6. Diseño conceptual Introducción Requisitos del diseño I

Requisitos
Diámetro
Vel. punta de pala
Solidez
Nº palas
Torsión
Distrib. de cuerda
Forma de punta
Requisitos
Diámetro
Vel. punta de pala
Solidez
Nº palas
Torsión
Distrib. de cuerda
Forma de punta
Requisitos del diseño I
El diseño de un helicóptero implica un entorno multidisciplinar.
Diseño civil: costes de operación y de compra bajos, alta seguridad,
elevada abilidad mecánica, mínimo mantenimiento, ruido mínimo y
confort de pasajeros.
Diseño militar: exibilidad operacional, adaptabilidad, elevada vida de
componentes, continuas actualizaciones y mejoras, vulnerabilidad y
capacidad de supervivencia.
Los requisitos generales del proceso de diseño de un helicóptero:
6. Diseño conceptual
6.1 Diseño conceptual del rotor principal
capacidad de vuelo a punto jo,
máxima carga de pago,
alcance y autonomía,
velocidad de crucero y máxima velocidad vuelo equilibrado,
actuaciones de ascenso,
maniobrabilidad y agilidad.
156
Requisitos
AAD (HE)
Diámetro
Vel. punta de pala
Solidez
Diseño
Nº palas
Torsión
Rotor ppal. Diseño
1 / 24
Distrib. de cuerda
Forma de punta
Introducción
1
Requisitos
2
Diámetro
3
Velocidad de punta de pala
4
Solidez
5
Número de palas
6
Torsión
7
Distribución de cuerda
8
Forma de punta de pala
AAD (HE)
Requisitos
AAD (HE)
Diámetro
Vel. punta de pala
Solidez
Diseño
Nº palas
Torsión
Rotor ppal. Diseño
3 / 24
Distrib. de cuerda
Forma de punta
Requisitos del diseño II
Restricciones generales en el proceso de diseño de un helicóptero
máxima carga discal del rotor principal,
máximo tamaño del helicóptero,
actuaciones con un motor inoperativo,
capacidad autorrotativa,
problemas de ruido,
detectabilidad,
certicación civil,
requisitos de aceptación militares.
Diseño
Rotor ppal. Diseño
2 / 24
AAD (HE)
Diseño
Rotor ppal. Diseño
4 / 24
Requisitos
Diámetro
Vel. punta de pala
Solidez
Nº palas
Torsión
Distrib. de cuerda
Forma de punta
Diseño del rotor principal
diámetro del rotor principal,
carga discal,
velocidad de punta de pala.
Geometría de la pala:
distribución de cuerdas,
número de palas,
torsión geométrica de la pala,
forma de la punta de la pala.
Secciones aerodinámicas (en rotores actuales la elección de diferentes
formas aerodinámicas en la pala suele ser un opción a considerar).
Solidez
Diseño
Nº palas
Torsión
Rotor ppal. Diseño
5 / 24
Distrib. de cuerda
Forma de punta
Diámetro I
Solidez
Nº palas
Torsión
Distrib. de cuerda
Forma de punta
Requisitos
AAD (HE)
Diámetro
Vel. punta de pala
Solidez
Diseño
Nº palas
Torsión
Rotor ppal. Diseño
7 / 24
Distrib. de cuerda
Forma de punta
Diámetro III
Variación con el peso:
En vuelo a punto jo, para un peso determinado, un diámetro grande
implica bajas cargas discales, menores velocidades inducidas y menores
potencias inducidas:
W 3/2
Pi 0 = √
2ρ A
Sin embargo, radio mayor implica
potencia parásita mayor. En tal caso
interesará que PL √
(PL = T /P ∝ FM / DL) sea máximo.
Como el máximo de PL es bastante
insensible a CT , se dispone de cierta
exibilidad para elegir un diámetro
próximo al óptimo y que satisfaga otras
restricciones.
