Parte 2 - Departamento de Ingeniería Aeroespacial
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Introducción a la Ing. Aeroespacial Tema 5 – Propulsión Aérea Parte II: Propulsión por Hélice Sergio Esteban Roncero Francisco Gavilán Jiménez Departamento de Ingeniería Aeroespacial y Mecánica de Fluidos Escuela Superior de Ingenieros Universidad de Sevilla Curso 2013-2014 Introducción a la Ingeniería Aeroespacial 1 Geometría Ángulo que forma la cuerda del perfil con un plano perpendicular al eje de rotación de la hélice β - Ángulo de paso geométrico Punta (tip) Raíz (root) Cabeza (hub) Introducción a la Ingeniería Aeroespacial 2 Geometría - Ángulo de paso geométrico mayor en secciones próximas al cubo - Torsión necesaria para que cada sección -> ángulo de ataque adecuado - Razones estructurales: - secciones próximas al cubo mayor espesor relativo (respecto a las alas) - fuerzas centrífugas y momentos flectores - Poca importancia desde el punto de fuerzas aerodinámicas - cuerda disminuye rápidamente en el último c/4 -Máxima anchura r=(3/4)R Introducción a la Ingeniería Aeroespacial 3 Geometría - I Distribución de cuerda, espesor y paso geométrico en función del radio. c – cuerda p – paso geométrico t – espesor máximo u – velocidad circumferencial 𝒖 = 𝒓 𝛀 = 𝟐𝟐𝟐𝟐 n – revoluciones por unidad de tiempo r – radio en el que se encuentra la sección Introducción a la Ingeniería Aeroespacial 4 Geometría - II ϕ – ángulo de paso efectivo αg –ángulo de ataque geométrico p – paso geométrico pef – paso efectivo n – revoluciones por unidad de tiempo r – radio en el que se encuentra la sección En condiciones normales, eje de rotación y de dirección de vuelo coinciden: - componente axial V en la dirección del eje de rotación - componente circunferencial y paralela al plano de la sección ϕ – ángulo de paso efectivo El ángulo que forma la velocidad resultante de la sección con un plano perpendicular al eje de la hélice V- velocidad resultante de la sección con un plano perpendicular al eje de la hélice u – velocidad circunferencial Ángulo “ϕ” disminuye al aumentar “r” y varía con la condición de vuelo Introducción a la Ingeniería Aeroespacial 5 Geometría - III ϕ – ángulo de paso efectivo αg –ángulo de ataque geométrico J – parámetro de avance pef – paso efectivo p – paso geométrico J – parámetro de avance Para una hélice β conocido -> J define αg de las palas de la hélice Paso efectivo Distancia recorrida por vuelta en la dirección del eje de rotación Paso geométrico Sólo depende de la geometría del ala Introducción a la Ingeniería Aeroespacial 6 Geometría - IV Paso efectivo Paso efectivo adimensionalizado con el diámetro de la hélice Paso geométrico Paso geométrico sólo depende de la geometría de las palas Valores nominales Análisis de forma cualitativa de la necesidad de dar torsión Si se desea que todas las secciones tenga un 𝛼𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 Aumento de r, disminución β Introducción a la Ingeniería Aeroespacial 7 Hélices paso fijo y paso variable - I Paso geométrico - Paso ideal necesario para satisfacer requisitos de actuaciones - Paso ideal para bajas velocidades - Paso ideal altas velocidades ¡NO COMPATIBLES! - Hélices de velocidad constante - Paso geométrico varia automáticamente - Trabaja a la velocidad óptima de diseño Introducción a la Ingeniería Aeroespacial 8 Hélices paso fijo y paso variable - II Video 1 (Variable Pitch Video 2 (Variable Pitch Introducción a la Ingeniería Aeroespacial (RC-airplane)) (LEGO)) Hélices paso fijo y paso variable - III Introducción a la Ingeniería Aeroespacial Hélices paso fijo y paso variable - IV Introducción a la Ingeniería Aeroespacial Fuerzas aerodinámicas Las fuerzas aerodinámicas sobre la hélice: tracción + par - Tracción (T): componente en la dirección del eje de rotación - Par (Q): componente actuando en el plano perpendicular al eje de rotación 𝑑𝐹1 en la dirección del eje 𝑑𝐹2 perpendicular al eje fuerzas 𝑑𝐹1 y d𝐹1 ′ = 2𝑑𝐹1 en la dirección del eje (perpendicular a la diapositiva) Línea de puntos que une 𝑑𝐹2 y d𝐹2 ′ Par actuando equivalente a un par actuando en el en el plano del eje plano perpendicular al eje “Q” Tracción: fuerza propulsiva resultante de al suma de las contribuciones de los pares de elementos de superficie El par de la hélice se opone al movimiento de rotación y tiene que ser compensado por el motor Potencia suministrada a la hélice para mantener velocidad angular Ω Introducción a la Ingeniería Aeroespacial 12 Sistemas de arrastre - I Motor alternativo en estrella. Video Introducción a la Ingeniería Aeroespacial (Radial Engine) 13 Sistemas de arrastre – I - cont Introducción a la Ingeniería Aeroespacial 14 Sistemas de arrastre - II Motor alternativo en bóxer. Video Introducción a la Ingeniería Aeroespacial (Boxer Engine) 15 Sistemas de arrastre - III Ciclo de un motor alternativo de 4 tiempos 1) 2) 3) 4) Fase Fase Fase Fase de de de de admisión compresión combustión y expansión escape 1 2 3 4 5 6 Introducción a la Ingeniería Aeroespacial 16 Sistemas de arrastre - IV Ciclo de un motor alternativo de 2 tiempos Carrera de admisión y escape se substituye por un proceso de barrido Fase 1: combustión y expansión descubre conducto de evacuación abre el colector de admisión Introducción a la Ingeniería Aeroespacial Fase 2: Carrera de retorno del émbolo Barrido Cierra lumbrera admisión Obtura lumbrera de escape Comienza la compresión 17 Sistemas de arrastre - V Turboeje (turboshaft): Motor de turbina de gas que entrega su potencia a través de un eje. Introducción a la Ingeniería Aeroespacial 18 Sistemas de arrastre - VI Turbohélice Introducción a la Ingeniería Aeroespacial 19 Sistemas de arrastre - VII T56 Allison Introducción a la Ingeniería Aeroespacial Sistemas de arrastre - VIII Caja reductora T56 Introducción a la Ingeniería Aeroespacial Sistemas de arrastre - IX Allison T56 Introducción a la Ingeniería Aeroespacial Sistemas de arrastre - X Introducción a la Ingeniería Aeroespacial Sistemas de arrastre - XI A400 Introducción a la Ingeniería Aeroespacial 24 Sistemas de arrastre - XII Video (Test Motores) A400 Introducción a la Ingeniería Aeroespacial 25 Sistemas de arrastre - XIII An 70 Video Introducción a la Ingeniería Aeroespacial (Proppellers NASA) 26 Sistemas de arrastre - XI Turboejes: Compresor+cámara de combustión+ 1 ó 2 turbinas 1) 2) El aire se comprime compresor 3) 4) Hélice movida por la misma turbina El aire se comprime compresor Se mezcla con el combustible y se quema en la cámara de combustión El gas resultante se expande en la turbina Expansión suministra potencia necesaria para mover compresor + turbina Hélice movida por una segunda turbina Introducción a la Ingeniería Aeroespacial 27 Bibliografía [And00] J.D. Anderson. Introduction to flight. McGraw Hill, 2000. [Riv07] Damián Rivas. Aeronaves y Vehículos Espaciales, Febrero de 2007. Wikipedia: http://es.wikipedia.org http://en.wikipedia.org Introducción a la Ingeniería Aeroespacial 28
