Jean Schmitt tarafından hazırlanmış rapor
Birçok İHA, iki rotorun aynı dönme ekseninde ancak farklı yönlerde çalıştığı çift motorlu veya eş eksenli itki sistemleriyle tasarlanır.
Bu tür sistemleri tasarlarken pervanelerin göreceli boyutu, hızı ve rotorlar arası mesafe gibi çeşitli değişkenler göz önünde bulundurulmalıdır. Doğru tasarım kararları alarak itki, tork ve verimlilik açısından mümkün olan en yüksek performanslı İHA'yı üretebilirsiniz.
Yakın zamanda çeşitli çift motorlu ve eş eksenli rotor konfigürasyonlarını karşılaştıran bir çalışma tamamladık.
Her bir değişkenin performansı nasıl etkilediğine baktık:
- Rotor hızı
- Rotorlar arası mesafe
- Pervane boyutu
- Göreceli rotor hızı
Bu sonuçların, daha yüksek verimlilik ve performansla sonuçlanan daha iyi araç tasarımlarına ışık tutabileceği için tüm İHA tasarımcıları için ilgili olduğuna inanıyoruz.
Metodoloji
Bu rapor, eş eksenli testler sırasında rotorlar arasındaki fiziksel etkileşimlere dair bulgularımızı, özellikle ön rotorun arka rotor üzerindeki etkisine odaklanarak özetlemektedir. Rotorlar arası mesafe, dönme hızı ve pervane çapının etkilerini nicelleştirdik.
Testler için 50 kgf'ye kadar itki ve 30 Nm torkun yanı sıra devir sayısı, voltaj, akım, mekanik güç, elektriksel güç, pervane verimi, motor verimi ve genel itki sistemi verimliliğini ölçen iki adet Flight Stand 50 itki test standı kullandık.
Flight Stand yazılımı itki test standını kontrol eder ve 8'e kadar itki sistemini aynı anda test etmenize olanak tanır. Ayrıca dönen pervanelerden güvenli bir mesafede kalmak için Flight Stand'ı uzaktan kontrol edebilirsiniz.
Eş eksenli testler sırasında iki adet Flight Stand raylı bir sistem üzerinde sırt sırta yerleştirildi ve her birinin kuvvet ölçüm birimine (FMU) bir fırçasız motor ile pervane takıldı.
İki pervanenin motor torklarının birbirini dengeleyip yapıyı stabilize etmesi için zıt yönlerde dönmesi sağlandı. Bir İHA'da bu eş eksenli düzen, torktan kaynaklanan uçuş sırasındaki dikey eksen dönüşünü önlemeye yardımcı olur.
Oluşturulan hava akışının ön pervane tarafından üretilen hava akışıyla aynı yönde olmasını sağlamak için arka pervane ters çevrildi (Şekil 1).
Rotorlar arası mesafenin değiştirildiği testlerde mesafe, iki FMU arasında ölçüldü.
Pervane Hızı ve Rotorlar Arası Mesafenin İtki ve Tork Üretimini Nasıl Etkilediği
Öncelikle, dönme hızı ve rotorlar arası mesafenin arka konumdaki rotor 2 (R2) tarafından üretilen itki ve tork üzerindeki etkilerini inceledik. R2'nin doğrudan R1 tarafından üretilen hava akışında yer aldığı için R2'nin performansının rotor 1 (R1) tarafından etkileneceğini öngördük.
İlk test setini R1'in iki farklı devirde (1600 ve 2200 RPM) döndüğü şekilde tamamladık. Ayrıca testleri dört farklı ayrılma mesafesinde (10, 30, 50 ve 70 mm) tekrarladık. Sonuçlar Şekil 2 ve 3'te gösterilmiştir.
Şekil 2: Dört eş eksenli ayrılma mesafesinde ve iki R1 hızında R2 itkisi vs. hız
Şekil 2, R2 itkisinin R2 hızına bağlı değişimini çeşitli R1 hızları ve ayrılma mesafelerinde göstermektedir. Görebileceğiniz gibi, her biri farklı bir R1 hızını temsil eden iki eğri grubu oluşmaktadır. R1 daha hızlı olan 2200 RPM'de döndüğünde, tüm ayrılma mesafelerinde ve R2 hızlarında R2'nin itkisi daha düşüktü.
Şekil 3: Dört eş eksenli ayrılma mesafesinde ve iki R1 hızında R2 torku vs. hız
Şekil 3, R2 torkunun R2 hızına bağlı değişimini önceki testle aynı R1 hızlarında ve ayrılma mesafelerinde göstermektedir. Yine, R1 hızına göre tanımlanan iki eğri grubu oluşmaktadır. İtki gibi tork da R1 2200 RPM'de döndüğünde daha düşüktü.
