En aeronáutica, un ventilador entubado es un ventilador o hélice mecánica generadora de empuje montada dentro de un conducto o cubierta cilíndrica. Otros términos incluyen hélice entubada o hélice cubierta . [1] Cuando se utiliza en aplicaciones de despegue y aterrizaje verticales ( VTOL ), también se lo conoce como rotor cubierto . [2]
Los ventiladores entubados se utilizan para propulsión o sustentación directa en muchos tipos de vehículos, incluidos aviones , dirigibles , aerodeslizadores y aeronaves de despegue y aterrizaje vertical motorizadas. Los motores turbofán de alto bypass que se utilizan en muchos aviones de pasajeros modernos son un ejemplo de un uso muy exitoso y popular del diseño de ventiladores entubados.
El conducto aumenta la eficiencia de empuje hasta en un 90% en la mayoría de los casos, en comparación con una hélice de tamaño similar en aire libre. Los ventiladores con conductos son más silenciosos y ofrecen buenas oportunidades para la vectorización del empuje. La cubierta ofrece una buena protección al personal de tierra contra el contacto accidental con las palas giratorias, así como la protección de las palas mismas contra escombros u objetos externos. Al variar la sección transversal del conducto, el diseñador puede afectar ventajosamente la velocidad y la presión del flujo de aire de acuerdo con el principio de Bernoulli .
Las desventajas incluyen un mayor peso debido a la estructura adicional de la cubierta, la necesidad de precisión en las tolerancias de la distancia entre la punta de la pala y la cubierta, la necesidad de un mejor control de la vibración en comparación con las hélices de aire libre y los complejos requisitos de diseño de los conductos. Por último, cuando se encuentra en ángulos de ataque altos, la cubierta puede entrar en pérdida y producir una alta resistencia.
Un ventilador canalizado tiene tres componentes principales: el ventilador o hélice que proporciona empuje o sustentación, el conducto o cubierta que rodea el ventilador y el motor que alimenta el ventilador.
Al igual que cualquier otro ventilador, hélice o rotor, un ventilador con conductos se caracteriza por el número de aspas. El Rhein Flugzeugbau (RFB) SG 85 tenía tres aspas, mientras que el Dowty Rotol Ducted Propulsor tenía siete. [3] [4] Las aspas pueden ser de paso fijo o variable.
El conducto o cubierta es un anillo aerodinámico que rodea el ventilador y se ajusta perfectamente a las puntas de las palas. Debe ser lo suficientemente rígido para no deformarse bajo las cargas del vuelo ni tocar las palas cuando giran. El conducto cumple varias funciones:
Básicamente, reduce los vórtices creados por el aire que fluye alrededor de los extremos de las palas. Esto reduce las pérdidas aerodinámicas o la resistencia, aumentando así la eficiencia general del ventilador. Debido a esto, el ventilador puede usarse para proporcionar mayor empuje y rendimiento de la aeronave, o puede hacerse más pequeño que la hélice libre equivalente.
Proporciona protección acústica que, junto con el menor desperdicio de energía, reduce significativamente las emisiones de ruido de la hélice. [4]
Actúa como un dispositivo de protección, tanto para proteger objetos como el personal de tierra de ser golpeados por las palas giratorias, como para proteger las palas de daños durante tal impacto.
Los vórtices de punta reducidos también significan que la estela del ventilador es menos turbulenta. Con un diseño cuidadoso, la descarga caliente del sistema de enfriamiento del motor se puede inyectar en la estela del ventilador de baja turbulencia para aumentar el empuje. [4]
Un ventilador canalizado puede funcionar con cualquier tipo de motor capaz de girar el ventilador. Entre los ejemplos se incluyen los motores de combustión de pistón, rotativos (Wankel) y de turboeje, así como los motores eléctricos.
El ventilador puede montarse directamente en el eje de salida del motor o accionarse de forma remota mediante un eje de transmisión extendido y un engranaje. En la disposición remota, varios ventiladores pueden ser accionados por un solo motor.
Un conjunto diseñado en su totalidad como una única unidad integrada se denomina módulo de ventilador o propulsor entubado. [3] [4]
Una ventaja del enfoque de los módulos es que el diseño de cada componente puede adaptarse al de los demás, lo que ayuda a maximizar el rendimiento y minimizar el peso. También facilita la tarea del diseñador del vehículo de integración con el vehículo y sus sistemas.
En aplicaciones aeronáuticas, la velocidad de funcionamiento de una hélice sin cubierta es limitada, ya que las velocidades de punta se acercan a la barrera del sonido a velocidades más bajas que un ventilador entubado equivalente. La disposición de ventilador entubado más común utilizada en aeronaves de tamaño completo es un motor de turbofán , donde la energía para hacer girar el ventilador es proporcionada por una turbina de gas . Los motores de turbofán de alta relación de derivación se utilizan en casi todos los aviones de pasajeros civiles , mientras que los cazas militares generalmente hacen uso del mejor rendimiento a alta velocidad de un turbofán de baja relación de derivación con un diámetro de ventilador más pequeño. Sin embargo, un ventilador entubado puede ser impulsado por cualquier fuente de energía del eje, como un motor alternativo , un motor Wankel o un motor eléctrico . Un tipo de ventilador entubado, conocido como cola de abanico o por el nombre comercial Fenestron , también se utiliza para reemplazar los rotores de cola en los helicópteros .
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Los ventiladores canalizados son los preferidos en aviones VTOL como el Lockheed Martin F-35 Lightning II y otros diseños de baja velocidad como los aerodeslizadores por su mayor relación empuje-peso.
En algunos casos, un rotor cubierto puede ser un 94% más eficiente que un rotor abierto. El mejor rendimiento se debe principalmente a que el flujo de salida está menos contraído y, por lo tanto, transporta más energía cinética. [6]
Entre los aficionados al aeromodelismo , el ventilador entubado es popular entre los constructores de aviones de radiocontrol de alto rendimiento . Los motores de bujías incandescentes combinados con unidades de ventilador entubado fueron los primeros medios alcanzables para modelar un avión a reacción a escala. A pesar de la introducción de motores turborreactores a escala de modelo , los ventiladores entubados propulsados eléctricamente siguen siendo populares en los aviones de modelo más pequeños y de menor costo. Algunos aviones de ventilador entubado propulsados eléctricamente pueden alcanzar velocidades de más de 320 km/h (200 mph).
La mayoría de los ventiladores de refrigeración utilizados en computadoras contienen un conducto integrado en el conjunto del ventilador; el conducto también se utiliza para montar mecánicamente el ventilador a otros componentes.
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