ES2811836T3

ES2811836T3 - Hélice reductora de pérdidas

Info

Publication number: ES2811836T3
Application number: ES16154446T
Authority: ES
Inventors: Araiza Jose Francisco Zarate
Original assignee: Centre Int De Metodes Numerics En Enginyeria
Current assignee: Centre Int De Metodes Numerics En Enginyeria
Priority date: 2015-03-04
Filing date: 2016-02-05
Publication date: 2021-03-15
Anticipated expiration: 2036-02-05
Also published as: ES1137506U; ES1137506Y; EP3064431B1; EP3064431A1

Abstract

Una hélice reductora de pérdidas que comprende al menos una pala (1) asociada a un eje (2), donde la hélice comprende: - unos conductos (5) dispuestos a lo largo de la longitud de la pala (1); - unas toberas (6) dispuestas en la superficie de la pala (1) y conectadas con los conductos (5); - una carcasa (4) conectada con los conductos (5); caracterizada por que las toberas (6) se ubican en la parte frontal media del extradós (102); y - un compresor (3) asociado al eje (2) y dispuesto en el interior de la carcasa (4); donde el compresor (3) genera un flujo de aire controlado que se conduce a través de la carcasa (4) y los conductos (5) hasta que emerge por las toberas (6), proporcionando un flujo de aire adicional sobre el extradós de la pala que obliga al flujo de aire a ser laminar, permitiendo así que la hélice mantenga la capa límite sobre la pala.

Description

DESCRIPCIÓN

Hélice reductora de pérdidas

Objeto de la invención

La presente invención tiene como objeto una hélice reductora de pérdidas, del tipo de las empleadas tanto en ventiladores como en dispositivos aero-sustentadores (como por ejemplo, aviones de despegue y/o aterrizaje vertical (VTOL)), que por sus características específicas posean un paso elevado respecto de su diámetro y por tanto, entren en pérdida cuando giren a altas revoluciones.

Antecedentes de la invención

En la actualidad, una hélice se define como un dispositivo mecánico formado por un conjunto de elementos denominados palas o álabes, montados de forma concéntrica y solidaria sobre un eje, que al girar, trazan una superficie plana. Dichas palas suelen tener una sección transversal en forma de perfil aerodinámico y se orientan para crear un ángulo (ángulo de ataque) entre el plano de rotación y la cuerda de la pala, lo que genera una diferencia de presiones entre ambas caras de la pala o álabe, y por lo tanto, una fuerza perpendicular al plano de rotación, lo que se conoce como fuerza propulsora. A lo largo de este documento se considera a efectos descriptivos que la hélice tiene un movimiento levógiro.

Uno de los problemas a los que se tienen que enfrentar las hélices (al igual que en el caso de las alas de un avión), es la entrada en pérdida, debido a un ángulo de ataque excesivo en relación con la velocidad del flujo de aire sobre las hélices. En el caso de las hélices, es más significativo, puesto que dicha problemática también sucede cuando el paso de la hélice (o ángulo de ataque) de sus palas es muy grande. Esto provoca, que al exceder ciertas revoluciones por minuto, la hélice pierda su eficiencia y la fuerza propulsora (o empuje) se reduzca en más de un cincuenta por ciento, lo que se conoce como “hélice en pérdida” o “thrust stall” en inglés.

Una hélice suele entrar en pérdida cuando sus revoluciones son altas y no existe un flujo de aire incidente sobre las palas. Cuando la hélice se encuentra acoplada a un vehículo y el movimiento de este es en dirección de la normal al plano de giro de la hélice, se genera un flujo de aire incidente sobre el extradós que provoca que desaparezca el fenómeno de pérdida, recuperando la hélice su eficiencia.

Otro mecanismo para evitar que la hélice entre en pérdida consiste en orientar las palas respecto del plano de giro. Estas hélices se denominan “hélices de paso variable”. A mayor paso, mayor empuje, pero menores revoluciones por minuto de la hélice, de manera que no es posible aprovechar eficientemente la potencia del motor.

De esta manera, se ha conseguido controlar adecuadamente el comportamiento de las hélices en pérdida, sin embargo, existe un campo donde este problema no está resuelto de forma adecuada y se trata de las “hélices estáticas”, es decir, hélices que no están afectadas por un flujo de aire en dirección contraria a su eje de giro. Este tipo de hélices se pueden encontrar en vehículos de despegue o aterrizaje vertical, como por ejemplo, helicópteros, drones, o sistemas de aire forzado como ventiladores o extractores.

