Yazar: Lauren Nagel
Rüzgâr tüneli testi, drone tasarımı ve geliştirilmesinde temel bir adımdır; çünkü itki sistemleri durağan koşullarda ve gerçek dünya koşullarında genellikle farklı performans gösterir.
Örneğin, pervanenin itki kuvveti ve verimliliği görevin tamamlanması açısından kritik öneme sahiptir, ancak hava hızı değiştikçe büyük ölçüde farklılık gösterir. Bir drone'un performansını çeşitli hava hızlarında karakterize etmek, sadece iyi hava koşullarında uçmayan herhangi bir hava aracı için temeldir.
Pervane performansının hava hızıyla nasıl değiştiğini test etmek için pervane test istasyonumuzu kullanarak drone pervanelerini 0 ila 38 mph (0 - 17 m/s) hava hızlarında test ettik.
İçindekiler:
-
Rüzgâr tüneli test prosedürü
-
Farklı hava hızlarında pervane itki kuvveti ve devir sayısı (RPM) arasındaki ilişki
-
Pervane itki kuvveti ile güç oranları
- Pervane verimliliği (2 yöntem)
Şekil 1: Pervane rüzgâr tüneli test düzeneği
1. Rüzgâr Tüneli Test Prosedürü
Test düzeneğimiz üç temel ölçüm ekipmanını içerir:
-
2x2 Windshaper - geleneksel rüzgâr tünelinin yerini alan, 16+ m/s hava hızları üreten modüler bir fan duvarı. Her bir fanın hızı ve türbülans seviyesi WindControl yazılımı kullanılarak kontrol edilir.
-
Series 1585 itki test standı - güç ve verimliliği elde etmek için itki kuvveti, tork, dönüş hızı, akım ve gerilimi ölçen bir pervane itki test standı. Testler, Flight Stand yazılımı kullanılarak otomatik hale getirilmiştir.
-
Hava hızı basınç sensörü - pitot tüpüne ve Flight Stand yazılımına bağlanan sensör sayesinde hava hızı verileri itki test standı ölçümleriyle senkronize edilir.
Şekil 2: Hava hızı sensörü ve pitot tüplü Series 1585 pervane itki test standı
Windshaper'dan 210 cm uzağa 9” bir pervane taktık ve dört gaz kolu adımında (1550, 1700, 1850 ve 2000 µs) otomatik kademeli test gerçekleştirdik.
Şekil 3: Flight Stand yazılımında çizilen kademeli test
Her testte fanlar boyunca sabit bir hava hızı ve türbülans seviyesi kullanıldı ve 6 farklı hızda tekrarlanıldı:
-
0 m/s (0 mph)
-
4.2 m/s (9.4 mph)
-
7.5 m/s (16.8 mph)
-
10.7 m/s (24 mph)
-
14 m/s (31.3 mph)
-
17 m/s (38 mph)
Şekil 4: WindControl yazılımında %100'e (17 m/s) ayarlanan Windshaper fan gücü
İtki ölçümleri, her hava hızında %0 gaz kolu konumunda itki kaydedilip toplam itki değerinden çıkarılarak 'sıfırlandı'. En yüksek hava hızında, baz ölçüm sırasında dönmesini önlemek için pervane nazikçe sabitlendi. Bu işlem, pervanenin ürettiği itkiyi izole etmeyi amaçlıyordu.
Daha fazla bilgi: CFD ile Deneysel Pervane Testi (Sonuçlar)
Test düzeneğine ilişkin diğer hususlar:
-
Verimli hava girişi sağlamak için Windshaper'ın arkasında yeterli boşluk bırakmak önemlidir
-
Ölçümün düzgün hava akışında yapılabilmesi için pitot tüpünün girişinin engellenmediğinden emin olduk
-
Pitot tüpü ile test pervanesi arasındaki mesafeyi, hava akışı bozulmasını sınırlarken en aza indirmeyi amaçladık. Bir dahaki sefere aerodinamik akışları WindProbe 3D ile görselleştireceğiz.
Şekil 5: 36 adet ayrı ayrı kontrol edilen fanı bulunan 2x2 Windshaper rüzgâr duvarı
2. Farklı Hava Hızlarında Pervane İtki Kuvveti ve Devir Sayısı (RPM) Arasındaki İlişki
Aşağıdaki grafik, her rüzgâr koşulunda itki üretimi ile RPM arasındaki sonuçları göstermektedir. Her hava hızındaki dört veri noktası, her gaz kolu adımındaki okumaları temsil eder.
