AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros

Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros.
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Aerodinos de alas giratorias
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•
•
•
•
Convertibles:
– Alas inclinadas (tilt‐wing)
– Rotores inclinados (tilt‐rotor)
Autogiro.
Girodino.
Helicóptero
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Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
Convertibles
•
•
•
•
•
Un único sistema de alas giratorias proporciona sustentación y empuje.
El cambio de funcionalidad lo consigue mediante el cambio de orientación de este
sistema.
Durante el despegue las alas giratorias proporcionan la tracción en dirección
vertical.
En el vuelo en crucero las alas giratorias se reorientan ocupando un plano
ligeramente vertical, generando un empuje horizontal y una sustentación.
La sustentación en vuelo de crucero proviene del sistema de alas giratorias y de
alas fijas.
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Convertible. Rotor inclinable.
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•
Convertible con rotores inclinables (tilt‐
rotor) montados en alas.
– Despegue y aterrizaje: rotores
producen tracción vertical.
– Crucero: los rotores se inclinan para
producir el empuje necesario.
– Considerables velocidades de avance:
550 kmh .
– Dificultades aeroelásticas en el
proceso de conversión.
– Incremento de peso y de complejidad
mecánica.
Bell-XV-3
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Convertible. Ala inclinable
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•
Convertible con alas inclinables (tilt‐wing) en las que se han montado hélices
propulsoras.
– Vuelo en avance: hélices proporcionan el empuje.
– Vuelo vertical: se inclina el ala para que las hélices proporcionen
sustentación.
– Pilotaje dificultoso debido a entrada en pérdida durante el proceso de
conversión.
– Eje de rotación sobre el cuerpo de la aeronave: permite ahorrar peso y
ganar sencillez con respecto a los rotores inclinables.
Canadair CL-84
Hiller X-18
Bertol VZ Boeing
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Autogiro
•
La fuerza de sustentación se obtiene mediante el proceso de autorrotación.
•
Un rotor que es capaz de girar libremente (no consume potencia) es
atravesado por un flujo de aire que provoca la rotación de las palas,
obteniendo así la sustentación.
•
La propulsión se consigue mediante una hélice conectada a un motor. Esta
aeronave no tiene capacidad de realizar vuelo a punto fijo.
MT-03
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Helicóptero
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•
•
•
Dispone también de dos sistemas de alas giratorias y accionados por un
motor.
La diferencia es que el sistema de alas giratorias responsable de crear la
sustentación también es el responsable de crear el empuje necesario para
el vuelo.
El otro sistema de alas giratorias se encarga de proporcionar el par
necesario para contrarrestar el par que crea el rotor principal.
H145 EC-145 T2
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Helicóptero
•
De entre todas las aeronaves VTOL (de despegue y aterrizaje vertical), el
helicóptero destaca por su elevada eficiencia para el vuelo a punto fijo y
vertical (vuelo axial).
•
El vuelo axial de los helicópteros será controlado mediante la articulación
de paso colectivo de su rotor principal.
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Requerimientos relativos de empuje y potencia
•
Frente a las aeronaves de ala fija, los helicópteros requieren de mayores empujes
para mantener el vuelo.
•
En los helicópteros, el empuje necesario será igual al peso durante el vuelo a
punto fijo, frente al pequeño empuje necesario en las aeronaves de ala fija. En
vuelo con aceleración ascensional o vuelo en avance, por supuesto, los
requerimientos de empuje son incluso mayores.
•
Frente a otras aeronaves VTOL, los requerimientos de empuje son similares
durante el vuelo a punto fijo o vertical: el empuje volverá a ser igual al peso, o algo
superior, cuando haya aceleraciones ascensionales.
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Requerimientos relativos de empuje y potencia
•
Sin embargo, los requerimientos de potencia suelen ser menores para una misma
carga de pago: otras aeronaves con capacidad para volar a punto fijo durante
elevados periodos de tiempo, como las de ala o rotor basculante, requieren de
estructuras y mecanismos más pesados que penalizan la operación.
•
Otras aeronaves, como las de chorro deflactado, sólo pueden hacer uso de los
elevados empujes necesarios para el vuelo a punto fijo durante pequeños periodos
de tiempo, y requieren de grandes consumos energéticos.
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Ventajas y limitaciones de los helicópteros
•
Definición: aeronave de alas giratorias (rotor) que proporcionan:
– Sustentación.
– Propulsión.
– Control.
y que permiten a la aeronave mantenerse en vuelo a punto fijo sin necesidad
de una velocidad de vuelo que genere estas fuerzas.
•
Ventajas:
– Elevada capacidad de maniobra.
– Alta eficacia en la realización del vuelo vertical, vuelo a punto fijo, vuelo
vertical ascendente y descendente (despegue y aterrizaje).
•
Limitaciones
– Baja velocidad de crucero.
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Ventajas y limitaciones de los helicópteros
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•
La característica más valorada de las actuaciones de un helicóptero es su
capacidad de maniobra:
– Agilidad.
– Operación cerca del suelo.
– Vuelo a punto fijo.
– Vuelo a velocidades lentas.
– Posibilidad de aterrizar y despegar verticalmente o en espacios muy
reducidos y de difícil acceso.
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Clasificación según su misión
•
Militares:
– Combate aéreo.
– Apoyo táctico.
– Observación.
•
Civiles:
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Clasificación según sus características de diseño
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Helicóptero. Configuración helicópteros. Convencional
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•
Un rotor situado en la parte trasera equilibra el momento de reacción
producido por el rotor principal.
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Helicóptero. Configuración helicópteros. Tándem
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•
•
•
Dos rotores situados en la parte delantera y trasera de un fuselaje
alargado.
Limitada agilidad de maniobra.
Pérdidas por interferencia entre rotores del orden de la potencia
consumida por el rotor antipar.
Bristol Belvedere
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Helicóptero. Configuración helicópteros. Coaxial
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•
•
•
•
Un rotor sobre otro rotor compartiendo un mismo eje y girando en
sentidos contrarios.
Automáticamente se equilibran los pares.
Elevada complejidad mecánica.
Elevada dificultad control.
Ka-27
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Helicóptero. Configuración helicópteros. Lateral
•
•
Dos rotores montados en las extremidades de las alas.
Problemas de integridad estructural debido a resonancia de las turbinas
montadas en las extremidades de las alas.
Mil-V-12
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Helicóptero. Configuración helicópteros. Entrecruzada
•
•
•
Dos rotores montados en ejes separados y oblicuos.
Elevada complejidad mecánica.
Complejo mecanismo de control.
Kman K-MAX
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Helicóptero. Configuración helicópteros. NOTAR
•
•
Aire eyectado a través de la parte trasera.
Empleado únicamente por McDonnell‐Douglas
Hughes 500 MD NOTAR
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Parámetros característicos I
Diámetro del rotor principal
D
m
7 - 24
Cuerda media del rotor principal
c
m
0,2 – 0,9
Número de palas rotor principal
b
Velocidad de punta de pala
V
Carga discal (peso por unidad de área)
2-6
m/s
170 - 250
DL
Pa
125 - 700
Diámetro de rotor antipar
D
m
1-6
Velocidad de avance
V
km/h
150 - 330
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Retos tecnológicos iniciales
•
Desconocimiento de la aerodinámica del vuelo vertical: ¿potencia
necesaria?
•
Relación potencia/peso del motor: motores de combustión interna.
•
Peso de la estructura: materiales ligeros.
•
Compensación del par rotor: sistemas sencillos.
•
Estabilidad y control de la aeronave: articulación de batimiento y control
cíclico.
•
Vibraciones: integridad estructural.
•
Supervivencia frente a fallo: autorrotación.
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Aerodinámica: potencia inducida
•
La conservación de cantidad de movimiento implica que el rotor debe
acelerar y mover hacia abajo una corriente inducida. Esto se
consigue mediante el movimiento de las palas.
