En igualdad de condiciones, ¿qué diferencias resultan de variar el número de palas de la hélice en un motor de avión?

Answer 1

Un accesorio de dos palas es más simple, más fácil de enviar y almacenar. A menudo, se hace que un accesorio de tres palas se separe, lo que aumenta su complejidad y masa. Ah, y esta pequeña cosa llamada masa extra antes de la CofG … entonces, ¿por qué ser voluntario para eso?

Un gran “ejemplo en igualdad de condiciones. Comparemos el Castor DHC-2 de tres palas con el Castor DHC-2 de dos palas. Si se para cerca de estos dos aviones … ¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡ mucho más silencioso. Si hay un AME para confirmar, creo que una hélice de 3 palas en este caso particular incluso aumenta la vida útil de la hélice, el eje de transmisión y los soportes del motor significativamente por la vibración reducida. Por cierto, estoy hablando dentro de una milla de estos hermosos monstruos de dos cuchillas cuando sobrevuelan. Al pasar el avión de rotación, 2000 ‘AGL parecía insuficiente. Luego, de nuevo, mi ciudad natal estaba a 22 mil personas a 500 millas de distancia, más un viaje en ferry de 8 horas.

Ahora, dado que Likith Raja Singh mencionó las hélices de barco / barco en su gran respuesta, debo mencionar el número impar o par de palas. El bloqueo o el flujo turbulento de una obstrucción pueden ser un problema.

En esta primera imagen vemos un “skeg” vertical que contiene el tubo de popa y un timón detrás de él. Si tuviéramos un accesorio aquí que tuviera un número par de cuchillas, entonces dos de las cuchillas se bloquearán de manera simultánea. Esto establecerá un ciclo de resonancia prolongado y probablemente hará que el eje impulsor “golpee” o pulse. Es duro en el bote. Las 3 o 5 cuchillas suavizarán eso. Limpiar el accesorio tampoco te matará.

Aquí, donde vemos que el tubo de popa no está soportado por un skeg sino por un marco A, vemos un número par de cuchillas.

Pero los aviones, y las naves con Azipods, tienen las hélices en un flujo sin obstrucciones para aumentar significativamente la eficiencia. Sin embargo, el bloqueo puede ocurrir por un obstáculo a favor del viento ya que el fluido necesita un lugar adonde ir. Uno de esos obstáculos es el ala. Entonces, por muchas razones, la hélice está montada en una góndola del motor muy por delante del ala.

Un número impar de cuchillas puede brindarle al ingeniero de diseño cierto margen de optimización y reducir la necesidad de tener una góndola tan larga. El diseño de la aeronave tiene que ver con el compromiso y los cambios pueden caer en cascada, lo que permite margen de maniobra en otros aspectos.

Answer 2

Si la pregunta es tan simple como: “Tomo un avión con una hélice de paso fijo de 2 palas y reemplazo la hélice sola con una hélice de paso fijo de 3 palas. ¿Qué sucede?”, Entonces la explicación puede ser la siguiente.

En primer lugar, la función principal de la hélice es producir el par de acción-reacción que empujará el avión hacia adelante. Para hacer esto, funciona como un ala, como han señalado otras respuestas. Las hélices están retorcidas y cuando giran, diferentes partes de ellas giran a diferentes velocidades (cualquier ala distribuida radialmente experimentará diferentes velocidades en diferentes secciones cuando gire). Esta es la razón por la cual el giro a lo largo de la hélice varía, y también la razón por la cual el grosor de la hélice varía desde el cubo hasta la punta.

Si dos palas hacen el trabajo para su avión y lo mueven hacia adelante lo suficientemente bien para los modos de vuelo previstos, no necesita molestarse con una hélice de 3 palas y la misma configuración general de lo contrario. Sin embargo, si tuviera que experimentar con una hélice de 3 palas, esto es lo que podría ganar:

