Hélices tripales GWS 8x4 et 9x5 DD

Toujours par curiosité pour les hélices tripales ou plus, je me suis offert quelques hélices de la marque GWS, dans l'espoir de tomber sur des hélices bipales et tripales ayant des pales identiques en forme et calage.

J'ai donc reçu des "échantillons" de GWS 8x4 et 9x5 Direct Drive (DD) en bi et tripale.

Always by curiosity for 3 blades or more propellers, I offered myself some GWS propellers, in the hope of hitting 2 blades and 3 blades propellers with blades identical in shape and twist.

So I received "samples" of 9x5 and 8x4 GWS Direct Drive (DD) 2 and 3 blades propellers.

GWS 8x4DD:

Les GWS DD sont très fines et légères, l'épaisseur relative doit être inférieur à 10 %. Le profil est légèrement cambré, le bord d'attaque n'est pas arrondi, ce qui est plutôt étrange et inhabituel. Les pales sont souples, elles semblent même fragiles. Une des 9x5x3 avait d'ailleurs une pale tordue, pointant visiblement plus vers l'avant que les 2 autres (celle-là je l'ai pas fait tourner!).

Je n'ai aucune idée de la vitesse de rotation maxi recommandée, les seules info que l'on trouve parle de la formule "widely accepted" de 100000/diamètre, soit 100000/8 = 12500 tr/min pour la 8x4 et 100000/9 = 11111 tr/min pour la 9x5 (les hélices APC sont recommandées à moins de 145000/diamètre tours/min). La formule semble raisonnable...

The GWS DD are very thin and light, the relative thickness must be less than 10%. The airfoil is slightly cambered, the leading edge is not rounded, which is rather strange and unusual. The blades are flexible, they even seem fragile. One of the 9x5x3 also has a bented blade, pointing visibly more forward than the other 2 (that one I did not rotate!).

I have no idea of ​​the recommended maximum speed, the only info found speaks of the "widely accepted" formula of 100000/diameter or 100000/8 = 12500 rpm for the 8x4 and 100000 / 9 = 11 111 rpm for the 9x5 (APC propellers are recommended for max of 145000/diameter). The formula seems reasonable ...

J'ai donc passé chacune des 4 hélices dans la soufflerie, pour des tests à basse vitesse. 

La procédure est la même que d'habitude. Les valeurs en statiques sont faites avec la porte de la soufflerie ouverte, histoire d'interdire la circulation de l'air dans la veine. La vitesse de l'air la plus basse est obtenue par la seule rotation de l'hélice testée, il est probable que cette solution amène à sous estimer la vitesse réelle au niveau de l'hélice compte tenu de la position de l'anémomètre. Ensuite le moteur de la soufflerie est mis en route et la vitesse progressivement augmentée tout au long du test. La vitesse de rotation de l'hélice testée augmente également dû à la diminution de la charge sur le moteur électrique.

La vitesse de l'air est mesurée par l'anémomètre de poche, calibré. L'avantage est que ce genre d'anémomètre n'est pas influencé par la densité de l'air.

La vitesse de rotation de l'hélice est data loggée par l'Eagle Tree V4 (mesure de la fréquence des impulsions de la FCEM aux bornes du moteur).

La poussée est mesurée par une balance calibrée (application d'une force connue et comparaison avec la valeur indiquée par la balance). La traînée du support du moteur est prise en compte.

La puissance à l'axe est déduite des données "électriques" du moteur (tension & courant, courant à vide) et de sa vitesse de rotation, data loggées. La méthode se base sur l'approche Drive Calcienne, bien éprouvée (voir les discussions du groupe yahoo dédié entre autre au logiciel de Christian Persson et Helmut Schenk, et aussi les diverses expériences perso trouvables sur ce blog).

So I put all 4 propellers in the wind tunnel for testing at low speed.

The procedure is the same as usual. Static values ​​are made with the wind tunnel's door open, in order to prevent the air from flowing into the vein. The lowest air velocity is achieved solely by the rotation of the tested propeller, it is likely that this solution leads to underestimate the actual speed at the propeller due to the position of the anemometer. Then the wind tunnel's motor is switched on and the speed gradually increased throughout the test. The rotational speed of the tested propeller increases due to the decrease in the load on the electric motor.