•
Potencia inducida: aumento de energía cinética por unidad de
tiempo. La potencia inducida representa el precio a pagar para
mantener una aeronave en vuelo.
•
Se demostrará que la potencia inducida en un helicóptero es
inversamente proporcional al radio del rotor.
•
Cargas discales pequeñas implican potencias inducidas pequeñas y,
por tanto, alta eficiencia.
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Aerodinámica: asimetría en avance I
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Aerodinámica: asimetría en avance II
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•
Vuelo axial:
– Axil simétrico:
•
0
Vuelo de avance:
– Dependencia con el ángulo de azimut de las magnitudes.
– Desequilibrio de fuerzas: tendencia a producir momento de alabeo.
– Velocidades elevadas en la zona de avance: Ψ
⁄ .
⁄ y zona de
– Velocidades pequeñas en la zona de retroceso: Ψ
inversión de flujo.
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Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
Aerodinámica: entorno complejo I
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Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
Aerodinámica: entorno complejo II
•
Vuelo de avance: torbellinos de punta pala permanecen cercanos al plano
del rotor creando flujos 3D fluctuantes.
•
Lado de avance (efectos):
– Régimen transónico, zonas de compresibilidad y posibles ondas de
choque.
– Mayor potencia requerida, mayor ruido.
– Limita la velocidad de vuelo de avance.
•
Lado de retroceso (efectos):
– Entrada en pérdida dinámica.
– Pérdida de sustentación, propulsión, fuente de ruido, cargas
fluctuantes.
– Limita la velocidad de vuelo de avance.
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Aerodinámica: entorno complejo III
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•
Interacciones aerodinámicas:
– Interacción pala con vórtices de punta de pala.
– Interacción de la estela del rotor con la estructura.
– Interacción de la vórtices de punta de pala del rotor con el rotor antipar.
– Interacción de la vórtices de punta de pala con el estabilizador horizontal.
– Interacción de la estela del buje con la estela del rotor.
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Configuración rotor principal
•
Las palas se caracterizan por:
– Longitud grande para conseguir bajas cargas discales.
– Relación de aspecto elevada para conseguir elevadas eficacias aerodinámicas.
•
Esto implica que las palas deben presentar elevada flexibilidad.
•
Las palas soportan el peso del helicóptero, por lo que se ven sometidas a fuerzas
aerodinámicas considerables. Estas fuerzas pueden producir:
– Grandes cargas estructurales sobre el encastre de las palas
– Grandes desplazamientos de las palas.
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Control de vuelo
•
El rotor es el responsable final del control de vuelo.
•
El piloto debe ser capaz de controlar el vector tracción en módulo y dirección.
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Control de vuelo. Mandos
•
Responsables de controlar la posición, velocidad y orientación de la aeronave:
– Control vuelo axial
– Control longitudinal
– Control lateral
– Control direccional
•
Control colectivo: impone un paso independiente de la posición azimutal θ ψ
θ .
•
Control cíclico: impone un paso dependiente de la posición azimutal.
•
Pedales: imponen un paso independiente de la posición azimutal en el rotor antipar.
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AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
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Control de vuelo. Control colectivo
•
Para controlar la aceleración ascensional, el helicóptero ha de modificar el paso
colectivo de su rotor principal.
•
Si se quiere aumentar la aceleración ascensional (por ejemplo, para pasar de vuelo
a punto fijo a velocidad vertical positiva), es necesario aumentar el paso colectivo.
De este modo, para una altitud dada, al aumentar el paso colectivo subirá el valor
de C en todas las secciones y, por tanto, el empuje será superior al peso.
•
En cuanto el helicóptero vaya ganando velocidad vertical, la velocidad de la
corriente de aire que pasa por el disco respecto a las palas irá aumentando en
módulo, lo que irá reduciendo el ángulo de ataque: un aumento del paso colectivo
primero genera una aceleración vertical, pero pronto la aceleración se reduce
hasta llegar a una velocidad de ascenso constante.
•
Si se quiere seguir acelerando, será necesario ir aumentando poco a poco el
ángulo de paso colectivo.
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AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
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Control de vuelo. Control colectivo
•
Al aumentar el empuje del rotor aumentando su paso colectivo, también se
generará más resistencia inducida. Para compensar esto, la potencia generada
por los motores tendrá que subir mientras se aumenta el paso colectivo, o el
régimen de giro del rotor caerá.
•
Así, el control de paso colectivo controla la altitud de vuelo a punto fijo:
pasos colectivos pequeños suponen un vuelo a punto fijo a baja altitud,
mientras que pasos colectivos grandes suponen un vuelo a punto fijo a alta
altitud.
•
La máxima altitud estará limitada, si no lo hace antes el propio motor, por el
coeficiente de sustentación máximo proporcionado por las palas del rotor y
su entrada en pérdida.
•
El efecto suelo aumenta la sustentación generada por las palas: en efecto
suelo es posible aumentar el techo de vuelo y la altitud de vuelo para un
determinado paso colectivo. Se puede volar a más altitud que la del techo de
vuelo normal si se mantiene una altura pequeña.
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Control de la altitud de vuelo
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•
En realidad, tras aumentar el paso colectivo ocurren los siguientes procesos:
– Primero, aumenta la aceleración vertical.
– La aceleración decrece hasta llegar a ser nula cuando la velocidad de la
corriente reduce el ángulo de ataque hasta que el empuje vuelve a ser igual al
peso.
– La densidad atmosférica decrece al ir aumentando la altitud. Ya que el empuje
es proporcional a dicha densidad, el helicóptero pierde velocidad vertical.
Pero si la velocidad vertical decrece, el ángulo de ataque crece: el helicóptero
se va frenando suavemente desde su velocidad ascensional máxima tras unos
pocos segundos después del aumento del paso colectivo.
– Llegará un momento en el que la velocidad vertical se vuelva cero y el
helicóptero vuelva a volar a punto fijo.
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Control de vuelo. Control cíclico
•
Proporciona control longitudinal y lateral.
•
La palanca se empuja en la dirección en la que se desea el vuelo.
•
Cambia el ángulo de ataque de las palas de forma independiente mediante la
inclinación del rotor en determinadas posiciones de azimut.
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AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
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Control de vuelo. Pedales
•
Proporciona guiñada o control direccional.
•
Modifica el empuje de rotor de cola mediante el cambio de paso colectivo del
rotor antipar. Como se indica en la figura, si se produce un aumento en el empuje
del rotor en el sentido de la flecha, la aeronave efectuará un movimiento de
guiñada como el indicado.
•
El pedal se pisa en la dirección requerida.
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AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
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Autorrotación
•
Régimen de funcionamiento en el que la rotación del rotor es mantenida sin la
aplicación de un par motor.
•
La corriente incidente es la responsable de proporcionar la energía necesaria para
mantener la rotación del rotor.
•
Fundamental para recuperar la condición de vuelo seguro en situaciones de
emergencia debidas a la pérdida de motor y/o transmisión.
•
El rotor en autorrotación puede ser tan efectivo como un paracaídas del mismo
diámetro que el del rotor.
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Requerimientos relativos de empuje y potencia
•
La elevada envergadura de las palas de los helicópteros asegura que, para un
empuje dado, éste se consiga moviendo grandes masas de aire a
velocidades relativamente pequeñas, perdiéndose así poca energía en
aumentar la energía cinética del aire y obteniéndose unos buenos
rendimientos.
•
El cociente entre el empuje producido por el sistema propulsivo de una
aeronave y la superficie de la sección por la que pasa el aire usado como
masa de reacción se conoce como carga discal, y es un parámetro con el que
la eficiencia propulsiva está muy relacionada: cargas discales bajas suelen
estar asociadas a eficiencias altas, mientras que cargas discales grandes
suelen estar asociadas con eficiencias bajas.
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Estructura.
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•
Estructura o célula (airframe) en un helicóptero monorrotor convencional
compuesta de:
– Fuselaje.
– Tren de aterrizaje.
– Puro de cola.
– Cubiertas del motor y transmisión principal.