1. Más resistencia al aire, porque tienes tres cuchillas en lugar de dos
2. Más fuerza de propulsión a las mismas RPM de la hélice, y una característica diferente de RPM a par para el motor, porque la hélice puede extraer más potencia del motor a menos RPM. Esto también significa que las instalaciones de motores más potentes requieren un mayor número de hélices. Explica por qué los motores de alto eje como los del C-130 tienen una mayor cantidad de cuchillas que una Cessna pequeña con un Rotax 125 o algún motor similar.
3. Entrega de energía más suave. Obtienes dos “pulsos” de potencia por rotación en una hélice de 2 palas, pero en un sistema de hélice de tres palas obtienes tres en cada rotación. Esto significa que hay menos ruido de cabina. Las hélices C-130J y C-130 H se ven muy diferentes. Las hélices de este último tienen menos palas y hacen más ruido. Lo mismo ocurre con los modernos aviones Antonov, que tienen un ala montada en alto con hélices grandes con palas múltiples y anchas. Estos extraen la energía más suavemente y la entregan más suavemente.
4. Necesita un motor más potente cuando quiere que funcione a RPM más altas.
5. Los cambios en la eficiencia de la hélice deben ser muy grandes para ganar significativamente en términos de velocidad de crucero o rendimiento.

Referencias

11.7 Rendimiento de las hélices

Preguntas técnicas | Hartzell Propeller Inc.

Answer 3

Las palas de la hélice funcionan igual que las alas del avión. Aceleran una cantidad considerable de aire que le permite crear una elevación de la hélice, comúnmente llamada empuje de la hélice.

Una forma de aumentar la cantidad de flujo sobre las hélices es alargarlas. Esto se vuelve poco práctico por dos razones. La primera razón es que las hélices más largas ofrecen menos distancia al suelo y también menos distancia al fuselaje. La segunda razón son las velocidades de punta excesivas. Las puntas de la hélice tienen que recorrer una distancia más larga dando una velocidad mayor que las partes internas. Debido a esta razón, casi todas las hélices tienen un giro, donde las puntas están en un ángulo de ataque más bajo que el de la raíz. Esto hace que la producción de empuje sea más uniforme, lo que evita una posible flexión de la hélice. Si las puntas alcanzan la velocidad del sonido, el arrastre adicional reduce la eficiencia de la hélice. La formación de ondas de choque, también tiende a separar el flujo de aire en las puntas.

Al arreglar más palas de la hélice podemos distribuir la carga de trabajo. Con tal diseño, se reduce la cantidad de empuje que debe proporcionar cada pala de la hélice. Esto ayuda especialmente a resolver problemas de velocidad de punta. Esto también significa que somos capaces de crear la misma potencia (la de una hélice más larga) con un diámetro más pequeño para resolver efectivamente el problema de la holgura. Sin embargo, demasiadas cuchillas dan como resultado una interferencia de flujo mutuo entre las cuchillas. Por lo tanto, hay un límite en la cantidad de palas de hélice que puede fijar a la ruleta.

Dash 8 Q300, presentado en los años 80, tiene cuatro palas de hélice.

El Q400, mucho más tarde, tiene seis palas por hélice.

Otra forma de aumentar la potencia de salida de la hélice es usar una hélice contrarrotativa. En dicho sistema, hay dos hélices que giran en dirección opuesta en el mismo eje. Una hélice que gira crea una corriente de deslizamiento, que es energía perdida. La hélice detrás de ella aprovechará esta energía y la convertirá en algo útil.

Tu-95 es un ejemplo de un avión que utiliza hélices contrarrotativas. Las velocidades de punta de las hélices Tu-95 alcanzan velocidades supersónicas, lo que lo hace extremadamente ruidoso. La interacción del vórtice de la primera hélice por la segunda también contribuye al ruido. Es una clase magistral de ingeniería, Tu-95. El único turbopropulsor del mundo que puede alcanzar velocidades de aviones a reacción.

Tu-95 con sus hélices contrarrotativas distintivas.

Answer 4

Es para aumentar la solidez de la hélice.

Déjame explicarte más …

El propósito de una hélice es convertir el par del motor en un empuje útil, con la mejor relación par / empuje.

Entonces, ¿cómo logramos esto?

Una hélice absorbe la potencia que le da el motor, y hay varias maneras en que puede hacerlo: aumentar los ángulos de las palas, aumentar las RPM (revoluciones por minuto) Aumentar la inclinación y aumentar la longitud de la pala. Estas medidas solo pueden llegar tan lejos. ¿Sabes por qué un corsario tiene alas de gaviota?

