diseño conceptual del rotor antipar referencia básica...

Diseño conceptualDiseño conceptual del rotor antipar

Referencia Básica [Lei02]

Helicópteros () Diseño Rotor antipar 1 / 22

Introducción I

Los principales propósitos del rotor antipar son

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

El rotor antipar opera en un entorno aerodinámico bastantecomplejo y debe ser capaz de proporcionar la tracción necesariaa partir del flujo relativo de aire que provenga en general decualquier dirección.


Introducción II

Por ejemplo, el rotor antipar debe de proporcionar la tracciónnecesaria en

vientos laterales.maniobras laterales. Cuando el helicóptero se orienta hacia laizquierda, el rotor antipar se encuentra una corriente efectiva devuelo de ascenso. En cambio, si el helicóptero se orienta hacia laderecha, el rotor se encuentra funcionando en vuelo de descenso.Esta operación puede ser crítica ya que el rotor antipar se puedeencontrar fácilmente en régimen de anillos de vórtices o estelaturbulenta. Esto puede dar lugar a la pérdida de control lateral en elcaso de combinación de las peores condiciones.

Al ser montado en la aleta vertical, las interaccionesaerodinámicas deben ser analizadas cuidadosamente, ya queafectarán al comportamiento del rotor antipar.


Introducción III

Además la interacción con las estelas arrojadas por la cabeza derotor principal y fuselaje así como la propia estela del rotorprincipal influirán en el comportamiento del rotor antipar.

Este entorno aerodinámico adverso implica que los requisitos dediseño para el rotor antipar son bastante diferentes de los delrotor principal.

La principal consecuencia es que encontrar el diseño de rotorantipar que sea capaz de satisfacer todas las especificaciones encuanto a aerodinámica, control, estabilidad, peso etc. . . es unatarea muy difícil.


Dimensionado I

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

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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 unapotencia perdida, que no se emplea en generar fuerzasustentadoraExisten diseños como el UH-60 Blackhawk que presentan unplano de rotor antipar inclinado de forma que también ayude agenerar sustentación.La inclinación del plano del rotor permite ensanchar la posiciónpermisible del centro de gravedad de la aeronave.Esta inclinación introduce un acoplamiento entre la guiñada y elcabeceo adverso. Este efecto puede ser minimizado mediante elsistema de control de vuelo.


Especificaciones de tracción II

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

Cuando la potencia del rotor aumenta, por ejemplo en ascenso, elrotor antipar debe ser capaz de compensar el aumento de parasociado a este incremento de potencia.

Habitualmente esta compensación adicional debe serproporcionada por la acción del piloto sobre los pedales.


Rotores de empuje versus tracción I

Rotor antipar de empuje: el rotor se sitúa a la izquierda de la aletavertical.Rotor antipar de tracción: el rotor se sitúa a la derecha de la aletavertical.Ambas configuraciones presentan interferencias aerodinámicasconsiderables con la aleta vertical.Estas interferencias aerodinámicas son función del tamaño delrotor antipar, de la superficie de la aleta vertical, y de laseparación entre el plano del rotor antipar y la aleta.Se realizan ensayos entre ambas configuraciones representandoel empuje neto del rotor antipar en función de la separación entrealeta y rotor adimensionalizada con el tamaño del rotor y comoparámetro la relación entre el área de la aleta vertical conrespecto el área del rotor.


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 IVRotor 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 yesto 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 efectosuelo. Incrementa la tracción del rotor antipar.El efecto negativo es que aparece una fuerza en la direcciónopuesta a la tracción del rotor antipar en la aleta vertical.

Para ambas configuraciones se comprueba que el efecto es el dedisminuir la tracción neta con respecto la tracción que seobtendría en condición aislada.La mayoría de helicópteros actuales emplea rotores de empujeporque experimentalmente presentan mejor eficiencia global.


Requisitos de diseño I

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

diámetros grandes implican aleta vertical y rotor antipar máspesados.para satisfacer requisitos de certificación y poder realizar vueloslaterales a una determinada velocidad lateral es deseable que lacarga discal del rotor antipar sea lo suficientemente alta para evitarque el rotor antipar funcione en el régimen de anillos turbillonarios.