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Estructura. Ejemplo
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Estructura. Ejemplo
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Estructura. Partes principales
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Configuración básica de un helicóptero convencional
•
•
•
•
•
•
•
•
Tren aterrizaje.
Estructura.
Cabina.
Sistema motor.
Transmisión.
Rotores.
Controles de vuelo.
Sistemas auxiliares: hidráulico, eléctrico, instrumentación, aceite, combustible.
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Fuselaje delantero
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Fuselaje delantero
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
•
•
•
•
•
•
Largueros longitudinales principales: son el soporte principal de la estructura en la
sección de la cabina.
Tren de aterrizaje.
Tanques de combustible.
Transmisión.
Planta de potencia.
Cono de cola.
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Mamparo delantero
•
Es el soporte delantero principal para el techo de la cabina.
•
Es un soporte estructural fuerte en caso de que suceda un accidente.
•
El tubo transversal delantero del tren de aterrizaje, está unido a los largueros
principales que están en la parte inferior de este mamparo.
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Mamparo trasero
•
Forma la pared delantera de los tanques externos de combustible.
•
El tubo transversal trasero del tren de aterrizaje está unido a los largueros
principales en la parte inferior de este mamparo.
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Techo cabina
•
El mamparo delantero, el compartimiento de la transmisión y el mamparo trasero
soportan al techo de la cabina. Los paneles de los controles eléctricos, de los rompe
circuitos y los sistemas de ventilación de aire exterior están montados en el techo
de la cabina.
•
Las ventanas superiores están instaladas arriba de los asientos de la tripulación y los
depósitos hidráulicos están montados en el techo, justo delante de la transmisión.
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Fuselaje intermedio
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•
Habitualmente es una estructura semi monocasco:
– Plataforma para el motor.
– Alojamientos para equipamiento y equipaje.
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Sección de cola
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Sección de cola
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Tipos de planos
•
Ejes de referencia (3)
– Se corresponden a los ejes cartesianos X, Y y Z.
•
Objetivo:
– Situación precisa cualquier punto del helicóptero.
– Medidas:
• FS o STA, estaciones del fuselaje, planos perpendiculares al eje X.
• WL (water lines), planos paralelos al plano XY.
• BL (butt lines), planos paralelos al “plano de simetría” del vehículo.
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Estabilizador vertical
•
•
•
•
•
Diseñado con flecha positiva.
Disposición del rotor cola.
Curvatura del perfil.
Patín de cola.
Otras disposiciones.
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Estabilizador vertical
•
Da estabilidad alrededor del eje vertical en vuelos horizontales y aumenta el
espacio entre el rotor de cola y el terreno a aproximadamente 6 pies.
•
Los largueros del frente y de atrás del estabilizador vertical mueven las cargas
torsionales de vuelo a la piel del cono de cola.
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Estabilizador horizontal
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•
Está conectado al cuerno trasero del plato universal y los movimientos del cíclico
hacia atrás o hacia delante cambian su ángulo de ataque
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Tren de aterrizaje
•
Los tubos transversales de los patines están montados a los largueros principales.
•
Los montajes aíslan a los tubos transversales y a los patines de las vibraciones del
rotor en vuelo
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Tren de aterrizaje
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Tren de aterrizaje
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Transmisión
•
Cajas reductoras, ejes de transmisión y sistemas de control.
•
Existirán una o varias cajas reductoras que conecten el o los motores cuya salida
del eje está girando a una velocidad entre 6000 y 50000 rpm
•
Rotor principal girando del orden de las 300 rpm
•
El diseño es fundamental, no sólo por su misión transmisora y reductora sino
porque puede penalizar gravemente el peso total del vehículo.
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Transmisión principal
•
Suele estar situada delante del motor y suspendida por montantes sobre los
soportes estructurales sobre el techo de cabina.
•
Acoplada al motor o a los motores por un eje conductor o ejes.
•
Misión de la transmisión principal es doble:
– Reducir el movimiento del motor.
– Cambiar la dirección del eje de giro 90°.
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Transmisión principal
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•
Se compone generalmente de 3 secciones:
– Superior compuesta por una carcasa que va montada sobre la sección
intermedia y atornillada a ésta. Interiormente llevará la o las coronas
dentadas que forman el sistema de planetarios que producen una de las
reducciones de rpm.
– Intermedia: carcasa sobre la cual va por su parte trasera el piñón de
ataque del motor, por su parte delantera la caja de engranajes del
generador principal y, por la parte izquierda lleva una salida de potencia
opcional.
– Inferior que consiste en una carcasa que servirá como cárter de aceite
de la transmisión principal. Sobre ella van montados una serie de ejes de
salida de movimiento para accesorios. La sección inferior toma
movimiento de la intermedia a través de un eje.
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AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
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Transmisión al rotor de cola
•
Conjunto de elementos que transmiten el movimiento de la transmisión principal
al rotor de cola.
•
Movimiento por medio de un eje dividido en una serie de tramos, una o dos cajas
de engranajes y acoplamientos diseñados para absorber las vibraciones del sistema
(hangers) y desajustes en el alineamiento de los ejes.
62
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Transmisión al rotor de cola
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Transmisión. Ejemplo
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Transmisión. Ejemplo. Agusta AB412
•
Potencia de turbinas es transmitida a través del eje corto, a la transmisión principal
y de ahí al rotor principal y al rotor de cola por medio de los ejes, caja de 42° y caja
de 90°.
•
Conjunto de accesorios que van montados sobre ella.
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Transmisión. Ejemplo. CH‐47
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Motores
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•
Ventajas de la utilización de turbinas:
– Funcionamiento más suave con una disminución apreciable de vibraciones.
– Helicóptero más silencioso.
– Más ligero para la misma producción de potencia.
– Las velocidades de rotación típicas están entre 6000‐50000 rpm en la mayoría
de motores
67
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Cajas reductoras
•
Dentro del bloque motor generalmente se instalan cajas reductoras a la salida.
– Proporcionan una primera reducción de las rpm (del orden de 5:1).
– Alimentan los sistemas auxiliares y accesorios: torquímetro, bomba de aceite,
sistema de arranque (entrada/salida), sistema de control de combustible.
•
También pueden tener la misión de combinar la salida de potencia cuando el
helicóptero dispone de dos motores.
•
Existen cajas de materiales ligeros con 3 escalones de reducción con relación de
velocidades de 12:1 e incluso mayores que:
– Reducen los esfuerzos en los dientes de las cajas.
– Reducen el número de partes.
– Reducen los ruidos.
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Reductor principal. Main Gear Box (MGB)
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Rueda libre
•
Tanto para los helicópteros de pistón como turbina.
•
Necesario un dispositivo para desacoplar el motor del rotor en caso de fallo de
motor o en el caso de funcionamiento en ralentí.
•
Este mecanismo se denomina rueda libre.
•
La rueda libre se compone de dos pistas, una interior y otra exterior más una jaula
en la que van montados una serie de eslabones.
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Rueda libre
•
Cada eslabón presenta dos diámetros y siendo uno de ellos de mayor longitud
que el otro.
•
Si movimiento viene por la pista exterior (engine side), hace bascular a los
eslabones presentando su diámetro mayor lo que hace que dichos eslabones
se acuñen a las pistas, girando todo el conjunto.
•
Si el movimiento viene por la pista interior (rotor side), hace bascular los
eslabones presentando su diámetro menor, con lo cual se desacoplan ambas
pistas, girando la pista interior y quedando libre la exterior (parada, o
girando a menos revoluciones de la interior).
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Rueda libre
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Mástil
•
Generalmente un eje tubular construido de acero alineado con la transmisión por
medio de una serie de cojinetes.
•
Presenta una serie de zonas estriadas y roscadas.
•
En las estriadas van acoplados:
– El rotor principal.
– El conjunto de mandos y plato oscilante.
– El sistema planetario de la transmisión principal del cual toma movimiento.
•
Sobre las zonas roscadas van:
– La tuerca de retención del rotor principal.
