (figura 8). 

Figura 8: Vibração devido aos ciclos de queda de gelo

Parte 4: Velocidade do Rotor

O próximo conjunto de ensaios estudou a tolerância ao congelamento a 9000 RPM, 1000 RPM acima dos ensaios anteriores a 8000 RPM. Nestes ensaios, o LWC e a SAT foram variados, uma vez que estes parâmetros tiveram um maior impacto na tolerância do que o MVD nos ensaios anteriores.

No geral, o aumento da velocidade de rotação para 9000 RPM não foi suficiente para causar alterações significativas na acumulação de gelo e na perda de impulso.

Isto é demonstrado na figura 9, que compara os empuxos normalizados a 8000 RPM e 9000 RPM para as condições de congelamento mais adversas de SAT = -12 °C, MVD = 20 μm e LWC = 1,0 g/m3 com a Prop21. 

Figura 9: Impulso normalizado ao longo do tempo a 8000 RPM e 9000 RPM para a Prop21

Os investigadores realizaram uma inspeção visual das pás da hélice após o ensaio e observaram que houve uma maior queda de gelo a 9000 RPM sob certas condições. No entanto, isto não levou a diferenças significativas de desempenho entre as duas condições.

Parte 5: Ângulo de Deriva Lateral

O quinto conjunto de ensaios teve como objetivo medir a tolerância ao congelamento das hélices de um UAV em voo para a frente, simulado ao inclinar a hélice para um ângulo de deriva lateral (AOS) de 30° em relação ao fluxo de ar do túnel de vento.

A velocidade de rotação foi definida em 8000 RPM e o MVD em 20 μm. O LWC foi variado entre 0,2, 0,5 e 1,0 g/m3 e a SAT entre -2, -5 e -12 °C.

Leitura adicional: Testes de Propulsão com um Túnel de Vento na Universidade de Ottawa

No início do evento de congelamento, observaram um aumento do impulso dinâmico, que atribuem à diminuição da velocidade efetiva do ar vista pela hélice a 30°, que é de 13 m/s em vez de 15 m/s.

O ângulo de 30° não causou, de outra forma, uma diferença notável na tolerância ao congelamento da Prop21, que foi novamente testada nas condições de congelamento mais adversas (SAT = -12 °C, MVD = 20 μm e LWC = 1,0 g/m3) (figura 10).

Figura 10: Impulso normalizado ao longo do tempo a 0° e 30° de AOS para a Prop21

Parte 6: Material da Pá

O ensaio final estudou a diferente tolerância ao congelamento das pás de GFR em comparação com as pás de CF. A hélice de GFR (Prop22) foi testada nas mesmas condições que a de CF com o mesmo diâmetro, (Prop21), mantendo o AOS em 0° e as RPM em 8000, enquanto o LWC foi variado entre 0,2, 0,5 e 1,0 g/m3 e a SAT entre -2, -5 e -12 °C.

Duas diferenças principais foram observadas para a hélice de GFR, sendo a primeira um declínio mais rápido do impulso em comparação com a Prop21 para LWC = 0,2 g/m3.

A segunda diferença foi que a Prop22 sofreu uma diminuição do impulso de cerca de 25% antes da queda de gelo a SAT = 2 °C (figura 11), uma condição que não afetou o impulso da Prop21.

Como resultado, houve um aumento correspondente do binário e da potência elétrica, que também não foi observado para a Prop21. Fora isso, a tolerância ao congelamento da hélice de GFR foi muito semelhante à da hélice de CF nas mesmas condições.

Figura 11: Impulso, binário e potência vs. tempo de acumulação de gelo para a Prop22

Conclusão

Este estudo fez um excelente trabalho ao caracterizar a tolerância ao congelamento das hélices de pequenos UAVs a altas RPM. Os resultados apresentam várias conclusões práticas que os operadores de drones podem utilizar.

Em primeiro lugar, hélices maiores demoraram menos tempo para cair para 50% do impulso à medida que o gelo se acumulava nas pás, sugerindo que o diâmetro da hélice desempenha um papel na tolerância ao congelamento. Além disso, as pás de GFR foram menos tolerantes ao congelamento do que as pás de CF, perdendo impulso mais facilmente.

O estudo também demonstrou que as métricas de desempenho podem ser enganosas se não forem bem compreendidas. Durante vários dos ensaios, o declínio do impulso apresentou um patamar devido à queda de gelo das hélices.

Este efeito poderia levar um operador de drone a acreditar que o impacto do gelo atingiu o seu pico; no entanto, estes patamares foram imediatamente seguidos por uma queda acentuada do impulso.

Estes experimentos confirmaram que o gelo nas hélices geralmente agrava a situação em vez de a melhorar sem intervenção, pelo que os operadores de drones devem estar muito familiarizados com o significado das alterações de desempenho.

Os investigadores do NRC esperam realizar mais experiências com hélices maiores para ampliar ainda mais esta base de conhecimento.

Leitura complementar: Como Medir a Eficiência de Motores Brushless e Hélices