Diseño conceptual del rotor antipar

Diseño conceptual
Diseño conceptual del rotor antipar
Referencia Básica [Lei02]
Helicópteros ()
Diseño
Rotor antipar
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Introducción I
Los principales propósitos del rotor antipar son
proporcionar el par de compensación al par motor
proporcionar estabilidad así como dar control alrededor el eje de
guiñada
El rotor antipar opera en un entorno aerodinámico bastante
complejo y debe ser capaz de proporcionar la tracción necesaria
a partir del flujo relativo de aire que provenga en general de
cualquier dirección.
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Rotor antipar
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Introducción II
Por ejemplo, el rotor 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 se encuentra funcionando en vuelo de descenso.
Esta operación puede ser crítica ya que el rotor antipar se puede
encontrar fácilmente en régimen de anillos de vórtices o estela
turbulenta. Esto puede dar lugar a la pérdida de control lateral en el
caso de combinación de las peores condiciones.
Al ser montado en la aleta vertical, las interacciones
aerodinámicas deben ser analizadas cuidadosamente, ya que
afectarán al comportamiento del rotor antipar.
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Rotor antipar
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Introducción III
Además la interacción con las estelas arrojadas por la cabeza de
rotor principal y fuselaje así como la propia estela del rotor
principal influirán en el comportamiento del rotor antipar.
Este entorno aerodinámico adverso implica que los requisitos de
diseño para el rotor antipar son bastante diferentes de los del
rotor principal.
La principal consecuencia es que encontrar el diseño de rotor
antipar que sea capaz de satisfacer todas las especificaciones en
cuanto a aerodinámica, control, estabilidad, peso etc. . . es una
tarea muy difícil.
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Rotor antipar
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Dimensionado I
La relación entre el diámetro del rotor principal y el diámetro del
rotor antipar decrece ligeramente con el peso de la aeronave.
[Lei02]
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Especificaciones de tracción I
De forma aproximada el rotor antipar puede consumir entre el 6 %
y el 10 % de la potencia del helicóptero. Esta potencia es una
potencia perdida, que no se emplea en generar fuerza
sustentadora
Existen diseños como el UH-60 Blackhawk que presentan un
plano de rotor antipar inclinado de forma que también ayude a
generar sustentación.
La inclinación del plano del rotor permite ensanchar la posición
permisible del centro de gravedad de la aeronave.
Esta inclinación introduce un acoplamiento entre la guiñada y el
cabeceo adverso. Este efecto puede ser minimizado mediante el
sistema de control de vuelo.
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Especificaciones de tracción II
La dirección habitual de giro del rotor es contraria a las agujas del
reloj. Por tanto el rotor antipar debe proporcionar una tracción en
la dirección de la derecha del piloto.
Cuando la potencia del rotor aumenta, por ejemplo en ascenso, el
rotor antipar debe ser capaz de compensar el aumento de par
asociado a este incremento de potencia.
Habitualmente esta compensación adicional debe ser
proporcionada por la acción del piloto sobre los pedales.
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Rotores de empuje versus tracción I
Rotor antipar de empuje: el rotor se sitúa a la izquierda de la aleta
vertical.
Rotor antipar de tracción: el rotor se sitúa a la derecha de la aleta
vertical.
Ambas configuraciones presentan interferencias aerodinámicas
considerables con la aleta vertical.
Estas interferencias aerodinámicas son función del tamaño del
rotor antipar, de la superficie de la aleta vertical, y de la
separación entre el plano del rotor antipar y la aleta.
Se realizan ensayos entre ambas configuraciones representando
el empuje neto del rotor antipar en función de la separación entre
aleta y rotor adimensionalizada con el tamaño del rotor y como
parámetro la relación 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
Rotor de empuje:
la aleta vertical distorsiona la corriente de entrada al rotor antipar,
por lo que el flujo que ve el rotor antipar es altamente no uniforme y
esto conduce a potencias inducidas mayores.
Este tipo de rotor es una fuente de cargas de vibración
Rotor de tracción:
la aleta vertical se sitúa en la estela del rotor produciendo un efecto
suelo. Incrementa la tracción del rotor antipar.
El efecto negativo es que aparece una fuerza en la dirección
opuesta a la tracción del rotor antipar en la aleta vertical.
Para ambas configuraciones se comprueba que el efecto es el de
disminuir la tracción neta con respecto la tracción que se
obtendría en condición aislada.
La mayoría de helicópteros actuales emplea rotores de empuje
porque experimentalmente presentan mejor eficiencia global.
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Rotor antipar
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Requisitos de diseño I
Diámetro: desde el punto de vista de la TCM sería preferible que
el rotor antipar presentara diámetros mayores. Sin embargo:
diámetros grandes implican aleta vertical y rotor antipar más
pesados.
para satisfacer requisitos de certificación y poder realizar vuelos
laterales a una determinada velocidad lateral es deseable que la
carga discal del rotor antipar sea lo suficientemente alta para evitar
que el rotor antipar funcione en el régimen de anillos turbillonarios.
Número de palas: suele ser de 2 ó 4. Sin aparecer evidencias
claras de cual opción presenta mayores ventajas.