AAD (HE)
Diseño
0.2
0.18
NACA TN−626 σ=0.0424
NACA TN−626 σ=0.0636
NACA TN−626 σ=0.0849
NACA TN−626 σ=0.1061
TEP σ=0.0424
TEP σ=0.0636
TEP σ=0.0849
TEP σ=0.1061
0.16
0.14
0.12
Cp / CT
157
Vel. punta de pala
Vel. punta de pala
El dimensionado preliminar debe considerar las actuaciones en
autorrotación. Grandes diámetros implican también buenas
características en autorrotación porque son capaces de almacenar
mayores cantidades de energía cinética rotacional.
Los inconvenientes de grandes diámetros de rotor son helicópteros más
grandes, pesos y costes más elevados, maniobrabilidad, etc...
Diámetros pequeños implican bujes más pequeños y ligeros, menor
potencia parásita, más ecientes en general en crucero y menores
deexiones estáticas de las palas. Este último motivo hace que
normalmente el diámetro del rotor principal se mantenga por debajo
de 24 m.
Dimensionado general:
AAD (HE)
Diámetro
Diámetro
Diámetro II
El diseño preliminar del rotor principal debe considerar los siguientes
aspectos
Requisitos
Requisitos
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
0
0
0.001
0.002
0.003
0.004
0.005
CT
0.006
0.007
Rotor ppal. Diseño
0.008
0.009
0.01
6 / 24
AAD (HE)
Diseño
Rotor ppal. Diseño
8 / 24
Diámetro
Vel. punta de pala
Nº palas
Solidez
Torsión
Distrib. de cuerda
Forma de punta
Diámetro IV
Requisitos
Diámetro
Generalmente, actuaciones en vuelo axial suelen beneciarse de grandes
diámetros.
Por contra, grandes diámetros dicultan el vuelo en avance.
Por tanto, los fabricantes de helicópteros deben intentar encontrar el
rotor con menor diámetro que satisfaga las especicaciones impuestas a
la aeronave.
158
AAD (HE)
Diámetro
Nº palas
Solidez
Torsión
Distrib. de cuerda
Forma de punta
Velocidad de punta de pala II
Resumen:
Requisitos
Vel. punta de pala
Velocidad de punta de pala
Requisitos
Vel. punta de pala
Solidez
Diseño
Nº palas
Torsión
Rotor ppal. Diseño
9 / 24
Distrib. de cuerda
Forma de punta
Velocidad de punta de pala I
en el lado de avance
(depende de la forma de la punta
y de los perfiles)
Punto de diseño
en el lado de retroceso
(depende de los perfiles)
Velocidad de avance
El límite de velocidad de punta de pala suele establecerse en el entorno
de 207 m/s.
Requisitos
AAD (HE)
Diámetro
Vel. punta de pala
Solidez
Diseño
Nº palas
Torsión
Rotor ppal. Diseño
11 / 24
Distrib. de cuerda
Forma de punta
Velocidad de punta de pala III
Ventajas de velocidades de punta de pala elevadas:
Entrada en pérdida. Para un área y coeciente de avance dados, si
aumenta la velocidad de giro disminuyen las velocidades en la zona de
retroceso y retrasan por tanto la entrada en pérdida aerodinámica.
Autorrotación. Se aumenta la capacidad de almacenar energía de
rotación y por tanto las actuaciones en autorrotación mejoran.
Par. Para una potencia dada, se obtienen menores pares motores por lo
que las cajas de engranajes y transmisión pueden ser más ligeras.
Inconvenientes:
Compresibilidad. Aumenta el mach de punta de pala y al acercarse al
mach de divergencia se produce un aumento de la potencia necesaria.
Reducir la velocidad de punta de pala permite alcanzar velocidades de
avance mayores antes de alcanzar el mach de divergencia.
Ruido. A medida que el mach de la punta de pala aumenta el ruido del
rotor se hace mayor.
AAD (HE)
Diseño
Rotor ppal. Diseño
10 / 24
AAD (HE)
Diseño
Rotor ppal. Diseño
12 / 24
Requisitos
Diámetro
Vel. punta de pala
Solidez
Nº palas
Torsión
Distrib. de cuerda
Forma de punta
Solidez del rotor I
Disminuir la solidez implica disminuir el margen para la entrada en
pérdida porque se incrementan el coeciente de sustentación medio y
local para una tracción dada.
