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Las hélices se utilizan ampliamente en muchos tipos diferentes de aeronaves para la propulsión y la generación de empuje y, por lo tanto, deben diseñarse y caracterizarse cuidadosamente. Una hélice es esencialmente un perfil aerodinámico retorcido, donde el ángulo del cable cambia radialmente. Una de las características definitorias de la hélice es el paso, o su torsión.
El paso de la hélice generalmente se da en unidades de longitud y es la distancia teórica que la hélice recorrerá por el aire en una sola revolución. Sin embargo, debido a la fuerza de arrastre sobre la aeronave y la hélice, la hélice nunca recorre su distancia teórica. La distancia real recorrida se denomina paso efectivo de la hélice. La diferencia entre el paso teórico y el paso efectivo se llama deslizamiento de la hélice.
Al describir las hélices, también hablamos de empuje, par y potencia, que se caracterizan por sus respectivos coeficientes adimensionales. Aquí, T es el empuje, tau es el par, P es la fuente de alimentación del motor, rho es la densidad de flujo libre, n es la velocidad de rotación de la hélice y D es el diámetro de la hélice. Es importante destacar que también definimos la eficiencia de una hélice. Esto se calcula utilizando los coeficientes de par y empuje junto con la relación avanzada J, que normaliza la velocidad de flujo libre a la rotación y el diámetro de la hélice. Usando estos valores adimensionales, podemos determinar cómo funciona una hélice en diferentes condiciones.
En el régimen de la hélice, la hélice produce empuje y par positivos. El régimen de freno neumático comienza cuando el empuje se vuelve negativo, mientras que el par sigue siendo positivo. En este régimen, la hélice ralentiza el sistema en lugar de proporcionar un movimiento positivo hacia adelante. Cuando el empuje y el par caen por debajo de cero, la hélice está en el régimen de molino de viento. Aquí, el flujo de aire controla la hélice, ya que produce fuerzas sobre la hélice que el motor que impulsa la hélice no puede superar.
Es importante tener en cuenta que más allá del régimen de la hélice, el cálculo de la eficiencia de la hélice no tiene sentido. Siempre es deseable operar la hélice en el régimen de hélice de alta eficiencia para una velocidad de aire y RPM determinadas. En el caso de las hélices de paso fijo, esto puede ser difícil, ya que las hélices de paso fijo están diseñadas para una condición de funcionamiento óptima y, por lo general, son más eficientes en condiciones de crucero e ineficientes en el despegue y el aterrizaje.
Una forma de mejorar el funcionamiento, especialmente si no hay restricciones en el diámetro o el paso de la hélice, es aumentar el número de palas. Esto puede aumentar la cantidad de empuje. Sin embargo, se produce a costa de una menor eficiencia de la hélice. En este experimento, caracterizaremos varias hélices diferentes y determinaremos el efecto del paso, el diámetro y el número de palas en el rendimiento.
En este experimento, examinaremos las características de la hélice en un túnel de viento subsónico utilizando una serie de cinco hélices APC y dos hélices de madera con diferentes diámetros, paso y número de palas.
Para comenzar, configure el banco de pruebas de hélices dentro del túnel de viento utilizando un soporte de aguijón de cuatro ejes para sujetar los componentes del banco de pruebas de hélices. Se utiliza una célula de carga de seis ejes para medir el empuje y el par. Conecte la celda de carga a la plataforma, asegure el motor de CC sin escobillas, que alimenta la hélice, y luego conecte la primera hélice.
Ahora, conecte el motor de CC sin escobillas al controlador electrónico de velocidad y al generador de señal modulada por ancho de pulso, que controla la velocidad del motor. Además, conecte el motor a un analizador de redes para medir el voltaje y la corriente suministrados. Luego conéctelo y el motor de CC sin escobillas a una batería de polímero de litio.
Una vez que la configuración esté completamente ensamblada, use un nivel de burbuja para asegurarse de que la configuración de la hélice esté alineada en la dirección del flujo de aire sin cabeceo ni guiñada. Luego asegure las puertas del túnel de viento, encienda la alimentación principal y encienda el túnel de viento. A continuación, encienda el generador de señales y el sistema de adquisición de datos de la célula de carga.
Antes de comenzar las pruebas, registre las características de la hélice en su hoja de cálculo, incluido el número de palas de la hélice, el diámetro y el paso. Ahora, ponga a cero las fuerzas en la célula de carga utilizando el software de adquisición de datos en el ordenador del túnel de viento. Luego, configure el generador de señales para que el motor funcione al 10% del acelerador.
Comience registrando una lectura de cero con el túnel de viento apagado. Registre la velocidad en términos de porcentaje de aceleración y la presión dinámica del transductor del túnel de viento. Además, registre el voltaje y la corriente suministrados al motor desde el analizador de potencia, y el empuje y el par medidos por la celda de carga.