Número de palas: suele ser de 2 ó 4. Sin aparecer evidenciasclaras de cual opción presenta mayores ventajas.Torsión geométrica: las palas suelen presentar algo de torsiónpara disminuir la potencia inducida. La torsión es pequeña paraevitar pérdidas y entrada en pérdida cuando se encuentran enrégimen de descenso (guiñada o viento lateral).


Requisitos de diseño IIPerfiles: la mayor parte emplean perfiles simétricos por susencillez y bajo momento de cabeceo. Algunos diseños empleanperfiles con curvatura de manera que presentan mayorescoeficientes de sustentación que permiten disminuir la solidez,minimizando el tamaño y peso del rotor antipar.Velocidad de punta de pala: generalmente se diseñan parapresentar una velocidad de punta similar al rotor principal. Unabaja velocidad de punta minimiza el ruido. Sin embargo, estorequiere de mayores solideces para evitar entrada en pérdida yaumenta el par del rotor lo cual se traduce en aumentosconsiderables del peso del sistema mecánico de transmisión depar.


Requisitos de diseño III

Dado que el antipar contribuye con una fuerza lateral a lasfuerzas del helicóptero, el rotor antipar introduce unadesplazamiento lateral. Este efecto debe ser compensado por lainclinación del rotor principal lateralmente hacia la izquierdamediante paso cíclico.

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

Para reducir este acoplamiento, se suele situar el rotor antiparsituado en la parte superior de la estructura de la aleta vertical demanera que la distancia de acción del vector tracción sea lo maspequeño posible al centro de gravedad.


Interacciones aerodinámicas I

En vuelo de avance existe, también en el rotor antipar, unaasimetría 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 unvelocidad inducida vertical sobre el rotor antipar con un gradientelongitudinal de velocidades considerable.Otras condiciones críticas aparecen con vientos laterales aizquierda y derecha en los que los torbellinos del rotor principalpueden incidir directamente sobre el rotor antipar produciendo undeterioro importante de la tracción del mismo.


Interacciones aerodinámicas II

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

Vuelo lateral o vuelo a punto fijo con viento lateral. El rotorantipar opera en vuelo de descenso y puede encontrarse en elrégimen de anillos de vórtices donde se puede llegar a perdertracción y control direccional.


Configuraciones típicas de rotores antipar I

La característica común a todas las configuraciones de rotoresantipar es la ausencia de paso cíclico.En general el rotor antipar presenta

batimientoausencia de articulación de arrastre para evitar complejidadmecánica y ahorrar pesoacoplamiento batimiento-paso (δ3) para minimizar el batimiento delas palas mediante paso inducido geométricamente.


Fenestron I

Representa un rotor antipar carenadoEspecialmente empleado para helicópteros ligerosPresentan menores requisitos de potencia que los rotores antiparabiertos convencionalesPor tanto, pueden proporcionar el mismo control direccional ytracción pero siendo más ligeros y con menor tamaño.


Fenestron II

Normalmente la longitud del conducto no puede ser demasiadogrande para evitar el aumento de resistencia y mantener el pesoestructural en el mínimo. El ahorro de potencia inducida no es tangrande como implica 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 afectamenos y es más predecible.En cambio, la posibilidad de desprendimiento en la zona deentrada ha de ser contemplada. Para evitar este efecto se suelesuavizar la zona de entrada.El apantallamiento del fenestron puede evitar problemas dedesprendimiento de las palas.


NOTAR I


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 travésdel mástil de cola de forma que a través de una ranuralongitudinal se inyecta al exterior tangencialmente al mástil decola. Este flujo se combina con la velocidad inducida por la esteladel rotor principal de forma que la corriente resultante permaneceadherida al mástil de cola (Efecto Coanda). Esta configuraciónde flujo produce una importante presión de succión en un lado delmástil que se traduce en una fuerza lateral en el mástil de coladistribuida a lo largo de su longitud.La magnitud de esta fuerza distribuida depende de la velocidaddel aire inyectado a través de la ranura longitudinal. Esteparámetro se controla mediante la presión proporcionada por uncompresor centrífugo colocado en el mástil de cola.


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 aerodinámicoseguridad para el personal de tierraausencia de desprendimiento de palasse evita el ensamblaje de la cola vertical que hace vulnerable alhelicóptero en operaciones militares.


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