Diseño conceptual Diseño conceptual del rotor antipar

Referencia Básica [Lei02]

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Rotor antipar

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Introducción I Los principales propósitos del rotor antipar son proporcionar el par de compensación al par motor proporcionar estabilidad así como dar control alrededor el eje de guiñada

El rotor antipar opera en un entorno aerodinámico bastante complejo y debe ser capaz de proporcionar la tracción necesaria a partir del flujo relativo de aire que provenga en general de cualquier dirección.

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Introducción II Por ejemplo, el rotor antipar debe de proporcionar la tracción necesaria en vientos laterales. maniobras laterales. Cuando el helicóptero se orienta hacia la izquierda, el rotor antipar se encuentra una corriente efectiva de vuelo de ascenso. En cambio, si el helicóptero se orienta hacia la derecha, el rotor se encuentra funcionando en vuelo de descenso. Esta operación puede ser crítica ya que el rotor antipar se puede encontrar fácilmente en régimen de anillos de vórtices o estela turbulenta. Esto puede dar lugar a la pérdida de control lateral en el caso de combinación de las peores condiciones.

Al ser montado en la aleta vertical, las interacciones aerodinámicas deben ser analizadas cuidadosamente, ya que afectarán al comportamiento del rotor antipar.

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Introducción III

Además la interacción con las estelas arrojadas por la cabeza de rotor principal y fuselaje así como la propia estela del rotor principal influirán en el comportamiento del rotor antipar. Este entorno aerodinámico adverso implica que los requisitos de diseño para el rotor antipar son bastante diferentes de los del rotor principal. La principal consecuencia es que encontrar el diseño de rotor antipar que sea capaz de satisfacer todas las especificaciones en cuanto a aerodinámica, control, estabilidad, peso etc. . . es una tarea muy difícil.

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

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Especificaciones de tracción I De forma aproximada el rotor antipar puede consumir entre el 6 % y el 10 % de la potencia del helicóptero. Esta potencia es una potencia perdida, que no se emplea en generar fuerza sustentadora Existen diseños como el UH-60 Blackhawk que presentan un plano de rotor antipar inclinado de forma que también ayude a generar sustentación. La inclinación del plano del rotor permite ensanchar la posición permisible del centro de gravedad de la aeronave. Esta inclinación introduce un acoplamiento entre la guiñada y el cabeceo adverso. Este efecto puede ser minimizado mediante el sistema de control de vuelo.

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Especificaciones de tracción II

La dirección habitual de giro del rotor es contraria a las agujas del reloj. Por tanto el rotor antipar debe proporcionar una tracción en la dirección de la derecha del piloto. Cuando la potencia del rotor aumenta, por ejemplo en ascenso, el rotor antipar debe ser capaz de compensar el aumento de par asociado a este incremento de potencia. Habitualmente esta compensación adicional debe ser proporcionada por la acción del piloto sobre los pedales.

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Rotores de empuje versus tracción I Rotor antipar de empuje: el rotor se sitúa a la izquierda de la aleta vertical. Rotor antipar de tracción: el rotor se sitúa a la derecha de la aleta vertical. Ambas configuraciones presentan interferencias aerodinámicas considerables con la aleta vertical. Estas interferencias aerodinámicas son función del tamaño del rotor antipar, de la superficie de la aleta vertical, y de la separación entre el plano del rotor antipar y la aleta. Se realizan ensayos entre ambas configuraciones representando el empuje neto del rotor antipar en función de la separación entre aleta y rotor adimensionalizada con el tamaño del rotor y como parámetro la relación entre el área de la aleta vertical con respecto el área del rotor. Helicópteros ()

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Rotores de empuje versus tracción II

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Rotores de empuje versus tracción III

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Rotores de empuje versus tracción IV Rotor de empuje: la aleta vertical distorsiona la corriente de entrada al rotor antipar, por lo que el flujo que ve el rotor antipar es altamente no uniforme y esto conduce a potencias inducidas mayores. Este tipo de rotor es una fuente de cargas de vibración

Rotor de tracción: la aleta vertical se sitúa en la estela del rotor produciendo un efecto suelo. Incrementa la tracción del rotor antipar. El efecto negativo es que aparece una fuerza en la dirección opuesta a la tracción del rotor antipar en la aleta vertical.

Para ambas configuraciones se comprueba que el efecto es el de disminuir la tracción neta con respecto la tracción que se obtendría en condición aislada. La mayoría de helicópteros actuales emplea rotores de empuje porque experimentalmente presentan mejor eficiencia global. Helicópteros ()

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Requisitos de diseño I Diámetro: desde el punto de vista de la TCM sería preferible que el rotor antipar presentara diámetros mayores. Sin embargo: diámetros grandes implican aleta vertical y rotor antipar más pesados. para satisfacer requisitos de certificación y poder realizar vuelos laterales a una determinada velocidad lateral es deseable que la carga discal del rotor antipar sea lo suficientemente alta para evitar que el rotor antipar funcione en el régimen de anillos turbillonarios.

