Caracterización de la hélice: Variaciones en el paso, el diámetro y el número de palas en el rendimiento

Fuente: Shreyas Narsipur, Ingeniería Mecánica y Aeroespacial, Universidad Estatal de Carolina del Norte, Raleigh, Carolina del Norte

Una hélice es una lámina de aire retorcida, donde el ángulo del acorde cambia con respecto a la ubicación, a lo largo de la estación radial, como se muestra en la Figura 1. Las hélices son ampliamente utilizadas en los sistemas de propulsión de aeronaves y embarcaciones, por lo que se requieren caracterizaciones detalladas de las hélices para diseñar vehículos de alto rendimiento.

Figura 1. Acorde, grosor y tono en una estación radial.

Una de las características definitorias de una hélice es el paso/torsión. El paso de la hélice, generalmente dado en unidades de longitud, 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 conoce como el paso efectivo de la hélice, y la diferencia entre el tono teórico o geométrico y el paso efectivo se conoce como deslizamiento de hélice, como se ilustra en la Figura 2.

Figura 2. Representación de pitch y slip.

En esta demostración, siete hélices se caracterizan utilizando una plataforma de prueba de hélices en un túnel de viento subsónico. Esto es seguido por un estudio paramétrico detallado para analizar los efectos de las variaciones en el paso, diámetro y número de palas en el rendimiento de la hélice.

Hay dos tipos de hélices principales: paso fijo y paso variable. Las hélices de paso fijo están diseñadas para una condición de funcionamiento óptima y son eficientes; tienen una alta potencia de salida a la relación de entrada de potencia para una velocidad de aire dada y RPM, que en la mayoría de los casos es las condiciones de crucero de la aeronave. Sin embargo, durante el despegue y el aterrizaje, cuando las RPM y las velocidades de aire son más bajas, la hélice de paso fijo es altamente ineficiente. Las palas de hélice de paso variable ofrecen una solución al problema de paso fijo al permitir que el piloto cambie el paso de la hélice para maximizar la eficiencia de la hélice para cualquier condición de funcionamiento. Es por esta razón que en aviones de hélice más grandes, donde la eficiencia del combustible es un factor dominante, las hélices de paso variable se utilizan para maximizar la eficiencia.

La relación avanzada, el coeficiente de empuje, el coeficiente de par, el coeficiente de potencia y la eficiencia de la hélice son parámetros no dimensionales importantes necesarios para caracterizar una hélice. Sobre la base de estos parámetros, se pueden identificar los regímenes de hélice, freno de aire y molino de viento, que son los diferentes regímenes de operación de una hélice. 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. Por último, cuando tanto el empuje como el par caen por debajo de cero, la hélice está en el régimen de molinos de viento. Aquí, el flujo de aire controla la hélice, ya que produce fuerzas en la hélice de la que el motor / motor que impulsa la hélice no puede superar. La eficiencia de la hélice no tiene sentido más allá de la región de la hélice.

Siempre es deseable operar la hélice en el régimen de hélice de alta eficiencia para una velocidad de aire y RPM dadas. Como se mencionó anteriormente, las hélices de paso fijo generalmente están diseñadas para operar con su mayor eficiencia durante el vuelo de crucero, y aunque pueden operar a velocidades más bajas, como durante el despegue y el aterrizaje, la eficiencia es muy baja. Las hélices de paso variable se pueden ajustar para obtener la mayor eficiencia posible en el régimen de hélices dependiendo del régimen de vuelo (despegue, crucero o aterrizaje), maximizando así la eficiencia de combustible de la aeronave.

Además del paso de la hélice, el número de palas de la hélice juega un papel importante en el ajuste del empuje disponible desde la hélice. Generalmente, si hay restricciones de diseño en el diámetro o el paso de la hélice, aumentar el número de cuchillas puede aumentar la cantidad de empuje producido. Sin embargo, el empuje adicional puede venir a costa de la eficiencia de la hélice, lo que requiere la necesidad de un análisis detallado.

