¿Cómo se comporta el empuje de una hélice frente al viento?
Eficiencia de la hélice a velocidades de 0–38 mph
Las pruebas en túnel de viento son un paso esencial en el diseño y desarrollo de drones, ya que los sistemas de propulsión suelen comportarse de manera diferente en condiciones estáticas frente a condiciones reales.
El empuje y la eficiencia de la hélice, por ejemplo, son cruciales para completar una misión, pero varían considerablemente con los cambios de velocidad del aire. Caracterizar el rendimiento de un dron a distintas velocidades es clave para cualquier aeronave que opere más allá de vuelos en condiciones de buen tiempo.
Para probar cómo cambia el rendimiento de la hélice con la velocidad del aire, se utilizan estaciones de pruebas de hélices, sometiendo hélices de dron a velocidades de 0 a 38 mph (0 - 17 m/s).
Figura 1: Montaje de prueba en túnel de viento para hélices
1. Procedimiento de pruebas en túnel de viento
El montaje de prueba incluye tres equipos clave de medición:
• 2x2 Windshaper – una pared modular de ventiladores que genera velocidades de aire superiores a 16 m/s, sustituyendo al túnel de viento tradicional. La velocidad y el nivel de turbulencia de cada ventilador se controlan con el software WindControl.
• Banco de empuje Serie 1585 – mide empuje, par, velocidad de rotación, corriente y voltaje, lo que permite calcular potencia y eficiencia. Las pruebas se automatizaron mediante el software Flight Stand.
• Sensor de presión de velocidad del aire – conectado a un tubo Pitot y al software Flight Stand, sincronizando los datos de velocidad con las mediciones del banco de empuje.
Figura 2: Banco de empuje Serie 1585 con sensor de velocidad del aire y tubo Pitot
Instalamos una hélice de 9” a 210 cm del Windshaper y realizamos una prueba escalonada automatizada con cuatro pasos de aceleración: 1550, 1700, 1850 y 2000 µs.
Figura 3: Prueba escalonada representada en el software Flight Stand
Cada prueba utilizó una velocidad de aire y un nivel de turbulencia constantes en los ventiladores, y se repitió a seis velocidades distintas:
• 0 m/s (0 mph)
• 4.2 m/s (9.4 mph)
• 7.5 m/s (16.8 mph)
• 10.7 m/s (24 mph)
• 14 m/s (31.3 mph)
• 17 m/s (38 mph)[wind tunnel software]
Figura 4: Potencia de los ventiladores del Windshaper al 100% (17 m/s) en el software WindControl
Las mediciones de empuje se “tararon” registrando el empuje al 0% de aceleración en cada velocidad, y restando este valor del empuje total medido en cada paso. A la velocidad máxima, la hélice fue inmovilizada suavemente para evitar su giro durante la medición de referencia. El objetivo fue aislar el empuje generado por la hélice.
Lectura adicional: CFD vs. pruebas experimentales de hélices (Resultados)
Otras consideraciones del montaje:
• Es esencial dejar suficiente espacio detrás del Windshaper para garantizar una correcta entrada de aire.
• Se verificó que la entrada del tubo Pitot estuviera libre de obstrucciones para medir aire limpio.
• Se minimizó la distancia entre el tubo Pitot y la hélice de prueba, reduciendo perturbaciones en el flujo. En futuros ensayos se visualizarán los flujos aerodinámicos con un WindProbe 3D.
Figura 5: Muro de viento 2x2 Windshaper con 36 ventiladores controlados individualmente
2. Empuje de la hélice vs. RPM a diferentes velocidades
El gráfico siguiente muestra los resultados de empuje vs. RPM en cada condición de viento. Los cuatro puntos de datos en cada velocidad corresponden a los pasos de aceleración.
Figura 6: Gráfico de empuje de la hélice vs. RPM a velocidades de 0 a 17 m/s
El empuje aumentó con la aceleración y fue mayor en condiciones sin viento. A medida que aumentaba la velocidad del aire, se requirió una mayor velocidad de rotación para lograr el mismo empuje.