– La tuerca de retención del cojinete superior del mástil.
– La tuerca de retención del cojinete inferior del mástil.
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Mástil
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Estabilizadores
•
Los estabilizadores de un helicóptero
– Horizontal.
– Vertical.
– Estructuras adicionales al fuselaje.
•
Un estabilizador es una superficie aerodinámica que produce una fuerza
aerodinámica cuyo propósito principal es el de proporcionar mejoras en la
estabilidad con respecto a un determinado eje.
•
Sin embargo estas superficies pueden proporcionar efectos secundarios que es
necesario considerar en el diseño conceptual de helicópteros.
75
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Estabilizador horizontal
•
El propósito principal es proporcionar estabilidad longitudinal al helicóptero.
•
Debido a la elevada superficie que presenta el fuselaje por delante del centro de
gravedad, el propio fuselaje representa una contribución adversa a la estabilidad
longitudinal del helicóptero. Aunque el resto de componentes, principalmente el
rotor principal, tienen una contribución positiva puede ser deseable añadir un
estabilizador horizontal que ayude a dotar de estabilidad al helicóptero en su
dinámica longitudinal.
•
La selección de la posición y el tamaño del estabilizador horizontal es uno de los
problemas más difíciles en el diseño conceptual de un helicóptero. Esto es debido a
los importantes cambios que aparecen en las fuerzas sobre el estabilizador y, por
tanto, en los momentos longitudinales.
76
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Estabilizador horizontal
•
Estos cambios son debidos a:
– la posición relativa entre el estabilizador y la estela del rotor principal, cambia
de forma acusada entre el vuelo axial y el vuelo de avance, los ángulos de
ataque que ve el estabilizador pueden ser muy diferentes y no uniformes.
– elevada presión dinámica obtenida en el interior de la estela del rotor principal.
– condiciones repentinas o poco previstas de flujo sobre el estabilizador.
•
Existen tres tipos básicos de estabilizadores horizontales:
– estabilizador delantero.
– estabilizador en la zona trasera.
– estabilizador en T.
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Estabilizador horizontal delantero
•
Posición: suficientemente adelantado para que se encuentre inmerso en la estela
del rotor principal hasta elevadas velocidades de vuelo de avance. Así se evitan
cambios repentinos en la dinámica longitudinal causados por la variación en la
velocidad y fuerza vertical debidos a la reorientación de la estela del rotor principal.
•
Debido a la pequeña distancia al centro de gravedad suelen ser superficies más
grandes y pesadas cuando son comparadas con estabilizadores colocados en la
parte trasera.
•
Este estabilizador puede tener la capacidad de ser usado para ayudar al equilibrio
global del vuelo del helicóptero en vuelo de avance mediante la conexión del ángulo
de cabeceo con el de paso cíclico longitudinal.
•
Las fuerzas aerodinámicas en vuelo a punto fijo sobre este tipo de estabilizador
representan normalmente una disminución importante de las actuaciones.
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Estabilizador horizontal delantero
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Estabilizador horizontal trasero
•
Posición: parte trasera del mástil de cola, de forma que se dispone de una mayor
distancia para producir el momento longitudinal.
•
Sin embargo esta configuración puede presentar problemas con la transición de
bajas velocidades de avance a vuelo a punto fijo ya que la estela del rotor principal
puede moverse sobre el estabilizador y producir un momento de cabeceo.
•
El flujo desprendido desde la cabeza del rotor y la parte del superior del fuselaje
(flujo no estacionario) reduce la eficiencia de este tipo de estabilizador de forma
que su tamaño suele ser mayor del que correspondería a uno funcionando fuera de
la estela del rotor principal.
•
Dada la cantidad de diseños que emplean esta solución parece ser el mejor
compromiso entre peso, efectividad y tamaño, al menos para helicópteros de baja
carga discal.
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Estabilizador horizontal trasero
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Estabilizador horizontal trasero
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Estabilizador horizontal en T
•
Posición: parte superior de aleta vertical trasera, de forma que el estabilizador
queda fuera de la estela del rotor principal para la mayor parte de condiciones de
vuelo.
•
Por tanto, presenta un menor área para proporcionar el mismo control
longitudinal.
•
Este tipo de configuración presenta problemas estructurales asociados a modos de
baja frecuencia excitados por el rotor de cola.
•
La aleta vertical debe presentar mayores dimensiones y mejor comportamiento
estructural comparativamente a una sin estabilizador horizontal para ser capaz de
soportar las cargas del estabilizador horizontal.
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Estabilizador horizontal en T
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Estabilizador vertical
•
El propósito principal es proporcionar estabilidad en guiñada.
•
La principal fuente de estabilidad en guiñada es el rotor antipar.
•
El estabilizador vertical puede ser necesario para:
– ayudar al rotor antipar en vuelo de avance. De esta manera se puede
aumentar la vida a fatiga de los componentes del rotor antipar.
– proporcionar el par de compensación en caso de fallo del rotor antipar. Este
tipo de solución incorpora perfiles con elevada curvatura que producen la
fuerza lateral suficiente para compensar el par.
•
El estabilizador vertical además es la estructura en la que se suele instalar el rotor
antipar. Por tanto, es necesario considerar el rotor antipar como una parte integral
del estabilizador vertical.
•
El tamaño del estabilizador vertical afecta a las actuaciones del rotor antipar.
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Estabilizador vertical
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AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
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Rotor antipar. Introducción
•
Los propósitos principales del rotor antipar son:
– proporcionar el par de compensación: el rotor de cola es el encargado de
contrarrestar el momento provocado por el giro del rotor principal. Los
helicópteros con rotores coaxiales o en configuración tándem no requieren de
ningún dispositivo que contrarreste este momento porque cada rotor gira en
una dirección diferente.
– proporcionar estabilidad y control alrededor del eje de guiñada.
•
De forma aproximada el rotor antipar puede consumir entre el 6% y el 10% de la
potencia del helicóptero. Esta potencia no se emplea en generar fuerza
sustentadora.
•
Existen diseños como el UH‐60 Blackhawk que presentan un plano de rotor antipar
inclinado de forma que también ayude a generar sustentación. La inclinación del
plano del rotor permite ensanchar la posición permisible del centro de gravedad de
la aeronave.
87
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
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Rotor antipar. Entorno aerodinámico
•
El rotor antipar opera en un entorno aerodinámico complejo, debiendo ser capaz de
proporcionar la tracción necesaria a partir del flujo relativo de aire que provenga de
cualquier dirección:
– vientos laterales.
– maniobras laterales: dependiendo de si el helicóptero se orienta hacia la
izquierda o la derecha, el rotor antipar se encontrará una corriente efectiva de
vuelo de ascenso o de descenso. Esta última operación puede ser crítica ya que
el rotor antipar se puede encontrar fácilmente en régimen de anillos de vórtices
o estela turbulenta. Se puede llegar a la pérdida de control lateral en el caso de
combinación de las peores condiciones.
•
Al ser montado en la aleta vertical, las interacciones aerodinámicas deben ser
analizadas cuidadosamente, ya que afectarán el comportamiento del rotor antipar.
•
Además, la interacción con las estelas arrojadas por la cabeza de rotor principal y
fuselaje así como la propia estela del rotor principal influirán en el
comportamiento del rotor antipar.
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AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
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Rotor antipar. Introducción
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AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Rotor antipar. Parámetros de diseño
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•
Este entorno aerodinámico adverso implica que los requisitos de diseño para el
rotor antipar son bastante diferentes de los del rotor principal:
– Perfiles: la mayor parte emplean perfiles simétricos por su sencillez y bajo
momento de cabeceo. Algunos diseños emplean perfiles con curvatura de
manera que presentan mayores coeficientes de sustentación que permiten
disminuir la solidez, minimizando el tamaño y peso del rotor antipar.
– Número de palas: suele ser 2 o 4. Sin aparecer evidencias claras de cual opción
presenta mayores ventajas.