Hem itki hem de tork açısından, rotorlar arası mesafenin R2 tarafından üretilen itki üzerinde önemli bir etkisi olmadığı görülmektedir. Genel olarak, ön rotorun (R1) dönme hızındaki artışın, arka rotor (R2) tarafından üretilen itki ve tork miktarını azalttığı sonucuna varabiliriz.
Daha fazla okuma: Fırçasız Motor Gücü ve Verimlilik Analizi
Arka Pervane Boyutunun İtki ve Tork Üretimi Üzerindeki Etkisi
Bu bölümde, R2 itkisi ve tork üretiminin pervanesinin boyutunun (çapının) değiştirilmesinden nasıl etkilendiğini inceliyoruz. İki arka pervane boyutu kullanıldı: 40” (ön pervanenin boyutuyla aynı) ve 47”.
Gerçek dünyada İHA'lar çeşitli motor ve pervane konfigürasyonları kullanır. Üreticiler genellikle yüksek itki yoğunluğu sağladığı için eş eksenli tasarımı tercih eder; bu da bir hava aracının kompakt kalırken daha ağır yükler taşımasına olanak tanır.
Bu tasarım küçük araçlar için en etkili olsa da, daha düşük verimliliği nedeniyle büyük VTOL veya eVTOL araçlarında daha az yaygındır. Raporun ilerleyen kısımlarında, R1'in farklı hızlarda ve konumlarda yerleştirilip döndürüldüğü durumlarda R2'nin verimliliği incelenecektir. Uzun mesafeler uçması gereken daha büyük araçlar için bu verimlilik kaybı önemli bir dezavantajdır. Bu nedenle eş eksenli tasarım, öncelikle kompakt boyutun ve maksimum itkinin öncelikli olduğu daha küçük dronlar için ayrılmıştır.
FMU'lar arası ayrılma mesafesi 20 mm'de sabit tutulurken dönme hızı değiştirildi.
Şekil 4: 40” (üst) ve 47" (alt) arka pervane ile R2 itkisi vs. hız
Şekil 4, R2 tarafından üretilen itkiyi dört farklı R1 hızında R2 hızına bağlı olarak göstermektedir. Üstteki grafik 40" arka pervane için, alttaki grafik ise 47" arka pervane için sonuçları göstermektedir. Beklendiği gibi, 47” pervane tüm R1 ve R2 hızlarında 40” pervaneden daha fazla itki üretti.
R1 hızı 1600'den 2200 RPM'ye yükseldiğinde her iki pervane boyutunda da R2 itkisinde azalma gözlemlendi. Torkta da benzer bir düşüş gözlemledik (veriler gösterilmemiştir). İtki düşüşü, 1600 RPM ve 2200 RPM'deki itki veri noktaları arasındaki daha büyük yayılımda görüldüğü gibi 47” arka pervane için daha fazla görünmektedir.
Bunun neden olabileceğine dair iki hipotezimiz var.
Hipotez 1: ön pervane tarafından üretilen hava akışı arka pervane üzerinde bir kuvvet uygular. R1'in itkisinden kaynaklanan kuvvetin tersi yönünde konumlanan bu direnç yükü (Şekil 5), FMU tarafından ölçülür. Sonuç olarak, direnç yükü kaydedilen ham itki değerinden çıkarılır.
Şekil 5: R1 ve R2 tarafından deneyimlenen itki ve direnç kuvvetleri
Hipotez 2: R1 türbülans üretir ve oluşan sürükleme, R2 tarafından üretilen itki ve torku dengeler. Bu sürüklemenin varlığını, R1'e gaz verildiğinde ancak R2'ye verilmediğinde gözlemlenen rüzgar gülü etkisinden biliyoruz. R1 ne kadar hızlı dönerse, o kadar fazla sürükleme üretilir ve itkide o kadar önemli bir kayıp gözlemlenir.
Ön rotora gaz verildiğinde ve dönmesi sağlandığında, arka pervane herhangi bir gaz verilmeden dönecektir. Tork negatiftir çünkü ölçülen şey, pervanenin dönüşünü yavaşlatmayı amaçlayan motordaki direnç torkudur. Bu, R1'den gelen hava akışı tarafından üretilen sürükleme nedeniyle oluşur.
Elektrik gücü girişi olmadığında böyle bir tepki görülebilir: R2 kendi kendine döner ve bir tür rüzgar türbini haline gelir (Şekil 6).