Ahora, encienda el túnel de viento y aumente la presión dinámica a 0,5 psf. Deje tiempo para que el túnel de viento se estabilice y, a continuación, registre todos los datos. Continúe aumentando el ajuste de presión dinámica en incrementos de 0,5 psf hasta un ajuste de presión dinámica en el que el empuje y el par se vuelven negativos.
Registre todos los datos en cada incremento. Una vez que las mediciones de empuje y par sean negativas, vuelva a poner la presión dinámica a cero y apague el túnel de viento. Luego aumente la velocidad del motor al 50% del acelerador usando el generador de señales. Realice la medición del cero, registrando todos los datos con el túnel de viento apagado. A continuación, encienda el túnel de viento y ajuste la lectura de presión dinámica a 0,5 psf. A continuación, registre todos los datos.
Repita las mediciones como antes en incrementos de 0. 5 psf hasta una lectura de presión dinámica en la que el par y el empuje se vuelven negativos. A continuación, vuelva a poner la presión dinámica a cero, apague el túnel de viento y aumente la velocidad de la hélice al 100% del acelerador. Registre la medición del cero con el túnel de viento apagado, luego repita las pruebas nuevamente hasta una presión dinámica en la que el par y el empuje se vuelvan negativos.
Repita estas pruebas para todas las hélices, asegurándose de probar velocidades de aceleración del 10%, 50% y 100% para cada hélice hasta una presión dinámica en la que el empuje y el par se vuelvan negativos. Una vez completadas todas las pruebas, conecte el controlador electrónico de velocidad al kit de programación y registre todos los datos de RPM de la hélice. A continuación, apague todos los sistemas.
Para evaluar los resultados del experimento, primero calcularemos el coeficiente de empuje, CT, utilizando el empuje de la hélice, la velocidad de rotación, el diámetro y la densidad de flujo libre. También podemos calcular los coeficientes de par y potencia, CQ y CP, respectivamente. Recordemos que tau es el par de la hélice y P es la potencia suministrada al motor de CC y se calcula como el producto del voltaje y la corriente.
Finalmente, podemos calcular la relación avanzada J, con el fin de normalizar la velocidad de la corriente libre a la velocidad de rotación y el diámetro de la hélice. La tasa de rotación es las rotaciones por minuto que se registraron durante el experimento, divididas por 60. La velocidad de la corriente libre se calcula utilizando la presión dinámica, que controlamos en el túnel de viento. Luego, se puede calcular la eficiencia de la hélice.
Ahora, vamos a trazar los tres coeficientes y la eficiencia frente a la relación avanzada, J, para una de las hélices. Aquí, mostramos los datos de una hélice de dos palas, 18 pulgadas de diámetro y 8 pulgadas de paso. La hélice produce un empuje positivo hasta una relación avanzada de 0,6, donde luego pasa a la región del freno de aire. La región del freno de aire comienza cuando el empuje se vuelve negativo, mientras que el par sigue siendo positivo. En esta región, la hélice ralentiza el sistema.
Después de una relación avanzada de 0,85, la hélice produce un par negativo y se comporta como un molino de viento. Aquí, el flujo de aire produce fuerzas sobre la hélice que el motor que impulsa la hélice no puede superar. Tenga en cuenta que la eficiencia de la hélice es más alta en J igual a 0,4 y no tiene sentido más allá de la región de la hélice.
Ahora, echemos un vistazo a la variación del diámetro de la hélice, manteniendo constante el número de palas y el paso de la hélice. Podemos ver que el cambio en el diámetro tiene un efecto insignificante en la eficiencia. Sin embargo, los tres coeficientes aumentan ligeramente con la disminución del diámetro de la hélice.
A continuación, compararemos el efecto de la variación del paso de la hélice, manteniendo constante el diámetro de la hélice y el número de palas. Vemos que, en general, una hélice de paso alto produce más empuje, par y potencia para una relación avanzada dada en comparación con una hélice de paso bajo. El aumento del paso de la hélice también aumenta el alcance de la región de la hélice. Vemos que la máxima eficiencia operativa se produce en una relación avanzada más alta a medida que aumenta el paso de la hélice.
Finalmente, compararemos el efecto del número de palas, mientras mantenemos constantes el diámetro y el paso de la hélice. Podemos ver que duplicar el número de palas conduce a una cantidad significativamente mayor de empuje y torque. Si bien la extensión de la región de la hélice es similar, la hélice de cuatro palas comienza a comportarse como un molino de viento en una relación avanzada más alta en comparación con la hélice de dos palas. También se puede observar que la hélice de dos palas es ligeramente más eficiente que su contraparte de cuatro palas.
En resumen, aprendimos sobre los diferentes regímenes operativos de las hélices y cómo el paso afecta la eficiencia de la hélice. A continuación, caracterizamos 7 hélices en un túnel de viento subsónico para analizar los efectos del paso, el diámetro y el número de palas en el rendimiento de la hélice.
