REDISEO DE INGENIERA DE UNA HLICE DE PASO VARIABLE PARA UN AERODESLIZADOR RUSO

ANGIE GARCA RAMREZ SAL TARAZONA CARO

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA FACULTAD DE INGENIERA

PROGRAMA DE AERONUTICA BOGOT D.C.

2006

REDISEO DE INGENIERA DE UNA HLICE DE PASO VARIABLE PARA UN AERODESLIZADOR RUSO

ANGIE GARCA RAMREZ SAL TARAZONA CARO

Trabajo de Grado para optar al ttulo de Ingeniero Aeronutico

Asesores MILLER BERMDEZ Ingeniero Aeronutico

FERNANDO COLMENARES Ingeniero Aeronutico

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA FACULTAD DE INGENIERA

PROGRAMA DE AERONUTICA BOGOT D.C.

2006

Nota de aceptacin: _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________

Firma del Presidente del Jurado _________________________________ Firma del Jurado _________________________________ Firma del Jurado _________________________________ Asesor Metodolgico Bogot D.C., 28 de Mayo del 2006

DEDICATORIA A mi padre por ensearme el valor de las cosas, por facilitarme los caminos, por mostrarme como encontrarlos, por entender mis errores y mis fracasos como el buen padre que a sido y s que seguir siendo; por drmelo todo sin pedirme nada a cambio, por darme va libre para ser lo que yo quiero ser, por aprender lo que quise aprender y con esto poder saber todo lo que se, brindndome todos los beneficios que en mi futura vida profesional tendrn un peso enorme. A mi madre que todo me lo enseo y dedico tanto tiempo y esmero en mi educacin, desde como caminar paso a paso poniendo los pies en la tierra, hasta como extender mis alas para volar hacia el camino del triunfo.

Sal Tarazona Caro Para mis padres, este es el fruto de tantos aos de estudio. Y a todos los Ingenieros Aeronuticos, la investigacin y el desarrollo de empresa aeronutica es posible.

Angie Carolina Garca Ramrez

AGRADECIMIENTOS

A Sal Tarazona Cceres Q.E.P.D. mi abuelo paterno por ser la primer persona que apoyo mis estudios de primaria y bachillerato, adems de darme pie para no escoger una carrera mediocre, facilista, o sin trascendencia para el mundo. A mis amigos de infancia Ingenieros Camilo Andrs Camacho Duque y Camilo Riascos Vanegas por ser mi apoyo temtico cuando mas lo necesite, y que sin dudar ni un momento me tendieron la mano en todo lo que necesite y en lo que me pudieron ayudar. A mis amigos universitarios y de ahora en delante de la vida Ingenieros Oscar Andrs Robin Giraldo, Ricardo Andrs Ochoa De La Rosa por estar siempre e mi lado, y entender de la mejor manera mis fallas y graves errores; por estar siempre tan pendientes de mis progresos y darme nimos cuando ya los haba perdido. A Hernando Zapata Melo porque me hizo dar cuenta de mis aptitudes para esto que soy ya, todo un Ingeniero, junto con el aprend que es en realidad lo que significa ser ingeniero Aeronutico, y que serlo no lo hace un cartn con mi nombre, serlo significa sacrificio, empeo, algo de sufrimiento y mucho entregado a algo que se convirti de la noche a la maana en todo un reto. A mis Amigos quienes estuvieron siempre a mi lado en tantos momentos, porque gracias a ustedes es que hoy en da creo certeramente, conocer esa palabra tan grande que es Amigo.

Sal Tarazona Caro Primero deseo agradecer a mis padres por darme la oportunidad de estudiar esta ingeniera y a mi familia por todo el apoyo que me han dado durante toda mi vida, en todos los aspectos en los que los he necesitado. Tambin quiero agradecer a Holbey; gracias por estar siempre conmigo, por apoyarme y ayudarme en tantos aspectos importantes, personales y acadmicos, y por estar siempre aqu, dndome fuerzas para continuar. A mis asesores de tesis; Ingeniero Miller Bermdez, sin su apoyo y colaboracin este trabajo de grado no seria lo que es. Ingeniero Fernando Colmenares, adems de ser un tutor has sido un amigo, gracias por todo.

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Tambin debo agradecer a todas las personas que nos han ayudado a la realizacin de este trabajo de grado, personal de la universidad y asesores externos. Gracias a todas las personas que tal vez no nombre, pero que saben que las tengo en mi corazn.

Angie Carolina Garca Ramrez

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TABLA DE CONTENIDO

Pg.

INTRODUCCIN 20

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 21

1.1 ANTECEDENTES 21

1.2 DESCRIPCIN Y FORMULACIN DEL PROBLEMA 21

1.3 JUSTIFICACIN 22

1.4 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIN 23

1.4.1 OBJETIVO GENERAL 23

1.4.2 OBJETIVOS ESPECFICOS 23

1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO 24

1.5.1 ALCANCES 24

1.5.2 LIMITACIONES 24

2. MARCO DE REFERENCIA 25

2.1 MARCO TERICO 25

2.1.1 Teora de las hlices 25

2.1.2 Principio de Operacin de la hlice 42

2.1.3 TIPOS DE HLICES 44

2.1.4 Requisitos generales de las hlices 51

2.1.5 Eficiencia libre de hlice y de instalacin 52

2.1.6. Informacin Tcnica del aerodeslizador Neptune IRBIS 54

2.2 MARCO HISTRICO 61

3. METODOLOGA 62

3.1 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIN 62

3.2 LNEA DE INVESTIGACIN DE LA USB 62

3.3 HIPTESIS 62

3.4 VARIABLES 62

3.4.1 Variables Independientes 62

7

3.4.2 Variables Dependientes 62

4. DESARROLLO INGENIERIL 64

4.1 QUE ES UN PROCESO DE REINGENIERA? 64

4.2 INTRODUCCIN A LA SELECCIN DE UNA HLICE 64

4.2.1 Variables de diseo para seleccionar en una hlice 65

4.2.1.1 Numero de palas 65

4.2.1.2 La velocidad 65

4.2.1.3 Densidad del fluido 65

4.2.1.4 Distribuciones de sustentacin y resistencia elevacin y arrastre 66

4.2.1.5 Dimetro de la hlice 66

4.2.1.6 Factor de Actividad (Activity Factor) y Nmero de Palas 67

4.2.1.7 ngulo de twist o enroscamiento 67

4.2.1.8 Mecanismo de reversibilidad de la hlice 68

4.3 Seleccin De Perfil De Pala Y Coeficiente De Elevacin De Diseo 69

4.3.1 Palas de tecnologa avanzada 73

4.3.1.1 Ventajas de los materiales compuestos 75

4.3.1.2 Secciones de perfil A.R.A. (Figura 30) 75

4.3.1.3 Desempeo de los perfiles ARA-D 76

4.3.1.4 Comparaciones en el diseo del cubo 77

4.3.2 Construccin de Palas de material compuesto 77

4.3.2.1 MATERIALES COMPUESTOS AVANZADOS 77

4.3.2.2 Proceso de Manufactura 81

4.4 PREDICCIN DE DESEMPEO EN UNA HLICE 84

4.4.1 Prediccin del Poder Esttico 84

4.4.2 Prediccin de poder y empuje en avance 84

4.5 RUIDO EN UNA HLICE 88

4.5.1 Ruido Rotacional 88

4.5.2 Ruido por el Vrtice 88

4.5.3 Procedimiento para la prediccin del ruido de una hlice 89

5. PRESENTACIN Y ANLISIS DE RESULTADOS 90

8

5.1. SELECCIN DEL PERFIL 90

5.1.1. Calculo de Nmero de Reynolds 90

5.1.2. Procedimiento para la seleccin del mejor perfil 90

5.2 CALCULO DEL FACTOR DE ACTIVIDAD (ACTIVITY FACTOR) 109

5.3 PREDICCIN DEL EMPUJE ESTTICO 111

5.3.1 Calculo para perfil ARA-D 6% 111

5.3.2 Calculo para perfil actual IRBIS 123

5.4 PREDICCIN DE PODER Y EMPUJE EN NAVEGACIN 135

5.4.1 Calculo para perfil ARA-D 6% 135

5.4.2 Calculo para perfil actual IRBIS 145

5.5 CALCULO DE RUIDO A UNA DISTANCIA DE 25MTS Y UN

AZIMUTH DE 0 155

6. CONCLUSIONES 157

7. RECOMENDACIONES 160

BIBLIOGRAFIA 162

ANEXOS

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NDICE DE TABLAS Tabla 1. Factores de correccin de la pendiente de la curva de sustentacin para perfiles aerodinmicos tridimensionales Tabla 2. Datos tcnicos del motor Tabla 3. Anlisis del perfil IRBIS Tabla 4. Anlisis del perfil ARA-D 6 Tabla 5. Calculo empuje esttico perfil ARA-D 6 Tabla 6. Calculo empuje esttico perfil actual IRBIS Tabla 7. Calculo empuje disponible y potencia disponible perfil ARA-D 6 Tabla 8. Calculo empuje disponible y potencia disponible perfil actual IRBIS

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Diagrama de los vectores de velocidad

Figura 2. Fuerzas que actan sobre el elemento de la pala

Figura 3. Relaciones L/D de las secciones tpicas de la hlice

Figura 4. Eficiencia de una seccin de pala como funcin del ngulo de paso

para diferentes valores de L/D

Figura 5. Coeficiente de elevacin de diseo integrado y ptima relacin CF/CP

Figura 6. Eficiencia de la hlice y ngulo de paso de la pala en un radio de 75%,

Figura 7. Ejemplos de dCT/dx y de dCQ/dx para una hlice con = 17

Figura 8. Ejemplo del efecto de compresibilidad en la eficiencia de la hlice para

una hlice con 8% de espesor de seccin

Figura 9. Efecto del camber de la pala en el nmero de mach efectivo

Figura 10. Efecto del radio de avance y nmero de mach efectivo en el factor de

correccin de compresibilidad

Figura 11. Fuerza centrifuga que tiende a halar las palas del cubo

Figura 12. Flexin de la pala

Figura 13. Fuerza de doblado de torque que tiende a doblar la pala en la direccin

opuesta a la de giro

Figura 14. Momento de torsin aerodinmica que tiende a incrementar el ngulo

de pala

Figura 15. Momento de torsin centrfugo que tiende a hacer que se disminuya el

ngulo de pala

Figura 16. Fuerzas de flexin por el empuje

Figura 17. Fsica de un ducto

Figura 18. Modelo de hlice de ducto

Figura 19. Eficiencia libre de hlice y de instalacin

Figura 20. Fuerzas y ejes de una pala

Figura 21. Geometra en 3D del ducto en diferentes vistas

11

Figura 22. Textura del material para absorcin de ruido

Figura 23. Angulo de twist (enroscamiento)