Şekil 6: Rotor kanadında rüzgar gülü etkisine neden olan aerodinamik kuvvetler (kaynak)
Şekil 7'deki 3D grafik, R1 ve R2 hızları değiştirildikçe R2 torkunun nasıl değiştiğini göstermektedir. Mavi ve sarı yüzeyler gösterilen veri noktalarından türetilmiştir.
Mavi grafik, rotorlar arası 10 mm ayrılma mesafesinde torkun değişimini gösterirken, sarı grafik 25 mm mesafedeki torku göstermektedir. Bu grafik, R2'ye çok az veya hiç gaz verilmediğinde negatif torkun varlığını kanıtlamaktadır.
Şekil 7: R2 torkunun rotor hızına bağlı değişimi - 10 mm ayrılma (mavi) ve 25 mm (sarı)
Pervane verimliliği
Pervane verimliliği, üretilen itki miktarını verilen güce oranladığı için rotor performansının ana göstergelerinden biridir.
Pervane verimliliği, üretilen itkinin pervanenin mekanik gücüne (pervane dönme hızı ile torkun çarpımı) bölünmesiyle hesaplanır.
Pervane verimliliğinin dönme hızı ve rotorlar arası ayrılma mesafesine bağlı olarak nasıl değiştiğini inceledik. Şekil 8'de, R2 pervane verimi R2 hızına karşı gösterilmiştir. Her bir eğri, R1 hızı (1600 vs. 2200 RPM) ve ayrılma mesafesinin (10, 30, 50 veya 70 mm) farklı bir kombinasyonunu temsil etmektedir.
Ölçümler R2 hızları 1200, 1400, 1600, 1800, 2000 ve 2200 RPM'de alınmış ve eğriler bu noktalara göre türetilmiştir.
Şekil 8: R2 pervane verimi hız ve ayrılma mesafesine bağlı olarak
Görülebileceği gibi, R1 dönme hızıyla ayrılan iki eğri grubu oluşmaktadır. Tüm R2 hızlarında ve ayrılma mesafelerinde R2, daha yüksek olan 2200 RPM R1 hızında daha yüksek pervane verimine sahiptir.
R1'in 2200 RPM'de döndüğü eğrilerde, R2 pervane veriminde tüm R2 hızları boyunca tutarlı bir düşüş görülmektedir. R1 1600 RPM'de olduğunda, R2 hızı ~1450 RPM'ye ulaştığında R2 verimliliğinde bir artış ve zirve görülür, ardından daha yüksek R1 hızı için diğer eğri grubuna paralel olarak kademeli bir düşüş izlenir.
Yüksek hızlarda, rotorlar arası mesafe R2 pervane verimi üzerinde ihmal edilebilir bir etkiye sahiptir. Hem R1 hem de R2 için daha düşük hızlarda, daha küçük ayrılma mesafesi grup içinde daha yüksek verimlilikle ilişkilidir.
Bu fark, R1 hızının yüksek ve R2 hızının düşük olduğu duruma kıyasla, düşük R1 ve R2 hızlarında daha belirgindir. Etki, R2 ~1750 RPM ve altında döndüğünde görünür hale gelir.
Sonuç
Sonuç olarak, bu çalışma eş eksenli rotor sistemlerinin performansı üzerindeki çeşitli değişkenlerin etkilerini gözlemlememize olanak sağladı. Ön rotorun arka rotor üzerinde önemli bir etkisi olduğunu öğrendik.
Çalışmamızdan elde edilen temel sonuçlar şunlardır:
- Ön pervane hızının artırılması, arka pervanede daha düşük itki ve tork üretimine neden olabilir.
- Arka pervane boyutunun (çapının) artırılması, ön pervane hızı artırıldıkça arka pervane itki üretimindeki göreceli azalmayı şiddetlendirebilir.
- Eş eksenli bir düzende, pervane diski alanları arasındaki daha büyük bir örtüşme (% olarak), arka pervanede daha fazla itki kaybına yol açabilir.
- Ön pervanenin etkisi altında arka pervanede negatif itki ve torkun yanı sıra bir kendi kendine dönme etkisi gözlemlenebilir.
- Düşük hızlarda (<1750 RPM), daha küçük ayrılma mesafelerinde arka pervane verimi daha yüksek olabilir.
- Daha yüksek hızlarda (>1750 RPM), pervaneler arası ayrılma mesafesinin arka pervane verimi üzerinde gözlemlenebilir çok az veya hiç etkisi yoktur.
- Ön pervane daha yüksek hızlarda dönerken arka pervane verimi daha yüksek olabilir.
Daha fazla okuma: Fırçasız Motorlar Nasıl Test Edilir
Yorumlarda bir sonraki çalışmamızda neyi incelememizi istediğinizi lütfen bize bildirin!