İklimlendirmeli Rüzgar Tünelinde Pervane Buzlanma Testleri

· 3 dk. okuma · Admin Staff

propeller wind tunnel test

Giriş

Bu makale, buzlanma koşullarında drone performansını inceleyen Sirris Büyük İklim Test Tesisi'nde (Antwerp, Belçika) gerçekleştirilen araştırmayı özetlemektedir.

Araştırma ekibinde Windshape'ten (İsviçre) Guillaume Catry, Nicolas Bosson, Luca J. Bardazzi ve Sergio Márquez, OWI-Lab'dan (Belçika) Özlem Ceyhan ve Daniele Brandolisio ile HES-SO Uygulamalı Bilimler ve Sanatlar Üniversitesi'nden (İsviçre) Flavio Noca yer almaktadır.

iklim rüzgar tüneli

Şekil 1: Sirris Büyük İklim Test Tesisi

Test Düzeni

Test düzeni, drone itki sisteminin performansını ve buz birikimini karakterize etmek üzere tasarlanmıştır. Düzen şu bileşenleri içermektedir:

  1. Buzlanmanın oluşması için gereken sıcaklık ve nem koşullarını oluşturmak üzere Sirris Büyük İklim Test Tesisi (Antwerp, Belçika) kullanılmıştır. Buzlanma test düzeyi, 6 m x 4 m'lik bir alanı kapsayan bir vinç sistemine bağlı 25 su nozuluyla yeni inşa edilmiştir. Nozullar, su akış hızının değiştirilmesiyle farklı damlacık boyutları elde ederek hem cam buz hem de kırağı buz oluşumunu sağlayabilmektedir.
  2. Pervanede görünür rüzgar oluşturmak için Windshaper rüzgar tüneli kullanılmıştır. Sistem, 1,5 m x 0,75 m'lik dikey ve düz bir yüzeye eşit aralıklarla dağıtılmış, her biri 110 W'lık 162 çift zıt yönlü dönen fan ünitesinden oluşmaktadır. Sistem, 1 m/s ile 16 m/s arasında rüzgar hızları üretebilmektedir.
  3. İtki sisteminin performansını ölçmek için Tyto Robotics Series 1585 itki test standı kullanılmıştır. Bu stand; 50 N'a kadar itki, 2,0 Nm'ye kadar tork, devir sayısı, güç ve verimlilik ölçümlerini gerçekleştirmektedir. Yük hücresi, pervane hücum açısını değiştirmek üzere açısı ayarlanabilen sağlam bir kola monte edilmiştir. Standın yazılım platformu, motoru kontrol etmek için PWM sinyali üretmektedir. Yazılım içinde yazarlar tarafından tasarlanan bir PID kontrol betiği, pervanede buz birikse bile motorun sabit hızda test edilmesini sağlamaktadır.
  4. Taft Hobby 3553 1550kv, 10 kutuplu fırçasız DC motor, Turnigy 60A SimonK ESC aracılığıyla 12V laboratuvar güç kaynağıyla beslenmiştir. Pervane, 5 inç hücum açısına sahip 3 kanatlı, 9 inç HQProp MacroQuad'dur.
  5. Pervanede buz oluşumunu görselleştirmek için bir görüntü yakalama sistemi tasarlanmıştır. Sistem, 1 µs kadar kısa flaşlar üretebilen iki kısa süreli stroboskop ışığına sahiptir. Flaş, motorun açısal konumuna (devir sensörü) bağlı olarak itki test standı kontrolcüsü tarafından tetiklenmiş, böylece her fotoğrafta aynı kanat aynı konumda kalmıştır.
  6. Görüntüleme, 6400 ISO'ya ayarlanmış, maksimum açıklıkta 80 mm f/1.8 lensle donatılmış bir Canon 5D Mk2 tam kare dijital SLR kamera ile gerçekleştirilmiştir. Deneyler sırasında her 2 saniyede bir fotoğraf çekilmiştir.

pervane buzlanma testi

Şekil 2: (1) pervane, (2) itki üniteleri için test standı, (3) Windshaper, (4) su püskürtme, (5) kamera ve (6) stroboskop ışığını içeren test düzeni. 

     Bu parametrelerin farklı varyasyonları kullanılarak toplam 21 test tamamlanmıştır:

    1. Pervane hızı: 3.500 devir/dakika ve 5.000 devir/dakika
    2. Rüzgar hızı: 3,2 m/s, 6 m/s ve 9 m/s
    3. Püskürtme suyu basıncı: 2 bar ve 8 bar

    Her test bir kez standart pervane ile, ikinci kez ise buzlanma önleyici kaplama ile kaplanmış benzer bir pervane ile gerçekleştirilmiştir. Tüm testlerde sıcaklık -10°C'de tutulmuştur.

    Sonuçlar

    Pervanede buz birikimi tüm testlerde benzer bir örüntü izlemiştir: buz oluşumu püskürtmeden birkaç saniye sonra başlar, 20. saniyeye kadar önemli ölçüde buz birikimi gerçekleşir, pervanenin itkisinin tamamen kaybı yaklaşık 60. saniyede meydana gelir ve biriken buz yaklaşık 80. saniyede dökülür.

    drone pervanesi buzlanması

    Şekil 3: Pervanede buz birikimi

    itki test standında kaydedilen performans sonuçları birkaç ilginç bulguyu ortaya koymuştur:

    1. İtki kaybı, buzlanma koşullarıyla karşılaşıldıktan hemen sonra gözlemlenmektedir.
    2. İtkinin 1,6 N'den 0 N'ye düşmesi 1 dakikadan biraz fazla sürmüştür.
    3. Yaklaşık 75. saniyede buz pervaneden döküldüğünde, PID onu stabilize edebilmeden önce devir sayısı arttığı için itkide hızlı bir artış meydana gelmektedir.
    4. Dökülmeden hemen önceki buz birikimi kütlesi 17 g idi.
    5. Buz biriktikçe pervane verimi kademeli olarak azalmakta ve dökülmeden hemen önce %0'a inmektedir.
    6. Buzlanma önleyici kaplamalı pervane, itkiyi >0 N seviyesinde kaplamasız pervaneye göre yaklaşık 4 kat daha uzun süre korumuştur (12 saniye yerine 48 saniye).

    buzlanma koşullarında pervane performansı

    Şekil 4: 3500 devir/dakika hızında ve 3,2 m/s rüzgar hızına ayarlanmış bir test sırasında itki, motor torku, buz ağırlığı, pervane verimi ve motor hızının değişimi. Kesikli çizgi buzlanma içermeyen kontrol durumunu temsil etmektedir. Düz çizgi, püskürtme suyu basıncı 8 bar olarak ayarlanmış buzlanma durumunu temsil etmektedir.

    pervane buzlanma önleyici çözümü performansı

    Şekil 5: Kaplamasız bir pervane ile buzlanma önleyici kaplamalı bir pervanenin performans karşılaştırması.

    Sonuç

    Sonuç olarak, çalışmanın yazarları drone performansını buzlanma koşullarında incelemek için bir araç sağlayan gerçekçi bir test düzeni geliştirmiştir.

    Makalenin tamamı buradan indirilebilir.