– Torsión geométrica: las palas suelen presentar algo de torsión para disminuir la
potencia inducida.
– Velocidad de punta de pala: generalmente se diseñan para presentar una
velocidad de punta similar al rotor principal. Una baja velocidad de punta
minimiza el ruido. Sin embargo, se requieren mayores solideces para evitar la
entrada en pérdida y aumenta el par del rotor lo cual se traduce en aumentos
considerables del peso del sistema mecánico de transmisión.
90
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
Rotor antipar. Parámetros de diseño
– Diámetro: desde el punto de vista de la TCM sería preferible que el rotor
antipar presentara diámetros mayores. Sin embargo:
• Diámetros grandes implican diseños de aleta vertical y rotor antipar más
pesados.
• Para satisfacer requisitos de certificación y poder realizar vuelos laterales
a una determinada velocidad lateral es deseable que la carga discal del
rotor antipar sea lo suficientemente alta (velocidad inducida alta) para
evitar que el rotor antipar funcione en el régimen de anillos de vórtices.
– La dirección habitual de giro del rotor principal es contraria a las agujas del
reloj. Por tanto, el rotor antipar debe proporcionar una tracción en la dirección
de la derecha del piloto.
•
Cuando la potencia del rotor aumenta, por ejemplo en ascenso, el rotor antipar
debe ser capaz de compensar el aumento de par asociado a este incremento de
potencia. Habitualmente esta compensación adicional debe ser proporcionada por
la acción del piloto sobre los pedales.
91
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
Rotor antipar. Parámetros de diseño
•
Dado que el antipar contribuye con una fuerza lateral a las fuerzas del helicóptero,
el rotor antipar introduce un desplazamiento lateral. Este efecto debe ser
compensado por la inclinación del rotor principal lateralmente mediante paso
cíclico.
•
Ambas fuerzas laterales, rotor antipar y principal, actúan conjuntamente
produciendo un momento de alabeo. Para reducir este acoplamiento, se suele
situar el rotor antipar en la parte superior de la estructura de la aleta vertical de
manera que la distancia de acción del vector tracción sea lo más pequeña posible al
centro de gravedad.
•
La relación entre el diámetro del rotor principal y el diámetro del rotor antipar
decrece ligeramente con el peso de la aeronave.
92
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Rotor antipar. Tipos
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
•
Existen tres tipos:
– Rotor de cola convencional.
– Rotor de hélice guiada o Fenestron
– NOTAR® (NO TAil Rotor)
93
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
Rotor antipar. Convencional. Rotores de empuje versus tracción
•
Rotor antipar de empuje: la aleta vertical se encuentra aguas arriba en la estela.
•
Rotor antipar de tracción: la aleta vertical se encuentra aguas abajo en la estela.
•
Ambas configuraciones presentan interferencias aerodinámicas considerables con
la aleta vertical. Estas interferencias son función del tamaño del rotor antipar, de la
superficie de la aleta vertical, y de la separación entre el plano del rotor antipar y la
aleta.
•
En el rotor de empuje la aleta vertical distorsiona la corriente de entrada y la
principal consecuencia es que el flujo que ve el rotor antipar es altamente no
uniforme y esto conduce a potencias inducidas mayores. Este tipo de rotor es una
fuente de cargas de vibración.
94
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
Rotor antipar. Convencional. Rotores de empuje vs tracción
•
En el rotor de tracción la aleta vertical se sitúa en la estela del rotor produciendo
un efecto de bloqueo o de efecto suelo. El efecto negativo es que aparece una
fuerza en la dirección opuesta a la tracción del rotor antipar en la aleta vertical. El
efecto neto es que disminuye la tracción del rotor antipar.
•
Para ambas configuraciones se comprueba que el efecto de interferencia
aerodinámica disminuye la tracción neta con respecto a la tracción que se
obtendría en condición aislada.
•
La mayoría de helicópteros actuales emplea rotores antipar de empuje porque
experimentalmente presentan mejores eficiencias globales.
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AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Rotor antipar. Rotor de hélice guiada (Fenestron).
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
•
•
Las principales ventajas del Fenestron son:
– Requiere una menor potencia para generar una determinada tracción, o lo que
es lo mismo, permite utilizar rotores más pequeños.
– Menor efecto de la estela del rotor principal.
– Disminuye el riesgo de rotura o daños.
– Disminuye la pérdida en punta de pala del rotor de cola.
– El estabilizador vertical proporciona parte de la fuerza lateral en vuelo de
avance.
Y sus desventajas son:
– Problemas de separación de flujo a la entrada del rotor.
– Frecuencias de sonido más altas y molestas (mayor número de palas).
– El tamaño del estabilizador vertical aumenta la potencia parásita del fuselaje.
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AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Rotor antipar. Rotor NOTAR
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
•
•
•
•
El sistema NOTAR® consiste en generar una fuerza lateral a lo largo del cono de cola
mediante control por circulación (efecto Coanda).
La fuerza depende de la velocidad de salida del fluido por las ranuras distribuidas a
lo largo del cono de cola.
El flujo sobrante se expulsa por la tobera de cola y proporciona una fuerza adicional.
Desaparece por completo el riesgo de rotura o daños personales y el ruido
disminuye en gran medida, pero tiene la desventaja de perder eficacia en vuelo de
avance.
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AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Sistema sustentador. Tipos cabezas de rotor
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
•
Existen tres tipos completamente diferentes de cabezas de rotor en cuanto a su
constitución:
– Articulado
– Rígido (sin articulaciones)
– Semirrígido (basculante)
98
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
Configuración rotor principal: tipos de rotor
•
Articulado: articulaciones en los tres movimientos principales (batimiento, arrastre
y paso).
•
Rígido: los movimientos de arrastre y batimiento se consiguen mediante la
flexibilidad de los materiales empleados en la unión al buje. Mantiene articulación
en el movimiento de paso.
•
Flexible: no presenta articulación alguna, todos los movimientos se consiguen
mediante la flexibilidad de los materiales empleados en la unión al buje.
– Ventaja: buje aerodinámicamente más limpio y menor mantenimiento.
99
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
Sistema sustentador. Tipos cabezas de rotor. Articulado.
•
El más común de los tipos de rotor.
•
El orden de situación de las tres articulaciones no siempre es el mismo, depende del
diseño del fabricante.
•
Ventaja: menos esfuerzos transmitidos.
100
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
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Sistema sustentador. Tipos cabezas de rotor. Rotor rígido.
•
Eje de giro y buje están rígidamente unidos formando una única pieza.
•
Palas están encastradas rígidamente al buje, teniendo solamente la libertad de giro
sobre su eje longitudinal para la variación de paso.
•
Características más importantes:
– Sencillez
– Robustez mecánica.
101
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
Sistema sustentador. Tipos cabezas de rotor
•
Década de los sesenta: sistemas de rotor rígido. Problemas de inestabilidad
aeromecánica y aeroelástica que no aparecían con los rotores articulados. La
complejidad y la problemática de esos fenómenos es la explicación de la lenta
evolución de ese tipo de sistemas.
•
La principal ventaja y reto del rotor rígido, consiste en la reducción de la
complejidad de la cabeza del rotor.
•
La eliminación de las articulaciones reduce el peso y el coste del sistema del rotor
y aumenta la fiabilidad y mantenibilidad gracias a esa disminución de la
complejidad.
•
Reducir el volumen de la cabeza también ofrece la posibilidad de disminuir la
resistencia aerodinámica, fuente importante de la resistencia total del helicóptero
en vuelo de avance.
102
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
Sistema sustentador. Tipos cabezas de rotor. Rotor semirrígido.
•
“Combinado” de los dos anteriores.
•
Elimina algunos de los inconvenientes de los rotores articulados, aunque
naturalmente surgen otros propios de este sistema.
•
Las palas no se articulan en el buje; es el conjunto el que puede inclinarse en todas
direcciones mediante la articulación cardan o junta universal que une el buje al
mástil.
