4.6 Multirrotor. Actuaciones.

Transcripción

Helicóptero coaxial
Helicóptero tándem
Ventajas
Dado un peso, el tamaño neto del rotor se reduce dado que se dispone
de dos rotores para producir la tracción necesaria.
Se evita el rotor de cola, dado que los dos rotores giran en sentido
contrario contrarrestando entre sí los pares motores.
4. Actuaciones
4.6 Multirrotor
Inconvenientes
Interacción aerodinámica de los ujos de los rotores. La potencia
inducida cabe esperar que sea mayor.
Cabeza del rotor más complicada y menos aerodinámica comparada
con la correspondiente a un monorrotor.
Kamov Ka-32A-12
121
AAD (HE)
Actuaciones
Multirrotor. Actuaciones
1 / 23
Introducción
AAD (HE)
Actuaciones
3 / 23
Helicóptero coaxial. Vuelo axial I
Se considera que ambos rotores
1
2
se encuentran prácticamente juntos,
ambos proporcionan la misma tracción
Vuelo axial
Vuelo en avance
Vuelo a punto jo de un helicóptero coaxial
La velocidad inducida en vuelo a punto jo es (se genera una tracción
2T en un área A)
√
2T
v0=
.
2ρ A
Vuelo axial
Vuelo en avance
i
La potencia inducida en vuelo a punto jo es
P 0 = 2Tv 0 =
i
AAD (HE)
T (la tracción total es 2T ).
Actuaciones
2 / 23
AAD (HE)
Actuaciones
i
2T 3/2
√
ρA
.
4 / 23
Helicóptero coaxial. Vuelo axial II
Helicóptero coaxial. Vuelo axial IV
Se introduce el factor de interferencia de potencia inducida para
comparar la situación con dos rotores aislados. Se dene como
Experimentos de Dingeldein (1954): σ = 0,027, κ = 1,15,
Cd 0 = 0,011, κint = 1,16
Potencia inducida del rotor coaxial
Potencia inducida de dos rotores aislados
2√
T 3/2
√
ρA
κint =
= 2.
3
/
2
2 × √T
2ρ A
κint =
−4
6
5
122
Actuaciones
Rotor unico
Rotor Coaxial
Experimento rotor unico Dingeldein (1954)
Experimento rotor coaxial Dingeldein (1954)
4
5 / 23
Helicóptero coaxial. Vuelo axial III
C
P
Por tanto, en vuelo a punto jo se estima que operar dos rotores en
forma coaxial implica un aumento del 41 % en la potencia inducida
cuando se compara con la potencia inducida que requiere operar los
dos rotores aislados.
Sin embargo, este simple resultado ha demostrado ser muy pesimista
cuando se ha comparado con datos experimentales que arrojan un
valor para el factorde interferencia de κint ≈ 1,16.
AAD (HE)
x 10
3
2
1
0
0
1
2
3
C
4
T
AAD (HE)
Actuaciones
5
6
−3
x 10
7 / 23
Helicóptero coaxial. Vuelo en avance I
La razón principal para justicar esta discrepancia es que la separación
entre los planos de rotores puede ser pequeña pero es nita. Desde el
punto de vista de la TCM esto signica que el rotor inferior está en la
estela ya desarrollada del rotor superior y sólo la mitad, en vez de la
totalidad, de su área está operando en un vuelo axial de ascenso.
Potencia de forma del rotor. Para tener en cuenta la potencia parásita
la potencia en vuelo axial para un rotor coaxial se puede escribir como:
T 3/2
σ Cd 0
P = κint κ 2 √
+ 2ρ A (ΩR )3
8
2ρ A
La estimación de la potencia necesaria se hace tal y como se ha hecho
en vuelo axial:
potencia inducida se corrige con el factor de interferencia de potencia
inducida,
potencia parásita se corrige contabilizando la solidez de los dos rotores.
donde se ha considerado la resistencia parásita de los dos rotores.
AAD (HE)
Actuaciones
6 / 23
AAD (HE)
Actuaciones
8 / 23
Helicóptero coaxial. Vuelo en avance II
Helicóptero tándem I
La potencia inducida de los rotores tándem es en general mayor que la
de dos rotores aislados.
El principal motivo es porque uno de los rotores, el trasero opera en
parte de la estela del delantero.
[Lei02]
123
AAD (HE)
Actuaciones
9 / 23
Helicóptero coaxial. Conclusiones
CH47 Chinook
AAD (HE)
Actuaciones
11 / 23
Helicóptero tándem II
Conguración solapada:
d
Las estimaciones de potencia se ajustan bastante bien a los datos
experimentales
La estimación de potencia obtiene valores más elevados que las
medidas experimentales a altas velocidades.
La conguración coaxial presenta una mayor potencia que la de dos
rotores aislados. Esto es debido sobre todo:
D
interferencia aerodinámica entre ambos rotores,
mayor resistencia parásita de los dos bujes.
Aov
Rotor delantero
AAD (HE)
Actuaciones
10 / 23
AAD (HE)
Actuaciones
Rotor trasero
12 / 23
Helicóptero tándem III
Helicóptero tándem V
