Bancos de pruebas de empuje para hélices: por qué los datos estáticos son engañosos y qué medir en su lugar
Por qué el empuje estático no predice el rendimiento en vuelo, cómo la relación de avance cambia la eficiencia de la hélice y qué necesita un banco de empuje dentro de un túnel de viento.
Casi todos los programas de vehículos aéreos no tripulados (UAV) comienzan las pruebas de propulsión de la misma manera: un motor y una hélice atornillados a un banco de pruebas, una célula de carga, un tacómetro y una tabla de empuje frente a la posición del acelerador.
Es una tabla útil. También es una tabla de una condición de vuelo en la que la aeronave casi no pasa tiempo, y sacar conclusiones sobre la autonomía, el alcance o el ascenso a partir de ella es donde muchos programas pierden meses.
1. El empuje estático es solo un punto en una curva
Una hélice en aire en reposo funciona con una relación de avance cero . La relación de avance, generalmente escrita como J, relaciona la velocidad de avance de la aeronave con la velocidad de rotación y el diámetro de la hélice. El vuelo estacionario se sitúa en J = 0. El despegue y el ascenso se sitúan en una J baja. El vuelo de crucero se sitúa bastante más arriba en la curva.
A medida que J cambia, el coeficiente de empuje, el coeficiente de potencia y la eficiencia de la hélice también cambian, y no de forma sutil. Los sistemas de propulsión suelen comportarse de manera muy diferente en las pruebas estáticas que en vuelo, que es precisamente la razón por la que las pruebas con flujo de aire se consideran un paso necesario en el desarrollo serio de drones, en lugar de un refinamiento opcional. Los trabajos publicados sobre túneles de viento informan de diferencias de eficiencia de hasta un 10 % entre las RPM más bajas y más altas probadas una vez que la relación de avance es distinta de cero.
La consecuencia práctica: una hélice que gana en el banco de pruebas puede perder en el vuelo de crucero, y la combinación motor-hélice que finalmente se entrega a menudo no es la que produjo el mejor dato estático.
2. Qué mide una prueba de propulsión adecuada
Un banco de pruebas montado dentro de un túnel de viento proporciona el mapa completo en lugar de un solo punto. Por lo general, se ejecutan dos tipos de campañas:
Rendimiento estático : empuje y par medidos en todo el rango de RPM a una velocidad del aire cero. Esta es la referencia y el caso de vuelo estacionario.
Rendimiento con flujo de avance : las RPM se ajustan a un valor fijo, la velocidad del túnel se incrementa por pasos, y el empuje y el par se registran en cada punto. Esto se repite para varias configuraciones de RPM. A partir de esto, se construyen el coeficiente de empuje, el coeficiente de potencia y la eficiencia frente a la relación de avance: las curvas que necesita cualquier cálculo de rendimiento real.
Se miden simultáneamente: el empuje, el par, la velocidad de rotación, la potencia eléctrica de entrada (voltaje y corriente) y la velocidad de referencia del túnel. La eficiencia sin la medición de la entrada eléctrica proporciona información sobre la hélice; con ella, se obtiene información sobre toda la cadena de propulsión, que es lo que realmente determina la autonomía.
3. Las correcciones que nadie menciona en la hoja de datos
Dos efectos contaminan los datos de la hélice en un túnel, y ambos tienen tratamientos establecidos:
Bloqueo. Una hélice no es un objeto pequeño en relación con una sección de ensayo, y acelera el flujo a través de sí misma. Las correcciones clásicas para el bloqueo de la hélice se remontan a Glauert (1926) y siguen siendo de uso habitual.
Velocidad local en el disco. Debido a que una hélice generalmente se prueba en un soporte tipo sting por delante de un carenado, la velocidad que realmente perciben las palas es menor que la velocidad medida en la entrada de la sección de ensayo, por lo que se debe aplicar un factor de corrección de velocidad.
Si se omite cualquiera de las dos, la curva de eficiencia será optimista de una manera que solo se evidenciará en las pruebas de vuelo, cuando la aeronave no logre alcanzar su cifra de autonomía.
