introducción a la ing. aeroespacialaero.us.es/iia/archivos/y1415/tema_05_parte2_y14_15.pdf ·...
TRANSCRIPT
1
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
2
Geometría
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
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
3
Geometría
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
- 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
4
Geometría - I
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
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
5
Geometría - II
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
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
6
Geometría - III
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
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
7
Geometría - IV
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
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
8
Hélices paso fijo y paso variable - I
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
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
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
Video 1 (Variable Pitch (RC-airplane)) Video 2 (Variable Pitch (LEGO))
Hélices paso fijo y paso variable - III
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
Hélices paso fijo y paso variable - IV
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
12
Fuerzas aerodinámicas
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
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
13
Sistemas de arrastre - I
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
Motor alternativo en estrella. Video (Radial Engine)
14 Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
Sistemas de arrastre – I - cont
15
Sistemas de arrastre - II
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
Motor alternativo en bóxer. Video (Boxer Engine)
16
Sistemas de arrastre - III
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
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
17
Sistemas de arrastre - IV
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
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
18
Sistemas de arrastre - V Turboeje (turboshaft):
Motor de turbina de gas que entrega su potencia a través de un eje.
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
19
Sistemas de arrastre - VI
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
Turbohélice
Sistemas de arrastre - VII
T56 Allison
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
Sistemas de arrastre - VIII
Caja reductora T56
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
Sistemas de arrastre - IX
Allison T56
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
Sistemas de arrastre - X
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
24 Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
Sistemas de arrastre - XI
A400
25 Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
Sistemas de arrastre - XII
A400 Video (Test Motores)
26 Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
Sistemas de arrastre - XIII
An 70 Video (Proppellers NASA)
27
Sistemas de arrastre - XI
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial
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
28
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
Introducción a la Ingeniería Aeroespacial