Yüksek Devirde Drone Pervanesi Buzlanması Üzerine NRC Çalışması

Deneylerde, çapları 8” ile 14” arasında değişen dört pervane test edildi. Dört pervaneden üçü karbon fiberden (CF) ve dördüncüsü cam elyaf takviyeli (GFR) plastikten yapılmıştı.

Özellikleri Tablo 1'de özetlenmiştir. Tüm deneylerde, testin sonlandırılması için kesme noktası olarak %50 itki düşüşü belirlendi. 

Tablo 1: Deneylerde kullanılan pervanelerin özellikleri

Bölüm 1: Su Damlacığı Boyutunun Medyan Hacim Çapı (MVD)

İlk test turunda, üç CF pervanesi için su damlacığı boyutunun buz birikimi ve itki performansı üzerindeki etkisi incelendi. Diğer parametreler RPM = 8000, TAS = 15 m/s, AOS = 0°, SAT = -12 °C ve LWC = 0,5 g/m³ olarak sabit tutulurken, su damlacıklarının MVD'si 20, 40 veya 60 μm olarak ayarlandı.

Tüm pervanelerde tüm MVD değerlerinde, buz birikiminin itki üzerinde etki göstermeye başlaması yaklaşık 20 saniye sürdü ve itki N'inde yavaş ve kademeli bir düşüşe neden oldu.

Prop1 için, MVD = 20μm ve 40μm değerlerinde itki düşüşü kısa süreliğine bir plato yaşadı ve ardından düşüşüne devam etti. Bu etki Prop1 için MVD = 60μm'de gözlemlenmezken, Prop21 ve Prop3 için "benzer ancak daha kısa platolar" gözlemlendi.

İlginç bir şekilde, Prop1'in %50 itkiye ulaşması (75 - 130s), Prop21 (48 - 64s) ve Prop3 (40 - 47s) ile karşılaştırıldığında yaklaşık iki kat daha uzun sürdü (Şekil 4a). 

Şekil 4: Farklı MVD değerlerinde zamanla itki artışı (a) ve tork düşüşü (b)

Buz birikimi aynı zamanda motordan tork ve elektrik gücünde artışa da yol açtı. %50 itkide Prop1, buzlanma olayının başlangıcındaki değere göre %150 torka (Şekil 4b) ve %100 elektrik gücüne (Şekil 5) ulaşmıştı.

Tork ve elektrik gücündeki artışlar, Prop21 için %100 ve %60'ta, Prop3 için %40 ve %25'te daha mütevazıydı.

Şekil 5: Buz birikimi süresiyle artan elektrik gücü

Araştırmacılar, itki platolarını pervane kanatlarının uçlarına doğru buz dökülmesi ve/veya geriye doğru buz akmasıyla ilişkilendiriyor. MVD = 60 μm için her bir pervanenin %50 itkiye ulaşması için gereken toplam buz kütlesi ve süre Tablo 2'de gösterilmektedir.

Gereken süre, pervane çapı arttıkça azaldı. 

Tablo 2: MVD = 60 μm'de pervanelerin %50 itkiye ulaşması için buz kütlesi ve püskürtme süresi

Bölüm 2: Sıvı Su İçeriği (LWC)

Bu test serisi, test alanındaki LWC'nin değişmesinin pervane buzlanması ve performansı üzerindeki etkisini incelemeyi amaçladı. Diğer değişkenler RPM = 8000, TAS = 15 m/s, AOS = 0°, TAS = -12°C ve MVD = 20 μm olarak sabit tutulurken, LWC 0,2, 0,5 veya 1,0 g/m³ olarak ayarlandı.

LWC, MVD ile karşılaştırıldığında buzlanma toleransı üzerinde benzer ancak daha belirgin bir etkiye sahipti. LWC arttıkça, %50 itkiye ulaşmak için gereken süre azaldı.

Üç LWC değeri için buz birikimi süresinde önemli farklılıklar vardı; LWC = 0,2 g/m³ için %50 itkiye ulaşmak 20 - 50 saniye, 0,5 g/m³ için 45 - 130 saniye ve 1,0 g/m³ için 120 - 430 saniye sürdü.

