Diseño conceptual

Diseño conceptual del rotor antipar

Referencia Básica [Lei02]

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Introducción I

Los principales propósitos del rotor antipar son

proporcionar el par de compensación al par motorproporcionar estabilidad así como dar control alrededor del eje deguiñada

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Introducción II

El rotor antipar opera en un entorno aerodinámico bastante complejoy debe ser capaz de proporcionar la tracción necesaria a partir del �ujorelativo de aire que provenga de cualquier dirección. Por ejemplo, elrotor antipar debe de proporcionar la tracción necesaria en:

vientos laterales.

maniobras laterales. Cuando el helicóptero se orienta hacia la izquierda,el rotor antipar se encuentra una corriente efectiva de vuelo de ascenso.En cambio, si el helicóptero se orienta hacia la derecha, el rotor seencuentra funcionando en vuelo de descenso. Esta operación puede sercrítica ya que el rotor antipar se puede encontrar fácilmente en régimende anillos de vórtices o estela turbulenta. Esto puede dar lugar a lapérdida de control lateral en el caso de combinación de las peorescondiciones.

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Introducción III

Al ser montado en la aleta vertical, las interacciones aerodinámicasdeben ser analizadas cuidadosamente, ya que afectarán elcomportamiento del rotor antipar. Además la interacción con las estelaarrojadas por la cabeza de rotor principal y fuselaje así como la propiaestela del rotor principal in�uirán en el comportamiento del rotorantipar. Este entorno aerodinámico adverso implica que los requisitosde diseño para el rotor antipar son bastante diferentes de los del rotorprincipal.

La principal consecuencia es que encontrar el diseño de rotor antiparque sea capaz de satisfacer todas las especi�caciones en cuanto aaerodinámica, control, estabilidad, peso, etc. . . es una tarea muy difícil.

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Dimensionado I

La relación entre el diámetro del rotor principal y el diámetro del rotorantipar decrece ligeramente con el peso de la aeronave.

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Especi�caciones de tracción I

De forma aproximada el rotor antipar puede consumir entre el 6% y el10% de la potencia del helicóptero. Esta potencia es una potenciaperdida que no se emplea en generar fuerza sustentadora.

Existen diseños como el UH-60 Blackhawk que presentan un plano derotor antipar inclinado de forma que también ayude a generarsustentación. La inclinación del plano del rotor permite ensanchar laposición permisible del centro de gravedad de la aeronave. Sinembargo, esta inclinación introduce un acoplamiento entre la guiñaday el cabeceo adverso. Este efecto puede ser minimizado mediante elsistema de control de vuelo.

La dirección habitual de giro del rotor es contraria a las agujas delreloj. Por tanto el rotor antipar debe proporcionar una tracción en ladirección de la derecha del piloto.

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Especi�caciones de tracción II

Cuando la potencia del rotor aumenta, por ejemplo en ascenso, elrotor antipar debe ser capaz de compensar el aumento de par asociadoa este incremento de potencia. Habitualmente esta compensaciónadicional debe ser proporcionada por la acción del piloto sobre lospedales.

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Rotores de empuje versus tracción I

Rotor antipar de empuje: la aleta vertical se encuentra aguas arriba enla estela.

Rotor antipar de tracción: la aleta vertical se encuentra aguas abajo enla estela.

Ambas con�guraciones presentan interferencias aerodinámicasconsiderables con la aleta vertical. Estas interferencias son función deltamaño del rotor antipar, de la super�cie de la aleta vertical, y de laseparación entre el plano del rotor antipar y la aleta.

Se realizan ensayos entre ambas con�guraciones representando elempuje neto del rotor antipar en función de la separación entre aleta yrotor adimensionalizada con el tamaño del rotor y como parámetro larelación entre el área de la aleta vertical con respecto el área del rotor.

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Rotores de empuje versus tracción II

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Rotores de empuje versus tracción III

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Rotores de empuje versus tracción IV

En el rotor de empuje la aleta vertical distorsiona la corriente deentrada y la principal consecuencia es que el �ujo que ve el rotorantipar es altamente no uniforme y esto conduce a potencias inducidasmayores. Este tipo de rotor es una fuente de cargas de vibración.

En el rotor de tracción la aleta vertical se sitúa en la estela del rotorproduciendo un efecto de bloqueo o de efecto suelo. El efecto negativoes que aparece una fuerza en la dirección opuesta a la tracción delrotor antipar en la aleta vertical. El efecto neto es que disminuye latracción del rotor antipar.

Para ambas con�guraciones se comprueba que el efecto deinterferencia aerodinámica disminuye la tracción neta con respecto a latracción que se obtendría en condición aislada.

La mayoría de helicópteros actuales emplea rotores antipar de empujeporque experimentalmente presentan mejores e�ciencias globales.

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Requisitos de diseño I

Diámetro: desde el punto de vista de la TCM sería preferible que elrotor antipar presentara diámetros mayores. Sin embargo:

diámetros grandes implican diseños de aleta vertical y rotor antipar máspesados.para satisfacer requisitos de certi�cación y poder realizar vueloslaterales a una determinada velocidad lateral es deseable que la cargadiscal del rotor antipar sea lo su�cientemente alta para evitar que elrotor antipar funcione en el régimen de anillos turbillonarios.

Número de palas: suele ser 2 ó 4. Sin aparecer evidencias claras decual opción presenta mayores ventajas.

Torsión geométrica: las palas suelen presentar algo de torsión paraminimizar la potencia inducida. La torsión es pequeña para evitarperdidas y entrada en pérdida cuando se encuentran en régimen dedescenso (guiñada o viento lateral).

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Requisitos de diseño II

Per�les: la mayor parte emplean per�les simétricos por su sencillez ybajo momento de cabeceo. Algunos diseños emplean per�les concurvatura de manera que presentan mayores coe�cientes desustentación que permiten disminuir la solidez, minimizando el tamañoy peso del rotor antipar.

Velocidad de punta de pala: generalmente se diseñan para presentarvelocidad de punta de pala similar al rotor principal. Una bajavelocidad de punta de pala minimiza el ruido. Sin embargo, requierenmayores solideces para evitar entrada en pérdida y aumenta el par delrotor lo cual se traduce en aumentos considerables del peso delsistema mecánico de transmisión de par.

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Requisitos de diseño III

Dado que el antipar contribuye con una fuerza lateral a las fuerzas delhelicóptero, el rotor antipar introduce un desplazamiento lateral. Esteefecto debe ser compensado por la inclinación del rotor principallateralmente hacia la izquierda mediante paso cíclico.

Ambas fuerzas laterales, rotor antipar y principal, actúanconjuntamente produciendo un momento de alabeo.

Para reducir este acoplamiento, se suele situar el rotor antipar situadoen la parte superior de la estructura de la aleta vertical de manera quela distancia de acción del vector tracción sea lo más pequeña posibleal centro de gravedad.

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Interacciones aerodinámicas I

En vuelo de avance existe, también en el rotor antipar, una asimetríaen la presión dinámica.

La estela del rotor principal se desarrolla en dos vórtices, similares alos generados por las alas �jas. La estela produce un velocidadinducida vertical sobre el rotor antipar con un gradiente longitudinal develocidades considerable.

Otras condiciones críticas aparecen con vientos laterales a izquierda yderecha en los que los torbellinos del rotor principal pueden incidirdirectamente sobre el rotor antipar produciendo un deterioroimportante de la tracción del mismo.

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Interacciones aerodinámicas II

Vuelo con efecto suelo. Se puede producir la interacción entre eltorbellino de suelo y el �ujo del rotor antipar pudiendo llegar aocasionar la pérdida de capacidad de tracción del rotor antipar.

Vuelo lateral o vuelo a punto �jo con viento lateral. El rotorantipar opera en vuelo de descenso y puede encontrarse en el régimende anillos de vórtices donde se puede llegar a perder tracción y controldireccional.

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Con�guraciones típicas de rotores antipar I

La característica común a todas las con�guraciones de rotores antipares la ausencia de paso cíclico.

En general el rotor antipar presenta

batimientoausencia de articulación de arrastre para evitar complejidad mecánica yahorrar pesoacoplamiento batimiento-paso (δ3) para minimizar el batimiento de laspalas mediante paso inducido geométricamente.

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Fenestron I

Representa un rotor antipar carenado.

Especialmente empleado en helicópteros ligeros.

Presentan menores requisitos de potencia que los rotores antiparabiertos convencionales.

Por tanto, pueden proporcionar el mismo control direccional y tracciónpero siendo más ligeros y con menor tamaño.

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Fenestron II

w

iv

Entrada

Difusor

Fan

fT

2

+1

{1

0

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Fenestron III

Normalmente la longitud del conducto no puede ser demasiado grandepara evitar el aumento de resistencia y mantener el peso estructural enel mínimo. El ahorro de potencia inducida no es tan grande comoimplica la aplicación de la TCM.

El rotor antipar de tipo fenestron también disminuye las pérdidasdebidas a la pérdida en punta de pala.

Dado que el rotor fenestron se encuentra carenado en el vuelo deavance la interacción con la estela del rotor principal afecta menos yes más predecible.

En cambio, la posibilidad de desprendimiento en la zona de entrada hade ser contemplada. Para evitar este efecto se suele suavizar la zonade entrada.

El mayor número de palas aumenta la frecuencia del ruido del rotor, enun rango en el que el ser humano es más sensible. Diseños quedistribuyen las palas de forma no uniforme disminuyen el ruido.

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NOTAR I

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NOTAR II

La capacidad para compensar el par motor aparece mediante elconcepto de control de circulación.

Consiste en introducir una corriente de aire presurizado a través delmástil de cola de forma que a través de una ranura longitudinal seinyecta al exterior tangencialmente al mástil de cola. Este �ujo secombina con la velocidad inducida por la estela del rotor principal deforma que la corriente resultante permanece adherida al mástil de cola(Efecto Coanda). Esta con�guración de �ujo produce una importantepresión de succión en un lado del mástil que se traduce en una fuerzalateral en el mástil de cola distribuida a lo largo de su longitud.

La magnitud de esta fuerza distribuida depende de la velocidad delaire inyectado a través de la ranura longitudinal. Este parámetro secontrola mediante la presión proporcionada por un compresorcentrífugo colocado en el mástil de cola.

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NOTAR III

En vuelo de avance el control de la circulación se vuelve menosefectivo porque la estela del rotor principal proporciona menorcorriente tangencial al mástil de cola.

Las ventajas que incorpora este diseño son

bajo ruido aerodinámico,

seguridad para el personal de tierra,

ausencia de desprendimiento de palas,

se evita el ensamblaje de la cola vertical que hace vulnerable alhelicóptero en operaciones militares.

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