The air velocity is measured by the anemometer, pocket sized. The advantage is that this type of anemometer is not influenced by the density of the air.

The rotational speed of the propeller is logged by an Eagle Tree V4 (measuring the pulse frequency of the bEMF at the motor terminals).

The thrust is measured by a calibrated scale (applying a known force and comparison with the value indicated by the scale). The drag of the motor support is taken into account.

The power at the shaft is inferred from the motor's "electrical" data (voltage & current, no-load current) and its rotational speed, data logged. The method is based on the same approach as Drivecalc, well proven (see discussions on the yahoo group dedicated to this software by  Christian Persson and Helmut Schenk, and also my personal experiments on this blog).

Est-ce que ce bricolage peut être précis ?

Does this hack can be accurate?

Les données récoltées sont importées dans un tableur qui génère alors les coefficients de poussée et de puissance de l'hélice.

La vitesse de l'hélice augmente au fur et à mesure que la vitesse de l'air augmente, ce n'est pas l'idéal mais je n'ai pour l'instant pas d'autre solution valable.

Les vitesses moyennes pour chaque test sont:

GWS 8x4x2: 6802 tr/min

GWS 8x4x3: 6909 tr/min

GWS 9x5x2: 6544 tr/min

GWS 9x5x3: 6559 tr/min

The collected data are imported into a spreadsheet that generates the coefficients of thrust and power of the propeller.

The propeller's speed increases gradually as the air velocity increases, this is not ideal but I have so far no other viable option.

Average speeds for each test are:

GWS 8x4x2: 6802 rpm

GWS 8x4x3: 6909 rpm

GWS 9x5x2: 6544 rpm

GWS 9x5x3: 6559 rpm

GWS 8x4DD:

Coefficient de poussée - hélice GWS 8x4DD 2-blade:

Thrust coefficient - Propeller GWS 8x4DD 2-blade:

Coefficient de puissance - hélice GWS 8x4DD 2-blade:

Power coefficient - Propeller GWS 8x4DD 2-blade:

Efficience - hélice GWS 8x4DD 2-blade:

Efficiency - Propeller GWS 8x4DD 2-blade:

Coefficient de poussée - hélice GWS 8x4DD 3-blade:

Thrust coefficient - Propeller GWS 3-blade 8x4DD:

Coefficient de puissance - hélice GWS 8x4DD 3-blade:

Power coefficient - Propeller GWS 3-blade 8x4DD:

Efficience - hélice GWS 8x4DD 3-blade:

Efficiency - Propeller GWS 3-blade 8x4DD:

Les données semblent indiquer que les hélices 8x4 bipales et tripales ont bel et bien le même pas, donc à priori le même calage, permettant une comparaison directe. Cette dernière retrouve la tendance déjà entrevue, le nombre de pales influence directement l'efficience de l'hélice, bien plus que pour les hélices "grandeurs". La poussée est notamment bien plus impactée que la puissance. 

The data suggest that the 2-blades and 3-blades 8x4 propellers have indeed the same twist, allowing a direct comparison. This latter find the same trend that has already been seen, the number of blades directly affects the efficiency of the propeller, far more than "full size" propellers. The thrust is particularly impacted, more than power.

Coefficients de poussée et de puissance, par pale, pour les GWS 8x4DD:

Coefficients of thrust and power per blade, for GWS 8x4DD:

(Notons, que le pas ne semble pas être exactement exactement le même.)

(Note, that pitch might not be exactly exactly the same.)

Un autre sujet digne d'intérêt est la comparaison entre les hélices GWS DD et les hélices APC thin electric. En ce qui concerne les hélices 8x4 (8 pouces de diamètre et 4 pouces de pas), la première chose qui saute aux yeux est la grosse différence de pas, l'APC ayant un calage sensiblement plus important. D'autre part, la GWS bipale, comparée à son "équivalent" APC, semble plutôt bien tenir la route, l'efficience max étant certes plus faible mais pas étonnante compte tenu de la différence de pas.

