En aeronáutica, un ventilador con conductos es un ventilador o hélice mecánico que genera empuje montado dentro de un conducto o cubierta cilíndrica. Otros términos incluyen hélice con conductos o hélice cubierta . [1] Cuando se utiliza en aplicaciones de despegue y aterrizaje vertical ( VTOL ), también se le conoce como rotor cubierto . [2]
Los ventiladores con conductos se utilizan para propulsión o elevación directa en muchos tipos de vehículos, incluidos aviones , dirigibles , aerodeslizadores y aviones VTOL de elevación motorizada . Los motores turbofan de alto bypass utilizados en muchos aviones de pasajeros modernos son un ejemplo de un uso muy exitoso y popular del diseño de ventiladores con conductos.
El conducto aumenta la eficiencia del empuje hasta en un 90% en la mayoría de los casos, en comparación con una hélice de tamaño similar en el 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, además de proteger las propias palas de residuos u objetos externos. Al variar la sección transversal del conducto, el diseñador puede afectar ventajosamente la velocidad y la presión del flujo de aire según el principio de Bernoulli .
Los inconvenientes incluyen un mayor peso debido a la estructura adicional de la cubierta, la necesidad de precisión en las tolerancias entre la punta de la pala y la holgura de la cubierta, la necesidad de un mejor control de la vibración en comparación con las hélices de aire libre y requisitos complejos de diseño de conductos. Por último, cuando se encuentran en ángulos de ataque elevados, la cubierta puede detenerse y producir una gran resistencia.
Un ventilador con conductos tiene tres componentes principales; el ventilador o hélice que proporciona empuje o elevación, el conducto o cubierta que rodea el ventilador y el motor que alimenta el ventilador.
Como cualquier otro ventilador, hélice o rotor, un ventilador de conductos se caracteriza por el número de palas. El Rhein Flugzeugbau (RFB) SG 85 tenía tres palas, mientras que el Dowty Rotol Ducted Propulsor tenía siete. [3] [4] Las palas 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 aspas. Debe ser lo suficientemente rígido como para no deformarse bajo cargas de vuelo ni tocar las palas mientras giran. El conducto realiza varias funciones:
Principalmente, 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 hacerse más pequeño que la hélice libre equivalente.
Proporciona un blindaje acústico 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 dicho impacto.
Los vórtices reducidos en las puntas también significan que la estela del ventilador es menos turbulenta. Con un diseño cuidadoso, la descarga calentada del sistema de refrigeración del motor se puede inyectar en la estela del ventilador de baja turbulencia para aumentar el empuje. [4]
Un ventilador de conductos puede funcionar con cualquier tipo de motor capaz de hacer girar el ventilador. Los ejemplos incluyen motores de combustión de pistón, rotativos (Wankel) y turboeje, así como 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 único motor.
Un conjunto diseñado como una única unidad integrada se denomina módulo de ventilador o propulsor con conductos. [3] [4]
Una ventaja del enfoque de cápsulas es que el diseño de cada componente se puede combinar con los demás, lo que ayuda a maximizar el rendimiento y minimizar el peso. También facilita la tarea de integración del diseñador del vehículo con el vehículo y sus sistemas.
En aplicaciones aeronáuticas, la velocidad de funcionamiento de una hélice sin cubierta está limitada ya que las velocidades de punta se aproximan a la barrera del sonido a velocidades más bajas que las de un ventilador con conductos equivalente. La disposición de ventilador con conductos más común utilizada en aviones de tamaño completo es un motor turbofan , donde la potencia para hacer girar el ventilador la proporciona una turbina de gas . Los motores turbofan con relación de derivación alta se utilizan en casi todos los aviones civiles, mientras que los aviones de combate militares suelen utilizar el mejor rendimiento a alta velocidad de un turbofan con relación de derivación baja con un diámetro de ventilador más pequeño. Sin embargo, un ventilador con conductos puede funcionar con cualquier fuente de potencia del eje, como un motor alternativo , un motor Wankel o un motor eléctrico . Una especie de ventilador con conductos, conocido como cola de milano o con el nombre comercial de Fenestron , también se utiliza para reemplazar los rotores de cola de los helicópteros .
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Los ventiladores con conductos 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 rendimiento mejorado se debe principalmente a que el flujo de salida está menos contraído y, por lo tanto, transporta más energía cinética. [6]
Entre los aficionados a los modelos de aviones , el ventilador con conductos es popular entre los constructores de modelos de aviones controlados por radio de alto rendimiento . Los motores con bujías incandescentes combinados con unidades de ventilador con conductos fueron la primera forma posible de modelar un avión a reacción a escala. A pesar de la introducción de motores turborreactores a escala modelo , los ventiladores con conductos eléctricos siguen siendo populares en modelos de aviones más pequeños y de menor costo. Algunos aviones con ventiladores con conductos eléctricos pueden alcanzar velocidades de más de 320 km/h (200 mph).
La mayoría de los ventiladores de refrigeración utilizados en las 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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