4. ¿Banco de pruebas o túnel de viento?
| Pregunta | Banco de pruebas | Banco en un túnel de viento |
|---|---|---|
| Empuje en vuelo estacionario y barrido de RPM | Sí | Sí |
| Límites térmicos del motor y del ESC | Sí | Sí |
| Eficiencia en vuelo de crucero | No | Sí |
| Empuje disponible a velocidad de ascenso | No | Sí |
| Comparación de hélices para una misión real | Engañoso | Sí |
| Interacción rotor-rotor y rotor-célula | No | Sí , con el vehículo instalado |
| Relación entre ruido y empuje | No | Sí , en una sección con tratamiento acústico |
El banco de pruebas no se vuelve inútil: sigue siendo la herramienta adecuada para las pruebas de resistencia, la estabilización térmica y la selección de componentes. Simplemente no puede responder a las preguntas que determinan el alcance.
5. Qué exige esto de una instalación
Si las pruebas de propulsión son un caso de uso principal, las especificaciones del túnel cambian de maneras específicas:
- Calidad y estabilidad a baja velocidad. La parte interesante de la curva de relación de avance comienza cerca de cero, donde es más difícil producir un flujo uniforme a baja velocidad.
- Tamaño de la sección frente al diámetro del disco. Los límites de bloqueo establecen la hélice más grande que se puede probar de manera fiable; esta es la cifra que con mayor frecuencia obliga a redimensionar la sección en una etapa avanzada del proyecto.
- Un soporte rígido y bien alineado. La medición del empuje y el par es tan buena como la estructura que sostiene el motor, y la resonancia en el soporte (sting) aparecerá como ruido en los datos.
- Infraestructura eléctrica en el modelo. Suministro de alta corriente, manejo seguro de baterías e instrumentación que lo soporte.
- Adquisición sincronizada. Datos mecánicos, eléctricos y de flujo en una misma base de tiempo; de lo contrario, la eficiencia es una estimación, no una medición.
- Capacidad acústica opcional. El empuje por vatio y el ruido por empuje son las dos curvas que deciden si un diseño es certificable, por lo que vale la pena especificar una matriz de micrófonos junto a la balanza desde el principio en lugar de realizar una adaptación posterior (retrofit).
6. Cinco errores
- Comparar hélices por su empuje estático. La clasificación cambia con la relación de avance.
- Ignorar las correcciones de bloqueo y velocidad. Ambas inflan el rendimiento.
- Medir el empuje sin la potencia eléctrica. En ese caso, las predicciones de autonomía son meras suposiciones.
- Probar con un único valor de RPM. Los mapas de eficiencia necesitan varias.
- Probar la hélice sola y esperar que el vehículo coincida. Los efectos de interacción son reales y pueden ser considerables.
7. Desarrollo de la capacidad
La medición de la propulsión es uno de los usos de mayor valor de un túnel modesto: la sección puede ser pequeña, las velocidades bajas y el retorno de la inversión inmediato en el rendimiento de la aeronave. También es una primera capacidad natural para un fabricante de UAV que construye una infraestructura de pruebas interna.
Diseñamos túneles y secciones de ensayo exactamente en torno a este tipo de programas, con el montaje, la instrumentación y el suministro eléctrico planificados desde el concepto aerodinámico. Lecturas relacionadas:
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Indíquenos los tamaños de sus hélices y el rango de velocidades y le propondremos una sección y un conjunto de instrumentación.
Fuentes y notas
- Bancos de pruebas dentro de túneles de viento que miden el empuje, el par y la velocidad de rotación; campañas estáticas a lo largo de las RPM y campañas de flujo de avance a RPM fijas con velocidad de túnel escalonada; coeficientes y eficiencia trazados frente a la relación de avance; diferencias de eficiencia de hasta un 10 % entre las RPM probadas más bajas y más altas con una relación de avance distinta de cero; correcciones de bloqueo de Glauert (1926) y la corrección de velocidad para una hélice probada en un soporte tipo sting por delante de un carenado: "Wind Tunnel Study on Drone Propeller Thrust and Efficiency", Unmanned Systems Technology, "Measurement of Static and Dynamic Performance".
- Metodología de datos de rendimiento de hélices a números de Reynolds bajos: Brandt & Selig, AIAA 2011-1255; APC propeller test series, AIAA 2022-4020.
- Definiciones de empuje y coeficientes de rendimiento: Tyto Robotics, propeller performance coefficients.
- La orientación sobre las instalaciones (dimensionamiento de la sección frente al diámetro del disco, rigidez del soporte, adquisición sincronizada) es una práctica de ingeniería de TunnelTech.