Yazan: Lauren Nagel
Yaygın inanışa göre, en azından teoride, tek kanatlı pervaneler aynı boyutlu çok kanatlı pervanelerden daha yüksek verim elde eder. Bu durumun birkaç farklı açıklaması vardır ve aşağıda bunlara yakından bakacağız.
Teoriyi test etmeye karar verdik ve aynı markaya ait tek kanatlı bir drone pervanesi ile iki kanatlı bir pervanenin performansını karşılaştırdık.
Beklenmedik sonuçlarımızı görmek için okumaya devam edin.
İçindekiler:
-
Tek Kanatlı Pervaneler Neden Daha Verimlidir
-
Deney Düzeni
-
Sonuçlar: 1 Kanatlı ve 2 Kanatlı Pervaneler
- Devir ve İtki
- Pervane Verimi
-
Genel Verim
-
Tartışma: Performans Tavizleri ve Karıştırıcı Faktörler
1. Tek Kanatlı Pervaneler Neden Daha Verimlidir
Tek kanatlı pervaneler, modifiye edilmiş Piper Cub ve motorlu planörlerde kullanılarak birkaç durumda ticari olarak kullanılmıştır, ancak başka durumlarda pek yaygınlaşmamıştır.
1 kanatlı modellerin 2+ kanatlı modellerden daha verimli olduğu iddia edildiğinde, neden daha yaygın olmadıkları biraz şaşırtıcıdır.
Tek kanatlı pervanelerin artırılmış verimliliğinin arkasındaki teoriye bakarak başlayalım.
Bir teoriye göre, kanat sayısının az olması, enerjiyi tüketen kanat ucu girdaplarının da daha az olması anlamına gelir. Bu girdaplar düşük ilerleme oranlarında enerji kaybına neden olabilir, bu nedenle bunları sınırlamak verimliliği artırabilir.
Bir diğer önde gelen teoriye göre, tek kanatlı pervaneler diğer kanatların oluşturduğu iz türbülansına maruz kalmadıkları ve bu nedenle daha az bozulmuş bir havada döndükleri için daha verimlidir.
Bu teorinin uygulamada geçerli olup olmadığını öğrenmek için Flight Stand 15 cihazımızı kullanarak test ettik.
Şekil 1: Aynı boyut ve markaya sahip tek ve iki kanatlı pervanelerin test edilmesi
2. Deney Düzeni
Bu deney için bir set karbon fiber pervane elde ettik ve ikisinden birini tek kanatlı pervane olarak modifiye ettik. Ardından bir dizi devirde basit bir basamak testi gerçekleştirdik.
Tek Kanatlı Pervanenin Oluşturulması
Tek kanatlı pervaneyi oluşturma süreci oldukça basitti:
-
Kanatlardan birinin büyük kısmını kesin
-
Kanadın geri kalanının merkezine bir delik açın
-
Deliğe bir cıvata sabitleyin
Şekil 2: Modifikasyonlardan sonra tek kanatlı pervanenin yakından görünümü
-
Statik dengeleme cihazını kullanarak pervaneyi kabaca dengeleyin, görünür şekilde dengelenene kadar cıvatayı ve/veya pulaları ayarlayın
Şekil 3: Statik dengeleme cihazına monte edilmiş tek kanatlı pervane
-
Flight Stand kullanarak pervaneyi dinamik olarak dengeleyin, kabul edilebilir bir ISO kalite derecesi (6.996 G) elde etmek için bant ekleyin
Şekil 4: Flight Stand yazılımı ile tek kanatlı pervanenin dengelenmesi
6.3 G kalite derecesine ulaşmayı hedefledik, ancak birkaç deneme ve giderek hassas ağırlık düzeltmelerine rağmen bu mümkün olmadı (4. bölümde tartışılıyor).
Flight Stand 15, dengelemenin kalitesini değerlendirmek için sistemdeki titreşimi ölçer, bu nedenle cıvatanın aerodinamik etkileri sonuçları etkilemiş olabilir, karşı ağırlığın eksenel konumunun iki düzlemde dengeleme gerektirdiği veya dengesiz itkinin sadece daha fazla gürültüye neden olduğu olabilir...
İki kanatlı pervane herhangi bir modifikasyon olmadan 5.552 G kalite derecesine ulaştı.
Tek kanatlı pervanenin son kütlesi 29 g iken, iki kanatlı pervanenin kütlesi 18 g idi.
Elimizde bulunanlar bunlar olduğu için bir saat yönünde (CW) ve bir saat yönünün tersine (CCW) pervane kullandık ve bu farkın performansı etkilemesi beklenmemektedir.