Tiene palas de hélice muy largas, para absorber toda esa potencia del motor, por lo que para tener una distancia al suelo, ‘engulleron’ las alas.

Pero estos métodos pueden no ser suficientes para absorber todo ese par motor, por lo que otro método para aumentar la absorción de potencia es aumentar la solidez.

Pero, ¿qué es la solidez?

(Definición de mi libro de texto) La solidez es la relación entre esa parte del disco de la hélice que es sólida, en un radio dado, y la circunferencia del disco en el mismo radio.

Muy prolijo, por lo que puede escribirse como la ecuación

Existen algunos métodos para aumentar la solidez, como aumentar la curvatura (curva entre las superficies superior e inferior del perfil aerodinámico. Piense en aviones como el Hércules) y las hélices contrarrotativas (Antonovs, etc.)

Pero, una de las formas más comunes para aumentar la solidez es aumentar el número de palas de la hélice. Tal como el ATR72-500

Esto aumenta la solidez, lo que aumenta la cantidad de energía que se puede utilizar, es menos complejo que los accesorios y funciona con una mejor relación de elevación / arrastre que el aumento de la curvatura.

Las desventajas son que los cubos de las hélices deben ser más fuertes y las palas se moverán a través del aire más perturbado (por lo que no se pueden empacar demasiadas palas), pero en general es una buena forma de absorber la potencia del motor.

Answer 5

Una hélice de dos palas es la aerodinámica más eficiente, pero es físicamente incapaz de absorber niveles de potencia más altos a menos que esté hecha para ser torpemente amplia. Cuantas más cuchillas agregue, menos eficiente será, ya que las cuchillas interrumpen el flujo de aire de las siguientes cuchillas, pero es capaz de transmitir más potencia total. Más cuchillas también son mucho más difíciles de equilibrar, ya que todas las cuchillas deben tener un peso exacto para evitar vibraciones. A medida que los motores se volvieron más potentes, se tuvieron que agregar más cuchillas para usar realmente la potencia. El diseño moderno de la computadora ha aliviado algunos de estos problemas, pero aún no es un sistema ideal. Básicamente, cuanto más potente es el motor, más cuchillas necesita para un determinado nivel de capacidad de diseño. Al final de la Segunda Guerra Mundial, 5 cuchillas eran básicamente lo máximo que cabía sin usar accesorios contrarrotativos; más, comienzas a entrar en el área de rendimientos decrecientes. Con un diseño moderno, han podido usar 6 o más cuchillas por puntal, pero no lo ves con demasiada frecuencia, porque generalmente, excepto en aplicaciones específicas, es más fácil usar un motor de turboventilador, lo que puede proporcionar mayor empuje con menor consumo de combustible.

Answer 6

Para manejar la potencia suministrada a la hélice desde el motor. Para motores pequeños con caballos de fuerza relativamente pequeños, solo se necesitan dos aspas (es decir, aviones pequeños, y la mayoría de los aviones a mediados de la década de 1930, con una potencia del motor inferior a 500 caballos de fuerza). Para motores más grandes con más caballos de fuerza, debe haber más palas para mantener una distribución de potencia razonable para cada pala (es decir, los potentes motores con más de 1000 caballos de fuerza de los aviones de la Segunda Guerra Mundial). Una alternativa para agregar más palas sería darle a cada pala de la hélice un radio mayor, pero hay una limitación práctica en el radio debido a la necesidad de que la pala despeje el suelo. De ahí la necesidad de tener más cuchillas en lugar de aumentar el radio a medida que aumenta la potencia del motor.

Una hélice Tu-95 tiene 8 palas completas (hélices contrarrotativas) para cada motor de 11,000 KW (15,000 HP el motor turbohélice más potente jamás construido ) y este oso tiene 4 de esos motores y puede alcanzar velocidades de más de 900 km / hr.

Una hélice C-130J super Hercules y sus 6 palas se puede ver el paso y la variación y el ángulo

Un Mig-3 con su hélice de 3 palas

Un spitfire con hélice de 4 palas

Un propulsor es un ala con un toque

En sección transversal, una hélice tiene forma de ala para producir una presión de aire más alta en una superficie y una presión de aire más baja en la otra.