El análisis de los rotores tándem se basa en la idea de áreas solapadas.
Asumiendo que los rotores no presentan separación vertical. El área de
solape, Aov , se puede expresar como Aov = mA siendo A el área de
uno de los rotores. El parámetro m se puede expresar como
m=
2
π
(
β−
d
sin β
D
)
En general cada rotor puede proporcionar diferentes tracciones, T1
para el delantero y T2 para el trasero. De esta manera se consigue
tener control longitudinal. Considerando que se puede realizar
superposición, la tracción que produce el área de solape se estima
como Tov = m(T1 + T2 ).
donde β = arc cos (d /D ).
Actuaciones
13 / 23
Helicóptero tándem IV
AAD (HE)
Actuaciones
Considerando hipótesis de ujo uniforme, la potencia inducida por
cada rotor es:
0.9
T 3/2
P1 = (1 − m) √ 1 ,
2ρ A
3/2
T
2
P2 = (1 − m) √ ,
2ρ A
(T + T )3/2
Pov = m 1√ 2 .
2ρ A
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
Por tanto la potencia total es
0.1
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
(
)
)
1 (
3/2
3/2
(1 − m) T1 + T2
+ m (T1 + T2 )3/2 .
2ρ A
1
d/D
AAD (HE)
15 / 23
Helicóptero tándem. Vuelo axial I
1
m
124
AAD (HE)
Actuaciones
14 / 23
Pi = √
AAD (HE)
Actuaciones
16 / 23
Helicóptero tándem. Vuelo axial II
Helicóptero tándem. Vuelo axial IV
1.45
Para el caso de rotores sin solapamiento (rotores aislados), es decir
m = 0, la potencia total es
1.35
1.3
T 3/2 + T 3/2
Pi (m = 0) = 1 √ 2 .
2ρ A
κov
1.25
1.2
Al igual que en el caso del rotor coaxial, se dene el factor de
potencia inducida de interferencia debido al solapamiento como:
(
α = 0.2
α = 0.4
α = 0.5
1.4
1.15
1.1
)
3/2
3/2
(1 − m) T1 + T2
+ m (T1 + T2 )3/2
Pi (m)
κov =
=
.
Pi (m = 0)
T13/2 + T23/2
1.05
1
0
0.2
0.4
donde
Actuaciones
0.8
1
17 / 23
Helicóptero tándem. Vuelo axial III
AAD (HE)
T1 = α T
Actuaciones
19 / 23
Helicóptero tándem. Vuelo axial V
Experimentalmente
Finalmente la potencia inducida del rotor de tipo tándem se expresa
como:
1.45
/2
3/2
T13√
+ T2
,
2ρ A
donde T es la tracción total, T = T1 + T2 y A es el área de uno solo
1.4
Pi = κov κ
de los rotores.
Caso particular:
1.35
TCM
Experimentos
1.3
1.25
κov
125
AAD (HE)
0.6
d/D
T1 = T2
1.2
1.15
T 3/2
Pi = κov κ √ ,
4ρ A
√
κov = 1 + m( 2 − 1)
1.1
1.05
1
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
d/D
AAD (HE)
Actuaciones
18 / 23
AAD (HE)
Actuaciones
20 / 23
Helicóptero tándem. Vuelo en avance I
Helicóptero tándem. Conclusiones II
Experimentos con un helicóptero tándem sin solape, separación entre
ejes 103 %, cada rotor σ = 0,054.
La potencia mínima del rotor trasero presenta un mínimo a
velocidades de avance mayores que el delantero debido a la
interferencia aerodinámica que induce el rotor delantero.
Para valores µ > 0,1 existe buen ajuste entre datos medidos y
calculados.
A bajas velocidades de avance, la relación entre datos medidos y
calculados es peor. La conguración ensayada parece tener en vuelo a
punto jo un efecto de interferencia favorable, lo cual sabemos que en
general no es así. Este resultado en concreto es muy particular de esta
conguración.
En general cabe esperar que exista un aumento de la potencia
inducida en vuelo a punto jo, por el efecto de interferencia.
[Lei02]
126
AAD (HE)
Actuaciones
21 / 23
Helicóptero tándem. Conclusiones I
La potencia del rotor delantero es prácticamente idéntica a la de un
único rotor. Esto sugiere que la interferencia aerodinámica es
prácticamente despreciable para el rotor delantero. Sin embargo, esta
conclusión no es general ya que dependerá del solape y la separación
vertical entre los dos rotores.
La potencia del rotor trasero es considerablemente mayor porque su
funcionamiento se encuentra afectado por la estela arrojada por el
rotor delantero. Se puede plantear el siguiente modelo sencillo para
evaluar la potencia conjunta
Pi = TF viF + κov TR viR
donde F se reere al rotor delantero, R trasero y κov representa la
interferencia creada por el rotor delantero sobre el rotor trasero
(κov ≈ 1,14). Este efecto de interferencia pueda minimizarse situando
el rotor trasero más elevado que el delantero (p. ej. CH-46).
AAD (HE)
Actuaciones
22 / 23
AAD (HE)
Actuaciones
23 / 23

4.6 Multirrotor. Actuaciones.

Transcripción

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