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Caracterización de la hélice: Variaciones en el tono, el diámetro y el número de hoja en el rendimiento

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Las hélices son ampliamente utilizadas en muchos tipos diferentes de aeronaves para la propulsión y la generación de empuje, y por lo tanto deben ser cuidadosamente diseñados y caracterizados. Una hélice es esencialmente una lámina de aire retorcida, donde el ángulo del cable cambia radialmente. Una de las características definitorias de la hélice es el paso, o su giro.

El paso de la hélice se da generalmente en unidades de longitud y es la distancia teórica que la hélice viajará a través del aire en una sola revolución. Sin embargo, debido a la fuerza de arrastre en el avión y la hélice, la hélice nunca viaja su distancia teórica. La distancia real recorrida se llama el paso efectivo de la hélice. La diferencia entre el tono teórico y el tono efectivo se llama deslizamiento de la hélice.

Al describir hélices, también hablamos de empuje, par y potencia, que se caracterizan por sus respectivos coeficientes sin dimensiones. Aquí, T es empuje, tau es par, P es fuente de alimentación para el 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 diámetro de la hélice. Usando estos valores sin dimensiones, podemos determinar cómo funciona una hélice en diferentes condiciones.

En el régimen de hélices, la hélice está produciendo un empuje y un par positivos. El régimen de freno de aire comienza cuando el empuje va 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 en la hélice que el motor que impulsa la hélice no puede superar.

Es importante tener en cuenta que más allá del régimen de hélices, 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 dada y RPM. Para 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 suelen ser más eficientes en condiciones de crucero e ineficientes en despegue y aterrizaje.

Una forma de mejorar el funcionamiento, especialmente si no hay restricciones en el diámetro o el paso de la hélice, es aumentando el número de cuchillas. Esto puede aumentar la cantidad de empuje. Sin embargo, viene a costa de una menor eficiencia de la hélice. En este experimento, caracterizaremos varias hélices diferentes y determinaremos el efecto de paso, diámetro y número de cuchillas en el rendimiento.

En este experimento, examinaremos las características de la hélice en un túnel de viento subsónico utilizando una serie de cinco aPC y dos hélices de madera con diámetro, paso y número de cuchillas variables.

Para empezar, configure el equipo de prueba de la hélice dentro del túnel de viento utilizando un soporte de coma de cuatro ejes para sujetar los componentes del equipo de prueba de la hélice. Se utiliza una célula de carga de seis ejes para medir el empuje y el par. Conecte la célula de carga a la plataforma, fije 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 de velocidad electrónico y al generador de señal modulada de ancho de pulso, que controla la velocidad del motor. Además, conecte el motor a un analizador de potencia para medir la tensión y la corriente suministradas. A continuación, conéctelo y el motor de CC sin escobillas a una batería de polímero de litio.

Una vez que la configuración está completamente montada, utilice un nivel de espíritu para asegurarse de que la configuración de la hélice de picadura está alineada en la dirección del flujo de aire sin ningún paso o guiño. A continuación, asegure las puertas del túnel de viento, encienda la alimentación principal y encienda el túnel de viento. A continuación, encienda el generador de señal 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, incluyendo el número de palas de hélice, el diámetro y el paso. Ahora, cero las fuerzas en la célula de carga usando el software de adquisición de datos en la computadora del túnel de viento. A continuación, configure el generador de señal para que funcione el motor al 10% del acelerador.

Comience grabando una lectura cero con el túnel de viento apagado. Registre la velocidad en términos de porcentaje de acelerador 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 célula de carga.

Ahora, encienda el túnel de viento y aumente la presión dinámica a 0.5 psf. Permita tiempo para que el túnel de viento se estabilice, luego registre todos los datos. Continúe aumentando el ajuste de presión dinámica en incrementos de 0,5 psf hasta un ajuste de presión dinámico en el que el empuje y el par se vuelven negativos.

Registre todos los datos en cada incremento. Una vez que las medidas de empuje y par sean negativas, ajuste la presión dinámica de nuevo a cero y apague el túnel de viento. A continuación, aumente la velocidad del motor al 50% del acelerador utilizando el generador de señal. Tome la medida cero, registrando todos los datos con el túnel de viento apagado. A continuación, encienda el túnel de viento y establezca la lectura de presión dinámica en 0,5 psf. A continuación, registre todos los datos.

Repita las medidas como antes en incrementos de 0. 5 psf hasta una lectura de presión dinámica donde 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 cero con el túnel de viento apagado, luego repita las pruebas de nuevo hasta una presión dinámica donde el par y el empuje se vuelvan negativos.

Repita estas pruebas para todas las hélices, asegurándose de probar velocidades de 10%, 50% y 100% acelerador para cada hélice hasta una presión dinámica donde el empuje y el par se vuelven negativos. Al finalizar todas las pruebas, conecte el controlador electrónico de velocidad en el 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, usando 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. Recuerde que el tau es el par de la hélice y P es la potencia suministrada al motor de CC y se calcula como el producto de voltaje y corriente.

Finalmente, podemos calcular la relación avanzada J, con el fin de normalizar la velocidad de flujo libre a la velocidad de la hélice de rotación y diámetro. La tasa de rotación son las rotaciones por minuto que se registraron durante el experimento, divididas por 60. La velocidad de flujo libre se calcula utilizando la presión dinámica, que controlamos en el túnel de viento. A continuación, 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 paso de dos palas, 18 pulgadas de diámetro y 8 pulgadas. La hélice produce un empuje positivo hasta una relación avanzada de 0,6, donde luego pasa a la región de freno de aire. La región de freno de aire comienza cuando el empuje va 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 en 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 es igual a 0,4 y no tiene sentido más allá de la región de la hélice.

Ahora, echemos un vistazo a diferentes diámetros 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 un variado paso de hélice, manteniendo el diámetro constante 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 a una proporción avanzada más alta a medida que aumenta el paso de la hélice.

Por último, compararemos el efecto del número de la hoja, manteniendo el diámetro y el paso constantes de la hélice. Podemos ver que duplicar el número de cuchillas conduce a una cantidad significativamente mayor de empuje y par. Mientras que 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 proporción 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 de operación de las hélices y cómo el paso afecta a 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.

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