Figura 24. Esquema de reversin de la hlice

Figura 25. Terminologa de perfiles

Figura 26. Coeficiente de elevacin de diseo integrado permisible para evitar

fallas por efectos de compresibilidad

Figura 27. Secciones de pala NACA 16

Figura 28. Comparacin de los perfiles RAF-6 y Clark Y

Figura 29. Comparacin de peso de hlice contra el dimetro

Figura 30. Comparacin de tamao de pala entre NACA 16 y ARA-D

Figura 31. Comparacin de corte de seccin entre NACA 16 y ARA D

Figura 32. Curva de desempeo de seccin de pala ARA-D

Figura 32 a. Comparacin de los compuestos frente a otros materiales

Figura 33. Seccin de pala de material compuesto

Figura 34. Detalle de la raz de la pala

Figura 35. Diagrama de estructura compuesta

Figura 36. Construccin del molde

Figura 37. Conductor de descarga

Figura 38. Efecto del radio geomtrico de avance, J, y el tipo de entrada en el

bloqueo

Figura 39. Perfil IRBIS sacado por edicin digital

Figura 40. Mtodo de obtencin de coordenadas del perfil IRBIS

Figura 41. Introduccin de coordenadas iniciales IRBIS

Figura 42. Introduccin de coordenadas finales IRBIS

Figura 43. Resultante de la introduccin de coordenadas IRBIS

Figura 44. Cl (Cd) IRBIS

Figura 45. Cl alpha y Cd alpha IRBIS

Figura 46. Cl/Cd (alpha) y Cm (alpha) IRBIS

Figura 47. Comparacin de perfiles

Figura 48. Cl (alpha) y Cd (alpha) ARA-D 6%

12

Figura 49. Cl/Cd (alpha) y Cm (alpha) ARA-D 6%

Figura 50. Cl (Cd) ARA-D 6%

Figura 51. Comparacin de Cl (alpha) y Cd (alpha) de los perfiles IRBIS y ARA-D

6 %

Figura 52. Comparacin de Cl/Cd (alpha) y Cm perfiles IRBIS y ARA-D 6

Figura 53. Comparacin de Cl/Cd perfiles IRBIS y ARA-D 6%

Figura 54. Empuje esttico perfil ARA-D 6%

Figura 55. Empuje esttico perfil actual IRBIS

Figura 56. Empuje disponible perfil ARA-D 6%

Figura 57. Potencia disponible perfil ARA-D 6%

Figura 58. Empuje disponible perfil actual IRBIS

Figura 59. Potencia disponible perfil actual IRBIS

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LISTA DE ANEXOS

ANEXO 1 Grafica de Coeficientes de Empuje y Potencia para empuje esttico con 4 palas y AF= 16

ANEXO 2 Grafica de Coeficientes de Empuje y Potencia para empuje esttico con 4 palas y AF= 200 ANEXO 3 Eficiencia libre de hlice para B=4, AF =180, CLi = 0.30 ANEXO 4 Eficiencia libre de hlice para B=4, AF =180, CLi = 0.50 ANEXO 5 Eficiencia libre de hlice para B=4, AF =180, CLi = 0.70 ANEXO 6. Ruido parcial de campo lejano basado en la velocidad en la punta. ANEXO 7 Ruido parcial de campo lejano basado en el numero de palas y el dimetro de la hlice ANEXO 8 Absorcin atmosfrica y propagacin esfrica del sonido ANEXO 9 ndice de directividad ANEXO 10 Ajuste de nivel de ruido percibido para 4 hlices de 4 palas ANEXO 11 Vista Lateral y Superior del aerodeslizador IRBIS ANEXO 12 Fotografa del aerodeslizador IRBIS

ANEXO 13 Vistas de la pala del aerodeslizador IRBIS ANEXO 14 Visualizacin de vectores de presin en los perfiles ARA-D 6% a mayor ngulo de alfa ANEXO 15 Visualizacin de vectores de presin en los perfiles ARA-D 6% a mayor ngulo de alfa.

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GLOSARIO

NGULO DE ATAQUE Y NGULO DE INCIDENCIA: Se denomina ngulo de ataque, al formado entre la cuerda y la direccin de la corriente libre del aire (resultante del viento relativo).

NGULO DE INCIDENCIA: El ngulo de ataque no debe ser confundido con el ngulo de incidencia. El ngulo de incidencia es el formado entre la lnea de la cuerda y el plano de rotacin del rotor. Este es un ngulo mecnico ms que un ngulo aerodinmico, como si lo es el ngulo de ataque.

ANGULO DE PALA: Es el ngulo agudo que forma la cuerda de la seccin de la pala con un plano perpendicular al eje de rotacin. El ngulo de la pala es la suma del ngulo de hlice y el ngulo de ataque. ANGULO DE HLICE: Es el ngulo que forma la velocidad relativa del aire y el lano donde gira la hlice. Se llama tambin ngulo de paso de la hlice. p

REA DE LA HLICE: rea de la pala multiplicada por el numero de palas que tiene la hlice.

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REA DE LA PALA DE LA HLICE: rea total de la cara de traccin de la pala. La

cabina mirando hacia delante.

n a 90, aproximadamente, en relacin al viento relativo. Esta osicin corresponde con la de resistencia mnima aerodinmica de la hlice.

: Son unos contrapesos de forma esfrica que se utilizan para ompensacin de peso.

aque l viento relativo.

ORDE DE SALIDA: Borde posterior de la pala de hlice, en sentido de ataque al

dos los mecanismos que fijan hlice y las palas al rbol porta hlice. Se llama tambin cubo de la hlice.

AMBER: Es la mxima distancia de la lnea principal desde la lnea de la cuerda.

N: Es la parte plana de la pala de la hlice. Tcnicamente, la alabra correcta es intrads. La otra cara de la hlice, que tiene una superficie

UBO: Es la estructura que sirve de retenedor de las palas de la hlice.

HLICE: Se llama disco de la hlice al rea circular barrida por las alas en movimiento.

l intrads, genera resiones, tanto en uno como en otro lado. La diferencia entre estas presiones (si

ORSO: Se llama dorso a la pala de la hlice al lado curvado de la misma

cara de traccin de la pala es el intrads de esta. O dicho en otros trminos, es la que ve el piloto desde la BANDERA: Se llama bandera a la posicin que adoptan las palas de la hlice cuando se colocap BOB-WEIGHTSc BORDE DE ATAQUE: Borde anterior de la pala de la hlice, en sentido de ata Bviento relativo. BUJE: Es la parte central de la hlice. El buje tiene tola C CARA DE TRACCIpmas curvada, se llama dorso de la pala o extrads. C CUERDA: Cuerda del perfil es la lnea imaginaria que une el borde de ataque con el borde de salida. DISCO DE LAp DISTRIBUCIN DE PRESIONES. El aumento de la velocidad del aire sobre el extrads de un perfil con respecto a la velocidad del aire en epla presin en el extrads es mayor) genera una resultante a la que llamamos sustentacin. D(extrads). El dorso o extrads de la pala es la superficie que se observa si se mira a la hlice de frente, montada en posicin normal al avin.

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ESPIGA DE LA PALA: La espiga de la pala es la parte ms prxima al buje. Se llama tambin raz, debido a que es la zona de empotramiento de la pala en el ubo. La espiga de la pala es la parte de mayor espesor de la pala.

representa la distancia que hay en ulgadas de una seccin determinada al eje de giro. Se puede expresar tambin

ada a partir del eje de giro.

las palas de la hlice en movimiento. Tiende a separar las palas e la raz. Esta es debida al movimiento de rotacin de la hlice y crece con la

ANDO DEL PASO: Palanca de control del paso de la hlice. Se llama tambin

OMENTO DE TORSIN CENTRIFUGO: Es el par que tiende a disminuir el

OMENTO DE TORSIN AERODINMICO: Se llama as al par de torsin que

ponen la hlice. Se extiende esde el cubo de la hlice hasta la punta o extremo de la pala.

so de la hlice.

la hlice. Normalmente se define para la situada al 75% del eje de giro.

. Es la torsin de la pala de la hlice a lo largo de su ltura, consecuencia de la variacin del ngulo de hlice con la distancia al eje de

c ESTACIN DE PALA: Es el nmero que representa la distancia que existe entre una seccin de pala y el eje de giro de la hlice. Si la distancia se mide en pulgadas, el nmero de estacin de palapen porcentaje de la altura de la pala. As por ejemplo. La estacin del 70% de la altura de la pala cont FUERZA CENTRIFUGA DE LA PALA: La fuerza centrifuga de la pala es la fuerza que acta sobredvelocidad angular al cuadrado de la hlice. Mmando de la hlice. Mngulo de pala. Mtiende a aumentar el ngulo de pala de la hlice. PALA: Una de las superficies aerodinmicas que comd PASO: Sin ms adjetivos. El trmino paso tiene el mismo significado que ngulo de pa PASO GEOMTRICO: Se llama paso geomtrico a la distancia terica que recorre un avin por cada revolucin completa deuna estacin de pa DISTRIBUCIN DEL PASOagiro. PASO EFECTIVO: Es la distancia real que recorre el avin durante el tiempo que la hlice efecta una revolucin completa. Plano de rotacin Es el plano en el cual gira la hlice. El plano de rotacin es perpendicular, al eje de rotacin del rbol motor

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RENDIMIENTO DE LA HLICE: Es un coeficiente que se usa para medir la

tiene al dividir la potencia til para el vuelo (Traccin de la hlice por elocidad de vuelo) y la potencia que el motor entrega a la hlice. El rendimiento

stante, las modernas hlices propfan han conseguido antener rendimientos altos en estas condiciones de funcionamiento

ESBALAMIENTO: Es la diferencia entre el paso geomtrico y el paso efectivo de

ECCIN DE PALA: Es la seccin o corte transversal de una pala de hlice. La

CRUBBING DRAG: Es la resistencia que generan las superficies con las que ste en contacto el flujo de salida de las hlices.

PASO seguros que hacen que el paso se mantenga en a posicin determinada.