103
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
Sistema sustentador. Tipos cabezas de rotor
•
Cierta flexibilidad permite a las palas un ligero batimiento vertical individual.
•
La variación cíclica se produce por pivotamiento del conjunto respecto al eje AB.
•
Esta compensación obliga a que sea simultáneo el movimiento de subida y bajada
de ambas palas, lo cual únicamente puede conseguirse en el caso de que el rotor
tenga dos palas.
•
El sistema es capaz de corregir automáticamente la asimetría de sustentación, ya
que la pala que avanza puede subir a la vez que desciende la pala que retrocede
gracias a que todo el sistema en conjunto puede bascular.
104
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
Sistema sustentador. Tipos cabezas de rotor
•
En condiciones normales de vuelo, este tipo de rotor está sometido a esfuerzos de
flexión en los encastres de las palas.
•
Para tratar de mitigar estos esfuerzos todo lo posible, las palas están caladas con un
ángulo de conicidad que corresponde al existente en condiciones de crucero en la
que la pala trabajará casi exclusivamente a tracción.
•
Al no existir la articulación de batimiento, tampoco es preciso la de arrastre.
105
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
Configuración rotor principal. Posibles articulaciones.
•
Articulación de batimiento: permite batir las palas libremente. Asegura una
transferencia de sustentación al eje pero no de momentos.
•
Articulación arrastre: la rotación de la pala junto con el batimiento hace que
aparezcan fuerzas de coriolis en el plano del rotor. La articulación de arrastre
permite aliviar esfuerzos en el encastre de las palas.
•
Cojinete de paso: se emplea para controlar el paso que se proporciona a las palas.
106
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
Sistema sustentador. Batimiento
•
Sustentación es proporcional al cuadrado de la velocidad: será mayor en la pala
que avanza que en la pala que retrocede.
•
La resultante estará desplazada hacia la pala que avanza y, por lo tanto, dará lugar
a un par que tenderá a inclinar el helicóptero (o rotor) hacia el lado de la pala que
retrocede.
•
Por ejemplo, en un helicóptero monorrotor convencional, cuyo rotor principal gire
en sentido antihorario, el par que aparece tenderá a inclinar el helicóptero hacia la
izquierda (visto desde arriba).
107
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
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Sistema sustentador. Batimiento
•
Sin la introducción de la articulación de batimiento no se hubieran desarrollado con
éxito los helicópteros.
•
Debido a la asimetría de sustentación entre la pala que avanza y la que retrocede;
se optó por dotar de articulación de batimiento de forma que los dos lados del disco
alcancen su propio equilibrio de fuerzas (peso, fuerzas de inercia, fuerzas
aerodinámicas).
•
El objetivo es aumentar la sustentación de la pala que retrocede y disminuirlo en la
pala que avanza. Para ello habrá que aumentar el ángulo de ataque de la pala que
retrocede y disminuir el paso de la pala que avanza.
108
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
Sistema sustentador. Batimiento
•
Como el rotor opera a velocidad angular constante, las fuerzas másicas
(gravitatorias y de inercia) serán constantes.
•
Para cada valor de sustentación la pala, debido a la articulación, alcanza una
posición de equilibrio dada por el ángulo de conicidad β.
•
En el momento en el que tengamos una velocidad de avance aparecerá esa
asimetría de sustentación: en la pala que avanza el ángulo de equilibrio será
β
β y en la pala que retrocede será β
β.
109
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
Sistema sustentador. Batimiento
•
Un elemento de la pala que avanza inicia un movimiento ascendente para pasar de
β a β ; luego su ángulo de ataque aerodinámico será ligeramente inferior (cambia la
dirección de la corriente relativa al perfil) y la sustentación disminuirá también.
•
En la pala que retrocede el fenómeno es similar pero aumentando ligeramente la
sustentación.
•
Es decir, se produce una compensación automática de la asimetría de sustentación.
•
Podemos conseguir ese batimiento también mediante deflexión elástica de la pala
en el encastre que se comporte como una articulación.
110
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
Sistema sustentador. Batimiento
•
Gracias a la articulación de batimiento se consigue que las palas trabajen
exclusivamente a tracción sin estar sometidas a esfuerzos de flexión en el
encastre.
•
En una condición cualquiera de vuelo, la resultante Rs debida a la sustentación L de
la pala, a la fuerza centrífuga Fc y al peso de la misma (mucho menor), forma un
ángulo con el plano perpendicular al eje de giro.
111
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
Sistema sustentador. Arrastre
•
Si la sustentación aumenta, la resistencia aumenta y la resistencia tiende a
frenar a las palas. Si la sustentación disminuye, la resistencia disminuye y las
palas tienden a acelerarse.
•
Estas variaciones producen grandes esfuerzos y solicitaciones (fatiga) que
necesitan ser eliminadas o minimizadas.
•
Se hace necesaria una articulación que permita oscilar adelante/atrás a la
pala para reducir esfuerzos.
•
Introducción de una nueva articulación de eje paralelo al de rotación:
articulación de arrastre, que permite a la pala tener movimiento en su
mismo plano.
112
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
Sistema sustentador. Arrastre
113
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
Sistema sustentador. Arrastre
•
La introducción de la articulación de arrastre, crea otros nuevos problemas:
•
Resonancia en suelo:
– Rotor articulado permite a las palas oscilar libremente.
– Si las palas oscilarán al unísono el CG del conjunto de las palas permanecería en
el centro, pero como esa oscilación es libre para cada pala, provoca que el CG
del rotor se desplace fuera del centro provocando vibraciones en el sistema.
114
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
Sistema sustentador. Arrastre
•
El tren de aterrizaje y la célula del helicóptero tendrá sus frecuencias
naturales de vibración (gobernadas por las características dinámicas).
•
Si la frecuencia de ese movimiento vibratorio del CG del rotor es cercana o
coincide con la del fuselaje y tren puede darse la condición de resonancia
con el peligro que ello conlleva: que el movimiento no sea convergente y se
amplifique, pudiendo producirse serio daño incluso, destrucción del
helicóptero.
•
Se deberá introducir un amortiguador del movimiento de arrastre así como
en la unión entre la cabeza del rotor y célula y tren de aterrizaje.
•
Puede ocurrir durante la puesta en marcha, así como en el aterrizaje y parada
del helicóptero.
115
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Sistema sustentador. Comportamiento en vuelo en avance
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
•
Comportamiento en vuelo de avance de cada uno de ellos
– (a) Semirrígido (teetering).
– (b) Articulado (articulated).
– (c) Rígido (hingeless).
116
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
Cálculo y dimensionamiento
•
•
•
•
•
•
•
•
Requisitos
Diámetro
Velocidad de punta de pala
Solidez
Número de palas
Torsión
Distribución de cuerda
Forma de punta de pala
117
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Requisitos del diseño
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
•
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.
Certificación civil.
Requisitos de aceptación militares.
118
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
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Requisitos del diseño
•
El diseño de un helicóptero implica:
– Diseño civil: costes de operación y de compra bajos, alta seguridad, elevada
fiabilidad mecánica, mínimo mantenimiento, ruido mínimo y confort de
pasajeros.
– Diseño militar: flexibilidad 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:
– Capacidad de vuelo a punto fijo.
– Máxima carga de pago.
– Alcance y autonomía.
– Velocidad de crucero y máxima velocidad vuelo equilibrado.
– Actuaciones de ascenso.
– Maniobrabilidad y agilidad.
119
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Diseño del rotor principal
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
El diseño preliminar del rotor principal debe considerar los siguientes aspectos:
•
Dimensionado general:
– 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).
120
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Diámetro
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
•
En vuelo a punto fijo, para un peso determinado, un diámetro grande implica bajas
cargas discales, menores velocidades inducidas y menores potencias inducidas:
P
Tv
W
W
2ρS
Carga discal
•
W
2ρS
T
S
Sin embargo, diámetro mayor implica potencia parásita mayor P
121
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Diámetro
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
•
Interesará que la carga de potencia sea máxima:
PL
T
P
•
Como el máximo de 𝐏𝐋 es bastante insensible a 𝐂𝐓 , se dispone de cierta
flexibilidad para elegir un diámetro próximo al óptimo y que satisfaga otras
restricciones.