MVD sonuçlarına benzer şekilde, itki her üç LWC değeri için de bir süre plato yaptı, ancak platolar 1,0 g/m³'e kıyasla 0,2 ve 0,5 g/m³ için daha belirgindi. Buna bağlı olarak, LWC = 1,0 g/m³ için herhangi bir buz dökülmesi gözlemlenmedi, bu da %50 itkiye daha hızlı düşüşü kısmen açıklamaktadır (Şekil 6). 

Şekil 6: LWC = 0,2 g/m³'de buz dökülmesi (sol) ancak LWC = 1,0 g/m³'de değil (sağ)

MVD sonuçlarına benzer şekilde, tork ve elektrik gücünde bir artış gözlemlendi ve bu LWC = 0,5 g/m³'de en yüksek seviyeye ulaştı. Bu LWC seviyesinde, tork ve elektrik gücündeki artışlar Prop1 için %130 ve %80, Prop21 için %100 ve %60, Prop3 için %30 ve %20 oldu.

Genel olarak, LWC, MVD'den daha önemli bir etkiye sahipti; bu, LWC = 1,0 g/m³ olduğunda %50 itkiye ulaşmak için gereken sürenin kısalmasıyla gösterilmiştir (Tablo 3). 

Tablo 3: MVD = 60 μm'de pervanelerin %50 itkiye ulaşması için buz kütlesi ve püskürtme süresi

Bölüm 3: Statik Hava Sıcaklığı (SAT)

Üçüncü test seti, diğer değişkenler PM = 8000, TAS = 15 m/s, AOS = 0°, MVD = 20 μm ve LWC = 0,5 g/m³ olarak sabit tutulurken, -2°C, -5°C ve -12°C olmak üzere üç SAT değerinin incelenmesiyle SAT'ın buzlanma toleransı üzerindeki etkilerine baktı.

Üç pervanenin tamamı SAT = -12°C'de, ardından SAT = -5°C'de en hızlı itki düşüşünü yaşadı. İlginç bir şekilde, SAT = -2°C'de Prop21 ve Prop3 hiçbir zaman %50 itkiye ulaşmadı ve tüm deney boyunca orijinal itkinin en az %80'ini korudu.

SAT = -5°C'de Prop1 ve Prop21 birkaç buz dökme döngüsü geçirdi; Prop1 sonunda %50 itkiye ulaşırken Prop21 hiçbir zaman bu noktaya düşmedi. Prop1, her üç SAT değerinde de %50 itkiye ulaşan tek pervaneydi (Şekil 7).

Şekil 7: Farklı SAT değerlerinde zamanla itki artışı (a) ve tork düşüşü (b)

Buz birikimi ve dökülmesi titreşim seviyelerini de etkiledi. Titreşim, test standı tarafından yerçekimi ivmesi (g) cinsinden ölçüldü.

Buz birikimi arttıkça titreşimin arttığı, ardından pervaneden buz döküldüğünde titreşimin azaldığı gözlemlendi (Şekil 8). 

Şekil 8: Buz dökme döngüleri nedeniyle titreşim

Bölüm 4: Rotor Hızı

Bir sonraki test seti, önceki 8000 RPM'deki testlerden 1000 RPM daha yüksek olan 9000 RPM'de buzlanma toleransını inceledi. Bu testlerde, önceki testlerde MVD'den daha fazla etkiye sahip olan bu değişkenler oldukları için LWC ve SAT değiştirildi.

Genel olarak, dönme hızının 9000 RPM'ye çıkarılması, buz birikimi ve itki kaybında önemli değişikliklere neden etmek için yetersiz kaldı.

Bu, SAT = -12°C, MVD = 20 μm ve LWC = 1,0 g/m³ olan en kötü buzlanma koşulları için Prop21 ile 8000 RPM ve 9000 RPM'deki normalize edilmiş itkileri karşılaştıran Şekil 9'da gösterilmiştir. 

Şekil 9: Prop21 için 8000 RPM ve 9000 RPM'de zamanla normalize edilmiş itki

Araştırmacılar, test sonrası pervane kanatlarını görsel olarak incelediler ve belirli koşullar altında 9000 RPM'de daha fazla buz dökülmesi olduğunu belirttiler. Ancak bu, iki koşul arasında önemli performans farklılıklarına yol açmadı.