CCIN DE LA a traccin de la hlice a la fuerza dinmica que ac la direccin de avance.

viatura idades

eficacia de trabajo de la hlice en su funcin de producir empuje. Es el coeficiente que se obvde la hlice es del orden del 80% en condiciones de vuelo de crucero; disminuye en gran medida si la velocidad de las puntas es transnica debido a la presencia de ondas de choque. No obm Rla hlice. Sseleccin es un corte imaginario que se puede individualizar para cualquier plano paralelo al eje de rotacin. SCOOP INLET: Es la forma redondeada por donde el aire pasa a la hlice. Se SEGUROS DE DART: Sonun TRA

o HLICE: Se llam

enaer

ta sobre la hlice

Abre Definicin Un - Altitud m; Ft AF Factor de Actividad - B Numero de palas - c Cuerda m; Ft CF = CT Coeficiente de Empuje - Cld Coeficiente de sustentacin de diseo - Cli Coeficiente de sustentacin integrado -

Coeficiente de poder de la hlice Ct/Cp Relacin Empuje/Potencia - D Dimetro m; Ft Fblockage Factor de Bloqueo - Fcompressibility ilidad Factor de Compresib -

Cp -

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Fscrubbing Factor de Resbalamiento - fslip ita de los

tran inmersos en de salida de la hlice

Resistencia del rea parascomponentes que se encenel flujo

-

h Retardo del paso de flujo a travs del disco dela hlice

-

J Relacin de Avance - Jeffective Relacin de Avance Efectivo - N Revoluciones de la hlice RPM n Revoluciones de la hlice rps R Radio m; Ft Sbody rea de la secci

la hlin transversal de los cuerpos ce

t2 delante de

m2; F

SHP Shaft Horse Power HP Swet slipstream rea de los componentes del A/C que se

e la hlice m2; Ft2

encuentran en el flujo de salida dTHPav ponible Potencia de empuje dis HP Tinstalled s Empuje instalado LbTstatic Empuje esttico Lbs V Velocidad Nudos Pfree for Jeffective

Eficiencia de la hlice Libre -

Pinstalled Eficiencia de la hlice Instalada - Densidad atmosfrica slug/ft3 Relacin de Densidad atmosfrica -

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INTRODUCCIN

Lo que se podr ver en este trabajo ser el fruto de una investigacin acerca de un tema del cual no es sencillo encontrar informacin, as como tampoco personas especializadas o con experiencia en el tema, y aun mas difcil es cuando tanto en el mundo aeronutico mundial, como en el de Colombia la tarea de disear de una hlice esta limitada a las grandes compaas como Hartzell y Mc Cauley entre otras, partiendo de este punto se puede ver una gran oportunidad de mercado y por consiguiente de crear empresa, teniendo la ventaja que las regulaciones para hlices de este tipo de vehculos no es tan amplia y por lo tanto es una buena plataforma para experimentar, desarrollar y establecer la base tecnolgica para modelos mas exigentes en trminos de regulacin como lo es la aeronutica.

En cuanto a la metodologa usada en el trabajo se hizo de tal forma que el lector este en todo momento viendo una serie de pasos ordenados, partiendo de los mas sencillo a lo mas especializado y complejo, haciendo del calculo y prediccin un ejercicio sencillo, utilizando todas las herramientas que los programas modernos nos pueden brindar; este proceso de reingeniera es realizable no solo para el caso que nos ocupa del rediseo de la hlice del aerodeslizador IRBIS, si no que tambin puede ser usado en cualquier otro tipo de exigencia que se le pueda presentar a los futuros ingenieros aeronuticos en donde se les plantee ejecutar el calculo, diseo y construccin de una hlice como solucin.

Este trabajo esta enfocado en la hlice de un aerodeslizador; un medio de transporte que ya esta en Colombia y en muy poco tiempo estar en operacin, tenemos el privilegio de tener uno de los 12 que existen en el mundo a nuestra disposicin, dndonos la oportunidad de ser los pioneros en cuanto a diseo, calculo y construccin de hlices para este tipo de vehculos, que iniciaran una nueva era en el transporte Fluvial, martimo y terrestre para el uso civil y porque no en el militar tambin.

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1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 1.1 ANTECEDENTES Entre 1988 y 1989 se realizo un concurso en el cual competan por desarrollar la mejor hlice para el aerodeslizador IRBIS diseado en el ao de 1986 por el Instituto CDB Neptuno, quienes fueron los diseadores y constructores del aerodeslizador; a este concurso se presentaron dos hlices; la primera presentada por el instituto Krilov fabricada en metal y la resultante ganadora presentada por la compaa TSAGI que esta hecha con materiales compuestos. 1.2 DESCRIPCIN Y FORMULACIN DEL PROBLEMA Colombia por su ubicacin estratgica tiene una gran cantidad de vas fluviales y zonas intercostales en los cuales la navegacin fluvial esta poco desarrollada, teniendo deficiencias en el servicio y altos costos de operacin, a razn de esto se necesitan altas inversiones en infraestructura para poder mejorar el transporte en zonas apartadas de la geografa nacional; Aeronaviera de Colombia Ltda. esta introduciendo un aerodeslizador, con una capacidad de 32 pasajeros en rutas tursticas que corresponden a las rutas de Cartagena Islas del Rosario, con el propsito de demostrar la viabilidad de este medio de trasporte es requerido mejorar las prestaciones de este en cuanto a eficiencia, empuje, ruido y desempeo; junto con esto se intenta suplir la carencia de construccin y diseo de hlices en Colombia, razn por la cual la nica salida que encuentran los operadores de aeronaves es importar las hlices de otros pases, haciendo que el valor de la hlice se incremente considerablemente. Es por esto que surge la pregunta de Es posible redisear y construir una hlice en Colombia?

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1.3 JUSTIFICACIN La industria del transporte en el pas ha evolucionado muy rpidamente. Todas las personas que deseen desplazarse de un lugar a otro necesitan usar un medio de transporte: autos, buses, barcos, aviones. Lo que todos buscan es la mayor comodidad y economa. El concepto de aerodeslizador en Colombia es nuevo. Este nuevo medio de transporte proporciona las soluciones de movilizacin y economa para las zonas apartadas del pas, siendo ms confortable que un bote, ms rpido y razonablemente econmico. Es as que se desea mejorar las caractersticas de desempeo de un aerodeslizador por medio del rediseo de ingeniera de la hlice del mismo, con el fin de demostrar que s se puede disear calcular y construir una hlice en Colombia Este trabajo de investigacin tambin desarrollar un manual de procedimientos de diseo y calculo de hlices, tema que nos compete como ingenieros aeronuticos, y en el cual muy poco se a profundizado en el medio aeronutico, siendo este el primer medio de propulsin en el mundo de la aviacin; este es un tpico que nos sigue interesando debido a que su aplicabilidad es muy amplia y la necesidad esta dada para que nuestro trabajo llegue mucho mas all del desarrollo del tema, si no que adems nos de la oportunidad de ingresar a un campo en el que no se a llegado mas all de la reparacin y mantenimiento de las hlices, abrindonos as las puertas en campos que la mayor parte, por no decir toda, la gente del medio aeronutico jams se a detenido a mirar como opcin de empresa; con esto en claro, nos atrevemos a decir que la nueva industria y que el futuro de muchos ingenieros aeronuticos podra estar en la construccin, diseo y rediseo de ingeniera de hlices. Llegando al objetivo propuesto en este trabajo, entre otras cosas lo que se lograra es una reduccin en el consumo de combustible y en la emisin de ruido del aerodeslizador, hacindolo mas rentable y silencioso, lo cual ayudara a sus costos de operacin, versatilidad, extensin de rangos en trayectos y a demostrar que en este pas es posible explotar la creacin de empresa en este inmenso campo de las hlices.

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1.4 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIN 1.4.1 OBJETIVO GENERAL Disear una hlice de paso variable y establecer la metodologa de diseo para la misma. 1.4.2 OBJETIVOS ESPECFICOS

Desarrollar la investigacin de teora de hlices.

Desarrollar la investigacin de eficiencia de una hlice.

Estudiar y aplicar los principios de operacin de una hlice.

Estudiar los distintos tipos de perfiles aerodinmicos que son viables para una hlice y su influencia sobre la misma.

Analizar las caractersticas de geometra de una pala para lograr el

desempeo ms eficiente.

Determinar parmetros para el diseo.

Elaborar la metodologa paso a paso del diseo conceptual de una hlice

de paso variable para el aerodeslizador IRBIS. Calcular el rendimiento de la hlice y su resbalamiento (scrubbing). Establecer el paso geomtrico, la distribucin del paso y el paso efectivo

que mejor se adapten al diseo.

Identificar los mtodos para reduccin de ruido, y como se realiza su muestreo.

Determinar parmetros para la construccin de la hlice.

Estudiar la aplicabilidad de la utilizacin de distintos materiales para la

fabricacin de la hlice y elegir el ms conveniente, que sea resistente a la abrasin.

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1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO 1.5.1 ALCANCES Llegar al diseo preliminar de una hlice propuesta de paso variable para el aerodeslizador IRBIS. 1.5.2 LIMITACIONES No hay aerodeslizadores en Colombia y por lo tanto poca experiencia en la operacin y aun menos en cuanto al diseo de sus sistemas de propulsin. Los aerodeslizadores en el mundo son muy escasos y en cuanto a su diseo y partes esto es casi un secreto. Esta poca informacin sobre hlices para aerodeslizadores que son notablemente diferentes con las de las aeronaves, hace que se deban hacer cambios pertinentes con el fin de adaptarlos a razn de tener misiones muy distintas en su operacin. No hay personas especializadas en el pas disponibles para la consulta sobre clculos, construccin y diseo de hlices. No existe una empresa o persona que tenga experiencia en construccin de hlices de material compuesto. El diseo de hlices esta limitado a pocas personas en el mundo, haciendo ms difcil la tarea de adquisicin de informacin. La nica ayuda en cuanto a experiencia sobre hlices esta limitada a el mantenimiento y reparacin.

24

2. MARCO DE REFERENCIA 2.1 MARCO TERICO 2.1.1 Teora de las hlices Las hlices datan de 1493, cuando Leonardo Da Vinci propuso el concepto de un tornillo helicoidal para impulsar una mquina verticalmente en el aire. La hlice es un propulsor mecnico que produce una fuerza, o empuje, a lo largo del eje de rotacin cuando gira en un fluido (gas o lquido). Las hlices pueden funcionar tanto en aire como en agua, aunque un propulsor diseado para un funcionamiento eficiente en uno de los dos medios sera muy poco eficiente en el otro. Hasta el desarrollo de la propulsin a chorro, todos los aviones (excepto los planeadores) tenan este tipo de propulsin. Incluso hoy, los turbofans utilizan un tipo especial de hlice, instalada en un conducto. Cuando una hlice est situada en una corriente de aire funciona como un molino. La hlice es en esencia un tornillo que, al girar, se impulsa a s mismo a travs del aire o del agua de la misma forma que un perno se inserta en una tuerca. Las hlices normales suelen consistir en dos, tres o cuatro palas, que tienen la forma geomtrica de la rosca de un tornillo. La distancia que una hlice o una de sus palas se desplaza hacia adelante por cada vuelta completa que realiza el eje del propulsor, si no hay ninguna prdida de transmisin, se denomina avance geomtrico; esto correspondera al paso, o distancia entre roscas adyacentes, de un tornillo simple. La distancia que la hlice desplaza a travs del aire o del agua en una rotacin se llama avance eficiente, y la diferencia entre el avance geomtrico y el avance eficiente, prdida de transmisin. En general, un propulsor eficiente tiene prdidas de transmisin muy pequeas y el avance eficiente, cuando opera en condiciones de diseo, equivale casi al avance geomtrico; sin embargo, el propulsor eficiente mantiene la relacin entre la energa de propulsin producida y la energa consumida al rotar el eje del propulsor. Los propulsores areos tienen a menudo una efectividad cercana al 90%. Teora del elemento de la pala: En esta teora, llamada tambin teora de las franjas, se toman en cuenta las prdidas del perfil de las secciones de pala. Es la teora mas usada en el diseo de una pala de hlice y para evaluar caractersticas de desempeo de un diseo acabado de una hlice. Cada seccin de la hlice se considera que es un perfil en rotacin. Se supone que se puede dejar a un lado el flujo radial de aire, de modo que el flujo sobre una