Şekil 6: 0 ila 17 m/s hava hızlarında pervane itki kuvveti ile RPM grafiği
Gaz kolu arttıkça itki üretimi arttı ve rüzgârsız koşulda en yüksek seviyeye ulaştı. Hava hızı arttıkça, aynı itkiyi elde etmek için daha yüksek dönüş hızı gerekti.
Belirli bir itki için pervane RPM'si, gaz kolu girişi ve hava hızı arttıkça arttı. Windshaper'dan gelen rüzgâr, pervanenin kanatlarına baskı uygulayarak daha yüksek RPM'den sorumlu olup onun daha hızlı dönmesine neden olur.
Daha yüksek RPM genellikle daha yüksek itki üretimiyle ilişkilidir, ancak bu yalnızca sabit hava hızında geçerlidir. Pervane itki kuvveti, pervanenin fiziksel özelliklerine, yani yarıçap ve hücum açısına bağlı olduğu gibi, pervane diski alanından geçen havanın basıncına da bağlıdır.
Electric Aircraft Guy tarafından verilen aşağıdaki dinamik pervane itki denklemi, pervanenin ileri yönlü hava hızı ile itki üretimi arasındaki ilişkiyi göstermektedir. Katsayıların teorik olduğunu ve pervane profili, Reynolds sayısı ile çevresel koşullar nedeniyle farklılık göstereceğini unutmayın.
Bununla birlikte denklem, parametrelerdeki değişikliklerin pervane itki kuvvetini nasıl etkileyeceğini anlamak için kullanışlıdır. Örneğin, ileri yönlü hava hızı arttıkça pervane itki kuvveti azalır.
İtkideki bu azalma, itkinin pervaneye giren ve çıkan hava arasındaki hız farkının bir çarpımı olmasından kaynaklanır. Pervane itki kuvveti ayrıca şu şekilde ifade edilebilir:
Daha fazla bilgi: Pervane İtki Kuvveti Nasıl Hesaplanır (Statik ve Dinamik)
Bir pervane dururken, yani bir hava aracı hareketsizken, pervaneye giren çevre havası hızla ivmelenir. Hava aracı hızlandığında ve pervane ileri yönlü hız kazandığında, pervane kanatlarına çarpan havanın bağıl hızı (V0) artarken, Ve aynı oranda artmaz ve bu da daha düşük itki üretimiyle sonuçlanır.
Ek olarak, hava hızı arttıkça pervanedeki bağıl hava akışı vektöründe bir değişiklik meydana gelir. Bu vektör, pervanenin dönüş hızı vektörü ile hava hızı vektörünün toplamını temsil eder. Bağıl hava akışı vektörü ile pervane kord hattı arasındaki açı hücum açısıdır. Hava hızı vektörünün büyüklüğü arttıkça hücum açısı azalır ve bu da itki üretiminin düşmesine neden olur.
Şekil 7: Hava hızı artışıyla pervane hücum açısındaki değişiklik (Roddy Mc Namee)
Daha fazla bilgi edinmek için Roddy Mc Namee’nin Pervane Kanadı Hücum Açısı videosuna göz atın.
3. Pervane İtki Kuvveti : Güç Oranları
Hava hızı arttıkça mekanik güç azalır. Aşağıdaki grafikte itki ve gücün düşüşünü ve itki:güç oranını görselleştiriyoruz:
Şekil 8: 9000 RPM'de pervane itki kuvveti, güç ve itki:güç oranları
Grafik, 9000 RPM'de her bir hava hızında itki ve gücü karşılaştırır ve bu değerleri performans eğrilerinden türetir. İtki:güç oranı, itkinin güce bölünmesiyle elde edilir.
Grafikte itki kuvvetinin güçten daha hızlı azaldığı açıkça görülmektedir. Hava hızı arttıkça daha az itki üretilse de benzer miktarda güç çekilir ve bu da daha yüksek hava hızlarında daha düşük bir itki:güç oranıyla sonuçlanır.
0 ile 17 m/s arasında itki kuvveti %75 azalırken, güç yalnızca %19 azalır.
Bu durum, bir sonraki bölümde göreceğimiz gibi, daha yüksek hava hızlarında pervane veriminin düşmesi anlamına gelir.