Hélices y pitcheo

El ángulo de ataque es el ángulo que forma un ala con el flujo de aire que se aproxima. El ángulo de inclinación es el ángulo que forma una pala de hélice con su plano de rotación. Un ala tiene casi el mismo ángulo de ataque en toda su longitud. Pero una pala de hélice tiene un giro, por lo que su ángulo de inclinación varía a lo largo de su longitud.

En una hélice de paso controlable , el paso de toda la pala se puede alterar durante el vuelo para obtener el mejor rendimiento a diferentes velocidades del aire. Esto es similar a cambiar de marcha con un automóvil o una bicicleta.

Las hélices de un barco crean empuje en el agua de la misma manera que las hélices de un avión crean empuje en el aire.

Para que una pala de hélice gire, generalmente necesita la ayuda de un motor

Answer 7

La complejidad del fluido alrededor de una hélice utilizada para barcos, embarcaciones y aviones es tan compleja que todo el sistema es una función tan no lineal que no se puede decir simplemente que se requiere el número de palas para motores de alta potencia o una hélice con un número mayor de cuchillas absorbe más potencia. La vida para un ingeniero de diseño sería tan simple si ese fuera el caso.

Básicamente, la regla general es la siguiente, el diámetro de una hélice depende de la potencia del motor y no del número de palas. El paso de la hélice está relacionado con la velocidad máxima estimada de la nave en cuestión y las hélices se pueden diseñar para ser eficientes a velocidad de crucero o velocidad máxima si se está compitiendo. La curva de potencia / revoluciones de una hélice es una curva parecida a una parábola, mientras que la potencia o un motor interno es aproximadamente una línea recta. Esto significaría que a bajas revoluciones una hélice apenas carga un motor, pero a medida que las revoluciones aumentan, la tasa de cambio de carga de la hélice es mayor que la del motor y, por lo tanto, la potencia requerida por la hélice sería mayor de lo que el motor puede producir y, por lo tanto, abrir más el acelerador, ese motor en particular no agregaría otra velocidad más alta a la hélice. Aquí es donde el diseñador tiene que decidir, si debe hacer funcionar el motor a la carga máxima como lo exige la hélice, bueno, uno no hace eso y se mantiene alejado de la carga máxima del motor.

Hay factores más importantes con hélices de palas múltiples. Con dos palas, la velocidad de avance de la nave sería tal que el aire sólido se endereza a través del espacio de separación entre las palas de la hélice y, por lo tanto, cada pala funcionaría en el ángulo de ataque diseñado con el VIENTO APARENTE como se ve por el borde delantero de La hélice. Para cortar es corto, cuantas más palas tenga una hélice, la velocidad de avance de la nave no permitirá un FLUJO DE AIRE RECTO ENTRE LA PEQUEÑA BRECHA SEPARADORA ENTRE LAS CUCHILLAS Y ASÍ LA BOMBA DE AIRE ANTES DE LA Hélice COMENZARÍA A GIRAR LA MISMA DIRECCIÓN QUE EL PROPULSOR.

Esta rotación de aire antes de la hélice dará como resultado que el viento aparente que ingresa al borde delantero de la pala de la hélice no se optimice y, de hecho, arruinará el diseño de la hélice y, por lo tanto, la hélice se volverá ineficiente a la velocidad normal. Si uno empuja con fuerza la garganta de una hélice, puede obtener mejores resultados, como en el caso de una bomba de alta presión que tiene una bomba de baja presión por delante. Uno podría usar palas estacionarias estacionarias antes de una hélice para alinear las líneas de corriente EN DIRECTO HACIA LA Hélice COMO EL ÁNGULO DESEADO. Esto es lo que hacen las palas fijas en un compresor de motor a reacción y si no fuera por las palas estacionarias entre la hélice de palas múltiples giratorias y las palas del estator antes de las palas de la turbina caliente, el motor a reacción no funcionaría como toda la masa de aire en su interior rotaría y no habría compresión ni energía en el disco de la turbina caliente.