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seccin de la pala sea bidimensional. En la Figura 1 se muestran en diagrama los vectores de velocidad correspondientes a una seccin de pala de longitud dr, ubicada en un radio arbitrario r. La proyeccin del eje de rotacin es OO, el plano de rotacin es OC, el ngulo de la pala es , el ngulo de ataque para el aire que fluye hacia la pala (en el sistema de coordenadas relativas) con una velocidad Vo es , la velocidad tangencial del elemento de la pala es u = 2rn y el paso o ngulo de avance es . Segn la figura 2. = (Ec. 1) Y = tan-1 (Vo / x n x d) (Ec. 2) Figura 1. Diagrama de los vectores de velocidad

Fuente: Fuente: GIBSON, Op. cit., p. 22 En la figura 2 se ilustran las fuerzas que actan sobre el elemento de la pala. Si b denota la anchura de la pala en cuestin, y CL y CD son los coeficientes de sustentacin y de resistencia de la seccin de la pala (perfil aerodinmico), entonces la fuerza de empuje dF que acta en el elemento de la pala esta dada por:

2 )cos(21 bdrCVF += 20 cos senL (Ec. 3)

d

26

Figura 2. Fuerzas que actan sobre el elemento de la pala

Fuente: GIBSON, Op. cit., p. 23 La fuerza de par motor dQ correspondiente se puede expresar por:

2 )(senbdrC + 21 VdQ = 20 cos senL (Ec. 4)

e propulsin del elemento de la pala, llamada eficiencia de paletaje, e define por

En donde tan = dD / dL = CD / CL = D / L (Ec. 5) Donde D y L denotan la resistencia al avance y la sustentacin respectivamente. a eficiencia dL

s

cot/tan/

)tan(tan0

+=+== DL

DLudQdFV

b (Ec. 6)

a hacer que

l valor de par bEavance

sea un mximo de denomina ngulo optimo de opt. As,

)/(23.5745

24 DLopt== (Ec. 7)

27

En consecuencia la eficiencia mxima de la pala es:

1)/(21)/(212) == DL (

12max ++ DLb (Ec. 8)

hlice, se suman emento de la pala.

l coeficiente de sustentacin integrado es

Se puede construir un diagrama de fuerzas, similar al de la figura 2, para cada elemento de pala de la hlice si se tiene en cuenta la variacin en con el radio.

actan sobre la Para obtener las fuerzas resultantes queintegran) las fuerzas que actan en cada el(

E

= = RrdRrCRr

LrLi

30.1/

/

(Ec. 9)

de sustentacin de la seccin de la pala de la hlice y r/R

CRrL

onde C = coeficienteLiD

es la estacin de la pala. El coeficiente de sustentacin integrado se encuentra entre 0.15 a 0.70. Hay un dilema en le diseo y seleccin de secciones de palas, ya que un elevado empuje esttico exige un LiC alto, lo cual da p relativamente bajo a velocidad de crucero. Las condiciones de velocidad de crucero requieren C bajo para tener uena

Li

p . Las hlices de paso variable permiten la optimizacin de pero a

o se tienen en cuenta tales distorsiones, se

.5, en donde es la rotacin del tubo de corriente de la hlice en el plano de

sta dado por

LiCbexpensas del peso y la complejidad. Teora del vrtice: Se puede mejorar todava ms la teora del simple elemento bidimensional de la pala, al tomar en cuenta la distribucin real de las velocidades en el tubo de corriente de la hlice y al determinar la carga real sobre las palas por medio de la teora de vrtices. Las palas se representan por filamentos limite de los vrtices, que barren las laminas de vrtices hasta el infinito. Las laminas de vrtice se distorsionan por la contraccin del tubo de corriente de la hlice y por la resistencia del perfil de las palas. Si npuede calcular la velocidad inducida en la estela con el supuesto de que las lminas del vrtice sean turbulentas. Por ello en la figura 2, la velocidad axial inducida viene a ser la media aritmtica de las velocidades axiales a grandes distancias corriente arriba y corriente abajo del disco del rotor; y la velocidad rotatoria inducida en el disco viene a ser 0ella. Por tanto el ngulo de ataque para un elemento de rotor e = tan-1 [VF / r(-0.5)] (Ec. 10) Donde VF es la velocidad axial inducida en el plano de la hlice.

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La adicin de los efectos de vrtice mejora la representacin de la hlice por los elementos de la pala. Pero hay efectos de flujo tridimensional que no se han

fluido, y los siguientes coeficientes han sido sugeridos para incluir ese efecto (el

tacin para nlisis de perfiles aerodinmicos tridimensionales

stacin radial (relacin r/R) Factor de correccin _____________

_______________________________________________________ uente: Propeller Hanbook, Departament of the Air Force, Navy and Commerce

ice. Se

la

rranque partiendo de 0. Conforme aumenta Vo, se reducen y el empuje.

erodeslizador la hlice esta en el estado de ventilador. Hay

eccin) como funcin del ngulo de paso para diferentes valores de L/D. las lices, en general, trabajan con relaciones L/D de 20 o ms.

incual reduce el coeficiente de sustentacin) Tabla 1. Factores de correccin de la pendiente de la curva de sustena________________________________________________________ E____________________________________________ (0.2)(0.3)(0.45)(0.6)(0.7) 0.85 0.8 0.80 0.9 0.70 0.95 0.65 _F Caractersticas del desempeo: El paso y el ngulo (Figura 1) tienen diferentes valores en diferentes radios a lo largo de las palas de la hlacostumbra, por tanto, hacer referencia a todos los parmetros que determinan las caractersticas globales de una hlice, para sus valores de 0.7r o de 0.75r. Para un ngulo dado de la pala, el ngulo de ataque en cualquier seccin depala es funcin del coeficiente de velocidad, Vo/u, en donde u= ndp: se acostumbra sustituir Vo/u por su equivalente, la relacin de avance, J=Vo/ndp. Para los valores dados de y de n, el ngulo de ataque alcanza su mximo valor cuando Vo=0, con = 0. En otras palabras, el empuje F de la hlice es mximo en el momento de romper la fuerza esttica del aerodeslizador, es decir en el aFinalmente, se alcanza una velocidad hacia delante para la cual el empuje es cero. Si se incrementa J para un ngulo constante de la pala, se hace que la hlice opere sucesivamente como ventilador, hlice, freno, molino de viento. La mayor parte de la operacin, sin embargo, es conducida por el estado de hlice. En puesta en marcha del aque evitar el estado de molino de viento, porque puede producir sobre velocidad en el motor y daarlo. El coeficiente CL de sustentacin es funcin lineal de hasta llegar al ngulo de prdida y CD es funcin cuadrtica de . Adems, la sustentacin L es cero con un valor negativo de . En la Figura 3 se presentan las relaciones L/D de las secciones tpicas de la hlice. En la Figura 4 se presenta la eficiencia de una pala (sh

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ecciones tpicas de la hlice Figura 3. Relaciones L/D de las s

Fuente: GIBSON, Op. cit., p. 24 Figura 4. Eficiencia de una seccin de pala como funcin del ngulo de paso para diferentes valores de L/D

Fuente: GIBSON, Op. cit., - Coeficientes de la hlice: Si no se tiene en cuenta la compresibilidad del aire, se

p. 27

puede mostrar que:

30

F (

(Ec. 14) donde C es el coeficiente de empuje, C es el coeficiente de par motor y C es el

ra obtener los valores de F, Q y P para hlices geomtricamente semejantes de tamao natural.

De ah que la eficiencia propulsora ideal de una hlice se exprese por

(Vo, n, dp, , F)=0 Ec. 11)

20 /5 PnVCS = (Ec. 16) QdVC PQS /30 =

Los siguientes coeficientes se obtienen por anlisis dimensional para expresar el desempeo de las hlices que tienen la misma configuracin geomtrica:

FpCdnF (Ec. 12) QpCdnQ (Ec. 13) PpCdnP 42= 52= 53=

F Q P coeficiente de potencia; ellos son independientes del tamao de la hlice. Por tanto se pueden emplear pruebas de modelos a pequea escala pa

P

F

pP

Fp C

CJ

ndV

CC

PFV === 00 (Ec. 15)

O ente de velocidad CS y el coeficiente de par motor-velocidad C Por lo tanto,

tros coeficientes tiles son el coeficiQS.

(Ec. 17)

Un factor de empleo comn relacionado con la configuracin geomtrica de la

la solidez vc ala.

Rendimiento

hlice es la solidez, . Por definicin

= c / p (Ec. 18)

ara de un radio a otro; en un radio determinado, es proporcional a la apacidad de absorcin de potencia del anillo del elemento de p

Empuje esttico

Con base en la teora del momento axial, el empuje esttico Fo de un disco actuador de dimetro dp se expresa por

( ) 3232310 *4.10)(2/ pp dbhpPdF == (a nivel del mar) (Ec. 19) Por ello, la potencia de empuje en caballos (thp thrust horse power) es

)/1)(/38400( 310pp CNd

Fthp ==

bhp (Ec. 20)

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en las ecuaciones (19) y (20) se supone velocidad axial uniforme, que no haya rotacin del aire y no haya prdidas en los perfiles. Consiguientemente, pueden tener un error hasta del 50%. Hesse sugiere el empleo de las ecuaciones

p

F

p

Fpesttica C

CCC 2

32

3

789.02 == (Ec. 21)

y

F = 10.42 [dp (p esttica )shp]2/3 ( / 0 )1/3 (Ec. 22)

Junto con los datos calculados para una hlice especifica, como se ilustra en la Figura 5. El factor Cf/Cp (Ct/Cp; en ingles) es uno de los factores mas importantes cuando se esta diseando una hlice. Este factor es un gran determinante en el empuje que la misma puede producir. El coeficiente de empuje Cf o Ct, es un valor que no depende del tamao de la hlice, y nos ayuda a determinar el empuje total

uje esttico para una entrada dada de potencia

rado y ptima relacin CF/CP

producido por la misma. El empaumenta de acuerdo con el dimetro y el nmero de palas. Las hlices de paso controlable, seleccionadas para tener un buen rendimiento general, desarrollaran entre 3 y 4 lbs de empuje por shp.

Figura 5. Coeficiente de elevacin de diseo integ

Fuente: GIBSON, Op. cit., p. 29

El operacin, se puede obtener con las graficas generales que presenten Cp como funcin de la relacin de J de avance, con la

rendimiento, en condiciones de

32

eficiencia de la hlice y ngulo de paso de la pala en un radio de 75%, 3/4 , como parmetros. La Figura 6 es una de esas graficas.

