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Diseño conceptual

Diseño conceptual del rotor principal

Referencia Básica [Lei02]

Helicópteros () Diseño Rotor principal 1 / 24

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 yconfort de pasajeros.

Diseño militar: exibilidad operacional, adaptabilidad, elevada vida decomponentes, continuas actualizaciones y mejoras, vulnerabilidad ycapacidad de supervivencia.

Los requisitos generales del proceso de diseño de un helicóptero:

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.


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 del rotor principal

El diseño preliminar del rotor principal debe considerar los siguientesaspectos

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 diferentesformas aerodinámicas en la pala suele ser un opción a considerar).


Diámetro I

En vuelo a punto jo, para un peso determinado, un diámetro grandeimplica bajas cargas discales, menores velocidades inducidas y menorespotencias inducidas:

Pi0 =W 3/2√2ρA

Por otro lado, radio mayor implica potencia parásita mayor. En talcaso interesará que la FM sea lo mayor posible.Recordando PL= T/P ∼ FM/DL, interesa que PL sea máximo. Ahorabien, el PL máximo se sitúa en una zona bastante plana por lo que esbastante insensible al CT . Por tanto se dispone de cierta exibilidadpara elegir un diámetro próximo al óptimo y que satisfaga otrasrestricciones.


Diámetro II

0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.010

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

0.18

0.2

CT

Cp /

CT

NACA TN−626 σ=0.0424NACA TN−626 σ=0.0636NACA TN−626 σ=0.0849NACA TN−626 σ=0.1061TEP σ=0.0424TEP σ=0.0636TEP σ=0.0849TEP σ=0.1061

El dimensionado preliminar debe considerar las actuaciones enautorrotación. Grandes diámetros implican también buenascaracterísticas en autorrotación porque son capaces de almacenarmayores cantidades de energía cinética rotacional.


Diámetro III

Los inconvenientes de grandes diámetros de rotor son helicópteros másgrandes, pesos y costes más elevados, maniobrabilidad, etc . . .

Diámetros pequeños implican bujes más pequeños y ligeros, menorpotencia parásita, más ecientes en general en crucero y menoresdeexiones estáticas de las palas. Este último motivo hace quenormalmente el diámetro del rotor principal se mantenga por debajode 24 m.


Diámetro IV

Variación con el peso:


Diámetro V

Generalmente actuaciones en vuelo a punto jo suelen beneciarse degrandes diámetros.

Por contra grandes diámetros dicultan el vuelo en avance.

Por tanto los fabricantes de helicópteros deben intentar encontrar elrotor con menor diámetro que satisfaga las especicaciones impuestasa la aeronave.


Velocidad de punta de pala I

Ventajas de velocidades de punta de pala elevadas:

Para un área y coeciente de avance dados, Ω ↑ disminuyen lasvelocidades en la zona de retroceso y retrasan por tanto la entrada enpérdida aerodinámica.Se aumenta la capacidad de almacenar energía de rotación y por tantolas actuaciones en autorrotación mejoran.Para una potencia dada, se obtienen menores pares motores por lo quelas cajas de engranajes y transmisión pueden ser más ligeras.

Inconvenientes:

Compresibilidad. Aumenta el mach de punta de pala y al acercarse almach de divergencia se produce un aumento de la potencia necesaria.Reducir la velocidad de punta de pala permite alcanzar velocidades deavance mayores antes de alcanzar el mach de divergencia.Ruido. A medida que el mach de la punta de pala aumenta el ruido delrotor se hace mayor.


Velocidad de punta de pala II

Punto de diseño

en el lado de retroceso(depende de los perfiles)

y de los perfiles)

en el lado de avance(depende de la forma de la punta

Vel

ocid

ad d

e pu

nta

de p

ala

Velocidad de avance

El límite de velocidad de punta de pala suele establecerse en el entornode 207 m/s.


Velocidad de punta de pala III


Solidez del rotor I

Valores característicos σ ∼ 0,008−0,012

La solidez junto con el coeciente de tracción dan una medida del valormedio del coeciente de sustentación. Recordar que: CT/σ = CL/6.

Valores característicos del coeciente medio de sustentaciónCL ∼ 0,4−0,7

En general, disminuir la solidez implica disminuir la resistencia deforma y, por tanto, mejora la FM.

La elección de la solidez requiere tener muy presente los límites deentrada en pérdida:

Disminuir la solidez implica disminuir el margen para la entrada enpérdida porque se incrementan el coeciente de sustentación medio ylocal para una tracción dada.