159
AAD (HE)
Diámetro
Vel. punta de pala
Solidez
Diseño
Nº palas
Torsión
Rotor ppal. Diseño
13 / 24
Distrib. de cuerda
Forma de punta
Solidez del rotor II
Vel. punta de pala
Solidez
Nº palas
Torsión
Distrib. de cuerda
Forma de punta
La selección del número de palas se basa más en criterios estructurales
y dinámicos que en aerodinámicos.
Helicópteros ligeros suelen presentar 2 palas.
Helicópteros pesados suelen tener 4,5,6 palas.
Bajo número de palas reduce el peso total de palas y buje, disminuye
la resistencia del buje y proporciona mejor abilidad y facilidad de
mantenimiento.
Alto número de palas disminuye en general el nivel de vibraciones
transmitido a la estructura y reducen ligeramente las pérdidas de
punta de pala, pues para una misma tracción, se producen torbellinos
de punta de pala más débiles disminuyendo por tanto las cargas
debidas a la interacción entre torbellinos y pala.
Requisitos
AAD (HE)
Diámetro
Vel. punta de pala
Solidez
Diseño
Nº palas
Torsión
Rotor ppal. Diseño
15 / 24
Distrib. de cuerda
Forma de punta
Número de palas II
Dado que el inicio de la entrada en pérdida ja los límites de la
actuación del rotor, es fundamental proporcionar suciente margen
para permitir maniobras y control en presencia de ráfagas. La
especicación de este margen establece el valor mínimo de solidez. Por
ejemplo, un helicóptero de combate siempre necesitará un mayor
margen de entrada en pérdida que uno de transporte.
El inicio de la entrada en pérdida en el lado de retroceso también limita
las actuaciones del rotor.
Un rotor que emplee perles con coecientes de sustentación máximos
altos puede ser diseñado para tener menores solidez. Además, perles
de alta sustentación permiten disminuir la velocidad de punta de pala
para la misma solidez disminuyendo por tanto el ruido aerodinámico.
AAD (HE)
Diámetro
Número de palas I
Valores característicos σ ∼ 0,008 − 0,012.
En general, disminuir la solidez implica disminuir la resistencia de
forma y, por tanto, mejora la FM .
La solidez junto con el coeciente de tracción dan una medida del valor
medio del coeciente de sustentación. Recuérdese que: CT /σ = C¯L /6.
Valores característicos del coeciente medio de sustentación
C¯L ∼ 0,4 − 0,7.
La elección de la solidez requiere tener muy presente los límites de
entrada en pérdida:
Requisitos
Requisitos
Diseño
Rotor ppal. Diseño
14 / 24
Sin embargo, con un número de palas mayor, el número de posibles
interacciones entre pala y torbellino, aumenta. Esto afectará tanto a la
frecuencia como a la direccionalidad del ruido aerodinámico.
Las actuaciones en vuelo a punto jo apenas se ven afectadas por el
número de palas, siendo éste realmente secundario.
En general, el problema se complica y es difícil hacer generalizaciones.
AAD (HE)
Diseño
Rotor ppal. Diseño
16 / 24
Requisitos
Diámetro
Vel. punta de pala
Solidez
Nº palas
Torsión
Distrib. de cuerda
Forma de punta
Torsión geométrica de la pala I
Requisitos
Diámetro
Vel. punta de pala
Solidez
Nº palas
Torsión
Distrib. de cuerda
Forma de punta
Forma de la pala. Distribución de cuerda I
En vuelo a punto jo se ha demostrado que torsión negativa ayuda a
disminuir la potencia inducida. Por tanto, un uso apropiado de la
torsión geométrica ayuda a mejorar la FM .
Se ha estudiado que la forma de la pala, y la reducción de cuerda
hacia la punta mejora considerablemente las actuaciones en vuelo a
punto jo.
Pequeñas reducciones de cuerda en la zona de la punta pueden
traducirse en elevadas mejoras de la FM.
160
Requisitos
AAD (HE)
Diámetro
Vel. punta de pala
Solidez
Diseño
Nº palas
Torsión
Rotor ppal. Diseño
17 / 24
Distrib. de cuerda
Forma de punta
Torsión geométrica de la pala II
Requisitos
AAD (HE)
Diámetro
Vel. punta de pala
Solidez
Diseño
Nº palas
Torsión
Rotor ppal. Diseño
19 / 24
Distrib. de cuerda
Forma de punta
Forma de la pala. Distribución de cuerda II
Sin embargo, en vuelo de avance, elevadas torsiones negativas pueden
producir deterioro de las actuaciones. Esto es debido a que los ángulos
de ataque de la punta de pala del lado de avance se ven reducidos por
lo que se disminuye la tracción y por tanto la fuerza propulsiva.
La mayoría de los helicópteros presenta torsiones entre 8 y 15 grados.
Este rango parece ser el mejor compromiso para poder maximizar las
actuaciones de vuelo a punto jo y las de vuelo de avance.
Algunos fabricantes han elegido estrategias basadas en torsiones no
lineales o torsión doblemente lineal para conseguir reducir la torsión
efectiva o incluso invertirla cerca de la punta de la pala de forma que
se ayude a las actuaciones en vuelo de avance manteniendo las
actuaciones en vuelo axial.
AAD (HE)
Diseño
Rotor ppal. Diseño
18 / 24
AAD (HE)
Diseño
Rotor ppal. Diseño
20 / 24
Requisitos
Diámetro
Vel. punta de pala
Nº palas
Solidez
Torsión
Distrib. de cuerda
Forma de punta
Forma de la punta de pala I
Requisitos
Diámetro
Vel. punta de pala
Nº palas
Solidez
Torsión
Distrib. de cuerda
Forma de punta
Forma de la punta de pala III
Flecha aerodinámica:
Reduce el mach normal al borde de ataque de la pala permitiendo
alcanzar velocidades de avance mayores antes de que aparezcan efectos
de compresibilidad.
Modica tanto la formación del torbellino de punta de pala, su posición
cuando es arrojado a la estela, así como la estructura global de la
estela. El análisis de esta situación es motivo de parte de la
investigación actual. Se espera que la resolución de este problema
conduzca al diseño de palas óptimas que minimicen potencia inducida.
La cantidad de echa aerodinámica se suele mantener en valores bajos,
del orden de 20 grados, para evitar acoplamientos inerciales por
desplazamiento del centro de gravedad o por acoplamientos
aerodinámicos por retroceso del centro de presiones.
La forma de la punta de pala desempeña un papel fundamental en las
actuaciones del rotor debido a que:
la punta de la pala opera con los números de Mach y presiones
dinámicas más elevadas,
es donde se producen los torbellinos de punta.
El diseño de puntas de pala suele incorporar tres conguraciones
geométricas básicas:
(swept) echa,
(taper) estrechamiento o forma trapezoidal,
(anhedral) diedro.
161
Requisitos
AAD (HE)
Diámetro
Vel. punta de pala
Solidez
Diseño
Nº palas
Torsión
Rotor ppal. Diseño
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Distrib. de cuerda
Forma de punta
Forma de la punta de pala II
Requisitos
AAD (HE)
Diámetro
Vel. punta de pala
Solidez
Diseño
Nº palas
Torsión
Rotor ppal. Diseño
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Distrib. de cuerda
Forma de punta
Forma de la punta de pala IV
Estrechamiento:
Se ha demostrado experimentalmente que la combinación de perles y
de formas trapezoidales de punta de pala minimiza la potencia de
forma y mejora la eciencia global del crucero a altas velocidades.
Diedro:
Consigue básicamente reducir la interferencia aerodinámica entre las
palas, ya que permite alejar el torbellino de punta entre cada pala así
como una reducción de la intensidad de dicho torbellino.
AAD (HE)
Diseño
Rotor ppal. Diseño
22 / 24
AAD (HE)
Diseño
Rotor ppal. Diseño
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