La relación avanzada, J, que es un parámetro para normalizar la velocidad de flujo libre (V₎en la velocidad de rotación de la hélice (n) y el diámetro (D), se da por la siguiente ecuación:

La velocidad de flujo de corriente libre se puede medir utilizando la ecuación:

donde está la densidad de la corriente libre.

El coeficiente de empuje, C_T, es una medida no dimensional del empuje de la hélice, T, y se da por la ecuación:

Del mismo modo, el par, C_Qy potencia, C_P, coeficientes, las medidas no dimensionales del par de la hélice y la potencia de salida, respectivamente, se dan por las ecuaciones:

donde el par es el par y P es la potencia suministrada al motor de CC sin escobillas para ejecutar la hélice. La potencia, P, se puede calcular como el producto de voltaje, V, y corriente, I:

Por último, la eficiencia de la hélice se puede expresar como:

1. Medición de las características de la hélice en un túnel de viento subsónico

1. Configure el equipo de prueba de hélices en el túnel de viento subsónico utilizando un soporte de tala de 4 ejes, como se muestra en la Figura 3. En esta demostración se utilizó un túnel de viento con una sección de prueba de 2,6 pies x 3,7 pies y un ajuste de presión dinámica máxima de 25 psf.

Figura 3. Plataforma de hélice. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

2. Conecte una celda de carga de 6 ejes al equipo. Esto se utilizará para medir el empuje y el par.
3. Fije un motor de CC sin escobillas a la plataforma y, a continuación, conecte la primera hélice.
4. Conecte el motor de CC al controlador de velocidad electrónico y al generador de señal modulada de ancho pulsado, que controla la velocidad del motor.
5. Conecte un analizador de potencia, que medirá la corriente y el voltaje suministrados al motor, y lo conectará a una batería de polímero de litio.
6. Utilice un nivel de espíritu para asegurarse de que la configuración de la hélice de aguijón está alineada en la dirección del flujo con cero paso y cero guiño.
7. Asegure las puertas del túnel de viento y encienda la alimentación principal.
8. Encienda el túnel de viento, luego encienda el generador de señal y el sistema de adquisición de datos de la célula de carga.
9. Cero las fuerzas en la célula de carga utilizando el software de instrumento virtual.
10. Ajuste el generador de señal para que funcione el motor al 10% del acelerador.
11. Comience a grabar una lectura cero con el túnel de viento apagado. Registre los siguientes datos de velocidad:
    a. Características de la hélice - número de palas, diámetro de la hélice (pulgadas) y paso de la hélice (in).
    b. Velocidad (en términos de porcentaje de acelerador) basada en la configuración del generador de señal.
    c. Presión dinámica (psf) del transductor del túnel de viento.
    d. Tensión (V) y corriente (A) suministrada al motor BLDC desde el analizador de potencia.
    e. Empuje (lb) y par (in-lb) de la célula de carga.
    f. RPM de la hélice (rotaciones por minuto). Tenga en cuenta que la lectura de RPM solo se puede extraer al final del experimento.
12. Encienda el túnel de viento y varíre la presión dinámica de 0 psf a 10 psf en pasos de 0.5 psf.
13. En cada ajuste, permita que el túnel de viento se estabilice y, a continuación, registre los mismos datos que se enumeran anteriormente.
14. 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.
15. Restablezca la presión dinámica del túnel a cero y apague el túnel de viento
16. Ajuste la velocidad del motor al 50% del acelerador y repita los pasos 1.11 - 1.15.
17. Ajuste la velocidad del motor al 100% del acelerador y repita los pasos 1.11 - 1.15.
18. Repita el procedimiento anterior para todas las hélices, asegurándose de probar velocidades de 10%, 50% y 100% acelerador hasta una presión dinámica donde el empuje y el par se vuelven negativos.
19. Una vez completadas todas las pruebas, conecte el controlador electrónico de velocidad al kit de programación, registre todos los datos de RPM de la hélice.
20. Apaguen todos los sistemas.

Tabla 1. Hélices probadas.