Creo que es suficiente y repito que el número de palas no siempre depende de la potencia del motor, hay mucho más que pensar en hélices con palas múltiples … bueno, el motor a reacción lo dice todo realmente … tal como está allí en la acción y razón por la cual las cuchillas giratorias son como son y las cuchillas fijas del estator son lo que son. Uno no puede darse el lujo de tener grumos de aire rotativos antes de las hélices en aviones, barcos, helicópteros y discos rotativos que incluyen turbinas eólicas. Ese diseño de borde de ataque en cualquier hélice no debe perder la entrada de viento aparente para la que fue diseñado y tener demasiadas palas sin un dispositivo de corrección frente a ellas o moverlas a velocidades más altas, hará que las hélices y las hélices y las alas de prueba en los túneles de humo para cualquier prueba, completamente inútil.

Answer 8

La combinación de motor y hélice se considera aquí.

Como con todo lo relacionado con la aviación, es el mejor COMPROMISO posible para la aplicación particular.

Cada pala de una hélice realiza una cierta cantidad de trabajo, más largas y menos palas son ideales, pero en cierto punto los retornos son negados por los problemas de longitud. Se ha dicho durante mucho tiempo que una hélice de pala doble sería más eficiente, pero una sola pala de 8 pies con un gran peso de equilibrio simplemente no es práctica.

Considere esto: una aeronave en particular tiene un límite de distancia al suelo de 42 “y un motor de 260HP. Ahora, considerando suficiente distancia del suelo para evitar recoger escombros o golpear la hierba y cruzar pequeñas irregularidades del terreno, digamos 6” que le da un diámetro máximo disponible de 72 “… Pero una hélice de 2 palas no puede absorber / utilizar la potencia disponible, así que elija la siguiente mejor opción, una hélice de 3 palas según la imagen 1 en su pregunta.

Otro punto es que un número menor de cuchillas generalmente vuela más rápido, pero más cuchillas suben más rápido. Nuevamente, se trata de la misión.

En su imagen 2, considere los factores sobre una hélice diferente, el espacio libre entre los motores, la resistencia de los materiales para las palas (una pala más larga tiene más tensiones), la misión del avión, etc.

Answer 9

Hay varios factores Las hélices deben funcionar de forma subsónica mientras transmiten la potencia disponible desde el (los) motor (es). Si bien los accesorios de 2 cuchillas son más baratos, generalmente más livianos y menos complejos mecánicamente (cosas buenas), los accesorios de 2 cuchillas de gran diámetro deben funcionar a menos RPM que los accesorios de múltiples cuchillas para mantener las velocidades de punta por debajo de la potencia. carga. Al mismo tiempo, las restricciones físicas sobre la distancia al suelo y la altura del fuselaje limitan la longitud disponible y, por lo tanto, la capacidad de transmisión de potencia. Los aumentos de potencia requieren acomodación sin aumentar el diámetro. Los blades más amplios pueden resolver el problema de forma limitada, pero la relación de aspecto más baja reduce su eficiencia. La inclinación también se puede aumentar para absorber la carga de potencia, pero existen límites prácticos para el AoA de la cuchilla y las pendientes pronunciadas también reducen la aceleración a bajas velocidades (algo malo): ganar algo, perder algo. La respuesta es agregar cuchillas, pero este no es un almuerzo gratis. El costo inicial del hardware aumenta y los costos de mantenimiento aumentan. También hay una pequeña penalización de eficiencia por el aumento del área frontal de la cuchilla. Se pueden agregar más cuchillas a medida que aumenta la potencia, hasta que ya no pueda rellenar más y la reacción de torque se vuelva inmanejable, momento en el que se requieren accesorios contrarrotativos (algo malo).

Answer 10

En resumen, es una cuestión de aplicación, porque cuanto más haya cuchillas, más energía se desperdicia pero más empuje hay (para un diámetro dado).

También hay otros problemas de diseño que entran en juego, como la distancia al suelo (más palas = diámetro más pequeño = los motores se pueden montar más abajo) o la velocidad de la punta de la hélice (la velocidad de la punta aumenta con el diámetro, pero la velocidad de la punta es molesta de manejar cuando está cerca de Mach 1 , por lo que un diámetro menor significa que la hélice puede girar más rápido).

Es por eso que aquí tenemos un avión privado de 3 cuchillas “Llevo unas pocas personas” frente a un avión militar de 6 cuchillas “Muevo tanques” 🙂