Development of a Portable Electric Ducted Fan Test Stand

Year 2024, , 755 - 764, 30.09.2024

Emre Kara , Mustafa Çağatay Özyürek , Gamze Gülseren Ünal Hayta

https://doi.org/10.35234/fumbd.1436571

Abstract

This study aims to test electric ducted fans (EDF) at various power ratios and to determine EDF motor efficiency. Two servomotors were installed at nozzle inlet to control the thrust at specific angles (3°, -3°, 6°, and -6°). The EDF is placed on a slide mechanism, allowing it to move freely when powered. A load cell is used to measure the thrust produced in the direction of flow. The test setup allows the installation and removal of EDFs with different diameters. Computational fluid dynamics (CFD) analyses were conducted on steady flow at various rotational speeds. Z-direction thrust values were obtained and plotted for angled nozzle scenarios. CFD analyses produced velocity contours in YZ plane and three-dimensional pathlines based on the velocity values of the entire flow field. Nominal thrust values and standard deviations are provided for all angles and power percentages. Thrust value increases proportionally as the power percentage increases, as shown by the measurement of the thrust forces. Experimental results and CFD analysis results are consistent and closely aligned. Linear regression was performed on the experimental values obtained, the "regression coefficient" was obtained close to 1. This shows that linear regression between power percentage and thrust values is compatible.

Keywords

load cell, test stand, motor thrust force measurement, Electric ducted fan, Computational Fluid Dynamics

Project Number

HUBF.OKAP.22.02

Taşınabilir Bir Elektrikli Kanallı Fan Test Standı Geliştirilmesi

Abstract

Bu çalışmanın amacı, elektrikli kanallı bir fanın (EDF) farklı güç oranlarında verdiği itkileri test etmektir. Nozul girişine takılan iki servomotorun hareketiyle 3°, -3°, 6°, -6° açılarında itki yönlendirmesi yapılmıştır. Bu çalışma ile EDF motorların performans kapasitesinin belirlenmesi de amaçlanmıştır. Yapılan çalışmada, EDF motora güç verildiğinde, EDF üzerine yerleştirildiği kızaklı mekanizma sayesinde rahatça hareket edebilmekte ve ürettiği itki, yük hücresi vasıtası ile akış yönünde ölçülebilmektedir. Çalışmamızda geliştirilen test düzeneğine farklı çaplardaki EDF’lerin takılıp çıkarılması mümkündür. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) analizleri, daimi akış için farklı dönüş hızlarında elde edilmiştir. Ana çıktılar olan z-yönündeki itki değerleri açılı nozul senaryolarında kaydedilmiş ve grafik halinde verilerek görselleştirilmiştir. Ayrıca YZ düzleminde hız kontürleri ve üç boyutlu yolak çizgisi tüm akış alanı için hız değerlerine göre HAD analizler sonucunda gösterilmiştir. Nominal itki değerleri ve standart sapmaları farklı güç yüzdeleri için test edilen açılarda verilmiş ve aynı grafik üzerinde HAD analizi sonuçları karşılaştırma amacıyla gösterilmiştir. İtki kuvvetlerinin ölçümü sonucunda, güç yüzdesi arttırıldıkça orantılı bir şekilde itki değerinin artmakta olduğu gözlenmiştir. Deneysel sonuçlarla HAD analiz sonuçları birbirleriyle tutarlı ve yakındır. Elde edilen deneysel değerlere lineer (doğrusal) regresyon yapılmış ve “regresyon katsayısı” 1’e yakın elde edilmiştir. Bu durum güç yüzdesi ile itki değerleri arasında oluşturulan doğrusal regresyonun uyumlu olduğunu göstermektedir.

Keywords

Elektrikli kanallı fan, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği, motor itki kuvveti ölçümü, test standı, yük hücresi.

Supporting Institution

Gaziantep Üniversitesi

Project Number

HUBF.OKAP.22.02

Thanks

Projenin maddi kaynağı Gaziantep Üniversitesi Araştırma Projeleri Yönetim Biriminin (BAP) HUBF.OKAP.22.02 kodlu, aynı başlıklı öğrenci katılımlı araştırma projesinden (ÖKAP) sağlanmıştır.

References

• Zhao HW. Development of a dynamic model of a ducted fan VTOL UAV. PhD, RMIT University, 2009.
• Corva DM, Adams SD, Kouzani AZ. Variable‐geometry exit nozzle for improving static thrust of drones ducted fans. J Field Robot 2021; 38(8): 1092-1103.
• Abrego AI, Bulaga RW, Rutkowski M. Performance study of a ducted fan system. In: American Helicopter Society Aerodynamics, Acoustics and Test and Evaluation Technical Specialists Meeting; 23-25 January 2002; San Francisco, USA.
• Urban D, Kusmirek S, Socha V, Hanakova L, Hylmar K, Kraus J. Effect of electric ducted fans structural arrangement on their performance characteristics. Appl Sci 2023; 13(5): 2787.
• Salazar DM, Liou WW, Xu J. Development of a portable electric ducted fan engine lab for aircraft electric propulsion education. In: AIAA Propulsion and Energy 2020 Forum; p. 3910, 24-28 August 2020; Virtual conference.
• Yang S. 2009. CN102109418A Simulation test method and simulation test system for unmanned aerial vehicle (UAV) system. Espacenet Patent. https://worldwide.espacenet.com/patent/search/family/044173635/publication/CN102109418A?q=CN102109418A Yayın tarihi Haziran 2011. Erişim tarihi Temmuz 7, 2024.
• Yüzgeç U, Kesler M, Karakuzu C, Türkyılmaz T, Gün AR, Uçar G, Üçgün H, Ökten İ. 2016. İnsansız Hava Aracı Test Düzeneğinin Tasarımı ve Gerçekleştirilmesi. https://tinyurl.com/5h4uvsbx Yayın tarihi Eylül 2016. Erişim tarihi Temmuz 7, 2024.
• Küçüksezer HC, Sancaktar İ. Mikrodenetleyicili İHA uçuş test düzeneği tasarımı. Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi 2021; 8(2): 778-787.
• Baran EA, Hançer C, Çalıkoğlu E, Duman E, Çetinsoy E, Ünel M, Akşit MF. 2008. İnsansız hava araçları için test düzeneği tasarımı ve üretimi. https://tinyurl.com/3jes2rvb Yayın tarihi Kasım 2008. Erişim tarihi Temmuz 7, 2024.
• ANSYS Fluent. User’s Guide. https://tinyurl.com/mrxcbdnf. Yayın tarihi Temmuz 2021. Erişim tarihi Şubat 12, 2024.
• ANSYS Fluent. Theory Guide. https://tinyurl.com/3tmxvv3t. Yayın tarihi Temmuz 2021. Erişim tarihi Şubat 12, 2024.
• Arduino SA: “Arduino”. http://www.arduino.cc/ Erişim tarihi Şubat 12, 2024.
• CFD Analizleri için Y+. https://tinyurl.com/38hkw9hk Yayın tarihi Ekim 2022. Erişim tarihi Temmuz 7, 2024.