Figura 6. Eficiencia de la hlice y ngulo de paso de la pala en un radio de 75%,

Fuente: GIBSON, Op. cit., p. 32

Empuje inverso

Efectos de compresibilidad A medida que la velocidad relativa entre un perfil aerodinmico y el aire a corriente libre se aproximan a la velocidad snica, el coeficiente C de sustentacin disminuye con rapidez y, simultneCD de resistencia al avance. La hlice esta sujeta a estos efectos. Debido a que la

Al operar las palas de la hlice con grandes ngulos negativos de ataque, se puede desarrollar empuje inverso. En estas condiciones, las palas estn en perdida y como en el caso del empuje esttico, no se pueden calcular las fuerzas sobre las palas. En la practica, el tope del paso inverso se ajusta al tanteo, de modo que la hlice pueda absorber la potencia nominal a velocidad cero, esto es, a Vo = 0. Con inversin de paso fijo, la potencia absorbida cuando hay cierta velocidad de avance ser menor que el valor nominal, pero el empuje inverso, por lo general, es mayor que el empuje esttico hacia el frente correspondiente a esa potencia nominal.

L amente, ocurre un gran aumento del coeficiente

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velocidad acstica disminuye desde el nivel del mar hasta la altitud isotrmica, los efectos aparecen con menores velocidades en las puntas a grandes altitudes. Adems, el efecto es ms pronunciado a velocidad ms alta en las puntas. Cuando la velocidad de su lnea de paso se aproxima a la velocidad snica local del aire, se forman ondas de choque con el borde de ataque de la pala de la hlice. Por lo tanto, el coeficiente CF se reduce y se aumenta CP, lo cual perjudica la eficiencia propulsora de la hlice. El efecto combinado de la velocidad de la punta de pala y la velocidad hacia adelante del aerodeslizador puede hacer que en la punta de la pala surjan efectos de compresibilidad. Despreciando la velocidad inducida de la hlice, se puede ver en la figura 7 la relacin soportada entre la velocidad hacia delante, U, velocidad rotacional de la hlice, n (en rps) y la velocidad en la punta de la pala, Utip:

(Ec. 23)

y en trminos de velocidad de mach es: (Ec. 24)

Hasta creyendo que una hlice sufre relativa perdidas de eficiencia, hasta en los rangos de operacin por debajo de M = 1.0 a razn que el empuje es derivado desde la parte mas interior de la pala, esta producir niveles de ruido inaceptables; Para reducir estos niveles de ruido, la velocidad en las puntas debe ser mantenida por debajo de 800 ft/seg lo cual es bien por debajo de la velocidad del sonido a nivel del mar en condiciones estndar (a=1.116 ft/sec) Esto produce una velocidad de mach en la punta de 0.72. Con esto podemos decir que la velocidad de mach en la punta se selecciona y tanto la velocidad hacia delante como las revoluciones de la hlice son sabidas pues el dimetro de la hlice se puede calcular con esta ecuacin

(Ec. 25)

Partiendo de esta ecuacin en las primeras fases de diseo se pueden obtener de manera anloga valores de dimetros de hlice para las variables dadas; Un ejemplo del efecto de la compresibilidad a una eficiencia mxima relativa para una hlice es dado en la Figura 8

34

Figura 7 Definicin de ngulos para una pala

Fuente: DARcorp., Op. cit., p. 281

35

Figura 8. Ejemplo del efecto de compresibilidad en la eficiencia de la hlice, para una hlice con 8% de espesor de seccin.

Fuente: DARcorp., Op. cit., p. 230

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Los efectos de compresibilidad en la eficiencia de una hlice, pueden ser medidos por medio de un factor de compresibilidad que se determina de la siguiente forma:

1. El incremento en el nmero de mach, Mblade camber se determina por la

figura 9 a un valor apropiado de coeficiente de elevacin CL de diseo integrado.

2. La correccin del factor de compresibilidad ,Fcompressibility se lee desde la figura 10 a un radio de avance geomtrico, J=U/nD y el Numero de Mach efectivo: Meff = M + Mblade camber donde M es la corriente libre de nmero de mach del avin.

Si es necesario saber el nmero de mach en la punta de la pala se har con la ecuacin 24.

Figura 9. Efecto del camber de la pala en el nmero de mach efectivo

Fuente: Fuente: DARcorp., Op. cit., p. 297

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Figura 10. Efecto del radio de avance y nmero de mach efectivo en el factor de correccin de compresibilidad.

Fuente: Fuente: DARcorp., Op. cit., p. 297

convexa y la inferior es plana o ligeramente cncava. Esto es similar al

ornillos, que vienen de rosca quierda o derecha, las hlices pueden tener la misma designacin; cuando

La hlice como ala: El corte de cualquier hlice demuestra que la superficie superior esdiseo bsico de las alas de los aviones.

La hlice como un tornillo: Primero, el pitch de una hlice es la distancia terica que esta puede moverse hacia delante en una revolucin (similar a los tornillos). La segunda caracterstica similar al diseo de los tronillos es que el ngulo de pala cambia a lo largo del radio, as cerca al ncleo, el ngulo es muy alto y en la punta de la pala es mucho menos profundo. La tercera caracterstica similar es que como los tizenfrenta el flujo de aire si la punta de la hlice se mueve hacia la derecha es designada Right hand y si es hacia la izquierda es Left hand (vista desde el

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frente una hlice Left hand gira en sentido anti-horario, y viceversa). Las hlices son frecuentemente estampadas como RH o LH Las palas de las hlices modernas se fabrican en aleaciones de aluminio lido, de acero hueco o de materiales plsticos reforzados. Pueden asimismo

hlice de propulsin, y mitad de estos gramos en el extremo de la otra pala, el propulsor estara en

brara si rotara a gran velocidad.

palas, cada una de ellas con forma erodinmica en seccin transversal, y produce elevacin.

Fuerzas que actan sobre una hlice: Fuerza Centrifuga de la pala: Es debido el movimiento de giro de la hlice y esta

sestar equipadas con dispositivos antihielo. El propulsor debe estar equilibrado con mucha precisin, tanto esttica como dinmicamente. Si, por ejemplo, se aadieran 57 g en el centro de una de las dos palas de una laequilibrio esttico, pero no dinmico, y vi El rotor de un autogiro o helicptero es en esencia similar a un propulsor areo ordinario, ya que consta de varias hojas o a

es la mayor fuerza que acta sobre la hlice Figura 11 Fuerza centrifuga tiende a halar las palas del cubo.

Fuente Frank Delp Aircraft Propellers and Controls Traccin: Es debido a la diferencia de presin entre el intrads y el extrads de la pala y es el que produce esfuerzos de flexin en la pala. Lo que se muestra en la grafica 12 es de donde proviene el momento centrifugo de la pala, y la consecuencia directa de este es que tiende a disminuir el paso. Par de Reaccin Es causado por un par igual y contrario al que recibe la hlice conducida por el motor.

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Figura 12. Flexin de la pala.

Fuente:DARcorp., Op. cit., p. 297 Momento aerodinmico de torsin Es un momento que trata de girar la hlice hacia un mayor ngulo de pala. El momento aerodinmico de torsin se produce porque el centro de presin de la sustentacin de la pala esta por delante del eje de giro del cambio de paso de la pala, es decir esta mas cerca del borde de ataque, por lo tanto se produce un momento que es igual a la reaccin aerodinmica multiplicada por la distancia que existe entre el punto de aplicacin de la reaccin aerodinmica y el eje de giro. En algunas hlices se aprovecha el momento aerodinmico de torsin para colaborar en la puesta en bandera de la hlice. Figura 13. Fuerza de doblado de torque que tiende a doblar la pala en la direccin opuesta a la de giro.

Fuente Frank Delp Aircraft Propellers and Controls, p. 14

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Momento Centrifugo de la pala: As como en la figura 11 que establece una forma de ver como se produce el par centrifugo de la pala, si reducimos la seccin de pala a dos mazas concentradas en el borde de ataque y de fuga as como se muestra en la figura se muestra que la fuerza centrifuga se descompone en una omponente perpendicular al plano de la seccin de la pala y en otra paralela a

a combinacin de las otras fuerzas (T y L de la Figura) origina un momento

tra las erzas T y L actuando en el plano de la seccin.

el par centrfugo de la hlice es normalmente muy alto, hasta el punto en el que hay que adoptar algunas medidas para que dicho par de fuerzas no se aplique de forma completa sobre el mecanismo de cambio de paso. Para ello se emplean normalmente los contrapesos de las palas, para facilitar el diseo y la operacin del mecanismo del cambio de paso. Los contrapesos de las palas tienen la funcin de disminuir el par centrifugo de la hlice, y con ello el par que acta sobre el mecanismo de cambio de paso. Figura 14. Momento de torsin aerodinmica que tiende a incrementar el ngulo de pala.

cdicho plano. Siendo la primera componente el esfuerzo centrifugo de la seccin, que tiene importancia fundamental desde el punto de vista estructural de la hlice; es una enorme fuerza de traccin que acta sobre el material. Lcentrfugo de la pala que tiende a disminuir el paso, Se puede observar la tendencia del grafico que se encuentra a la derecha de la pala, que muesfu El valor d

Fuente: Frank Delp Aircraft Propellers and Controls, p. 15

41

Fuerzas debidas a la vibracin de la hlice: Cuando una hlice produce empuje, se presentan fuerzas aerodinmicas y mecnicas que hacen que la pala vibre, estas vibraciones deben ser compensadas. No obstante en algunas hlices puede existir una banda de revoluciones que viene a ser la banda crtica de altos sfuerzos vibratorios, en estos casos los manuales de operacin avisan de no

aso por ella. Estas vibraciones aerodinmicas se concentran en s extremos de las palas que son las que estn sujetas a una mayor velocidad

respecto al aire, incluso funcionan en rgimen transnico (Mach 0.8 a1.2) Las vibraciones mecnicas son inducidas fundamentalmente por la cadencia de

tas vibraciones pueden ausar golpeteo y vibracin, y pueden ser disminuidas usando apropiados perfiles

emantener la hlice en la citada banda de revoluciones salvo en los procesos transitorios de plo

explosiones en los cilindros de los motores de embolo. Escy diseos de punta. Figura 15. Momento de torsin centrfugo que tiende a hacer que se disminuya el ngulo de pala.

Fuente: Frank Delp Aircraft Propellers and Controls, p. 15 Fuerza debido al empuje de la hlice: Esta fuerza tiende a doblar las palas hacia delante de la posicin operacional, porque la elevacin arrastra la punta de la pala flexionando las partes delgadas de la pala. Esta fuerza de flexin se opone a la fuerza centrifuga en unos grados, esta oposicin de fuerzas pueden ser usados ara reducir los esfuerzos de operacin.

aso del ala de un avin

rotacin, con una velocidad

p .1.2 Principio de Operacin de la hlice: As como en el c2

las secciones aerodinmicas de una hlice producen una reaccin aerodinmica durante el movimiento relativo respecto a el aire; No obstante el funcionamiento es istinto pues la hlice posee un movimiento ded

tangencial distinta para cada seccin de la pala, y una velocidad de translacin

42

que se corresponde con la velocidad de vuelo. La pala trabaja en un flujo de aire que es la resultante vectorial de estas dos velocidades. Figura 16. Fuerzas de flexin por el empuje.