El solicitante conoce la existencia del modelo de utilidad ES 1058948U que describe una hélice que comprende un núcleo central del que parten radialmente una serie de palas, caracterizada por que comprende una serie de conductos internos que parten de la superficie frontal del núcleo y desembocan cerca del extremo libre de cada pala. Dicha invención no resuelve la problemática anteriormente descrita, ya que emplea un flujo de aire para asistir la potencia de giro del motor y no para controlar el comportamiento de las hélices en pérdida.

El documento US 3.005.496 que divulga las características técnicas del preámbulo de la reivindicación 1 se considera como el documento de la técnica anterior más cercana.

Descripción de la invención

El problema técnico que resuelve la presente invención es conseguir una hélice que reduzca los problemas de pérdidas cuando giran a altas revoluciones. Para ello, en una realización preferida de la presente invención, la hélice reductora de pérdidas comprende al menos una pala asociada a un eje, donde la hélice está caracterizada por que comprende: unos conductos dispuestos a lo largo de la longitud de la pala; unas toberas dispuestas en la superficie de la pala y conectadas con los conductos; una carcasa conectada con los conductos; un compresor asociado al eje y dispuesto en el interior de la carcasa; donde el compresor genera un flujo de aire de forma controlada, tal que el flujo de aire es dirigido a través de la carcasa y los conductos hasta emerger por las toberas permitiendo así a la hélice mantener la capa límite sobre la pala.

La hélice objeto de la presente invención, por tanto, proporciona un flujo de aire adicional sobre el extradós de la pala, lo que fuerza a que el flujo de aire sea laminar, evitando así el desprendimiento de la capa límite sobre el extradós de la pala, y reduciendo la aparición del fenómeno de pérdida sobre la hélice.

En una o más realizaciones particulares de la invención, la hélice adicionalmente puede comprender unos dispositivos medidores situados en la pala. Los dispositivos medidores pueden ser de presión y/o velocidad del flujo de aire sobre la hélice.

En una o más realizaciones particulares de la invención, las toberas adicionalmente pueden ser de carácter individual o de carácter continuo. En una realización más concreta, en el caso de toberas de carácter individual, las toberas individuales incorporan una superficie aerodinámicamente compatible, es decir, la geometría de la tobera es tal que altera lo menos posible el flujo de aire sobre el extradós. En otra realización más concreta, las toberas individuales incorporan unos difusores a fin de encauzar el flujo sobre el extradós. En una realización más concreta, en el caso de toberas de carácter continuo, las toberas se extienden de forma continuada o por segmentos desde la base de la pala hasta su punta.

En una o más realizaciones particulares de la invención, el compresor adicionalmente se encuentra asociado a un eje adicional.

En una o más realizaciones particulares de la invención, la hélice adicionalmente puede comprender unos dispositivos de control del flujo del aire. Estos dispositivos se encuentran seleccionados entre válvulas y relés.

En una o más realizaciones particulares de la invención, la hélice se encuentra asociada a un sistema de control compuesto por al menos un medio lógico de control y al menos un medio de adquisición y/o envío de datos. De forma preferida, el sistema de control está conectado a los sensores de presión y/o velocidad del aire sobre la pala, a los medios de control del flujo del aire y al comprensor para que el sistema de control pueda administrar el flujo de aire generado por el compresor y que es expedido por las toberas, mediante la regulación del efecto combinado del compresor y de los medios de control de flujo.

Gracias a su diseño, la hélice aquí preconizada podrá ser empleada como parte de aviones (tanto civiles como militares), helicópteros, aviones de despegue y/o aterrizaje vertical (VTOL), drones, sistemas de ventilación y/o extracción de aire, etc.

La invención aquí descrita contribuye a reducir la presión de succión sobre el extradós inyectando un flujo de aire adicional tal que dicha presión no supere el límite para provocar el desprendimiento de la capa limite, por lo que continúa existiendo una fuerza de sustentación en el extradós sin generar turbulencias por el aumento del ángulo de ataque más allá del crítico. Esto conlleva a un incremento de la sustentación producida por el intradós al poder operar con ángulos de ataque mayores.

La solución propuesta por esta invención a la aplicación de este razonamiento fue analizada numéricamente con estudios de dinámica computacional de fluidos (CFD) verificando una mejora de hasta el 50 % en la sustentación al poder aumentar el ángulo de ataque sin que se presente desprendimiento de la capa límite.