Para un empuje dado, las RPM aumentaron tanto con la entrada de aceleración como con la velocidad del aire. El flujo del Windshaper fue responsable de estas RPM más altas, al empujar las palas y hacerlas girar más rápido.
Aunque un mayor número de RPM suele asociarse a mayor empuje, esto solo se cumple a velocidad constante. El empuje depende de las propiedades físicas de la hélice (radio, paso) y de la presión del aire que atraviesa su disco.
La ecuación de empuje dinámico de la hélice (Electric Aircraft Guy) muestra cómo la velocidad de avance influye en la generación de empuje. En términos prácticos: al aumentar la velocidad de avance, el empuje disminuye.
Esta disminución del empuje se debe a que el empuje es producto de la diferencia de velocidad del aire que entra y sale de la hélice.
Cuando la hélice está en reposo, acelera rápidamente el aire circundante. Pero al ganar velocidad de avance, la velocidad relativa del aire entrante (V0) aumenta más que la velocidad de salida (Ve), reduciendo el empuje.
Además, con mayor velocidad del aire, el vector de flujo relativo en la hélice cambia. El ángulo de ataque disminuye y, con ello, también lo hace el empuje.
Figura 7: Cambio en el ángulo de ataque de la hélice con el aumento de la velocidad del aire (Roddy Mc Namee)
3. Relación empuje : potencia
A medida que la velocidad del aire aumenta, la potencia mecánica disminuye.
En el gráfico siguiente, visualizamos la disminución del empuje y la potencia, así como la relación empuje: potencia:
Figura 8: Empuje, potencia y relaciones empuje-potencia de la hélice a 9000 RPM
El gráfico compara el empuje y la potencia a 9000 RPM en cada una de las seis velocidades aerodinámicas, obteniendo los valores de sus curvas de rendimiento. La relación empuje-potencia es simplemente el empuje dividido por la potencia.
En el gráfico, se observa claramente que el empuje disminuye más rápidamente que la potencia. Aunque se genera menos empuje a medida que aumenta la velocidad aerodinámica, se consume una cantidad similar de potencia, lo que resulta en una relación empuje-potencia menor a velocidades aerodinámicas más altas.
Entre 0 y 17 m/s, el empuje disminuye un 75 %, mientras que la potencia solo disminuye un 19 %.
Esto se traduce en una disminución de la eficiencia de la hélice a velocidades aerodinámicas más altas, como veremos en la siguiente sección.
4. Eficiencia de la hélice (2 métodos)
Examinamos la eficiencia de dos maneras:
• Empuje por Watt (gf/W) – gramos de empuje por vatio de potencia mecánica.
• Relación potencia disponible/potencia mecánica – útil para evaluar eficiencia aerodinámica, especialmente en vuelo hacia adelante.
Figura 9: Eficiencia de la hélice en gf/W y % vs. RPM en distintas velocidades de aire
Los resultados muestran que a bajas velocidades la eficiencia disminuye y se estabiliza, mientras que a altas velocidades aumenta hasta un máximo y luego vuelve a caer.
En 0 m/s la eficiencia no puede calcularse con el segundo método (resulta 0%).
Los valores anómalos y negativos a 17 m/s fueron descartados para claridad en los gráficos.
Al ajustar los datos a curvas polinómicas de segundo orden, se observa que la eficiencia aumenta con la velocidad hasta un punto máximo, antes de disminuir de nuevo.
Figura 10: Eficiencia de la hélice (%) vs. velocidad del aire a distintas velocidades de rotación
Conclusión
Estos experimentos ilustran la relación entre velocidad del aire, empuje, potencia y eficiencia de la hélice. Son fundamentales para entender el comportamiento de un sistema de propulsión en condiciones reales de vuelo.
En este estudio se utilizó un túnel de viento Windshaper 2x2 para generar vientos de velocidad constante, aunque estas máquinas permiten realizar muchas más simulaciones.