Fuente: Frank Delp Aircraft Propellers and Controls, p. 16 La velocidad resultante V se llama velocidad relativa, que es la que determina las caractersticas de trabajo de la seccin de la pala. Cuando el viento incide sobre la pala de la hlice se forma al igual que en el ala, onas de presin diferencial entre el intrads y el extrads del perz fil. Ahora bien la

la hlice, hay adems un par resistente que es r el par motor para hacer girar la hlice.

hlice esta instalada en un plano vertical con el extrads del perfil hacia la direccin de vuelo (zona de menor presin), y el intrads en la parte interna (zona de la pala de mayor presin). Por consiguiente se produce una fuerza de presin acia delante que es la traccin de h

el momento que debe vence En la zona de la raz de la pala, la velocidad relativa del aire se inclina ms y mas hacia la direccin que tiene la corriente libre, puesto que la velocidad tangencial de dicha zona es muy pequea. En efecto la velocidad tangencial de la seccin de un elemento de pala es el producto de la velocidad angular por la distancia al eje de giro; la velocidad angular es la misma para todas las secciones, pues depende del rgimen de rotacin de la hlice, pero cada seccin de la pala esta situada a distinta distancia del eje de giro de la hlice. El ngulo de pala se aproxima entonces a 90 en las zonas de la pala ms cercanas a la raz.

43

Las distintas secciones de pala se sitan con un cierto ngulo respecto a la velocidad relativa del aire con el fin de obtener una fuerza aerodinmica

al plano de rotacin es la suma del ngulo de hlice y el ngulo de taque es el ngulo de pala que es lo que se conoce como paso.

nte torsin, que se aprecia desde la raz hasta la punta.

.1.3 TIPOS DE HLICES

ambiar en vuelo, y se clasifican en dos grupos:

otencia. Son hlices muy simples y por lo tanto e mantenimiento fcil donde priman las consideraciones econmicas

pueda girar a altas revoluciones y aprovechar con llo toda la potencia del motor para impulsar hacia atrs una gran mas de aire;

i es un vehiculo que la mayor parte del tiempo esta en crucero, interesa un paso

riable: Es aquella que permite ajustar el paso de la hlice en

adecuada. Este ngulo se llama, ngulo de ataque puesto que la seccin de pala ya tiene un cierto ngulo de hlice, resulta que el ngulo total de la seccin respectoa La pala tiene necesariameLos ngulos de la pala crecen desde la punta a la raz, principalmente debido al argumento del ngulo de la hlice. 2 Hlices de paso fijo: Las hlices de paso fijo son aquellas cuyo paso no se puede cLas hlices de paso ajustable que no son usadas en aerodeslizadores y las hlices de paso fijo se fabrican con un paso inalterable. Es un tipo de hlice que se emplea para motores de baja pdEl paso con el que se fabrican estas hlices es un compromiso para conseguir las mejores caractersticas de desempeo, en teora, para la puesta en marcha desde el estado esttico, el aerodeslizador debe tener una hlice con paso pequeo (paso corto), de tal manera queePero ya en crucero interesa ajustar el paso hacia paso largo para que el motor no gire muy rpido (muy rpido y de forma antieconmica pues gastara en exceso el combustible), o que se embale durante un picado. Como el paso de estas hlices es fijo, el constructor debe elegir un paso intermedio, de acuerdo con las caractersticas de avin donde se valla a instalar la hlice. Hlices de paso ajustable: La hlice de paso ajustable permite el ajuste del paso en tierra por el mecnico. El diseo de esta hlice corresponde a la idea de ajustar el paso para la fase de navegacin ms representativa que hace el vehiculo, teniendo en cuenta los siguientes aspectos: Slargo (mayor ngulo de pala). Hlices de paso vavuelo, claro que en la actualidad se controlan automticamente, y deben clasificarse en 2 grupos que son:

44

Hlices de dos posiciones: Las hlices ms representativas de esta clase son las de la firma Hamilton Standard, prcticamente obsoletas; las posiciones que tiene on la de paso corto para baja velocidad y cuando se necesita un alto empuje, y

de hlice fue la pionera en el campo de las hlices de paso variable, esta lice cuenta con un mecanismo que le permite al piloto cambiar el paso en vuelo;

Hlices de velocidad constante y su mecanismo de control: La introduccin de

El mecanismo permite mantener el rgimen de vueltas del motor seleccionado por el piloto, sin tener en cuenta la velocidad o la

Hlice de paso variable de simple y de doble efecto: Las hlices segn su criterio lices

de paso variable se dividen en dos grupos que son hlices de simple y doble efe Se dicpreparhlicesdoble e Por el esta dque la

Hlic entar el empuje de una hlice es ponindola adentro de una cobertura, la que es llamada ducto. Ducted fan. A bajas velocidades del aire, un diseo apropiado de ducto puede aumentar

sla de paso largo para crucero. Hlices de control manual: Al igual que las de dos posiciones ya son obsoletas. Este tipohel inconveniente que present este tipo de diseo fue que el control debe ser permanente por parte del piloto puesto que de lo contrario terminara por sobrecargar el motor.

un mecanismo de regulacin centrfugo elimin los problemas de control manual del paso. El regulador centrfugo de la hlice es a la vez un detector y un controlador de vueltas del motor.

actitud de vuelo. La funcin del regulador de la hlice es ajustar el paso de manera que la carga que impone la hlice sobre el motor mantenga las revoluciones de ste en el ajuste seleccionado. As, durante el arranque la hlice absorbe toda la potencia disponible del motor. De tal modo que cuando la velocidad del aerodeslizador aumenta, el paso de la hlice aumenta proporcionalmente para mantener las revoluciones constantes, sin entrar en una condicin de sobre velocidad.

operacional se clasifican segn el paso, pero ya vistas como sistema las h

cto.

e que una hlice es de simple efecto si el pistn del cilindro hidrulico esta ado para recibir presin solo por un lado del mismo. Es el caso de las de monomotores y bimotores ligeros incluidos turbohlices. La hlice de fecto es la hlice de estndar en la actualidad.

contrario, si el pistn del cilindro hidrulico que cambia el paso de la hlice iseado para recibir presin de aceite en ambas caras del pistn, se dice hlice es de doble efecto.

es con Ducto: Una de las formas de aum

45

significdimetesttic acidad de incrementar el empuje sin incrementar la potencia y con el mismo dimetro. Esto es obviamente una cualidad

l disco de la hlice.

castigos por el uso del ducto pueden ser minimizados si el ducto es diseado tambin como una superficie de elevacin, fcilmente de lograr

l compuesto, material que hoy en da no es muy econmico en cuanto a insumos, pero cuenta con la ventaja de su fcil construccin comparado con lo que seria la manufactura metlica.

9 El peso estructural del ducto es tambin relevante y puede ser optimizado cambiando la configuracin del vehiculo haciendo que el ducto sea un componente de la estructura principal.

Fsica de un Ducto: Comenzaremos mirando a una hlice de ducto operando estticamente, lo que significa que tendremos cero velocidad de aire

Acorde a esta aproximacin para el sistema de hlice de ducto operando estticamente, las presiones netas en la superficie de entrada del ducto van a contribuir a el empuje si el rea de entrada es mas grande que la de salida (camber positivo). En realidad se ha mostrado que hasta con camber de 0 el ducto puede contribuir a el empuje, a travs de flujos tridimensionales alrededor y a travs del ducto.

Para una hlice dada existe una forma ideal de ducto que se conoce como boca de campana la, cual optimiza la contribucin del ducto a empuje esttico. La magnitud de esta contribucin puede ser significante; un resultado terico de la teora de hlice de Theodorsen plantea que una hlice con una boca de campana ideal puede ser dividida en partes iguales tanto para el ducto como para el rotor.

ativamente el empuje, por encima de lo que una hlice libre del mismo ro pudiera entregar. Como resultado el uso del ducto en forma tanto a como a bajas velocidades tiene la cap

excelente para un vehiculo como lo es un aerodeslizador. Un beneficio que va ms all es que el ducto alinea la corriente de aire perpendicularmente a

Las hlices de ducto no son usualmente usadas por las siguientes razones:

9 Una pequea reduccin en la velocidad tope es un pequeo precio a pagar por ganancias significativas en empuje esttico y a baja velocidad. Adems de esto los

alojando una pequea ala. Por supuesto que haciendo que estas fuerzas sean localizadas cerca del centro de gravedad.

9 El peso estructural, pues el ducto es de una forma compleja desde la cual se dificulta construir con materiales convencionales, por esto puede incurrir significantemente en el peso a razn de tenerlo que hacer en materia

46

Figura 17 Fsica de un ducto

Fuente: www.esotec.co.nz/hb/HTML/Propellers.html

Un factor muy importante es el radio del difusor, siendo la relacin de rea de salida / rea del disco; tericamente, el empuje esttico se incrementa con el radio del difusor as como se muestra el flujo de aire inducido por la expansin de ducto despus del disco de la hlice, las presiones se incrementan en las paredes internas del ducto, por esto es que contribuye a el empuje. En la prctica, el radio del difusor es estrictamente limitado a los requerimientos para evitar la separacin.

En conclusin a lo anteriormente especificado, las hlices de ducto pueden producir mas empuje que una hlice libre del mismo dimetro por las siguientes razones:

1. El ducto extiende el alcance del sistema de propulsin al trabajar radialmente sobre grandes masas de aire, y es por esto que el sistema toma las caractersticas de una hlice libre de un gran dimetro.

2. Si las holguras entre las puntas de las hlices y las paredes del ducto se mantienen pequeas comparadas a la cuerda, la presencia de la pared del ducto va a mantener las presiones en la pala hacia la punta, mejorando el L/D de la pala

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Siendo que el empuje total de una hlice de ducto es la suma de presiones en la hlice y las presiones en el ducto, para incrementar el empuje se debe dar un incremento neto en las presiones propulsoras del ducto y/o en la hlice. Para incrementar las presiones netas en una hlice para una entrada dada de poder, ser necesario un incremento en el L/D de la pala manteniendo las tolerancias en la punta pequeas. Para incrementar las presiones netas en el, ser necesario optimizar la geometra del ducto para una velocidad de aire especifica.

Mitos de los Ductos: Ampliamente se ha discutido acerca de las propiedades de las hlices de ducto. En general el termino hlice de ducto se aplica a configuraciones de reas de disco pequeas a altas rpm y baja relacin de aspecto; mientras que el termino Hlices cubiertas se utiliza para dimetros grandes, baja carga de disco, bajas rpm y una alta relacin de aspecto (cuerda corta). Muchas variedades de ducto y cubiertas son posibles, cada una con sus propias caractersticas, las cuales explican las opiniones conflictivas respecto a su eficacia.

Existen dos mitos en cuanto a las hlices de ducto; el primero es referente a si una hlice de ducto es menos eficiente que una hlice libre; la regla bsica es que las hlices con carga de disco baja (empuje o poder vs. rea de disco) van a ser mas eficientes que una con altas cargas de disco; a pequeos dimetros, altas cargas de disco.

Las hlices de ducto son frecuentemente concebidas para permitir su uso a altas rpm de corrida de motor con una hlice conectada de forma directa. Mientras estas hlices altamente cargadas van a ser mas eficientes que las hlices libres del mismo dimetro, ellas tpicamente no van a encajar con la eficiencia de una hlice libre de carga mucho mas baja en el disco, a esto es lo que se refiere este mito que dice las hlices de ducto son menos eficientes.

Est ampliamente demostrado tanto de forma terica como emprica, que las hlices de ducto, adecuadamente diseadas para una condicin de operacin especifica van a ser siempre superiores, propulsivamente hablando, que una hlice libre del mismo dimetro, es decir va a producir mas empuje con la misma cantidad de poder en esa condicin de operacin. Mientras este factor se mantenga por lo menos a velocidades subsnicas, los factores de arrastre del ducto, van a ser despreciables, factor que a altas velocidades si podra ser mayor que los beneficios obtenidos por el uso del ducto.

El otro mito dice que las hlices de ducto son solo eficientes a altas velocidades (donde los turbofans operan eficientemente). De hecho en forma opuesta es verdad, as como se incrementan las velocidades, altos flujos de masa se crean para obtener como resultado de la velocidad misma, extensas reas de disco y

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reas de ducto menos efectivas, al mismo tiempo, como sea, el arrastre del ducto se incrementa con el cuadrado de la velocidad.

Teora de Hlices de ducto Sean hlices de ducto o no, las hlices son actuadores en los cuales la relacin espacio/cuerda (s/c) entre las palas es grande. El actuador suele ser llamado hlice si el radio s/c de las palas esta en el orden de 1 o menos. Existe una diferencia significativa entre los clculos para hlices sin ducto, y las hlices con ducto, donde se toman las velocidades y presiones como constantes V2 = V3 y a = b (Ec. 26) Considerando condiciones estticas para la velocidad de la corriente libre de aire V1 = 0 determinando V2 V1 = V3 V1 =Vf (Ec. 27) Entonces, ignorando las fricciones internas generadas en las paredes del ducto, el empuje esttico T0 de la hlice de ducto es dado por la siguiente ecuacin

(Ec. 28) El empuje esttico para una hlice que no tiene ducto es

(Ec 29) Ahora el empuje esttico para una hlice sin ducto es:

(Ec. 30)

49

Pero llamando V3 Vw siendo W la abreviacin de wake velocity lo que vendra siendo la velocidad posterior al ducto, sea en la lnea 3 de la figura 18, quedara as:

(Ec 31) Figura 18. Modelo de Hlice de ducto

Fuente: Pentice Hall, R.Douglas Archer and Maido Saarlas, Introduction to aerospace propultion, p.106 De la misma forma ignorando el giro de la hlice, las interferencias y las perdidas causadas por el ducto, el poder esttico Po transferido al aire en la forma de energa de viento de la hlice en la salida, esta puede ser comparada con la de la lice h

(Ec. 32)

50

Las ecuaciones y muestran que s Po y To son los mismos para una hlice como para un ventilador

y (Ec 33)

n igual empuje esttico. Esta mejora a favor e la hlice de ducto va a tender a perderse mientras se alcanza la velocidad

nerales de las hlices:

tado esttico) la hlice debe limitar la

n sistema en el propio regulador ue limite las mximas revoluciones de la hlice (sobre velocidad)

erosas zonas de los extremos de la pala donde la corriente s snica o ligeramente supersnica

a presencia de ondas de choque en las puntas de la hlice tiene una

do ese proceso lo suministra el motor. En realidad la mayor arte de la disipacin de energa aparece en forma de un incremento muy notable

ctualmente hay medios para reducir las grandes perdidas aerodinmicas en los

Este resultado indica que el dimetro de la hlice del ducto es 71% de lo que una hlice descubierta (unshrouded) con udhacia delante, debido a el incremento en el arrastre exterior que recubre el ducto; sin embargo el dimetro pequeo combinado con la presencia encerrada del ducto por si mismo presenta la posibilidad de una significativa reduccin en generacin de ruido producido por el rotor y por el cobertor de la hlice. 2.1.4 Requisitos ge Requisitos operacionales de las hlices: Las hlices de paso fijo, las hlices de paso ajustable y las hlices de paso variable que no puedan controlarse desde cabina, deben cumplir los requisitos siguientes Para la puesta en marcha (salir del esvelocidad del motor a un valor que no supere el mximo permitido para la partida. Para hlices de velocidad constante debe existir uq Rendimiento de la hlice en funcin de su velocidad: En las hlices de alta velocidad existen nume Lmanifestacin energtica muy clara, y es que una considerable cantidad de energa se disipa a travs de estos choques. Es conveniente recordar que el nico aporte de energa en topde la resistencia al avance que solo puede vencerse a base de quemar combustible extra Aextremos de la pala de la hlice. En primer lugar introducir el concepto de flecha en la hlice, esto es, situar las zonas mas criticas de las palas en direccin oblicua

51

respecto a la corriente de aire. La segunda respuesta de carcter fundamental es disminuir el espesor del perfil de la pala. Estas dos ideas (flecha y poco espesor) estn presentes en la hlice propfan. El

.

Sin embargo, el descenso de los precios del combustible no ha movido, por ahora, introduccin de esta hlice en un avin comercial, a pesar de los ensayos

Limitaciones Operacionales de una Hlice: Velocidad Mnima de Rotacin Controlada: Es aplicada a las hlices de paso variable, es la mxima velocidad angular de la hlice determinada por el ajuste del

gulador de la hlice

a sobre velocidad (RPM) de la segundos, no determina la

necesidad de desmontaje de la hlice del motor para revisin o mantenimiento.

in: Es necesario en esta parte aclarar s dos tipos de instalacin y/o posicionamiento de hlice que son halando (tractor)

o empujando (pusher) tal y como se muestra en la figura 18. A continuacin se muestra la relacin entre la eficiencia de instalacin que es tambin referida como la eficiencia propulsiva

propfan es una hlice en forma de cimitarra (flecha) que se ha ensayado con xito y buenos rendimientos hasta Mach 0.8 de vuelo

lapositivos realizados.

re Velocidad mnima de Rotacin controlada: Aplicable a las hlices de paso variable. Es la mnima velocidad angular de la hlice determinada por el ajuste del regulador de la hlice Velocidad Mxima de Empalamiento: Es la mximlice que, aplicada inadvertidamente durante 20h

.1.5 Eficiencia libre de hlice y de instalac2

lo

(Ec. 34) Donde la eficiencia de instalacin de la hlice Pinstalled se obtiene de la ecuacin de Pfree for J effective

(Ec. 35) El poder entregado a la hlice de instalacin SHPinstalled, se obtiene de la sustraccin de requerimientos de poder para el manejo de varios sistemas como lo

52

son las bombas, tanto hidrulicas como de combustible, generadores elctricos entre otros. Figura 19 Eficiencia libre de hlice y de instalacin

Fuente: DARcorp., Op. cit., p. 321

53

Figura 20. Fuerzas y ejes de una pala

Fuente: DARcorp., Op. cit., p. 322 2.1.6. Informacin Tcnica del aerodeslizador Neptune IRBIS El aerode or IRBIS es un vehiculo que funciona con el principio de colchn de aire, esta destinado a la carga de 28 a 32 pasajeros o de 3 toneladas de carga en ros, en lagos y con 30 millas de largo entre costas ocenicas en olasaltura sigEste veh lir con las funciones de patrullaje, rescate y bsqueda de perso s como tambin en eme cias , como ambulanc vehiculo de carga Condiciones de operacin 9A travs de posos profundos o superficiales 9Porciones planas de tierra sin obstculos 9A travs de nieve y hielo compacto 9A travs de lodo, hielo partido con limitaciones en la operacin continua por el engelamiento y altura de los caminos 9En amb entre un rango de temperaturas de

slizad

de 0.6 de nificante. iculo puede cumpnas y barcos, aia medica y como

rgen areas

ientes -40 C y 40 C

54

Cap 9Olas mximo de 1.2 metros 9V9rea de restriccin en el ocano de 30 millas desde la costa Espe

m 6,2 m

,8 m

3000 kg

acin 32 + 2

10 hr

Max 24 hr Velocidad Max agua/hielo 65/80 km/hr Crucero en agua 45 km/hr Colchn de Aire Altura 0,6-0,8 m Consumo de combustible Max 40x2 lit/hr Crucero 20x2 lit/hr Motor Tipo Deutz BF6L9 13/C x 2 Potencia 191 x 2 HP

acidades en el ocano

ientos de mximo 12 m/s

cificaciones Tcnicas Dimensiones Principales Largo total 17,5 Ancho, max Dimensiones de la cabina de pasajeros Largo 8,35 m Ancho 2Altura 1,92 m Carga paga Tripulacin, pasajeros Combustible Diesel 800 kg AcomodPasajeros, Tripulacin Resistencia Min

55

9 Sistema de refrigeracin: Enfriado por aire con su respectivo ventilador axial

9 Cabezas de cilindro: Aluminio e cabeza sencilla

9 Reparticin: Las vlvulas estn en la parte superior del cilindro, una vlvula de entrada y otra de salida por cilindro,

9 Pistn: tres anillos de pistn, 2 para compresin y otro como raspador 9 Refrigeracin de pistn: Rociador de aceite va inyector 9 Cigeal: Acero, con contrapesos integrados 9 Varillas impulsadoras: Dispuestas diagonalmente 9 Rodamientos principales y grandes: Listas para instalar, rodamientos de

doble plano de metal. 9 rbol de levas: Acero en doble rodamiento de metal en la parte del soplado 9 Sistema de lubricacin: lubricacin circular forzada 9 Enfriador de aceite: Intercambiador de calor integrado 9 Termostato del enfriador de aceite: flujo de enfriamiento de aceite

controlado termo-estticamente 9 Filtro de aceite: De papel para microfiltrado 9 Bomba de inyeccin: 9 Gobernador: Bomba de lnea de inyeccin, con un gobernador centrifugo

mecnico 9 Inyector: Cinco inyectores de hoyo. 9 Filtro de combustible: Cartucho reemplazable 9 Motor de arranque: 12V; 3KW (Standard) 9 Alternador: De 3 fases, 14V; 55 (Standard) 9 Sistema de calentamiento: Conector opcional

9 Bloque: Acero gris

9 Disposicin Valvular

56

Datos Tcnicos del Motor Tabla 2. Datos tcnicos del motor

Fuente: Deutz engine manual

57

Ducto del aerodeslizador IRBIS Este ducto tiene las siguientes medidas Dimetro Interno = 2 m Dimetro Externo = 2.65 m Espesor de fibra de vidrio = 5 mm Largo = 120 cm Figura 21: Geometra en 3D del Ducto en diferentes vistas Figura a: Ducto en vista isomtrica Figura b: Ducto en vista trasera (Salida de aire)

Fuente: Creacin del Autor

58

Figura c: Ducto vista Lateral Figura d: Ducto vista delantera (entrada de aire)

Fuente: Creacin del Autor Reduccin de ruido en el ducto: Para la reduccin del ruido que emana la hlice la propuesta es un recubrimiento de material que se ubicara aprovechando el espacio que existe entre el ducto y la hlice. La razn de esto es que la mayor cantidad de ruido en una hlice se presenta en el momento en que las puntas de la pala alcanzan una gran velocidad, haciendo que el ruido se genere all, por esto la mejor ubicacin de este material de absorcin de ruido es ah mismo en donde se genera. En la figura 22 se muestra un ejemplo de material absorbente de ruido. Otro material usado en el medio automotriz es el Dynamat que adems de tener un acabado brillante que dara un mejor comportamiento en cuanto a niveles de arrastre, adems tiene la ventaja que tiene un espesor muchsimo mas pequeo que otros, es de fcil pegado a la superficie, resistente al calor y a la humedad.