Bölüm 5: Yan Kayma Açısı

Beşinci deney seti, rüzgâr tünelinin hava akışına göre pervaneyi 30° yan kayma açısına (AOS) eğerek ileri uçuşta bir İHA için pervane buzlanma toleransını ölçmeyi amaçladı.

Dönme hızı 8000 RPM, MVD ise 20 μm olarak ayarlandı. LWC 0,2, 0,5 ve 1,0 g/m³ arasında değiştirildi ve SAT -2, -5 ve -12 °C arasında değiştirildi.

Daha fazla okuma: Ottawa Üniversitesi'nde Rüzgâr Tüneli ile İtki Testi

Buzlanma olayının başlangıcında, pervanenin 15 m/s yerine 30°'de 13 m/s olarak gördüğü etkili hava hızındaki azalmaya bağladıkları dinamik itki artışını gözlemlediler.

30°'lik açı, Prop21'in buzlanma toleransında başka bir fark yaratmadı; Prop21 yeniden en kötü buzlanma koşullarında (SAT = -12°C, MVD = 20 μm ve LWC = 1,0 g/m³) test edildi (Şekil 10).

Şekil 10: Prop21 için 0° ve 30° AOS'de zamanla normalize edilmiş itki

Bölüm 6: Kanat Malzemesi

Son test, GFR kanatlarının CF kanatlarına kıyasla farklı buzlanma toleransını inceledi. GFR pervanesi (Prop22), AOS 0° ve RPM 8000 olarak sabit tutulurken, LWC 0,2, 0,5 ve 1,0 g/m³ arasında ve SAT -2, -5 ve -12 °C arasında değiştirilerek aynı çaplı CF pervanesi (Prop21) ile aynı koşullarda test edildi.

GFR pervanesi için iki büyük fark gözlemlendi; ilki, LWC = 0,2 g/m³ için Prop21'e kıyasla daha hızlı itki düşüşüydü.

İkinci fark, Prop22'nin SAT = 2 °C'de buz dökülmesinden önce yaklaşık %25 itki düşüşü yaşamasıydı (Şekil 11); bu koşul Prop21'in itkisini etkilemedi.

Sonuç olarak, tork ve elektrik gücünde buna bağlı bir artış oldu ve bu Prop21'de de gözlemlenmedi. Bunun dışında, GFR pervanesinin buzlanma toleransı aynı koşullardaki CF pervanesine çok benzerdi.

Şekil 11: Prop22 için itki, tork ve güç vs. buz birikimi süresi

Sonuç

Bu çalışma, küçük İHA pervanelerinin yüksek RPM'deki buzlanma toleransını karakterize etme konusunda mükemmel bir iş çıkardı. Sonuçlar, drone operatörlerinin yararlanabileceği birkaç pratik çıkarım sunmaktadır.

İlk olarak, kanatlarda buz biriktikçe %50 itkiye düşmek için daha az süreye ihtiyaç duyan daha büyük pervaneler, pervane çapının buzlanma toleransında bir rol oynadığını göstermektedir. Ayrıca, GFR kanatlar CF kanatlara göre buzlanmaya daha az toleranslıydı ve itkiyi daha kolay kaybediyordu.

Çalışma ayrıca, iyi anlaşılmadıkları takdirde performans göstergelerinin yanıltıcı olabileceğini de gösterdi. Birkaç test sırasında, pervanelerden buz dökülmesi nedeniyle itki düşüşü bir plato yaşadı.

Bu etki, bir drone operatörünün buzlanma etkisinin zirve noktasına ulaştığına inanmasına yol açabilir; ancak bu durağanlıkları itki gücünde ani bir düşüş hemen takip etmiştir.

Bu deneyler, müdahale edilmediği sürece pervanedeki buzlanmanın genellikle iyileşmek yerine daha da kötüleştiğini doğrulamıştır; bu nedenle drone operatörleri, performans değişikliklerinin ardındaki anlamlara çok iyi hâkim olmalıdır.

NRC'deki araştırmacılar, bu bilgi birikimine daha fazla katkıda bulunmak için daha büyük pervanelerle daha fazla deney yapmayı dört gözle beklemektedir.

Daha fazla okuma: Fırçasız Motor ve Pervane Verimi Nasıl Ölçülür