Volver ás hélices en avión
1987/10/01 Otaolaurretxi, Jon Iturria: Elhuyar aldizkaria
O sector da aviación é realmente sorprendente. Algunhas das tecnoloxías que se utilizaron con éxito van ser relegadas e tras varios anos de penumbra volverán polas vestidas con novas virtudes. Algo así lle está pasando ao globo guiable, que ultimamente está a pór de moda da man de varios globalistas.
Algo parecido ocorreulle á hélice. É certo que aínda non desapareceu do todo desde o arranque, pero lanzouse a ese camiño. Agora, con todo, nos laboratorios de investigación empezaron a proliferar de forma brusca e estanse sucedendo sesións de mil formas. Din que a partir de agora verémolos con frecuencia nos avións de transporte. Pero se todo isto ten fundamento, que está a pasar nos laboratorios de investigación? É certo que estamos ás portas da revolución da hélice?
Os primeiros avións voaron grazas á hélice. Leste era o sistema máis adecuado paira transformar a forza do motor de cilindro en propulsión, o máis adecuado e o único a principios deste século.
Con todo, en 1939, cando un oficio de caza alemán superou os 700 km/h, comezaron a destacar os límites da propulsión en hélice. En poucos minutos o motor quentábase demasiado e o sistema de refrixeración non podía resolver o problema.
A velocidade de insuflación da aleta da hélice é una combinación da velocidade de xiro e translación, cada vez maior a medida que nos achegamos ao extremo da aleta.
Ao redor da velocidade do son (ao redor de Mach 1) a unha velocidade de 330 m/s ou 1190 km/h e a nivel do mar, o fluxo de aire xunto á aleta sofre perturbacións complexas debido á compresibilidad do aire: aparición de ondas de choque, forte incremento do ronsel aerodinámica, desprazamento do punto de aplicación da forza representativa de esforzos aerodinámicos e descenso do fluxo e de calidade do aire a partir de 0,7 Med. En definitiva, un avión con hélice clásica anda moi mal a partir de 0,65 ou 0,7 Machos.
Durante a segunda guerra mundial, os alemáns comezaron a fabricar en serie os avións de combustión, pero tamén construíron un túnel aerodinámico paira rexenerar os fluxos sónicos do aire. Este túnel aerodinámico proxectábase en Austria, pero finalmente foi construído en Francia en Modane-Avrieux. Nun buraco de oito metros de diámetro, o aire alcanza a velocidade do son, e corenta anos despois é agora máis útil que nunca paira experimentar con hélices rápidas.
Pero vimos ver como son estas hélices e aletas. Os enxeñeiros determinaron que as aletas debían ser finas e afiadas, co extremo pouco redondeado. E é que en voo a aerodinámica e a hélice das ás teñen tanta importancia como a potencia á velocidade do avión.
Paira superar a velocidade do son, tiveron que abandonar a hélice e dar as formas adecuadas ás ás dos avións. Por tanto, apareceron os turborreactores con ás frechas. Estas foron os acenos de identidade. Tamén son moi utilizados nos avións de guerra paira conseguir velocidade e potencia.
Estes turborreactores tiñan e teñen un gran erro: o consumo. Paira un quilo de forza nunha hora, necesitan un quilo de combustible, o que nalgúns avións significa cinco toneladas por hora. Por tanto, paira transportes de gran cantidade de materiais e longas horas de duración, os turboreactores gastaban demasiado combustible.
Ao longo dos anos apareceron turborreactores de dobre fluxo e mellor rendemento, que finalmente están a retornar ao uso da hélice. No entanto, nalgúns casos a hélice sempre foi accionada pola turbina de gas, como nos avións de transporte de baixa e media carga.
Pero á hélice atopáronselle moitos obstáculos: vibracións, peso, ruído, reparación cara, velocidade de translación limitada, etc. A hélice, con todo, tiña una gran vantaxe: o seu baixo consumo. Pero como o combustible era barato, o seu impacto nos custos de utilización dos avións era baixo e non se tiña en conta. Pero a hélice volveu aparecer cando comezaron a desenvolver turborreactores de dobre fluxo.
Nestes turborreactores, parte da turbina actúa sobre o ventilador que emite aire frío. Este aire frío é rexeitado polo ventilador, pero a unha velocidade moito menor que o chorro de gas quente que emite a turbina de gas pola metade do motor.
Aplicando o principio físico de cantidade de movemento, obsérvase que o rendemento de propulsión é mellor ao lanzar grandes cantidades de aire a baixa velocidade. A velocidade debe ser sempre maior que a velocidade de translación, por suposto.
Na práctica, o rendemento de propulsión en turborreactores de dobre fluxo é mellor a medida que aumenta o coeficiente de disolución. O "coeficiente de disolución" é a relación entre a cantidade de aire emitida polo ventilador (aire frío) e a cantidade de aire emitida pola turbina de gas (aire quente). Por iso búscanse coeficientes de disolución elevados.