59

60

Figura 22. Textura del material para absorcin de ruido Dynamat

uente: http://www.directron.com/xtreme.html

F

2.2 MARCO HISTRICO

os ingenieros aeronuticos han perfeccionado mucho en los ltimos aos el a. Otro mtodo de anlisis de la accin del

propulsor se basa en los cambios del momento del flujo al pasar a travs del disco

Lsencillo concepto de elemento de asp

de propulsin. Esta aproximacin la utilizaron en primer lugar ingenieros britnicos y el arquitecto naval William Froude, pero en general no es tan comprensible como la teora del elemento de hoja de hlice.

61

3. METODOLOGA

nalticamente se determinaran paso a paso los procesos por los que se deber el rediseo de ingeniera de una hlice de

aso variable para el aerodeslizador IRBIS, cuyo inters es que tenga una alta

.2 LNEA DE INVESTIGACIN DE USB

l proyecto de investigacin a desarrollar corresponde a la lnea de aerodinmica

nutica.

.3 HIPTESIS

s posible redisear una hlice de paso variable para el aerodeslizador IRBIS

.4 VARIABLES

.4.1 Variables Independientes

l terreno donde se desplace el aerodeslizador.

stabilidad del colchn de aire

ozamiento con el piso mientras se desplaza

eso de la carga

.4.2 Variables Dependientes

Poder comprobar cual de las hlices es mejor, si la que ya tiene o la propuesta por el proceso de reingeniera. Acceso a los datos tcnicos pertenecientes al IRBIS. La actualizacin de los datos encontrados.

3.1 ENFOQUE DE INVESTIGACIN

Aseguir para poder lograr a cabalidad peficiencia y lograr tambin el decremento de su nivel de ruido. 3 E

segn las lneas establecidas para el programa de Ingeniera Aero

3 E 3 3 E E R P 3

62

El clima afecta la densidad del aire y por onsiguiente la efectividad de avance de la hlice. a altitud de operacin del aerodeslizador afecta el numero Reynolds.

uir por efectos de elasticidad rmica del material compuesto que aunque es mnima puede afectar en los

Aumento de empuje gracias al uso del ducto.

ureza del combustible. Co Accesibilidad a una maquina de vaco.

c

L Dimetro de la hlice se puede alongar o dismintresultados. Transferencia de potencia a la hlice. Acabado superficial de la hlice debe ser de mnimo rozamiento, con un acabado brillante para evitar efectos de rozamiento.

Alineacin del ducto perpendicular a la lnea de desplazamiento. Obstrucciones en el paso del aire.

Potencia del motor.

Eficiencia del mecanismo de entrega de poder a la hlice. P

sto de materiales.

63

4.1 OCESO DE REINGENIERA? El proceso de reingeniera es bsicamente por medio del cual podemos llegar a red s siempre de

ejorar su desempeo, calidad, o bien sea una adaptacin cualquier otro

con las que fue construido y redisearlo buscando n fin especfico previamente establecido.

. Mxima Velocidad

tras consideraciones a tener en cuenta para la seleccin de una hlice son:

tro de hlice 6. Tensin de la pala

n el momento de escoger una hlice se debe tener en cuenta que con diferentes

4. DESARROLLO INGENIERIL

QUE ES UN PR

isear un elemento que ya se encuentra diseado, con finemenfoque que se le de, segn sean sus condiciones de trabajo; es decir es poner en la tabla de diseo las variables u

La Reingeniera es la iniciativa nmero uno que toman las empresas para alcanzar sus metas estratgicas, tales como aumento de rentabilidad, aumento de satisfaccin de los clientes, as como el poder llegar a darle una adaptabilidad al producto requerido para determinados parmetros especficos de operacin.

4.2 INTRODUCCIN A LA SELECCIN DE UNA HLICE

Para cualquier vehiculo propulsado por hlice, la seleccin de la hlice debe satisfacer las siguientes 4 condiciones de desempeo:

1. Desempeo de partida 2. Desempeo en crucero 3. Requerimientos de ruido 4

O

1. Peso 2. Complejidad 3. Vibraciones 4. Costo 5. Dime

Enmeros de palas se pueden satisfacer todas estas condiciones listadas anteriormente, por esto cualquiera de los 6 factores citados anteriormente pueden influenciar categricamente la seleccin final.

64

4.2.1 Variables de diseo para seleccionar en una hlice Las siguientes son variables fundamentales para el diseo o seleccin de una hlice apropiada:

1. Dimetro, D 2. Factor de Actividad (Activity Factor),AF 3. Numero de Palas, B 4. Seleccin de perfil y coeficiente de elevacin del diseo (lift)

Cada uno de estos factores anteriormente mencionados van a ser tratados a ontinuacin con detenimiento.

as se disminuye el dimetro para mantener el onsumo de potencia constante, pero la reduccin del dimetro usualmente es na mala idea en trminos de la eficiencia, mientras que el nmero mach en la

n este caso del aerodeslizador se tomo el mismo umero de palas pues no se quiere realizar un proceso de cambio de cubo; sin

ner uena eficiencia en su punto de diseo, pero pueden tener problemas cuando

tengan que operar a velocidad axial. En este caso, las palas tienden a la perdida. Usualmente las mejores hlic elacin del pitch con el dimetro en el orden de 1.

la eficiencia de la hlice, pero fecta fuertemente su tamao y forma. Ya que las fuerzas y la potencia son irectamente proporcionales a la densidad del fluido, una hidro-hlice tendr unas

dimensiones mucho ms pequeas que una hlice que trabaja en el aire. Adems, una superficie sustentadora bajo el agua tiende a desarrollar cavitacin cuando la

c 4.2.1.1 Numero de palas El numero de palas tiene una pequea influencia nicamente en la eficiencia. Usualmente una hlice con mas palas se desempeara ligeramente mejor, ya que la distribucin de potencia y empuje es mas pareja. Para una potencia o empuje dados, mas palas tambin significan ms flechas de pala con longitud de cuerda reducida, as que se tienen que considerar los lmites prcticos. La longitud de la cuerda puede aumentarse mientrcupunta no sea un problema. Enembargo el calculo del numero de palas optimo de esta hlice esta hecho a cabalidad para un numero de 4 palas por lo tanto se tomo este mismo numero de palas que originalmente se diseo para el IRBIS.

4.2.1.2 La velocidad La velocidad del fluido entrante junto con la velocidad de rotacin (rpm) determina la distribucin de pitch de la hlice. Las hlices con un pitch grande pueden teb

es tienen una r

4.2.1.3 Densidad del fluido La densidad del fluido no tiene ninguna influencia enad

65

presin local del campo de fluido cae por debajo de la presin de vapor. Lo mismo ucede para las hlices de aeronaves con altas velocidad en la punta de las palas,

de pala de las hlices que peran a nmero Mach por encima de 0.7 deben ser diseadas para operar a

polar prescrito y un ngulo de ataque de diseo en ada radio. Para un desempeo mximo los perfiles deben operar al mximo L/D.

na hlice debe trabajar razonablemente ien, bajo condiciones fuera de diseo, usualmente es necesario usar un ngulo

r eficiencia fectiva. Claro que se debe tener en cuenta que el ruido, compresibilidad, y la

n (stress) son todos relativos a la elocidad en la punta de la hlice. Un punto razonable para comenzar es

ermisible de velocidad en la punta de la hlice en trminos de nmero de mach. Para bajo ruido, una punta de forma helicoidal

do a la ecuacin del dimetro de la hlice que es:

sdonde no se presenta cavitacin pero pueden ocurrir regiones supersnicas si la presin baja mucho. Por lo tanto las secciones de puntaopequeos coeficientes de sustentacin por debajo de 0.5. Los coeficientes adimensionales Ct y Cp no se ven afectados por la variacin de densidad, pero los valores de empuje y potencia si. Por ello una combinacin hlice motor debe encontrar diferentes puntos de operacin dependiendo de la densidad del fluido. Esto hace una diferencia en las hlices de aviones, donde el desempeo de la hlice y el motor dependen de la altura. 4.2.1.4 Distribuciones de sustentacin y resistencia (Elevacin y arrastre) En vez de los coeficientes de elevacin y arrastre, usualmente es conveniente especificar un perfil con un c(Lift/Drag Elevacin/Arrastre) Pero si ubde ataque menor para el diseo. 4.2.1.5 Dimetro de la hlice: Debe ser tan grande como se pueda para proporcionar la mayoedeformacin en la pala van a dar un gran acercamiento a lo que se requiere. Ruido, compresibilidad y los niveles de tensivespecificar la magnitud p

puede ser de 0.72, de acuer

(Ec. 36) En el caso que nos ocupa en el rediseo de esta hlice el dimetro tomado es de 1.98 metros que es el dimetro mximo que el ducto de las hlices permite, dejando su respectiva luz entre las palas y el ducto.

66

4.2.1.6 Factor de Actividad (Activity Factor) y Nmero de Palas Este factor esta cercanamente relacionado a la cantidad de poder que puede

en la parte 8.2

tre 70 y 200, Para una cantidad de oder P, y para un determinado dimetro de hlice D, el numero de palas , B y el

seleccionado arbitrariamente . La razn para sto es que como se ve en las ecuaciones correspondientes a el calculo del factor

mite superior en el numero de palas, El procedimiento que e recomienda es graficar la eficiencia de la hlice contra el factor de actividad

ar el mejor Factor de actividad. tras consideraciones como peso, complejidad, del mecanismo de paso variable y

a esto es porque la punta, endo por un circulo de radio mayor debe enroscar en el aire a la misma rata que

A pesar que la diferencia de radio, ambas secciones (en la punta de la pala y cerca al cubo) deben avanzar a la misma rata si el pitch va a permanecer constante a lo largo de la pala. El n