Torsión geométrica: las palas suelen presentar algo de torsión
para disminuir la potencia inducida. La torsión es pequeña para
evitar pérdidas y entrada en pérdida cuando se encuentran en
régimen de descenso (guiñada o viento lateral).
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Requisitos de diseño II
Perfiles: la mayor parte emplean perfiles simétricos por su
sencillez y bajo momento de cabeceo. Algunos diseños emplean
perfiles con curvatura de manera que presentan mayores
coeficientes de sustentación que permiten disminuir la solidez,
minimizando el tamaño y peso del rotor antipar.
Velocidad de punta de pala: generalmente se diseñan para
presentar una velocidad de punta similar al rotor principal. Una
baja velocidad de punta minimiza el ruido. Sin embargo, esto
requiere de mayores solideces para evitar entrada en pérdida y
aumenta el par del rotor lo cual se traduce en aumentos
considerables del peso del sistema 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 del helicóptero, el rotor antipar introduce una
desplazamiento lateral. Este efecto debe ser compensado por la
inclinación del rotor principal lateralmente hacia la izquierda
mediante paso cíclico.
Ambas fuerzas laterales, rotor antipar y principal, actúan
conjuntamente produciendo un momento de alabeo.
Para reducir este acoplamiento, se suele situar el rotor antipar
situado en la parte superior de la estructura de la aleta vertical de
manera que la distancia de acción del vector tracción sea lo mas
pequeño posible al centro de gravedad.
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Interacciones aerodinámicas I
En vuelo de avance existe, también en el rotor antipar, una
asimetría en la presión dinámica.
La estela del rotor principal se desarrolla en dos vórtices,
similares a los generados por las alas fijas. La estela produce un
velocidad inducida vertical sobre el rotor antipar con un gradiente
longitudinal de velocidades considerable.
Otras condiciones críticas aparecen con vientos laterales a
izquierda y derecha en los que los torbellinos del rotor principal
pueden incidir directamente sobre el rotor antipar produciendo un
deterioro importante de la tracción del mismo.
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Interacciones aerodinámicas II
Vuelo con efecto suelo. Se puede producir la interacción entre el
torbellino de suelo y el flujo del rotor antipar pudiendo llegar a
ocasionar la pérdida de capacidad de tracción del rotor antipar.
Vuelo lateral o vuelo a punto fijo con viento lateral. El rotor
antipar opera en vuelo de descenso y puede encontrarse en el
régimen de anillos de vórtices donde se puede llegar a perder
tracción y control direccional.
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Rotor antipar
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Configuraciones típicas de rotores antipar I
La característica común a todas las configuraciones de rotores
antipar es la ausencia de paso cíclico.
En general el rotor antipar presenta
batimiento
ausencia de articulación de arrastre para evitar complejidad
mecánica y ahorrar peso
acoplamiento batimiento-paso (δ3 ) para minimizar el batimiento de
las palas mediante paso inducido geométricamente.
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Rotor antipar
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Fenestron I
Representa un rotor antipar carenado
Especialmente empleado para helicópteros ligeros
Presentan menores requisitos de potencia que los rotores antipar
abiertos convencionales
Por tanto, pueden proporcionar el mismo control direccional y
tracción pero siendo más ligeros y con menor tamaño.
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Fenestron II
Normalmente la longitud del conducto no puede ser demasiado
grande para evitar el aumento de resistencia y mantener el peso
estructural en el mínimo. El ahorro de potencia inducida no es tan
grande como implica la aplicación de la TCM.
El rotor antipar de tipo fenestron también disminuye las pérdidas
debidas a la pérdida en punta de pala.
Dado que el rotor fenestron se encuentra carenado en el vuelo de
avance la interacción con la estela del rotor principal afecta
menos y es más predecible.
En cambio, la posibilidad de desprendimiento en la zona de
entrada ha de ser contemplada. Para evitar este efecto se suele
suavizar la zona de entrada.
El apantallamiento del fenestron puede evitar problemas de
desprendimiento de las palas.
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NOTAR I
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NOTAR II
La capacidad para compensar el par motor aparece mediante el
concepto de control de circulación.
Consiste en introducir una corriente de aire presurizado a través
del mástil de cola de forma que a través de una ranura
longitudinal se inyecta al exterior tangencialmente al mástil de
cola. Este flujo se combina con la velocidad inducida por la estela
del rotor principal de forma que la corriente resultante permanece
adherida al mástil de cola (Efecto Coanda). Esta configuración
de flujo produce una importante presión de succión en un lado del
mástil que se traduce en una fuerza lateral en el mástil de cola
distribuida a lo largo de su longitud.
La magnitud de esta fuerza distribuida depende de la velocidad
del aire inyectado a través de la ranura longitudinal. Este
parámetro se controla mediante la presión proporcionada por un
compresor centrífugo colocado en el mástil de cola.
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NOTAR III
En vuelo de avance el control de la circulación se vuelve menos
efectivo porque la estela del rotor principal proporciona menor
corriente 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 al
helicóptero en operaciones militares.
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