Hai que ter en conta, con todo, que o ventilador grande é pesado e o soporte circular exterior tamén. Isto supón ademais un novo obstáculo aerodinámico no avión. Por iso, adoptáronse diferentes solucións en diferentes avións. O coeficiente de disolución do avión de guerra con turborreactores de dobre fluxo oscila entre 0,25 e 1, e entre 1 e 3 nos motores dos avións de adestramento e 4 e 6 nos actuais abiones de transporte. Nos turbopropulsores, a relación entre o fluxo de aire frío que atravesa o disco da hélice e o do aire quente do turbomomotor pode variar entre 40 e 60. O aforro de combustible que supón, por tanto, é moi importante, xa que ás veces o 40% do seu custo de uso gástase en combustibles, por suposto.
Ao aumentar o prezo do petróleo, os enxeñeiros empezaron a mirar ao consumo. Mellorando a forma aerodinámica do avión conseguiron reducir o consumo nun 10%. A utilización de maiores temperaturas e presións nas turbinas de gas, en torno ao 10%, etc. Nos próximos anos espérase un aforro adicional do 10% grazas a novos materiais (máis lixeiros).
Os enxeñeiros traballaron todos os sistemas paira reducir o consumo e una delas foi a hélice máis recente. Uno dos problemas máis graves é dar forma ás aletas. A iso avanzou moito a NASA e Hamilton Standard. Estes deseñaron una hélice ultrasónica bautizada como propfan (fan = ventilador).
Os primeiros ensaios realizáronse no túnel aerodinámico e ademais da aerodinámica analizouse o ruído da hélice. Os bos resultados obtidos levaron a varios construtores a estudar o sistema propfan. General Electric utiliza no seu avión UDF (Un Ducted Fan) una turbina de gas e dobre propina. Boeing tamén anunciou que en 1992 sacará o modelo "7J7" similar a 150 prazas. As casas Douglas e Lockheed mostraron o seu interese polo propfan.
Atendendo aos diferentes modelos de propfan, case todos son partidarios do dobre, xa que xunto ao simple hai una diferenza de rendemento do 8 ou 10%. Con todo, á hora de decidir sobre a colocación ou non dun anel fixo ao redor da hélice, non todos están tan de acordo. O propfán con anel exterior é máis seguro. Ademais de ter un mellor rendemento, mesmo coa rotura dunha aleta os danos serían menores. Doutra banda, o anel exterior elimina os efectos acústicos da hélice ultrasónica. Estes efectos acústicos poden causar fatiga nas paredes próximas ás aletas da hélice. Por iso, os propfanes libres (sen aneis externos) só poden colocarse na parte posterior do avión. Con todo, os aneis, en calquera lugar, non xeran estes problemas. Ademais, grazas ao anel o diámetro do propfán pode ser menor debido ao seu maior rendemento.
Pero o anel exterior ten as súas desvantaxes. Ten peso e dificulta as reparacións. Tamén paira a aerodinámica do avión. Por iso, as casas Boeing e Douglas escolleron os aneis e os propfanes colocados tras o avión.
Outra opción é instalar un reductor paira conseguir as velocidades máis adecuadas de turbinas e hélices. Pero o reductor é pesado e necesita espazo. Ademais absorbe potencia, hai que arrefriala, etc. Tendo en conta todo iso, as opinións parecen estar divididas: algunhas son de bo rendemento e outras de simplicidad.
En ausencia de reductores, os propfanes amárranse directamente ás rodas da turbina e por iso na parte traseira do armazón motor. Con todo, se ten reductor, as hélices poden colocarse diante como nos turbopropulsores clásicos, e o gas quente da turbina non afectará ao pé das aletas.
Grazas á NASA, Allison, Hamilton Standard e Lockheed uníronse paira probar o propfán simple, sen aneis exteriores e de 3 metros de diámetro. Un turbomotre de 6.000 cabalos afectará a leste propfán con reductor. Xa están a ensaiar na Terra e no aire, voando ao avión, van empezar de inmediato.
Pola súa banda, General Electric reuniuse en 1985 con SNECMA e desenvolveron o propfan da figura 3. Estes esperan que en 1990 o sistema propofan faga os avións normalmente.
En Alemaña e Francia tamén se iniciaron sesións con PROPFAN. Pero en Europa quizá o máis avanzado neste campo é o británico Rolls-Royce. Esta casa propón diferentes solucións. Concretamente:
- Paira forzas de propulsión entre 4 e 11 toneladas, dobre propfán sen anel exterior e con reductora. Paira forzas de propulsión entre
- Paira forzas de propulsión dunhas 20 toneladas, dobre propfán, con anel exterior e sen reductor.
11 e 18 toneladas, monorotor, anel exterior e reductora.
Como resultado de todos estes ensaios, pódese afirmar que o sistema propfan terá éxito a velocidades inferiores a 0,8 Maches. A segunda idade da hélice está por tanto a piques de comezar.
Gai honi buruzko eduki gehiago
Elhuyarrek garatutako teknologia