Another topic of interest is the comparison between the GWS DD propellers and the APC Thin Electric propellers. Regarding the  8x4 propeller (8 inches in diameter and 4 inches of pitch), the first thing that jumps out is the big difference of pitch which is significantly higher for the APC. The 2-blades GWS compared to its "equivalent" from APC seems rather well into the road, max efficiency is lower, but certainly not surprising given the difference in pitch.

Coefficient de poussée (rouge = GWS 8x4x2DD, bleu = GWS 8x4x3DD, vert = APC 8x4x2E):

Thrust coefficient (red = GWS 8x4x2DD , blue = GWS 8x4x3DD, green = APC 8x4x2E):

Coefficient de puissance (rouge = GWS 8x4x2DD, bleu = GWS 8x4x3DD, vert = APC 8x4x2E):

Power coefficient (red = GWS 8x4x2DD , blue = GWS 8x4x3DD, green = APC 8x4x2E):

Efficience (rouge = GWS 8x4x2DD, bleu = GWS 8x4x3DD, vert = APC 8x4x2E):

Efficiency (red = GWS 8x4x2DD , blue = GWS 8x4x3DD, green = APC 8x4x2E):

GWS 9x5DD:

La 9x5 est plus décevante puisque le pas de la bipale et de la tripale sont visiblement différent, on retrouve quand même la tendance à une moindre efficience de la tripale.

The 9x5 is more disappointing since the 2-blades and 3-blades are visibly different in pitch, there is still a tendency to a lower efficiency of the 3-blades propeller.

Coefficient de poussée - hélice GWS 9x5DD 2-blades:

Thrust coefficient - Propeller GWS 9x5DD 2-blades:

Coefficient de puissance - hélice GWS 9x5DD 2-blades:

Power coefficient - Propeller GWS 9x5DD 2-blades:

Efficience - hélice GWS 9x5DD 2-blades:

Efficiency - Propeller GWS 9x5DD 2-blades:

Coefficient de poussée - hélice GWS 9x5DD 3-blades:

Thrust coefficient - Propeller GWS 9x5DD 3-blades:

Coefficient de puissance - hélice GWS 9x5DD 3-blades:

Power coefficient - Propeller GWS 9x5DD 3-blades:

Efficience - hélice GWS 9x5DD 3-blades:

Efficiency - Propeller GWS 9x5DD 3-blades:

Coefficient de poussée (bleu = GWS 9x5x2DD, vert =  GWS 9x5x3DD ):

Thrust coefficient (blue = GWS 9x5x2DD, green = GWS 9x5x3DD):

Coefficient de puissance (bleu = GWS 9x5x2DD, vert =  GWS 9x5x3DD ):

Power coefficient (blue = GWS 9x5x2DD, green = GWS 9x5x3DD):

Efficience (bleu = GWS 9x5x2DD, vert =  GWS 9x5x3DD ):

Efficiency (blue = GWS 9x5x2DD, green = GWS 9x5x3DD):

La GWS 9x5DD bipale faisant partie de la base de donnée de l'UIUC, on peut faire une comparaison des résultats obtenus : 

The 2-blades GWS 9x5DD being part of the UIUC database, we can make a comparison of the results:

Coefficient de poussée (bleu = aerotrash, rouge =  UIUC):

Thrust coefficient (blue = aerotrash, red = UIUC):

Coefficient de puissance (bleu = aerotrash, rouge =  UIUC):

Power coefficient (blue = aerotrash, red = UIUC):

Efficience (bleu = aerotrash, rouge =  UIUC):

Efficiency (blue = aerotrash, red = UIUC):

Comments

[Bernard]

So whats the best bi or tripale in term of power

[Guillaume]

Hi, for the GWS 8x4 and 9x5, the 2 blades prop is more efficient at nearly every airspeed/rpm so I would stick to 2 blades. You can reach the same amount of output power with a 2 blades prop spinning a bit faster than a 3 blades one, but with less input power : more thrust at the same airspeed but with less amps.
This may not be true with every kind of propeller, especially the larger ones.
More about 2, 3 and 4 blades propellers here :
http://aerotrash.over-blog.com/2015/02/2-blade-vs-3-blade-and-4-blade-propellers.html

[Bernard]

So what is the conclusion ?
Do you recommend bi or tripale ?