Principios de Propulsión Aeronáutica: Toberas y Hélices

Toberas

Tobera Convergente

En una tobera convergente operando a la salida con un número de Mach igual a la unidad, si se reduce el área de salida, se observará una reducción del flujo másico mientras que la velocidad del chorro se mantendrá constante.

Tobera Convergente-Divergente

Una tobera convergente-divergente se considera adaptada si la presión en la salida es igual a la exterior y en la garganta el Mach es igual a la unidad.

Para una tobera convergente-divergente de geometría variable con ondas de choque en su interior, se debería disminuir el área de salida hasta que la onda de choque salga y la presión se iguale con la exterior.

La condición de operación más aceptable para una tobera convergente-divergente es la presencia de ondas de choque oblicuas y flujo sobre-expandido.

Una aeronave con una tobera convergente-divergente de geometría variable que asciende en la atmósfera debe aumentar el área de salida de la tobera con la altura para mantener una operación óptima.

La opción de operación más favorable para una tobera convergente-divergente es la presencia de una onda de choque entre la garganta y la salida.

Una tobera se considera adiabática siempre que no se presenten ondas de choque, independientemente de su geometría (divergente, convergente o convergente-divergente).

Para mantener la condición de tobera adaptada al aumentar la presión de los gases a la entrada de una tobera convergente-divergente, se debe aumentar el área de salida.

Las toberas convergente-divergente son necesarias para alcanzar velocidades supersónicas en estado estable durante el vuelo horizontal.

Si la presión estática a la salida de una tobera convergente-divergente es igual a la del exterior, no se puede asegurar ninguna condición específica de operación.

Una tobera convergente-divergente operando en el espacio exterior (Pext=0) siempre se encontrará en flujo sub-expandido.

Hélices

Teoría de Froude o de la Cantidad de Movimiento

Duplicar el área de la hélice, manteniendo constante la tracción, resultará en un aumento del rendimiento propulsivo y una reducción de la potencia demandada.

En condiciones de estado estable, para un conjunto hélice-aeronave con hélice de paso variable y velocidad de giro constante, existe una relación cuadrática entre la tracción y el parámetro de avance.

El método del elemento pala proporcionaría resultados más exactos en el cálculo de una hélice si se conocieran los valores verdaderos de las velocidades inducidas.

El modo molinete en una hélice puede ser útil en caso de parada del motor en vuelo, para darle potencia y favorecer su encendido.

El método de la cantidad de movimiento es útil para establecer estimaciones preliminares para el dimensionamiento de una hélice.

El método del elemento pala se basa en el estudio de la pala de la hélice como una superposición de los efectos que se presentan en los elementos diferenciales de la pala.

La posición de bandera para una hélice consiste en configurar el ángulo de paso real a un valor de aproximadamente cero.

Según la teoría de Froude, el incremento del diámetro de la hélice aumenta el rendimiento propulsivo.

La teoría de cantidad de movimiento resulta poco exacta en el cálculo de las hélices debido a que no considera los cambios de cantidad de movimiento en sentido rotacional, tangencial y radial.

Las curvas de la hélice según el método de análisis dimensional son un conjunto de datos relevante para determinar el comportamiento de la hélice acoplada a la aeronave.

El método de cantidad de movimiento es el más adecuado para realizar los primeros diseños de una nueva hélice.

Una técnica para aterrizar con seguridad un helicóptero en caso de pérdida de potencia del motor es configurar las hélices en modo molinete para que, en el descenso, la velocidad de giro de la hélice aumente y produzca empuje hacia arriba cerca del terreno.

Un riesgo para el sistema de propulsión de un avión con hélices durante un picado pronunciado es que la velocidad de giro de la hélice y el motor aumente hasta causarles daños.

Instalar dos hélices adicionales idénticas a las originales en un avión inicialmente propulsado por dos hélices no duplicará la velocidad máxima de vuelo.

Una hélice de paso variable tiene la ventaja de poder trabajar cerca del ángulo de ataque ideal para cualquier condición de vuelo.