Size önerilen: Drone Pervanelerini Dengelemek İçin 2 Yöntem
4. Pervane Verimi (2 Yöntem)
Son olarak, iki farklı yaklaşım kullanarak hava hızlarına göre pervane verimine bakacağız.
İlk yaklaşım, pervane verimini, mekanik gücün bir birimi olan tork ve RPM'in çarpımı başına üretilen itki kuvvetinin gram cinsinden ölçer:
Burada itki kuvveti gf, tork Nm ve dönüş hızı RPM cinsinden ölçülür.
Bu denklem, pervane verimini gf/W cinsinden ölçer ve drone gibi VTOL hava araçlarıyla çalışırken itki sisteminin performansını değerlendirmenin sezgisel bir yolunu sunar.
Bildirilen değer birimsiz olmadığı için, bir performans metriği olarak daha doğru tanımlanır.
Pervane verimliliğini değerlendirmenin ikinci yolu, mevcut gücün mekanik güce oranına bakmaktır. Bu yöntem aerodinamik verimliliği hesaba katmak için kullanışlıdır ve deneyimizde simüle edildiği gibi ileri yönlü uçuş için özellikle önemlidir:
Mevcut güç, itki kuvveti ve hızın çarpımıdır. Tipik bir uygulamada hız, hava aracının kendi hızını ifade eder, ancak bu koşulu rüzgâr akışında sabit bir pervane ile simüle ettiğimiz için Windshaper'dan gelen rüzgârın hızını kullanacağız; göreceli etki eşit olacaktır.
Bu nedenle,
Burada itki kuvveti N, rüzgâr hızı m/s, tork Nm ve dönüş hızı rad/s cinsinden ölçülür.
Pervane verimliliği “η” ile gösterilir ve birimsiz bir özelliktir; aşağıda % olarak bildirilmiştir.
Pervane verimliliğini her hava hızında RPM'ye göre çizdiğimizde aşağıdaki eğilimi görürüz:
Şekil 9: Pervane verimliliği gf/W ve % cinsinden, hava hızlarına göre RPM ile karşılaştırıldığında
İki yaklaşım benzer sonuçlar verir ve verimlilik değerleri daha yüksek hava hızlarında birleşir. Daha düşük hava hızlarında verimlilik azalır ve durağanlaşır, oysa daha yüksek hava hızlarında verimlilik durağanlaşmadan önce yükselir.
İkinci yöntemde, 0 m/s rüzgar hızında verimlilik hesaplanamaz; çünkü 0 hızında verimlilik genel olarak %0 olarak sonuçlanır.
En düşük gaz kolu değerlerinde 17 m/s hızda kaydedilen pervane verimi değerleri her iki durumda da önemli ölçüde negatif çıkmış (-182 gf/W ve -3065%) ve bu nedenle kalan verilerin daha net karşılaştırılmasını kolaylaştırmak amacıyla grafikten çıkarılmıştır.
İkinci yöntemle ölçülen pervane verimi, belirli bir devirde farklı hava hızlarındaki verimliliği değerlendirmek için kullanışlıdır. Bu, bir hava aracının en verimli çalışma koşullarını belirlemek için faydalı olabilir.
Aşağıda, hava hızlarına göre performansı modellemek için pervane verimi verilerini ikinci dereceden polinom eğrileriyle uydurduk. Her eğri farklı bir devir ayarını temsil etmektedir.
Hava hızı arttıkça pervane verimi bir tepe noktasına kadar artar, ardından kanadın hücum açısı azaldıkça yeniden düşer. Devir arttıkça eğriler sağa doğru kayar.
Şekil 10: Farklı devirlerde pervane verimi (%) ve hava hızı
Bu veriler, uçuş koşullarına göre bir devir veya gaz kolu ayarı seçerken kullanışlı olabilir.
Sonuç
Bu deneyler, hava hızı ile pervane itki gücü, güç ve verimlilik arasındaki büyüleyici ilişkiyi göstermektedir. Bu tür deneyler, bir itki sisteminin gerçek uçuş koşullarında nasıl çalıştığını anlamak için temel öneme sahiptir.
Bu çalışmada, sabit hızlı rüzgarlar üretmek için 2x2 Windshaper rüzgar tüneli kullandık, ancak bu makineler çok daha fazlasını yapabilir. Windshaper'ların drone'unuzun performansını artırmanıza nasıl yardımcı olabileceğini öğrenmek için buraya tıklayın.