La hélice de la presente invención permite que el perfil pueda aumentar el ángulo de ataque sin que se produzcan pérdidas en la hélice. El aumento de la presión en el intradós, debido a un mayor ángulo de ataque, supera la disminución de presión de succión en el extradós debido al flujo de aire inyectado, por lo que se obtiene en total una mayor sustentación sobre la pala.

La capacidad del flujo de aire emitido por las toberas permite impedir, o al menos retrasar, la separación de la capa límite de manera que el (los) perfil(es) aerodinámico(s) usados por la pala mantengan e incrementen su capacidad sustentadora o empuje al incrementar el ángulo de ataque.

A lo largo de la descripción y las reivindicaciones la palabra "comprende" y sus variantes no pretenden excluir otras características técnicas, aditivos, componentes o pasos. Para los expertos en la materia, otros objetos, ventajas y características de la invención se desprenderán en parte de la descripción y en parte de la práctica de la invención. Los siguientes ejemplos y dibujos se proporcionan a modo de ilustración, y no se pretende que restrinjan la presente invención. Además, la presente invención cubre todas las posibles combinaciones de realizaciones particulares y preferidas aquí indicadas.

Breve descripción de las figuras

A continuación se pasa a describir de manera muy breve una serie de figuras que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de esta.

FIG. 1. Muestra una vista de una hélice de las conocidas y/o empleadas en el estado de la técnica, en donde la FIG. 1A muestra la sección transversal de una pala típica, y la FIG. 1B muestra una vista en planta de la hélice. FIG. 2. Muestra una vista esquemática en planta de la hélice reductora de pérdidas, objeto de la presente invención.

FIG. 3. Muestra una vista esquemática en sección de la hélice reductora de pérdidas, objeto de la presente invención.

FIG. 4. Muestra una vista esquemática en sección de la hélice reductora de pérdidas, objeto de la presente invención donde adicionalmente se muestra el aire incidente y emergente sobre la hélice.

FIG. 5. Muestra una vista esquemática del sistema de control (9) de la hélice aquí preconizada.

FIG. 6. Muestra un análisis del perfil aerodinámico simulado mediante dinámica computacional de fluido (CFD) para una hélice sin la presente invención.

FIG. 7. Muestra un análisis del perfil aerodinámico simulado mediante dinámica computacional de fluido (CFD) para una hélice con la presente invención.

Realización preferente de la invención

En las figuras adjuntas se muestra una realización preferida de la invención. La figura 1B muestra un ejemplo no limitativo de la forma conocida de una hélice del tipo de las empleadas en el estado de la técnica. Dicha hélice esencialmente está compuesta por una pluralidad de palas (1) solidarias a un eje (2). En este caso concreto, dextrógiro.

En la figura 1A, se muestra un detalle de la sección transversal del perfil de una pala de la hélice como la definida en la figura 1B, donde se muestra la pala (1) y las distintas partes esenciales de dicha pala. Así, el intradós (101) define la superficie inferior de su perfil, mientras que el extradós (102) muestra la superficie superior de dicho perfil.

Así pues, en dicha pala (1), el borde de ataque (104) se corresponderá con la parte frontal del perfil de la pala (1), mientras que el borde de salida (103) quedará definido por la intersección del intradós (101) y el extradós (102). Más concretamente, la figura 2 muestra una realización de la hélice reductora de pérdidas de la presente invención que comprende una pala (1) asociada a un eje (2) que facilita su movimiento. La hélice incorpora un compresor (3) cuyo eje de giro coincide con el eje de la hélice (2) y dispuesto en una carcasa (4) de la hélice; y donde dicho compresor (3) expide un flujo de aire a través de unos conductos (5) hacia una pluralidad de toberas (6), dispuestas en la superficie de la pala (1).

A su vez, la hélice comprende unos medios o dispositivos medidores (7), tanto de presión del aire (7a) sobre la pala como de velocidad (7b) del aire situados en la pala (1). Los dispositivos medidores están localizados preferentemente en la parte trasera del extradós (102), aunque dicho posicionamiento dependerá de las necesidades de la instalación.

El compresor (3) podrá girar en sentido contrario a las palas (1), de tal forma que el compresor reduce el momento cinético de la hélice.

Las toberas (6) podrán ser instaladas tanto de forma puntual o individual (6a), es decir, situadas de forma autónoma; como de forma continua (6b), formando un canal de salida sobre el extradós (102), dependiendo de las especificaciones de la propia hélice.

En una realización preferida, las toberas (6) estarán localizadas en una zona de la parte media delantera del extradós (102).