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

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Requisitos de diseño II Perfiles: la mayor parte emplean perfiles simétricos por su sencillez y bajo momento de cabeceo. Algunos diseños emplean perfiles con curvatura de manera que presentan mayores coeficientes de sustentación que permiten disminuir la solidez, minimizando el tamaño y peso del rotor antipar. Velocidad de punta de pala: generalmente se diseñan para presentar una velocidad de punta similar al rotor principal. Una baja velocidad de punta minimiza el ruido. Sin embargo, esto requiere de mayores solideces para evitar entrada en pérdida y aumenta el par del rotor lo cual se traduce en aumentos considerables del peso del sistema mecánico de transmisión de par.

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Requisitos de diseño III Dado que el antipar contribuye con una fuerza lateral a las fuerzas del helicóptero, el rotor antipar introduce una desplazamiento lateral. Este efecto debe ser compensado por la inclinación del rotor principal lateralmente hacia la izquierda mediante paso cíclico. Ambas fuerzas laterales, rotor antipar y principal, actúan conjuntamente produciendo un momento de alabeo. Para reducir este acoplamiento, se suele situar el rotor antipar situado en la parte superior de la estructura de la aleta vertical de manera que la distancia de acción del vector tracción sea lo mas pequeño posible al centro de gravedad.

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Interacciones aerodinámicas I En vuelo de avance existe, también en el rotor antipar, una asimetría en la presión dinámica. La estela del rotor principal se desarrolla en dos vórtices, similares a los generados por las alas fijas. La estela produce un velocidad inducida vertical sobre el rotor antipar con un gradiente longitudinal de velocidades considerable. Otras condiciones críticas aparecen con vientos laterales a izquierda y derecha en los que los torbellinos del rotor principal pueden incidir directamente sobre el rotor antipar produciendo un deterioro importante de la tracción del mismo.

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Interacciones aerodinámicas II

Vuelo con efecto suelo. Se puede producir la interacción entre el torbellino de suelo y el flujo del rotor antipar pudiendo llegar a ocasionar la pérdida de capacidad de tracción del rotor antipar. Vuelo lateral o vuelo a punto fijo con viento lateral. El rotor antipar opera en vuelo de descenso y puede encontrarse en el régimen de anillos de vórtices donde se puede llegar a perder tracción y control direccional.

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

batimiento ausencia de articulación de arrastre para evitar complejidad mecánica y ahorrar peso acoplamiento batimiento-paso (δ3 ) para minimizar el batimiento de las palas mediante paso inducido geométricamente.

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Fenestron I

Representa un rotor antipar carenado Especialmente empleado para helicópteros ligeros Presentan menores requisitos de potencia que los rotores antipar abiertos convencionales Por tanto, pueden proporcionar el mismo control direccional y tracción pero siendo más ligeros y con menor tamaño. Helicópteros ()

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Fenestron II Normalmente la longitud del conducto no puede ser demasiado grande para evitar el aumento de resistencia y mantener el peso estructural en el mínimo. El ahorro de potencia inducida no es tan grande como implica la aplicación de la TCM. El rotor antipar de tipo fenestron también disminuye las pérdidas debidas a la pérdida en punta de pala. Dado que el rotor fenestron se encuentra carenado en el vuelo de avance la interacción con la estela del rotor principal afecta menos y es más predecible. En cambio, la posibilidad de desprendimiento en la zona de entrada ha de ser contemplada. Para evitar este efecto se suele suavizar la zona de entrada. El apantallamiento del fenestron puede evitar problemas de desprendimiento de las palas. Helicópteros ()

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NOTAR I

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NOTAR II La capacidad para compensar el par motor aparece mediante el concepto de control de circulación. Consiste en introducir una corriente de aire presurizado a través del mástil de cola de forma que a través de una ranura longitudinal se inyecta al exterior tangencialmente al mástil de cola. Este flujo se combina con la velocidad inducida por la estela del rotor principal de forma que la corriente resultante permanece adherida al mástil de cola (Efecto Coanda). Esta configuración de flujo produce una importante presión de succión en un lado del mástil que se traduce en una fuerza lateral en el mástil de cola distribuida a lo largo de su longitud. La magnitud de esta fuerza distribuida depende de la velocidad del aire inyectado a través de la ranura longitudinal. Este parámetro se controla mediante la presión proporcionada por un compresor centrífugo colocado en el mástil de cola. Helicópteros ()

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NOTAR III

En vuelo de avance el control de la circulación se vuelve menos efectivo porque la estela del rotor principal proporciona menor corriente tangencial al mástil de cola. Las ventajas que incorpora este diseño son bajo ruido aerodinámico seguridad para el personal de tierra ausencia de desprendimiento de palas se evita el ensamblaje de la cola vertical que hace vulnerable al helicóptero en operaciones militares.

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