•
Generalmente, grandes diámetros mejoran las actuaciones en vuelo axial.
•
Por el contrario, grandes diámetros dificultan el vuelo en avance.
•
Por tanto, los fabricantes de helicópteros deben intentar encontrar el rotor con
menor diámetro que satisfaga las especificaciones impuestas a la aeronave.
122
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
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Diámetro
123
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
Diámetro
•
El dimensionado preliminar debe considerar las actuaciones en
autorrotación.
•
La ventaja de grandes diámetros son:
– Buenas características en autorrotación, porque son capaces de
almacenar mayores cantidades de energía cinética rotacional.
•
Diámetros pequeños implican:
– Bujes más pequeños y ligeros.
– Menor potencia parásita.
– Más eficientes en general en crucero
– Menores deflexiones estáticas de las palas.
•
Por ello, normalmente, el diámetro del rotor principal se mantiene por
debajo de 24m.
124
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Diámetro. Variación con el TOGW
125
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
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Selección del perfil de la pala
•
Se deberá mantener un buen rendimiento aerodinámico 𝐋/𝐃 a los valores
intermedios de 𝐂𝐥 y 𝐌𝐚𝐜𝐡 en la pala que avanza y retrocede en vuelo vertical.
•
Además, interesará un coeficiente de momento reducido (C del orden de 0,01)
para minimizar la torsión de la pala y los esfuerzos en los controles de variación del
paso.
•
Inicialmente se utilizaron perfiles convencionales, muy conocidos por su uso en
aviación, como el NACA0012 o el NACA23012.
•
Posteriormente, comenzaron a desarrollar sus propias familias de perfiles
adecuadas a las nuevas exigencias y adaptadas a las condiciones particulares de
funcionamiento de los vehículos de alas giratorias:
– La familia OAxxx, fruto de la colaboración ONERA / Aérospatiale.
– Perfiles VRxxhan sido desarrollados por Boeing Vertolo DM‐Hxpor DFVLR y
MBB.
126
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
Velocidad de punta de pala
•
Ventajas de velocidades de punta de pala elevadas:
– Entrada en pérdida. Para un área y coeficiente 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.
127
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Solidez del rotor
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•
Valores característicos
σ ~ 0,008
0,012
•
En general, disminuir la solidez implica disminuir la resistencia de forma y, por
tanto, mejora la FM.
•
Valores característicos del coeficiente medio de sustentación C ~0,4
0,7
128
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Solidez del rotor
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
•
La elección de la solidez requiere tener muy presente los límites de entrada en
pérdida:
– Disminuir la solidez implica disminuir el margen para la entrada en
pérdida porque se incrementan el coeficiente de sustentación medio y
local para una tracción dada.
– Dado que el inicio de la entrada en pérdida fija los límites de la actuación
del rotor, es fundamental proporcionar suficiente margen para permitir
maniobras y control en presencia de ráfagas. La especificación 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.
129
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
Figura de mérito frente a solidez del rotor
pala
130
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
Número de palas
•
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 fiabilidad 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.
131
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
Número de palas
•
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 fijo apenas se ven afectadas por el número de
palas, siendo éste realmente secundario.
132
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Torsión geométrica de la pala
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
•
En vuelo a punto fijo 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.
133
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
Torsión geométrica de la pala
•
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 fijo y las de vuelo de avance.
•
Algunos fabricantes han elegido estrategias basadas en torsiones 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.
134
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
Forma de la pala. Distribución de cuerda
•
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 fijo.
•
Pequeñas reducciones de cuerda en la zona de la punta pueden traducirse en
elevadas mejoras de la FM.
135
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
Forma de la punta de pala
•
El diseño del helicóptero supone un compromiso entre las capacidades de vuelo a
punto fijo y la transporte de cargas en vuelo horizontal.
•
El diseño de las palas, y de las puntas de pala en particular, tiene mucha influencia
en el rendimiento, las vibraciones y el nivel de ruido de nuestro helicóptero.
•
La punta de la pala opera con los valores de Mach, de Reynolds y con las presiones
dinámicas más altos, sufriendo importantes variaciones, además, en cada ciclo.
136
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
Forma de la punta de pala
•
En el lado de avance la pala suma a su propia velocidad rotacional la
velocidad de vuelo, pudiendo alcanzarse valores cercanos a los límites
subsónicos mientras que en el lado de retroceso son necesarios altos
coeficientes de lift debido a la baja carga dinámicas. Además, la pala en
retroceso, con posibilidad de entrada en pérdida, impone limitaciones sobre
los límites de actuación en vuelo.
•
Los esfuerzos en el diseño del rotor no están solamente en el rotor principal,
donde, en general, se diseñan rotores para rangos de Mach 0,58 a 0,66 y para
números de Reynolds de 1 a 4 millones. También es necesario estudiar el
diseño del rotor antipar, de manera que resulte eficiente, consumiendo poca
potencia a la vez que garantiza una correcta maniobrabilidad.
137
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
Forma de la punta de pala
•
Otro problema a resolver es el ruido asociado al vuelo. Eso limitará factores como el
Mach de la pala o el máximo factor de carga de la misma.
•
Por tanto, necesitamos un diseño eficiente, silencioso y con una alta capacidad de
sustentación para el transporte de cargas.
•
Los nuevos diseños de punta de pala son fruto del estudio de las corrientes de aire
en esa zona y del intento de adaptar la velocidad de la corriente supersónica en
ciertas zonas, a subsónica mediante la aparición de ondas de choque.
138
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Forma de la punta de pala
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
•
El diseño de puntas de pala suele incorporar tres configuraciones geométricas
básicas:
– (swept) flecha,
– (taper) estrechamiento o forma trapezoidal,
– (anhedral) diedro.
139
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
Forma de la punta de pala
140
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Forma de la punta de pala
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
•
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.
– Modifica 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.
– La cantidad de flecha 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.
141
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
Forma de la punta de pala
•
Estrechamiento:
– Se ha demostrado experimentalmente que la combinación de perfiles y de
formas trapezoidales de punta de pala minimiza la potencia de forma y mejora
la eficiencia global a altas velocidades. Mejora la FM.
•
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.
142
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
Evolución del número y tipo de pala en los helicópteros
143
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Forma de la punta de pala. Reducción del ruido
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
BERP (1986)
•
•
Usado por primera vez en el
EH101.
Sus capacidades de
sustentación en vuelo en
avance ha permitido operar
grandes helicópteros desde
pequeños espacios.
144
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
Forma de la punta de pala. Reducción del ruido
OGEE
• El interés en reducir el ruido provocado por el rotor fue el motivo para desarrollar
este perfil.
• Este perfil permite reducir la velocidad del vórtice de punta de pala. Además,
mejora la FM del motor para bajas potencias.
• Sin embargo, aumenta el riesgo de entrada en pérdida.
145
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Forma de la punta de pala. Reducción del ruido
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
•
Otros desarrollos para reducir el ruido aerodinámico de las palas incluyen la
introducción de “sub‐alas” que permiten crear un segundo vórtice que tiene como
misión difuminar el vórtice creado por la anterior pala.
146
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
Forma de la punta de pala. Reducción del ruido
•
Eurocopter Blue‐Edge TM Blade
•
Extremadamente silenciosa, promete reducir el ruido en un 70% sobre una pala
convencional.
147
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
Forma de la punta de pala. Reducción del ruido
•
Eurocopter Blue Pulse Technology.
•
Extremadamente silenciosa, promete reducir el ruido respecto de una pala
convencional.