En una realización particular, las toberas individuales (puntuales) y/o continuas (6a, 6b) podrán estar cubiertas por superficies aerodinámicamente compatibles, y con difusores que proyecten el aire directamente sobre el extradós (102).

Del mismo modo, las toberas continuas (6b) se extienden a lo largo de la pala (1) desde la base de la pala (1) hasta su punta, o al menos hasta donde los efectos de la punta degraden el rendimiento de la hélice.

La figura 3 muestra una vista esquemática en sección de la hélice donde se puede observar con detalle que el compresor (3) se encuentra asociado a un eje (3a), del mismo modo que las palas (1) se encuentran asociadas a su eje (2) que articula su movimiento. Ambos ejes pueden ser accionados por la misma fuerza motriz o por dispositivos separados. La figura 4 muestra la misma vista esquemática en sección de la hélice presentada en la figura 3 y donde adicionalmente se esquematiza el flujo de aire que entra por la carcasa (4), forzado por el compresor (3) hasta emerger por las toberas (6a).

En diversas realizaciones particulares, la hélice podrá incorporar dispositivos de control del flujo del aire (8), tales como válvulas, relés o similares (como se muestra en la figura 5), de tal forma que optimicen el flujo de aire antes de expulsarlo por las toberas (6a, 6b).

En una realización particular, la hélice se encuentra asociada con un sistema de control (9) compuesto por al menos unos medios lógicos de control (9a) y unos medios de control y/o adquisición de datos (9b), de tal forma que monitoricen y controlen el rendimiento de la hélice, tal y como se muestra en la figura 5. En el ejemplo de realización mostrado en la figura 5, el sistema de control (9) está conectado a los sensores de presión (7a) y/o velocidad del aire (7b) sobre la pala de la hélice, a los dispositivos de control del flujo del aire (8) y al comprensor (3) para que el sistema de control (9) pueda controlar el flujo de aire generado por el compresor (3) y para controlar el flujo de aire emergente por las toberas (6a).

Las figuras 6 y 7 representan el mismo perfil aerodinámico simulado mediante dinámica computacional de fluido (CFD) sin la presente invención (Fig.6) y con la presente invención (Fig. 7). La figura 6 muestra una zona (11) donde la presión incidente sobre el extradós tiene una velocidad cero o negativa, dando lugar al desprendimiento de la capa límite. En cambio, la figura 7 que muestra la pala con la presente invención, muestra una zona (12) sobre el extradós con una velocidad del aire superior a cero, evitando así el desprendimiento de la capa límite. La mejora mostrada en la figura 7 sobre la figura 6 representa un 50 % en la sustentación al poder aumentar el ángulo de ataque sin provocar pérdidas.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Una hélice reductora de pérdidas que comprende al menos una pala (1) asociada a un eje (2), donde la hélice comprende:

• unos conductos (5) dispuestos a lo largo de la longitud de la pala (1);

• unas toberas (6) dispuestas en la superficie de la pala (1) y conectadas con los conductos (5);

• una carcasa (4) conectada con los conductos (5);

caracterizada por que las toberas (6) se ubican en la parte frontal media del extradós (102); y

• un compresor (3) asociado al eje (2) y dispuesto en el interior de la carcasa (4);

donde el compresor (3) genera un flujo de aire controlado que se conduce a través de la carcasa (4) y los conductos (5) hasta que emerge por las toberas (6), proporcionando un flujo de aire adicional sobre el extradós de la pala que obliga al flujo de aire a ser laminar, permitiendo así que la hélice mantenga la capa límite sobre la pala.

2. Una hélice de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la hélice comprende unos dispositivos medidores (7a, 7b) situados en la pala (1).

3. Una hélice de acuerdo con la reivindicación 1, en donde las toberas (6) son de carácter individual (6a).

4. Una hélice de acuerdo con la reivindicación 1, en donde las toberas (6) son de carácter continuo (6b).

5. Una hélice de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 3 a 4, en donde las toberas (6) incorporan unos difusores (13).

6. Una hélice de acuerdo con la reivindicación 4, en donde las toberas continuas (6b) se extienden a lo largo de la pala (1) de forma continuada o por segmentos desde la base de la pala (1) hasta su punta.

7. Una hélice de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el compresor (3) se encuentra asociado a un eje (3a) adicional.

8. Una hélice de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 y 2, que incorpora dispositivos de control del flujo del aire (8).

9. Una hélice de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1, 2 y 8, en donde la hélice se encuentra asociada a un sistema de control (9) compuesto por al menos un medio lógico de control (9a) y al menos un medio de adquisición y/o envío de datos (9b).