Introducción a la Ing. Aeroespacial

Transcripción

1 Introducción a la Ing. Aeroespacial Tema 5 Propulsión Aérea Parte II: Propulsión por Hélice Sergio Esteban Roncero Francisco Gavilán Jiménez Departamento de Ingeniería Aeroespacial y Mecánica de Fluidos Escuela Superior de Ingenieros Universidad de Sevilla Curso

2 Geometría Ángulo que forma la cuerda del perfil con un plano perpendicular al eje de rotación de la hélice β - Ángulo de paso geométrico Punta (tip) Raíz (root) Cabeza (hub) 2

3 Geometría - Ángulo de paso geométrico mayor en secciones próximas al cubo - Torsión necesaria para que cada sección -> ángulo de ataque adecuado - Razones estructurales: - secciones próximas al cubo mayor espesor relativo (respecto a las alas) - fuerzas centrífugas y momentos flectores - Poca importancia desde el punto de fuerzas aerodinámicas - cuerda disminuye rápidamente en el último c/4 -Máxima anchura r=(3/4)r 3

4 Geometría - I Distribución de cuerda, espesor y paso geométrico en función del radio. c cuerda p paso geométrico t espesor máximo u velocidad circumferencial u = r Ω = 2222 n revoluciones por unidad de tiempo r radio en el que se encuentra la sección 4

5 Geometría - II ϕ ángulo de paso efectivo α g ángulo de ataque geométrico p paso geométrico p ef paso efectivo n revoluciones por unidad de tiempo r radio en el que se encuentra la sección En condiciones normales, eje de rotación y de dirección de vuelo coinciden: - componente axial V en la dirección del eje de rotación - componente circunferencial y paralela al plano de la sección ϕ ángulo de paso efectivo El ángulo que forma la velocidad resultante de la sección con un plano perpendicular al eje de la hélice V- velocidad resultante de la sección con un plano perpendicular al eje de la hélice u velocidad circunferencial Ángulo ϕ disminuye al aumentar r y varía con la condición de vuelo 5

6 Geometría - III ϕ ángulo de paso efectivo α g ángulo de ataque geométrico J parámetro de avance p ef paso efectivo p paso geométrico J parámetro de avance Para una hélice β conocido -> J define α g de las palas de la hélice Paso efectivo Distancia recorrida por vuelta en la dirección del eje de rotación Paso geométrico Sólo depende de la geometría del ala 6

7 Geometría - IV Paso efectivo Paso efectivo adimensionalizado con el diámetro de la hélice Paso geométrico Paso geométrico sólo depende de la geometría de las palas Valores nominales Análisis de forma cualitativa de la necesidad de dar torsión Si se desea que todas las secciones tenga un α oooooo Aumento de r, disminución β 7

8 Hélices paso fijo y paso variable - I Paso geométrico - Paso ideal necesario para satisfacer requisitos de actuaciones - Paso ideal para bajas velocidades - Paso ideal altas velocidades NO COMPATIBLES! - Hélices de velocidad constante - Paso geométrico varia automáticamente - Trabaja a la velocidad óptima de diseño 8

9 Hélices paso fijo y paso variable - II Video 1 (Variable Pitch (RC-airplane)) Video 2 (Variable Pitch (LEGO))

10 Hélices paso fijo y paso variable - III

11 Hélices paso fijo y paso variable - IV

12 Fuerzas aerodinámicas Las fuerzas aerodinámicas sobre la hélice: tracción + par - Tracción (T): componente en la dirección del eje de rotación - Par (Q): componente actuando en el plano perpendicular al eje de rotación df 1 en la dirección del eje df 2 perpendicular al eje fuerzas df 1 y df 1 = 2dF 1 en la dirección del eje (perpendicular a la diapositiva) Línea de puntos que une df 2 y df 2 equivalente a un par actuando en el plano perpendicular al eje Par actuando en el plano del eje Q Tracción: fuerza propulsiva resultante de al suma de las contribuciones de los pares de elementos de superficie El par de la hélice se opone al movimiento de rotación y tiene que ser compensado por el motor Potencia suministrada a la hélice para mantener velocidad angular Ω 12

13 Sistemas de arrastre - I Motor alternativo en estrella. Video (Radial Engine) 13

14 Sistemas de arrastre I - cont 14

15 Sistemas de arrastre - II Motor alternativo en bóxer. Video (Boxer Engine) 15

16 Sistemas de arrastre - III Ciclo de un motor alternativo de 4 tiempos 1) Fase de admisión 2) Fase de compresión 3) Fase de combustión y expansión 4) Fase de escape

17 Sistemas de arrastre - IV Ciclo de un motor alternativo de 2 tiempos Carrera de admisión y escape se substituye por un proceso de barrido Fase 1: - combustión y expansión - descubre conducto de evacuación - abre el colector de admisión Fase 2: Carrera de retorno del émbolo - Barrido - Cierra lumbrera admisión - Obtura lumbrera de escape - Comienza la compresión 17

18 18 Sistemas de arrastre - V Turboeje (turboshaft): Motor de turbina de gas que entrega su potencia a través de un eje.

19 Sistemas de arrastre - VI Turbohélice 19

20 Sistemas de arrastre - VII T56 Allison

21 Sistemas de arrastre - VIII Caja reductora T56

22 Sistemas de arrastre - IX Allison T56

23 Sistemas de arrastre - X

24 Sistemas de arrastre - XI A400 24

25 Sistemas de arrastre - XII A400 Video (Test Motores) 25

26 Sistemas de arrastre - XIII An 70 Video (Proppellers NASA) 26

27 Sistemas de arrastre - XI Turboejes: Compresor+cámara de combustión+ 1 ó 2 turbinas El aire se comprime compresor 1) El aire se comprime compresor 2) Se mezcla con el combustible y se quema en la cámara de combustión 3) El gas resultante se expande en la turbina 4) Expansión suministra potencia necesaria para mover compresor + turbina Hélice movida por la misma turbina Hélice movida por una segunda turbina 27

28 Bibliografía [And00] J.D. Anderson. Introduction to flight. McGraw Hill, [Riv07] Damián Rivas. Aeronaves y Vehículos Espaciales, Febrero de Wikipedia: