Tornar a les hèlixs amb avió
1987/10/01 Otaolaurretxi, Jon Iturria: Elhuyar aldizkaria
El sector de l'aviació és realment sorprenent. Algunes de les tecnologies que s'han utilitzat amb èxit seran relegades i després de diversos anys de penombra tornaran a posar-les vestides amb noves virtuts. Una cosa així li està passant al globus guiable, que últimament està posant de moda de la mà de diversos globalistes.
Una cosa semblant li ha ocorregut a l'hèlix. És cert que encara no ha desaparegut del tot des de l'arrencada, però s'havia llançat a aquest camí. Ara, no obstant això, en els laboratoris de recerca han començat a proliferar de manera brusca i s'estan succeint sessions de mil formes. Diuen que a partir d'ara els veurem amb freqüència en els avions de transport. Però si tot això té fonament, què està passant en els laboratoris de recerca? És cert que estem a les portes de la revolució de l'hèlix?
Els primers avions han volat gràcies a l'hèlix. Aquest era el sistema més adequat per a transformar la força del motor de cilindre en propulsió, el més adequat i l'únic a principis d'aquest segle.
No obstant això, en 1939, quan un ofici de caça alemany va superar els 700 km/h, van començar a destacar els límits de la propulsió en hèlix. En pocs minuts el motor s'escalfava massa i el sistema de refrigeració no podia resoldre el problema.
La velocitat d'insuflació de l'aleta de l'hèlix és una combinació de la velocitat de gir i translació, cada vegada major a mesura que ens acostem a l'extrem de l'aleta.
Al voltant de la velocitat del so (entorn de Mach 1) a una velocitat de 330 m/s o 1190 km/h i a nivell de la mar, el flux d'aire al costat de l'aleta sofreix pertorbacions complexes a causa de la compressibilitat de l'aire: aparició d'ones de xoc, fort increment del deixant aerodinàmic, desplaçament del punt d'aplicació de la força representativa d'esforços aerodinàmics i descens del flux i de qualitat de l'aire a partir de 0,7 Med. En definitiva, un avió amb hèlix clàssica camina molt malament a partir de 0,65 o 0,7 Mascles.
Durant la segona guerra mundial, els alemanys van començar a fabricar en sèrie els avions de combustió, però també van construir un túnel aerodinàmic per a regenerar els fluxos sònics de l'aire. Aquest túnel aerodinàmic es projectava a Àustria, però finalment va ser construït a França en Modane-Avrieux. En un forat de vuit metres de diàmetre, l'aire aconsegueix la velocitat del so, i quaranta anys després és ara més útil que mai per a experimentar amb hèlixs ràpides.
Però venim a veure com són aquestes hèlixs i aletes. Els enginyers van determinar que les aletes havien de ser fines i afilades, amb l'extrem poc arrodonit. I és que en vol l'aerodinàmica i l'hèlix de les ales tenen tanta importància com la potència a la velocitat de l'avió.
Per a superar la velocitat del so, van haver d'abandonar l'hèlix i donar les formes adequades a les ales dels avions. Per tant, van aparèixer els turboreactors amb ales fletxes. Aquestes han estat els senyals d'identitat. També són molt utilitzats en els avions de guerra per a aconseguir velocitat i potència.
Aquests turboreactors tenien i tenen un gran error: el consum. Per a un quilo de força en una hora, necessiten un quilo de combustible, la qual cosa en alguns avions significa cinc tones per hora. Per tant, per a transports de gran quantitat de materials i llargues hores de durada, els turboreactores gastaven massa combustible.
Al llarg dels anys van aparèixer turboreactors de doble flux i millor rendiment, que finalment estan retornant a l'ús de l'hèlix. No obstant això, en alguns casos l'hèlix sempre ha estat accionada per la turbina de gas, com en els avions de transport de baixa i mitja càrrega.
Però a l'hèlix se li han trobat molts obstacles: vibracions, pes, soroll, reparació cara, velocitat de translació limitada, etc. L'hèlix, no obstant això, tenia un gran avantatge: el seu baix consum. Però com el combustible era barat, el seu impacte en els costos d'utilització dels avions era baix i no es tenia en compte. Però l'hèlix va tornar a aparèixer quan van començar a desenvolupar turboreactors de doble flux.
En aquests turboreactors, part de la turbina actua sobre el ventilador que emet aire fred. Aquest aire fred és rebutjat pel ventilador, però a una velocitat molt de menor que el doll de gas calent que emet la turbina de gas per la meitat del motor.
Aplicant el principi físic de quantitat de moviment, s'observa que el rendiment de propulsió és millor en llançar grans quantitats d'aire a baixa velocitat. La velocitat ha de ser sempre major que la velocitat de translació, per descomptat.
En la pràctica, el rendiment de propulsió en turboreactors de doble flux és millor a mesura que augmenta el coeficient de dissolució. El "coeficient de dissolució" és la relació entre la quantitat d'aire emesa pel ventilador (aire fred) i la quantitat d'aire emesa per la turbina de gas (aire calent). Per això es busquen coeficients de dissolució elevats.
Cal tenir en compte, no obstant això, que el ventilador gran és pesat i el suport circular exterior també. Això suposa a més un nou obstacle aerodinàmic en l'avió. Per això, s'han adoptat diferents solucions en diferents avions. El coeficient de dissolució de l'avió de guerra amb turboreactors de doble flux oscil·la entre 0,25 i 1, i entre 1 i 3 en els motors dels avions d'entrenament i 4 i 6 en els actuals abiones de transport. En els turbopropulsors, la relació entre el flux d'aire fred que travessa el disc de l'hèlix i el de l'aire calent del turbomomotor pot variar entre 40 i 60. L'estalvi de combustible que suposa, per tant, és molt important, ja que a vegades el 40% del seu cost d'ús es gasta en combustibles, per descomptat.
En augmentar el preu del petroli, els enginyers van començar a mirar al consum. Millorant la forma aerodinàmica de l'avió han aconseguit reduir el consum en un 10%. La utilització de majors temperatures i pressions en les turbines de gas, entorn del 10%, etc. En els pròxims anys s'espera un estalvi addicional del 10% gràcies a nous materials (més lleugers).
Els enginyers han treballat tots els sistemes per a reduir el consum i una d'elles ha estat l'hèlix més recent. Un dels problemes més greus és donar forma a les aletes. A això ha avançat molt la NASA i Hamilton Standard. Aquests han dissenyat una hèlix ultrasònica batejada com propfan (fan = ventilador).
Els primers assajos es van realitzar en el túnel aerodinàmic i a més de l'aerodinàmica es va analitzar el soroll de l'hèlix. Els bons resultats obtinguts han portat a diversos constructors a estudiar el sistema propfan. General Electric utilitza en el seu avió UDF (Un Ducted Fan) una turbina de gas i doble propina. Boeing també ha anunciat que en 1992 traurà el model "7J7" similar a 150 places. Les cases Douglas i Lockheed han mostrat el seu interès pel propfan.
Atesos els diferents models de propfan, gairebé tots són partidaris del doble, ja que al costat del simple hi ha una diferència de rendiment del 8 o 10%. No obstant això, a l'hora de decidir sobre la col·locació o no d'un anell fix al voltant de l'hèlix, no tots estan tan d'acord. El propfán amb anell exterior és més segur. A més de tenir un millor rendiment, fins i tot amb el trencament d'una aleta els danys serien menors. D'altra banda, l'anell exterior elimina els efectes acústics de l'hèlix ultrasònica. Aquests efectes acústics poden causar fatiga en les parets pròximes a les aletes de l'hèlix. Per això, els propfanes lliures (sense anells externs) només poden col·locar-se en la part posterior de l'avió. No obstant això, els anells, en qualsevol lloc, no generen aquests problemes. A més, gràcies a l'anell el diàmetre del propfán pot ser menor a causa del seu major rendiment.
Però l'anell exterior té els seus desavantatges. Té pes i dificulta les reparacions. També per a l'aerodinàmica de l'avió. Per això, les cases Boeing i Douglas han triat els anells i els propfanes col·locats després de l'avió.
Una altra opció és instal·lar un reductor per a aconseguir les velocitats més adequades de turbines i hèlixs. Però el reductor és pesat i necessita espai. A més absorbeix potència, cal refredar-la, etc. Tenint en compte tot això, les opinions semblen estar dividides: algunes són de bon rendiment i unes altres de simplicitat.
En absència de reductors, els propfanes s'amarren directament a les rodes de la turbina i per això en la part posterior de l'armadura motora. No obstant això, si té reductor, les hèlixs poden col·locar-se davant com en els turbopropulsors clàssics, i el gas calent de la turbina no afectarà al peu de les aletes.
Gràcies a la NASA, Allison, Hamilton Standard i Lockheed s'han unit per a provar el propfán simple, sense anells exteriors i de 3 metres de diàmetre. Un turbomotre de 6.000 cavalls afectarà aquest propfán amb reductor. Ja estan assajant en la Terra i en l'aire, volant a l'avió, començaran immediatament.
Per part seva, General Electric es va reunir en 1985 amb SNECMA i han desenvolupat el propfan de la figura 3. Aquests esperen que en 1990 el sistema propofan faci els avions normalment.
A Alemanya i França també s'han iniciat sessions amb PROPFAN. Però a Europa potser el més avançat en aquest camp és el britànic Rolls-Royce. Aquesta casa proposa diferents solucions. Concretament:
- Per a forces de propulsió entre 4 i 11 tones, doble propfán sense anell exterior i amb reductora. Per a forces de propulsió entre
- Per a forces de propulsió d'unes 20 tones, doble propfán, amb anell exterior i sense reductor.
11 i 18 tones, monorotor, anell exterior i reductora.
Com a resultat de tots aquests assajos, es pot afirmar que el sistema propfan tindrà èxit a velocitats inferiors a 0,8 Maches. La segona edat de l'hèlix està per tant a punt de començar.
Gai honi buruzko eduki gehiago
Elhuyarrek garatutako teknologia