Şekil 5: Yan yana modifiye edilmiş tek ve iki kanatlı pervaneler
Sizin için önerilen: 3 Kanatlı Pervane Nasıl Dengelenir
Performans karşılaştırma testi
Flight Stand yazılımını kullanarak beş gaz kolu basamağına sahip otomatik bir basamak testi tasarladık ve çalıştırdık:
- 1200 µs
- 1350 µs
- 1500 µs
- 1650 µs
- 1800 µs
Aşağıda ilk testin tamamlanmasından hemen sonra yazılımın kullanıcı arayüzünün bir ekran görüntüsü yer almaktadır.
Şekil 6: Flight Stand yazılımında otomatik basamak testi
3. Deneysel Sonuçlar: 1 Kanatlı ve 2 Kanatlı Pervaneler
Devir ve İtki
Aynı gaz kolu girişinde, tek kanatlı ve iki kanatlı pervaneler için elde edilen devir neredeyse aynıydı. En büyük fark 1650 µs'de görüldü; burada devir okumaları sırasıyla 2330 ve 2318 idi, yani sadece 12 devir veya %0,5'lik bir fark vardı. Bu, ESC'mizin devri kapalı döngüde kontrol ettiğini gösteriyor, çünkü iki pervane için yük oldukça farklıydı.
Aynı devirde, iki kanatlı pervanenin itki çıktısı tek kanatlı pervaneden önemli ölçüde daha yüksekti. Bu sonuç şaşırtıcı değil, çünkü iki kanatlı pervane, tek kanatlı pervane pervanesine göre neredeyse iki kat daha fazla kaldırma üreten alana sahiptir. Devir arttıkça fark giderek belirginleşir.
Şekil 7: Tek ve iki kanatlı pervaneler için itki ve devir hızı karşılaştırması
Pervane Verimi
Pervane verimliliğini, itkiyi (gf) mekanik güce (W) bölerek hesapladığımızda, tüm devir hızlarında tek kanatlı pervanenin iki kanatlı pervaneden daha verimli olduğunu görebiliriz. Bu, ilk bölümde tartışılan teoriyle örtüşmektedir.
Şekil 8: Tek kanatlı ve iki kanatlı pervane verimi ve devir karşılaştırması
Ancak, uçuş avantajlarını karşılaştırmak amacıyla pervane verimini itkiye karşı grafiğe döktüğümüzde, tek kanatlı pervanenin yalnızca daha düşük itki değerlerinde üstün verimliliğini koruduğunu görüyoruz.
Şekil 9: Tek kanatlı ve iki kanatlı pervane verimi ve itki karşılaştırması
Daha fazla bilgi için: Rüzgar Hızının Pervane Verimini Nasıl Azalttığı
Genel Güç Aktarma Sistemi Verimi
İtki çıktısını (gf) elektriksel güç girişine (W) bölerek hesaplanan genel itki sistemi verimine baktığımızda, iki kanatlı sistemin tüm devir hızlarında daha verimli olduğunu gözlemliyoruz. Her iki sistem de devir arttıkça verimlilik kazanmakta ve yaklaşık 2500 devirden sonra bir plato oluşmaktadır.
En büyük mutlak fark 1500 µs ve 1720 devirde görüldü; iki kanatlı pervane, tek kanatlı sisteme göre 1,89 gf/W daha yüksek genel itki sistemi verimi elde etti. Yüzde bazında en büyük fark 1200 µs ve 495 devirde görüldü; burada iki kanatlı pervane %65 daha verimliydi.
Şekil 10: Tek ve iki kanatlı itki sistemleri için itki sistemi verimi ve devir karşılaştırması
Bu durum muhtemelen sistemin motoru ve ESC verimliliği, yani mekanik güç çıkışı ile elektriksel güç girişi arasındaki oran nedeniyle gözlemlenmektedir. Tek kanatlı sistemin daha yüksek pervane verimine karşılık, iki kanatlı sistem çok daha yüksek motor ve ESC verimliliği göstermiştir.
Bu deneyler için seçilen pervane, bu motor için uygun olan pervanelerin küçük boyutlu olanlarından biriydi ve tek kanatlı pervane daha az tork ürettiği için motora daha da az uygun olacaktı.
Motorun maksimum verimlilik bölgesinin altında çalışmanın sonucu, 0,175 kgf altındaki itki değerlerinde daha yüksek pervane verimine rağmen, tek kanatlı pervane için tüm itki ve devir aralığında genel itki sistemi verimliliğinin daha düşük kalmasıdır.
Takip eden bir deneyde, pervanelerin ideal koşullarda nasıl performans gösterdiğini karşılaştırmak için yapabileceğimiz birkaç modifikasyon bulunmaktadır. Bu noktaları bir sonraki bölümde tartışacağız.
Motor verimliliğini ölçmek hakkında daha fazla bilgi edinmek için Motor Verimi Haritalama kılavuzumuza göz atın.
Tartışma: Performans Tavizleri ve Karıştırıcı Faktörler
Performans Tavizleri
Tek kanatlı pervanelerin düşük itki değerlerinde gerçekten daha verimli olduğu görünse de, onları kullanmanın getirdiği performans tavizlerini de kabul etmeliyiz.
