Aerodynamic interaction in a three-rotor "tandem" configuration

Abstract

[ES] El objetivo de este estudio es caracterizar y cuantificar de forma experimental el efecto de la interacción aerodinámica entre rotores "tándem" (ejes de rotación no coincidentes), especialmente en la potencia total suministrada y la pérdida de empuje en el rotor trasero. En estudios previos al presente, las mediciones fueron realizadas en un banco con dos postes verticales en cuyos extremos se colocan las hélices para el estudio de distintas configuraciones (conectadas a motores BLDC, motores eléctricos de corriente continua sin escobillas, con sensores de RPM, corriente y voltaje). Dichos postes están instrumentados (con galgas extensiométricas que miden la fuerza de empuje y el torque de cada rotor), y pueden variar su posición relativa en los ejes X e Y del plano perpendicular a ellos, de modo que se puede configurar una variación en la separación horizontal entre ejes de rotación y en la distancia vertical entre los planos de los rotores (originalmente este era el único grado de libertad entre postes puesto que el banco se diseñó para el estudio de configuraciones coaxiales). Además de estos dos parámetros, también se varían los diámetros de los rotores y la velocidad de rotación de los mismos. En el presente estudio, la configuración central del estudio es de tres rotores, uno en un plano distinto a los otros dos, produciéndose un doble solape entre los 3 discos atendiendo a la teoría clásica del Momento Lineal en la literatura de helicópteros. Dicha configuración requerirá un tercer poste en el banco para poder realizar los estudios paramétricos y de sensibilidad, y para así obtener curvas experimentales de variables de interés (como el coeficiente de superposición "K_overlap", la pérdida de empuje, la figura de mérito "FM" o la potencia total suministrada "P_tot") con los parámetros sujetos a estudio en esta disposición de rotores que se cree de interés para las aeronaves de ala rotatoria, en especial para los drones. Adicionalmente, también se llevan a cabo simulaciones CFD de ciertos casos de estudio para contrastar los resultados experimentales.

[EN] The goal of this study is to experimentally characterize and quantify the effect of the aerodynamic interaction between "tandem" rotors (non-coincident rotation axes), specially on the total power supplied and thrust loss on the back rotor. In previous studies, the measurements were taken in a bench provided with two vertical tubes in which respective ends the blades for the several studies are placed (connected to BLDC electric engines, brushless direct current engines with RPM, current and voltage built-in sensors). Said tubes are instrumented (with extensiometers that measure the thrust force and the torque in each rotor), and can change their relative position in the X and Y axes in the perpendicular plane to the tubes. This allows for a variation in the horizontal separation of rotation axes and in the vertical distance between the rotor planes (originally this was the only degree of freedom allowed between tubes since the bench was meant for coaxial configuration studies). In addition to those two parameters, different rotor diameters and their rotation speeds are also studied. In the present study, the central configuration subjected to study is that of three rotors, one of them in a different plane from the other two, entailing a double overlap between the 3 disks according to the classic Momentum Theory in the helicopter literature. The latter configuration will require a third tube in the bench in order to carry out the sensibility and parametric studies, so that experimental curves of variables of interest can be obtained (for instance the overlap coefficient "K_overlap", the thrust loss, the figure of merit "FM", or the total power supplied "P_tot") for the parameters subject to study in this particular display of rotors, that is believed to be of interest for rotary wing aircrafts, specially for drones. Additionally, some CFD simulations are carried out to be compared with the experimental results.