Solidez del rotor II

Dado que el inicio de la entrada en pérdida ja los límites de laactuación del rotor, es fundamental proporcionar suciente margenpara permitir maniobras y control en presencia de ráfagas. Laespecicación de este margen establece el valor mínimo de solidez. Porejemplo, un helicóptero de combate siempre necesitará un mayormargen de entrada en pérdida que uno de transporte.El inicio de la entrada en pérdida en el lado de retroceso también limitalas actuaciones del rotor.

Un rotor que emplee perles con coecientes de sustentación máximosaltos puede ser diseñado para tener menores solideces. Además, perlesde alta sustentación permiten disminuir la velocidad de punta de palapara la misma solidez disminuyendo por tanto el ruido aerodinámico.


Número de palas I

La selección del número de palas se basa más en criterios estructuralesy 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, disminuyeresistencia del buje y proporciona mejor abilidad y facilidad demantenimiento.

Alto número de palas disminuye en general el nivel de vibracionestransmitido a la estructura y reducen ligeramente las pérdidas depunta de pala.

Un número elevado de palas, para la misma tracción, producetorbellinos de punta de pala más débiles disminuyendo por tanto lascargas debidas a la interacción entre torbellinos y pala.


Número de palas II

Sin embargo, con un número de palas mayor, el número de posiblesinteracciones entre pala y torbellino, aumenta. Esto afectará tanto a lafrecuencia como a la direccionalidad del ruido aerodinámico.

Las actuaciones en vuelo a punto jo apenas se ven afectadas por elnúmero de palas, siendo éste realmente secundario.

En general, el problema se complica y es difícil hacer generalizaciones.


Torsión geométrica de la pala I

En vuelo a punto jo se ha demostrado que torsión negativa ayuda adisminuir la potencia inducida. Por tanto, un uso apropiado de latorsión geométrica ayuda a mejorar la FM.


Torsión geométrica de la pala II

Sin embargo, en vuelo de avance, elevadas torsiones negativas puedenproducir deterioro de las actuaciones. Esto es debido a que los ángulosde ataque de la punta de pala del lado de avance se ven reducidos porlo 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 lasactuaciones de vuelo a punto jo y las de vuelo de avance.

Algunos fabricantes han elegido estrategias basadas en torsiones nolineales o torsión doblemente lineal para conseguir reducir la torsiónefectiva o incluso invertirla cerca de la punta de la pala de forma quese ayude a las actuaciones en vuelo de avance manteniendo lasactuaciones en vuelo axial.


Forma de la pala. Distribución de cuerda I

Se ha estudiado que la forma de la pala, y la reducción de cuerdahacia la punta mejora considerablemente las actuaciones en vuelo apunto jo.

Pequeñas reducciones de cuerda en la zona de la punta puedentraducirse en elevadas mejoras de la FM.


Forma de la pala. Distribución de cuerda II


Forma de la punta de pala I

La forma de la punta de pala desempeña un papel fundamental en lasactuaciones del rotor debido a que:

la punta de la pala opera con los números de Mach y presionesdinámicas más elevadas,

es donde se producen los torbellinos de punta.

El diseño de puntas de pala suele incorporar tres conguracionesgeométricas básicas:

(swept) echa,

(taper) estrechamiento o forma trapezoidal,

(anhedral) diedro.


Forma de la punta de pala II


Forma de la punta de pala III

Flecha aerodinámica:

Reduce el mach normal al borde de ataque de la pala permitiendoalcanzar velocidades de avance mayores antes de que aparezcan efectosde compresibilidad.Modica tanto la formación del torbellino de punta de pala, su posicióncuando es arrojado a la estela así como la estructura global de laestela. El análisis de esta situación es motivo de parte de lainvestigación actual. Se espera que la resolución de este problemaconduzca 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 pordesplazamiento del centro de gravedad o por acoplamientosaerodinámicos por retroceso del centro de presiones.


Forma de la punta de pala IV

Estrechamiento:

Se ha demostrado experimentalmente que la combinación de perles yde formas trapezoidales de punta de pala minimiza la potencia deforma y mejora la eciencia global del crucero a altas velocidades.

Diedro:

Consigue básicamente reducir la interferencia aerodinámica entre laspalas, ya que permite alejar el torbellino de punta entre cada pala asícomo una reducción de la intensidad de dicho torbellino.


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