COMUNICACION

Diseño aerodinámico de palas

Introducción

El diseño aerodinámico debe ser desarrollado previo al diseño estructural de la pala. En él se deben definir los parámetros tales como radio del rotor, longitud de la cuerda, perfil aerodinámico, torcimiento y conicidad. Todos estos parámetros definirán la forma externa de la pala a la cual se deberá ajustar la estructura interna que se realizará mediante un posterior diseño estructural.

El diseño de palas de rotor en la actualidad implica una compleja búsqueda de la mejor relación entre una gran diversidad de factores que pueden afectar el desempeño del mismo, la elección del número de palas, la gran cantidad de perfiles que han sido desarrollados con el paso del tiempo, la dimensión de las cuerdas, distribuciones de torcimiento, materiales, etc. La justificación de cada una de estas elecciones siempre representa una serie de consideraciones conflictivas que necesitan ser analizadas a fondo. Por ejemplo, perfiles delgados son deseables por su alta relación de levantamiento-resistencia al avance, mientras que los perfiles con un espesor mayor sacrifican algunas de esas cualidades para adquirir la mayor rigidez, requerida por ejemplo para un rotor más grande. Los pros y contras de estas consideraciones tienen que ser explorados para tener un mejor entendimiento del actual estado del arte del diseño de rotores y palas. Cuando el tamaño del rotor se incrementa se obtienen algunos resultados que representan limitaciones, que a su vez gobiernan las tendencias en el diseño, por ejemplo un rotor de mayor diámetro resulta en bajos valores de solidez, incremento en los espesores de los perfiles y coeficientes de levantamiento mayores, junto con un incremento en la velocidad de punta en el rotor. Todos estos parámetros deben tomarse en cuenta para llegar a un diseño eficiente del rotor en cuestión.

Perfiles para aeronaves de ala rotativa

Uno de los elementos de mayor importancia en una pala son los perfiles, las características deseables de un perfil se encuentran en la observación del tamaño del rotor y el tamaño de la pala. Rotores grandes requerirán perfiles con espesores mayores y los mayores coeficientes de levantamiento posibles para minimizar el peso y el costo de la pala. Para rotores pequeños el máximo coeficiente de levantamiento no es tan importante y el incremento o decremento en la solidez de este tipo de rotores no afectan el costo del mismo. Deberán ser perfiles que operen a bajos números de Reynolds para evitar una separación significativa de flujo y resulten en una resistencia excesiva, un inconsistente levantamiento máximo y ruido.

La divergencia en los requerimientos de perfiles adecuados para palas de rotor de helicóptero vienen del ambiente particular en el que estos operan y consecuentemente el diseñador se verá ante el problema de elegir un perfil de algún catalogo disponible o bien diseñar su propio perfil adecuándolo a sus requerimientos de diseño.

Los perfiles entran dentro de dos categorías: simétricos y asimétricos. Un perfil simétrico es aquel que posee formas idénticas a ambos lados de la línea de cuerda, mientras que un perfil asimétrico posee diferente forma y tamaño de cada lado (Fig. 2.1).

Geométricamente, sobre la línea de cuerda de los perfiles se encuentra un punto donde todos los cambios en la fuerza de levantamiento tienen efecto y donde a su vez, la suma de momentos es constante, este punto es llamado centro aerodinámico. En él, la suma de momentos será constante para cualquier ángulo de ataque y cero si se trata de un perfil simétrico. Otro punto localizado sobre la línea de cuerda es conocido como centro de presiones, sobre este punto es donde la resultante de levantamiento es concentrada y también, donde la suma de momentos es cero. Es obvio por tanto, que un perfil simétrico posee su centro aerodinámico y su centro de presiones en el mismo punto.

Cuando se trata con resultados experimentales, la posición del centro aerodinámico (usualmente cerca de ¼ de la cuerda del perfil) es determinado por medio de prueba y error. Pero teóricamente se ha desarrollado un proceso para obtener la localización del centro aerodinámico, tanto en perfil delgado como para perfil con espesor finito, de forma analítica

Cuando se trata de perfiles asimétricos, el centro de presiones se retrasa sobre la línea de cuerda conforme se incrementa el ángulo de ataque, es decir, cambia de posición. Así mismo, el centro de presiones del intradós y extradós, no actúan directamente uno opuesto del otro, es decir, no están alineados, en respuesta un momento de cabeceo es producido.

Conforme varía el ángulo de ataque del perfil, la distribución de presiones en su superficie es modificada, haciendo que el centro de presiones efectivo (dígase de la suma de intradós y extradós) cambie de posición y de este modo, se genere un momento de cabeceo (Fig. 2.2). Esta característica, propia de los perfiles asimétricos, hace que el centro de presiones sea difícil de emplear para análisis aerodinámicos. Como el momento producido sobre el centro aerodinámico permanece constante hasta ángulos de ataque cercanos a la pérdida (Fig. 2.3), es este y no el centro de presiones quien es usado para el análisis de los coeficientes de levantamiento y arrastre en perfiles.

Cálculos para la obtención de resultados

Teoría de Momento, Modelo Rankine-Froude

El rotor de un helicóptero es un elemento al cual, dejando de lado la materialización del mismo, se le puede concebir como un disco actuador, que de algún modo produce un empuje ascendente al impulsar una columna de aire descendente a través del plano del rotor. La aplicación de las leyes de conservación de masa, momento y energía pueden llevarnos a la obtención de una relación entre el empuje generado y la velocidad inducida al flujo, es decir, la aceleración del flujo. Este proceso de aproximación es usualmente conocido como Teoría de Momento y corresponde esencialmente a la teoría previa propuesta por Glauert para hélices, misma que se basa en el trabajo realizado por Rankine y Froude para hélices marítimas.

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