Diseño, construcción y automatización de un banco de ensayo para hélices de paso variable.

Abstract

Al momento de diseñar un sistema de propulsión para una aeronave, ya sea para una alta autonomía o mucha potencia, se busca que el sistema sea lo más eficiente posible, pero buscar la eficiencia para una condición especifica lleva a sacrificar la eficiencia en otro aspecto. Por los años 30 [1], la aviación ya encontró una solución a la obtención de un empuje óptimo para un sistema de hélice, el paso variable, el cual mejora la eficiencia de potencia a diferentes condiciones de vuelo, y la mejor forma para estudiar las capacidades de un sistema de propulsión con paso variable es mediante un banco de ensayos. El trabajo consiste rediseñar y construir un banco de ensayos capacitado para controlar y medir las capacidades de un sistema de propulsión con paso variable, por lo tanto la memoria comienza por un proceso de recopilación de información para validar la toma de decisiones a la hora de diseñar, es decir, un marco teórico enfocado en el diseño de una hélice y del sistema de control, y un estado del arte respecto al diseño y construcción de otros bancos de ensayos, limitado a una hélice de 7 in para aprovechar el túnel de viento ubicado en el Laboratorio de Técnicas Aeroespaciales (LTA). Una vez consolidada la propuesta, se procede por el mantenimiento y puesta en marcha del banco de ensayos. Se prepara un microcontrolador Arduino para el control de los componentes del sistema como lo son la ESC del motor y el servomotor de la hélice, sumado a los sensores para medir las revoluciones y el empuje, también se programa con la capacidad de enviar datos y ser compatible con un programa externo para el registro de dichos datos (RealTerm), además del presupuesto necesario para su construcción. Para finalizar, el banco de ensayos es sometido a diversas pruebas: la definición del rango de operación del sistema, la calibración del control PID mediante Ziegler-Nichols, el control del sistema mediante una única variable de control, lo que evidenció la mala calidad de los sensores utilizados y con consiguiente, la prueba final del control con multivariable descentralizado fue incapaz de estabilizarse en los valores de referencia entregados.

When designing a propulsion system for an aircraft, whether for high autonomy or high power, the aim is for the system to be as efficient as possible, but seeking efficiency for a specific condition leads to sacrificing efficiency in another aspect. By the 1930s [1], aviation already found a solution to obtain an optimal thrust for a propeller system, variable pitch, which improves power efficiency at different flight conditions, and the best way to study the capabilities of a variable pitch propulsion system is through a test bench. The work consists of redesigning and building a test bench capable of controlling and measuring the capacities of a propulsion system with variable pitch, therefore the memory begins with a process of gathering information to validate decision making at design time, that is, a theoretical framework focused on the design of a propeller and the control system, and a state of the art regarding the design and construction of other test benches, limited to a 7 in propeller to take advantage of the wind tunnel located in the Aerospace Techniques Laboratory (LTA). Once the proposal is consolidated, the maintenance and commissioning of the test bench is conducted. An Arduino microcontroller is prepared for the control of the system components such as the ESC of the motor and the servomotor of the propeller, added to the sensors to measure the revolutions and the thrust, it is also programmed with the ability to send data and be compatible with an external program for recording said data (RealTerm), in addition to the necessary budget for its construction. Finally, the test bench is subjected to various tests: the definition of the operating range of the system, the calibration of the PID control by means of Ziegler-Nichols, the control of the system by means of a single control variable, which shows the poor quality of the sensors used and consequently, the final test of the decentralized multivariable control was unable to stabilize in the reference values delivered.