İlk olarak, denge sağlamak için karşı ağırlığın, çıkarılan orijinal kanattan daha ağır olması gerekir, çünkü kütle artık göbeğe daha yakındır. Karşı ağırlık, kaldırmaya katkıda bulunmadığı için esasen ölü ağırlıktır ancak muhtemelen sürüklemeye katkıda bulunur (tasarımımızda neredeyse kesinlikle öyleydi).
Ek olarak, tek kanatlı pervanelerin daha yaygın olarak benimsenmemesinin başlıca nedenlerinden biri, ürettikleri yüksek titreşim seviyeleridir. Bu titreşim tüm sistemde yankılanarak rulman ve bileşenlerin ömürlerinin kısalması gibi ihmal edilemez ikincil etkilere yol açar. Drone'lardaki titreşim sonuçları ciddi olabilir.
Son olarak, bu deneyde tek ve iki kanatlı pervaneler arasındaki performans farkını statik bir koşulda inceledik, ancak bu durumun uçuş sırasındaki performanslarını mutlaka temsil etmediğini belirtmeliyiz. Gelecekte, daha gerçekçi sonuçlar elde etmek için Windshaper kullanarak simüle edilmiş uçuş koşullarında aynı testleri gerçekleştirebiliriz.
Karıştırıcı Faktörler
Bu araştırma için tamamlanan deneyler, tek ve iki kanatlı pervane performansını karşılaştırmamıza olanak tanıma hedefine ulaşmıştır. Bununla birlikte, karşılaştırmayı mükemmel olmaktan çıkaran birkaç karıştırıcı faktör vardı.
İlk olarak, tek kanatlı pervanedeki karşı ağırlık kaba ve çok aerodinamik değildi. İdeal bir dünyada, ISO dengeleme kalite derecesi <6,3 G olan, mükemmel şekilde aerodinamik bir karşı ağırlığa sahip bir pervane üretmiş olurduk. Bu, muhtemelen gözlemlediğimizden bile daha iyi bir performansa yol açardı.
Ardından, hareketlilik ve güvenlik nedenleriyle Flight Stand 15 cihazımız bir arabaya monte edilmiştir, bu nedenle testler pervaneyi çevreleyen çitlerle gerçekleştirilir. Bu durumun yerel dinamikler ve pervane performansı üzerinde şüphesiz bir etkisi vardır, ancak bu etkinin testten teste oldukça tutarlı olduğunu ve karşılaştırmanın geçerliliğini koruduğundan eminiz.
Ayrıca yukarıda tartışıldığı gibi, bu deney için kullandığımız motor, test edilen pervaneler için muhtemelen fazla büyüktü. Tork ve mekanik gücü ölçtüğümüz için bunun sonucun geçerliliği üzerinde bir etkisi yoktur. Ancak bunu gerçek bir drone için tasarlıyor olsaydık, motorun maksimum verimlilik bölgesinde çalışmak için aynı pervaneleri daha küçük bir motorda (veya aynı motorda daha büyük pervaneleri) kullanırdık. Bu, genel itki sistemi performansı açısından nihai sonucu değiştirirdi.
Son olarak, bu deneyde eşit performans göstergeleriyle karşılaştırmak yerine pervaneleri tamamen aynı testten geçirmeye odaklandık. Farklı devirler kullanarak veya farklı şekil ve çaplardaki kanatları kabul ederek tek kanatlı ve iki kanatlı bir pervaneyle aynı itkiyi elde etmeye odaklanmak ilginç olabilir. Yani, iki kanatlı bir pervanenin iki katı çapta tek kanatlı bir pervaneyi test etmek ve eşit itkide güç ve verimliliklerini karşılaştırmak.
Gerçek bir ortamda, tek kanatlı bir pervaneyle elde edilebilecek maksimum itkinin, iki kanatlı bir pervaneye göre daha sınırlı olduğunu da göz önünde bulundurmalıyız. Çok büyük bir performans kaybı yaşamadan pervanenin ucunun ses hızını aşmasını sağlayamayız.
Özet
Özetle, sonuçlarımız tek kanatlı pervanelerin gerçekten de aynı boyuttaki daha fazla kanatlı pervanelerden daha verimli olduğu düşüncesini desteklemektedir. Bununla birlikte, verimlilik kazanımı; azalmış itki gücü, artan kütle, daha yüksek titreşim ve bileşenlerin daha hızlı bozulması gibi performans ödünleriyle birlikte gelir.
Bu makaleyi okumaya vakit ayırdığınız için teşekkür ederiz ve bilgilendirici olduğunu umuyoruz. Gelecekteki testler için herhangi bir sorunuz veya öneriniz varsa, aşağıdaki yorumlarda bize bildirin.
Daha fazla pervane test içeriği mi istiyorsunuz? Pervane dengeleme teknikleri hakkında ücretsiz beyaz kitabımızı indirin:
