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Introducción a la Ing. Aeroespacial Tema 5 – Propulsión Aérea

Sergio Esteban Roncero Francisco Gavilán Jiménez

Parte II: Propulsión por Hélice

Departamento de Ingeniería Aeroespacial y Mecánica de Fluidos Escuela Superior de Ingenieros

Universidad de Sevilla Curso 2013-2014

Introducción a la Ingeniería Aeroespacial

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Geometría


Punta (tip)

Cabeza (hub)

Raíz (root)

β - Ángulo de paso geométrico

Ángulo que forma la cuerda del perfil con un plano perpendicular al eje de rotación de la hélice

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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

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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 = 𝟐𝟐𝒓𝟐 n – revoluciones por unidad de tiempo r – radio en el que se encuentra la sección

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Geometría - II


ϕ – ángulo de paso efectivo αg –ángulo de ataque geométrico p – paso geométrico pef – paso efectivo n – revoluciones por unidad de tiempo r – radio en el que se encuentra la sección

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

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

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Geometría - III


ϕ – ángulo de paso efectivo αg –ángulo de ataque geométrico J – parámetro de avance pef – paso efectivo p – paso geométrico

J – parámetro de avance

Distancia recorrida por vuelta en la dirección del eje de rotación

Para una hélice β conocido -> J define αg de las palas de la hélice

Paso efectivo

Paso geométrico

Sólo depende de la geometría del ala

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Geometría - IV


Paso efectivo

Valores nominales

Paso efectivo adimensionalizado con el diámetro de la hélice

Paso geométrico

Aumento de r, disminución β

Paso geométrico sólo depende de la geometría de las palas

Análisis de forma cualitativa de la necesidad de dar torsión

Si se desea que todas las secciones tenga un 𝛼𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜

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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

- Hélices de velocidad constante - Paso geométrico varia automáticamente - Trabaja a la velocidad óptima de diseño

¡NO COMPATIBLES!

Hélices paso fijo y paso variable - II


Video 1 (Variable Pitch (RC-airplane)) Video 2 (Variable Pitch (LEGO))

Hélices paso fijo y paso variable - III


Hélices paso fijo y paso variable - IV


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Fuerzas aerodinámicas


Potencia suministrada a la hélice para mantener velocidad angular Ω

Par actuando en el plano del eje

“Q”

fuerzas

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

𝑑𝐹1y d𝐹1′ = 2𝑑𝐹1 en la dirección del eje (perpendicular a la diapositiva)

𝑑𝐹1 en la dirección del eje 𝑑𝐹2 perpendicular al eje

Línea de puntos que une 𝑑𝐹2y d𝐹2′ equivalente a un par actuando en el plano perpendicular al eje

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

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Sistemas de arrastre - I


Motor alternativo en estrella. Video (Radial Engine)

14 Introducción a la Ingeniería Aeroespacial

Sistemas de arrastre – I - cont

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Sistemas de arrastre - II


Motor alternativo en bóxer. Video (Boxer Engine)

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Sistemas de arrastre - III


Ciclo de un motor alternativo de 4 tiempos

1 2 3

4 5 6

1) Fase de admisión 2) Fase de compresión 3) Fase de combustión y expansión 4) Fase de escape

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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

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Sistemas de arrastre - V Turboeje (turboshaft):

Motor de turbina de gas que entrega su potencia a través de un eje.


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Sistemas de arrastre - VI


Turbohélice

Sistemas de arrastre - VII

T56 Allison


Sistemas de arrastre - VIII

Caja reductora T56


Sistemas de arrastre - IX

Allison T56


Sistemas de arrastre - X



Sistemas de arrastre - XI

A400


Sistemas de arrastre - XII

A400 Video (Test Motores)


Sistemas de arrastre - XIII

An 70 Video (Proppellers NASA)

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Sistemas de arrastre - XI


Hélice movida por la misma turbina Hélice movida por una segunda turbina

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

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Bibliografía [And00] J.D. Anderson. Introduction to flight. McGraw Hill, 2000. [Riv07] Damián Rivas. Aeronaves y Vehículos Espaciales, Febrero de

2007. Wikipedia:

http://es.wikipedia.org http://en.wikipedia.org


http://es.wikipedia.org/

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