Diámetro de la hélice x paso (pulg.)	• de cuchillas	Material
18 x 8	2	Apc
16 x 8	2	Apc
15 x 8	2	Apc
15 x 10	2	Apc
15 x 12	2	Apc
18 x 8	2	Madera
18 x 8	4	Madera

Tenga en cuenta que las hélices de paso fijo utilizadas en este estudio se definen por su diámetro y paso en pulgadas. Por ejemplo, una hélice de 18 x 8 es una hélice de 18 de diámetro con un paso geométrico de 8 in.

Para determinar los resultados se utilizó una densidad de flujo libre:0,074 lb/pie^3. La variación en los coeficientes de empuje, par, potencia y eficiencia de la hélice para la hélice de dos palas y 18 x 8 pulgadas se muestra en la Figura 4. Las regiones de hélice, freno de aire y molino de viento están demarcadas. La hélice de dos palas y 18 x 8 pulgadas produce un empuje positivo de hasta una relación avanzada de 0,6 después de lo cual pasa a la región de freno de aire hasta J 0,85. En y después de este punto, la hélice comienza a producir par negativo y se comporta como un molino de viento. La hélice alcanza su máxima eficiencia en J a 0,4.

Figura 4. Características de una hélice de dos palas, 18 x 8 pulgadas.

Las figuras 5-7 comparan los comportamientos C_T, C_Q, C_Py - para hélices con variaciones en diámetro, paso y número de cuchillas, respectivamente. Como se muestra en la Figura 5, la variación del diámetro de la hélice manteniendo el número de palas y el paso de la hélice una constante tuvo un efecto insignificante en la eficiencia de la hélice,. Sin embargo, el C_T, C_Qy C_P para una relación avanzada dada, J, aumentó ligeramente con la disminución del diámetro de la hélice.

Figura 5. Comparación de características para hélices de diámetro variable. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

La variación del paso de la hélice afectó significativamente a todos los parámetros, como se muestra en la Figura 6. 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 aumentó el alcance de la región de la hélice, es decir, la gran región de empuje positivo y par. Por último, la máxima eficiencia operativa se produjo a una proporción avanzada más alta a medida que aumentaba el paso de la hélice.

Figura 6. Comparación de características para hélices con paso variable. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

La Figura 7 muestra que duplicar el número de cuchillas conduce a una cantidad significativamente mayor de empuje y par. Mientras que la región de la hélice es similar, la hélice de cuatro palas comienza a comportarse como un molino de viento a una proporción avanzada más alta en comparación con la hélice de dos palas. Además, la hélice de dos palas es ligeramente más eficiente que su contraparte de cuatro palas.

Figura 7. Comparación de características para hélices que varían en número de palas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Las hélices se utilizan para alimentar aviones de pequeña escala y proporcionan un método simple para proporcionar empuje. Se pueden conectar a un motor eléctrico o alternativo, donde convierten la velocidad de rotación en empuje para la propulsión. En esta demostración, siete hélices con diferentes pasos, diámetro y número de cuchillas se caracterizaron utilizando una plataforma de prueba de hélice montada en un túnel de viento subsónico. Para cada hélice, se identificaron las regiones de operación de la hélice, el freno de aire y el molino de viento. Un estudio paramétrico realizado para estudiar los efectos del diámetro de la hélice mostró una ligera disminución en el empuje y el par con un diámetro decreciente. Sin embargo, el paso de la hélice tiene un efecto significativo en las características de empuje y par con hélices de paso alto que tienen una clara ventaja. Además, la extensión de la región de la hélice detiene con un tono decreciente. Por último, aumentar el número de cuchillas aumenta el empuje, el par y la potencia con una ligera disminución en la eficiencia de la hélice.

Se requiere la selección del sistema de propulsión adecuado (combinación motor/motor-hélice) para aeronaves o embarcaciones para lograr un vehículo aéreo o acuático eficiente y de alto rendimiento. Los datos detallados de las características de la hélice proporcionan a los ingenieros una manera precisa de evaluar los parámetros de rendimiento de vuelo en todas las velocidades de funcionamiento de la aeronave/embarcación para determinar correctamente el sistema de propulsión óptimo.