Estudio experimental de variaciones geométricas de condiciones de encerramiento para hélices de pequeños cuadricópteros

Abstract

En el presente documento se estudia el efecto en el rendimiento causado por el encerramiento de una hélice pequeña, para cuadricópteros, y la incidencia del rediseño de esta con parámetros de diseño de bomba/ventilador axial. Esto se realiza con el fin de aumentar el empuje generado por el sistema para una velocidad de giro igual o inferior. El trabajo parte de una caracterización (curvas de eficiencia, empuje y coeficientes de empuje, momento par y potencia vs razón de avance) de una hélice Slowflyer 9x4.7 de la compañía APC. Las curvas generadas son comparadas con los datos reportados en la base de datos de hélices de la Universidad de Illinois Urbane-Champagne (UIUC). Dentro de la caracterización preliminar se determina que el método de medición es apropiado al obtener resultados consistentes con los de Illinois. No obstante, se evidencian discrepancias en torno al empuje generado, causadas por el cambio de densidad del aire causado por las diferencias geográficas. Para este caso la diferencia relativa es de un 25% aproximadamente respecto a la densidad de Illinois (0.899 kg/m^3 a aprox. 2600 m.s.n.m vs 1.2 kg/m^3 a aprox. 300 m.s.n.m). Esta suposición es confirmada al momento de comparar curvas de rendimiento con Reynolds de operación similares. Una vez corroborado el método de medición e instrumentación, se encierra y caracteriza la hélice abierta, en un ducto generado a partir de un perfil Gö417a en su ángulo de ataque óptimo a un Reynolds de 52000. Las dos condiciones de encerramiento evaluadas son de tipo acelerante (tipo tobera) y desacelerante (tipo difusor), las cuales son generadas de acuerdo con sentido de orientación del ducto, ya sea frontal o trasero respectivamente (Figura 2). Se logra determinar que el encerramiento de una hélice abierta conlleva a un decremento en el rendimiento, tanto en empuje como en eficiencia de la hélice, para ambas configuraciones. Cabe destacar que para ambas condiciones se observa un decremento en el coeficiente de potencia.

Figura 2. Encerramiento en configuraciones acelerante (izquierda) y desacelerante (derecha) A partir de los resultados de rendimiento, las condiciones de operación y parámetros de diseño de la hélice base, se establecen parámetros de diseño para el diseño de una bomba/ventilador axial teniendo en función de dos criterios/restricciones: parámetros que coincidan la curva óptima del diagrama de cordier, y velocidad de rotación de diseño 2000 RPM inferior para la condición de empuje seleccionada. De esta manera, se diseña y manufactura un ventilador axial, el cual es caracterizado a manera de hélice. Dentro de los resultados obtenidos se observa que la caída de presión generada (o empuje por unidad de área) es mayor para toda razón de avance que la de la hélice base, a velocidades de giro inferiores. No obstante, el consumo energético y el coeficiente de potencia llegar a ser al menos cinco veces mayor para el mismo rango de operación, y superior a razones de avance más altas.

En el presente documento se presenta el efecto al encerrar una hélice libre (free propeller) en un ducto en configuración acelerante (tobera) y desacelerante (difusor). La hélice caracterizada es una APC Slowflyer 9x4.7,y se generan curvas experimentales de eficiencia, empuje, momento par y perfiles de presión del ducto. A partir de los resultados previos se establecen los parámetros de diseño de un ventilador axial, para producir niveles similares o superiores de empuje a menor velocidad de giro.