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Eficiencia de la hélice a velocidades de 0–38 mph
Las pruebas en túnel de viento son un paso esencial en el diseño y desarrollo de drones, ya que los sistemas de propulsión suelen comportarse de manera diferente en condiciones estáticas frente a condiciones reales.
El empuje y la eficiencia de la hélice, por ejemplo, son cruciales para completar una misión, pero varían considerablemente con los cambios de velocidad del aire. Caracterizar el rendimiento de un dron a distintas velocidades es clave para cualquier aeronave que opere más allá de vuelos en condiciones de buen tiempo.
Para probar cómo cambia el rendimiento de la hélice con la velocidad del aire, se utilizan estaciones de pruebas de hélices, sometiendo hélices de dron a velocidades de 0 a 38 mph (0 - 17 m/s).
Figura 1: Montaje de prueba en túnel de viento para hélices
1. Procedimiento de pruebas en túnel de viento
El montaje de prueba incluye tres equipos clave de medición:
• 2x2 Windshaper – una pared modular de ventiladores que genera velocidades de aire superiores a 16 m/s, sustituyendo al túnel de viento tradicional. La velocidad y el nivel de turbulencia de cada ventilador se controlan con el software WindControl.
• Banco de empuje Serie 1585 – mide empuje, par, velocidad de rotación, corriente y voltaje, lo que permite calcular potencia y eficiencia. Las pruebas se automatizaron mediante el software Flight Stand.
• Sensor de presión de velocidad del aire – conectado a un tubo Pitot y al software Flight Stand, sincronizando los datos de velocidad con las mediciones del banco de empuje.
Figura 2: Banco de empuje Serie 1585 con sensor de velocidad del aire y tubo Pitot
Instalamos una hélice de 9” a 210 cm del Windshaper y realizamos una prueba escalonada automatizada con cuatro pasos de aceleración: 1550, 1700, 1850 y 2000 µs.
Figura 3: Prueba escalonada representada en el software Flight Stand
Cada prueba utilizó una velocidad de aire y un nivel de turbulencia constantes en los ventiladores, y se repitió a seis velocidades distintas:
• 0 m/s (0 mph)
• 4.2 m/s (9.4 mph)
• 7.5 m/s (16.8 mph)
• 10.7 m/s (24 mph)
• 14 m/s (31.3 mph)
• 17 m/s (38 mph)[wind tunnel software]
Figura 4: Potencia de los ventiladores del Windshaper al 100% (17 m/s) en el software WindControl
Las mediciones de empuje se “tararon” registrando el empuje al 0% de aceleración en cada velocidad, y restando este valor del empuje total medido en cada paso. A la velocidad máxima, la hélice fue inmovilizada suavemente para evitar su giro durante la medición de referencia. El objetivo fue aislar el empuje generado por la hélice.
Lectura adicional: CFD vs. pruebas experimentales de hélices (Resultados)
Otras consideraciones del montaje:
• Es esencial dejar suficiente espacio detrás del Windshaper para garantizar una correcta entrada de aire.
• Se verificó que la entrada del tubo Pitot estuviera libre de obstrucciones para medir aire limpio.
• Se minimizó la distancia entre el tubo Pitot y la hélice de prueba, reduciendo perturbaciones en el flujo. En futuros ensayos se visualizarán los flujos aerodinámicos con un WindProbe 3D.
Figura 5: Muro de viento 2x2 Windshaper con 36 ventiladores controlados individualmente
2. Empuje de la hélice vs. RPM a diferentes velocidades
El gráfico siguiente muestra los resultados de empuje vs. RPM en cada condición de viento. Los cuatro puntos de datos en cada velocidad corresponden a los pasos de aceleración.
Figura 6: Gráfico de empuje de la hélice vs. RPM a velocidades de 0 a 17 m/s
El empuje aumentó con la aceleración y fue mayor en condiciones sin viento. A medida que aumentaba la velocidad del aire, se requirió una mayor velocidad de rotación para lograr el mismo empuje.