•
Ha sido optimizada para descanso (a determinados ángulos)
148
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
Fuselaje
•
El fuselaje es el componente más grande del helicóptero, por lo que sus
características aerodinámicas tienen una gran influencia en la aerodinámica global
del helicóptero
•
Fuselaje, rotor principal, de cola y estabilizadores aislados tienen un
comportamiento aerodinámico bastante predecible. Sin embargo, cuando se
integran, aparecen importantes interacciones aerodinámicas.
•
Éstas pueden ser desfavorables disminuyendo las actuaciones y características de
manejo del helicóptero. Por ejemplo, el fuselaje se encuentra inmerso en la estela
del rotor, por lo que habrá de analizarse cómo influye ésta en el comportamiento
aerodinámico del fuselaje, así como la influencia del fuselaje en el desarrollo de la
estela.
•
Para conseguir que el fuselaje sea eficiente es necesario que sea integrado
aerodinámicamente de forma correcta con el rotor principal, rotor de cola y grupo
de estabilizadores.
149
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
Fuselaje
•
La resistencia parásita del fuselaje afecta fundamentalmente a:
– La velocidad de crucero.
– Consumo de combustible.
•
La resistencia parásita del fuselaje de un helicóptero puede ser fácilmente un orden
de magnitud superior a la de una aeronave de ala fija del mismo peso.
•
Las principales fuentes de resistencia aerodinámicas especificas del fuselaje del
helicóptero son:
– 30%: cabeza del rotor principal (buje, uniones de las palas, eje principal y
controles),
– 20%: al ser un cuerpo romo,
– Unión fuselaje‐mástil de cola. Puede tener una contribución muy importante a
la resistencia total. Se ha demostrado que configuraciones con abruptas
transiciones al mástil de cola incentivan la separación del flujo y producen la
formación de dos importantes torbellinos.
150
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
Modelos numéricos de cálculo
•
El método más ampliamente establecido en la estimación de la resistencia del
fuselaje es el método de paneles, el cual supone flujo potencial.
•
Para resolver el problema de obtener la distribución de presiones en el fuselaje se
necesitan del orden de miles de paneles. Las zonas más críticas son aquellas en las
que existe una elevada curvatura, como puede ser el entorno del buje.
•
Normalmente, a pesar de su facilidad de implementación el coste computacional de
estos métodos puede ser elevado incluso en ordenadores actuales.
151
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
Modelos numéricos de cálculo
•
El mayor inconveniente que presentan estos métodos es la falta de
capacidad para modelar directamente efectos viscosos y el desprendimiento
de flujo de los fuselajes de helicópteros, tanto en su parte trasera como en
la cabeza del rotor principal.
•
Normalmente se suelen modificar los métodos de paneles para considerar
efectos viscosos mediante correcciones empíricas o semi empíricas.
•
En general se puede afirmar que el método de paneles junto con correcciones
para considerar efectos viscosos y de desprendimiento de capa límite
producen resultados razonables para analizar la distribución superficial de la
presión sobre el fuselaje.
152
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
Modelos numéricos de cálculo
•
Otros métodos más sofisticados que pretenden sustituir al anterior se basan en las
ecuaciones de Navier‐Stokes (CFD).
•
Sin embargo estos métodos se encuentran todavía lejos de poder ser empleados
para cálculos rutinarios del diseño de fuselajes.
•
Entre los factores que impiden su implantación están:
– Necesidad de gran capacidad de almacenamiento de datos.
– Elevada memoria de proceso.
– Generación eficiente de mallas.
153
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
Modelos experimentales
•
Los métodos semi empíricos para estimar la resistencia aerodinámica del rotor
suplementan a las predicciones de los métodos numéricos.
•
Estos métodos semi empíricos son ampliamente usados en la industria.
•
Se basan en:
– Ensayos en túneles de viento.
– Ensayos en vuelo.
154
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
Modelos experimentales. Ensayos en túnel y ensayos en vuelo
•
Estimaciones más realistas normalmente requieren el empleo de ensayos en
vuelo.
•
Esto es debido a que los ensayos en túnel de viento no permiten modelar
adecuadamente efectos como: números de Reynolds reales, detalles de la
resistencia producida por apéndices añadidos al fuselaje, como antenas, o incluso
corrientes locales asociadas a huecos en puertas y otras uniones.
•
Contribución de diferentes partes a la resistencia global (orientativo):
155
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
Modelos experimentales
•
En la parte trasera del buje debido al desprendimiento de la corriente se produce
un considerable nivel de turbulencia que puede tener una importante influencia en
las cargas del rotor de cola y de los posibles estabilizadores. El diseño de superficies
suaves en la parte cercana del fuselaje al buje puede ayudar a disminuir esta
componente de la resistencia.
•
Es importante tener presente que la adición de pequeños elementos,
especialmente armamento en helicópteros, antenas, etc., da lugar a un incremento
apreciable de la resistencia.
•
Sin embargo, solamente a partir del desarrollo de rotores rígidos y flexibles es
cuando se ha conseguido disminuir la resistencia de la cabeza del rotor principal
hasta casi la mitad del que correspondería a un completamente articulado.
•
El área de placa plana equivalente suele presentar valores entre 1m 10ft
4.6m 50ft .
y
156
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Resistencia del fuselaje. Factor de área de placa plana
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
•
El área de placa plana equivalente suele presentar valores entre 1m 10ft
4.6m 50ft .
y
157
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
Resistencia vertical de fuselaje
•
Normalmente la tracción del rotor se asume que es igual al peso del helicóptero.
Sin embargo, existe un incremento de potencia debida a la resistencia vertical del
fuselaje.
•
Habitualmente esta resistencia vertical suele ser del orden del 5% del peso. Sin
embargo diseños de helicópteros con importantes superficies horizontales, tales
como helicópteros convertibles o rotores inclinables, la contribución puede ser
mucho más importante.
•
Dada la naturaleza de flujo desprendido de la corriente alrededor del fuselaje
solamente mediante ensayos se pueden obtener aproximaciones precisas de esta
resistencia.
158
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
Resistencia vertical de fuselaje
•
Habitualmente se suelen ensayar diferentes secciones bidimensionales de las
secciones transversales del helicóptero. A partir de estos resultados se obtiene la
resistencia vertical total.
•
Valores típicos de los coeficientes de resistencia de secciones transversales limpias
suele ser del orden de 0,5. Mientras que secciones transversales con pequeñas
superficies horizontales suelen ser de orden unidad.
•
Es habitual, en caso de no disponer de medidas de la velocidad inducida por el
rotor, v , obtener estimaciones de esta velocidad mediante la TCM‐TEP.
•
Dado que el fuselaje también interfiere en la aerodinámica del rotor, la velocidad
de inducida por el rotor debería contemplar esta interferencia. Sin embargo, es
muy difícil obtener estimaciones de la interferencia.
159
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
Fuerza lateral del fuselaje
•
En vuelo lateral del helicóptero o en vuelo a punto fijo con la presencia de viento
lateral aparecerá una contribución lateral de la resistencia del fuselaje y del mástil
de cola.
•
Usualmente esta componente suele ser muy pequeña y tiene una influencia
pequeña en las actuaciones laterales del helicóptero.
•
Sin embargo, este aspecto puede ser de interés especialmente en helicópteros
militares, los cuales deben demostrar altas prestaciones en vuelo lateral o
capacidad de despegar y aterrizar en presencia de fuertes vientos laterales (p. ej.
operaciones en portaaviones).
160
AAFR. Tema 2. Diseño conceptual y preliminar de helicópteros
Aeronaves de Ala Fija y Rotatoria – Curso 2020‐2021
Fuerza lateral del fuselaje
•
La fuerza lateral del fuselaje y mástil de cola puede verse fortalecida en
situaciones en las que se produzca un fuerza de sustentación lateral de
circulación cuando la velocidad lateral es combinada con la velocidad inducida
por el rotor principal. Este efecto puede acentuarse con determinados diseños
de mástil de cola (NOTAR).
•
Para contrarrestar este efecto algunos mástiles de cola emplean un resalte que
rompa la circulación e impida la aparición de esta fuerza lateral adicional.
161