La teoría de Froude permite estudiar las tendencias en los sistemas de propulsión y los límites superiores de rendimiento de una hélice.

Según la teoría de Froude, la presión del aire presenta una discontinuidad al paso por la hélice.

No es posible un sistema de propulsión por hélice con eficiencia de 1 debido a la inevitable pérdida de energía cinética en el chorro para cumplir con la conservación de energía.

La mayor eficiencia propulsiva para una hélice se debería conseguir en un fluido poco denso y muy viscoso.

Método del Elemento Pala y Análisis Dimensional

El método del elemento pala ofrece resultados precisos del comportamiento de una hélice si se conocen las curvas de comportamiento del perfil aerodinámico empleado.

Las curvas del método de análisis dimensional permiten un cálculo cercano al comportamiento real de las hélices debido a que suelen ser obtenidas experimental o numéricamente para cada hélice en particular.

En operación normal de una hélice, el ángulo de paso efectivo es menor que el geométrico.

Según el método de la cantidad de movimiento, la forma más conveniente de incrementar la tracción producida por una hélice es incrementar el diámetro de la hélice.

Según la teoría de Froude, la velocidad inducida es el incremento de la velocidad del aire desde el infinito aguas arriba hasta el plano de la hélice.

Una hélice operando en modo freno consume potencia del motor porque Cp es mayor que 0 y Ct es menor que 0.

El rendimiento de una hélice tiene un máximo para valores de J mayores que 0 y antes de entrar en modo freno.

La teoría de Froude no considera la velocidad de giro como variable en el análisis de las hélices.

El estudio del método de cantidad de movimiento es útil porque permite describir las tendencias generales de comportamiento de las hélices.

Para determinar las curvas características de operación de una hélice de velocidad de giro constante según el método del análisis dimensional, se deben controlar las variables de velocidad de aire (velocidad de vuelo) y ángulo de paso geométrico.

Toberas de Geometría Variable

Si una tobera de geometría variable opera con flujo sobre-expandido, se debería reducir el área de salida de la tobera.

El objetivo de una tobera de área variable es mantener la presión a la salida igual a la del exterior.

Para aumentar el flujo másico en una tobera bloqueada, se puede aumentar la presión a la entrada.

Si existen ondas de choque dentro de la tobera, no se puede asegurar que la presión en la salida sea igual a la del exterior.

No tiene sentido hablar de toberas supersónicas para fluidos incompresibles.

Una condición de operación de flujo sub-expandido para una tobera puede ser aceptable porque, aunque la velocidad de salida es menor que la de la tobera adaptada, se tiene una componente de presión que contribuye al empuje.

Comparación de Sistemas de Propulsión

Como tendencia general, un turbofán de flujo mezclado presenta un mayor rendimiento propulsivo que uno sin mezclar.

La relación de presiones totales a la entrada de un difusor supersónico suele ser menor que la unidad debido a la presencia de ondas de choque.

En una pala torsionada, el ángulo de paso geométrico disminuye con el radio.

Entre dos sistemas de propulsión que producen el mismo empuje para las mismas condiciones, el que impulsa una cantidad de masa dos veces mayor tendrá un mayor rendimiento propulsivo.

Aumentar la velocidad de salida del chorro para incrementar el empuje con cualquier sistema de propulsión resulta en una reducción del rendimiento propulsivo.

Un difusor que genera ondas de choque oblicuas es más adecuado para flujo supersónico que uno que no las genera.

El incremento de la diferencia de velocidad entre un punto arriba y la velocidad del chorro resulta en un aumento lineal de tracción y potencia útil, y un aumento cuadrático de potencia residual.

El régimen de molinete puede ser útil para intentar arrancar el motor por parada en vuelo.

El rendimiento propulsivo, usando la teoría de la cantidad de movimiento, es igual a 1 si la velocidad del chorro de salida es igual a la velocidad de vuelo.

Las palas torsionadas permiten conseguir un ángulo de ataque adecuado en cada una de las secciones de la pala.

El método del elemento pala proporcionaría resultados bastante exactos si se conocieran los valores verdaderos de las velocidades inducidas.