Para un empuje dado, las RPM aumentaron tanto con la entrada de aceleración como con la velocidad del aire. El flujo del Windshaper fue responsable de estas RPM más altas, al empujar las palas y hacerlas girar más rápido.
Aunque un mayor número de RPM suele asociarse a mayor empuje, esto solo se cumple a velocidad constante. El empuje depende de las propiedades físicas de la hélice (radio, paso) y de la presión del aire que atraviesa su disco.
La ecuación de empuje dinámico de la hélice (Electric Aircraft Guy) muestra cómo la velocidad de avance influye en la generación de empuje. En términos prácticos: al aumentar la velocidad de avance, el empuje disminuye.
Esta disminución del empuje se debe a que el empuje es producto de la diferencia de velocidad del aire que entra y sale de la hélice.
Cuando la hélice está en reposo, acelera rápidamente el aire circundante. Pero al ganar velocidad de avance, la velocidad relativa del aire entrante (V0) aumenta más que la velocidad de salida (Ve), reduciendo el empuje.
Además, con mayor velocidad del aire, el vector de flujo relativo en la hélice cambia. El ángulo de ataque disminuye y, con ello, también lo hace el empuje.
Figura 7: Cambio en el ángulo de ataque de la hélice con el aumento de la velocidad del aire (Roddy Mc Namee)
3. Relación empuje : potencia
A medida que la velocidad del aire aumenta, la potencia mecánica disminuye.
En el gráfico siguiente, visualizamos la disminución del empuje y la potencia, así como la relación empuje: potencia:
Figura 8: Empuje, potencia y relaciones empuje-potencia de la hélice a 9000 RPM
El gráfico compara el empuje y la potencia a 9000 RPM en cada una de las seis velocidades aerodinámicas, obteniendo los valores de sus curvas de rendimiento. La relación empuje-potencia es simplemente el empuje dividido por la potencia.
En el gráfico, se observa claramente que el empuje disminuye más rápidamente que la potencia. Aunque se genera menos empuje a medida que aumenta la velocidad aerodinámica, se consume una cantidad similar de potencia, lo que resulta en una relación empuje-potencia menor a velocidades aerodinámicas más altas.
Entre 0 y 17 m/s, el empuje disminuye un 75 %, mientras que la potencia solo disminuye un 19 %.
Esto se traduce en una disminución de la eficiencia de la hélice a velocidades aerodinámicas más altas, como veremos en la siguiente sección.
4. Eficiencia de la hélice (2 métodos)
Examinamos la eficiencia de dos maneras:
• Empuje por Watt (gf/W) – gramos de empuje por vatio de potencia mecánica.
• Relación potencia disponible/potencia mecánica – útil para evaluar eficiencia aerodinámica, especialmente en vuelo hacia adelante.
Figura 9: Eficiencia de la hélice en gf/W y % vs. RPM en distintas velocidades de aire
Los resultados muestran que a bajas velocidades la eficiencia disminuye y se estabiliza, mientras que a altas velocidades aumenta hasta un máximo y luego vuelve a caer.
En 0 m/s la eficiencia no puede calcularse con el segundo método (resulta 0%).
Los valores anómalos y negativos a 17 m/s fueron descartados para claridad en los gráficos.
Al ajustar los datos a curvas polinómicas de segundo orden, se observa que la eficiencia aumenta con la velocidad hasta un punto máximo, antes de disminuir de nuevo.
Figura 10: Eficiencia de la hélice (%) vs. velocidad del aire a distintas velocidades de rotación
Conclusión
Estos experimentos ilustran la relación entre velocidad del aire, empuje, potencia y eficiencia de la hélice. Son fundamentales para entender el comportamiento de un sistema de propulsión en condiciones reales de vuelo.
En este estudio se utilizó un túnel de viento Windshaper 2x2 para generar vientos de velocidad constante, aunque estas máquinas permiten realizar muchas más simulaciones.
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