Un ciclorotor , rotor cicloidal , hélice cicloidal o ciclogiro , es un dispositivo de propulsión de fluido que convierte la potencia del eje en aceleración de un fluido utilizando un eje giratorio perpendicular a la dirección del movimiento del fluido. Utiliza varias palas con un eje transversal paralelo al eje de rotación y perpendicular a la dirección del movimiento del fluido. Estas palas se inclinan cíclicamente dos veces por revolución para producir fuerza ( empuje o sustentación ) en cualquier dirección normal al eje de rotación. Los ciclorotores se utilizan para propulsión, sustentación y control en vehículos aéreos y acuáticos. Una aeronave que utiliza ciclorotores como fuente principal de sustentación, propulsión y control se conoce como ciclogiro o ciclocóptero . Un aspecto único es que puede cambiar la magnitud y la dirección del empuje sin la necesidad de inclinar ninguna estructura de la aeronave. La aplicación patentada, [1] [2] [3] utilizada en barcos con mecanismos de actuación particulares, tanto mecánicos como hidráulicos, lleva el nombre de la empresa alemana Voith Turbo .
Los ciclorotores producen empuje mediante la acción combinada de una rotación de un punto fijo de las palas alrededor de un centro y la oscilación de las palas que cambia su ángulo de ataque con el tiempo. La acción conjunta del avance producido por el movimiento orbital y la variación del ángulo de paso genera un mayor empuje a baja velocidad que cualquier otra hélice. En vuelo estacionario, las palas se accionan a un paso positivo (hacia afuera desde el centro del rotor) en la mitad superior de su revolución y un paso negativo (hacia adentro hacia el eje de rotación) en la mitad inferior induciendo una fuerza aerodinámica neta ascendente y una corriente descendente de fluido opuesta . Al variar la fase de este movimiento de paso, la fuerza se puede desplazar a cualquier ángulo perpendicular o incluso hacia abajo. Antes de que las palas se detengan , aumentar la amplitud de la cinemática de cabeceo magnificará el empuje.
El origen de la hélice rotocicloide es ruso y se relaciona con el ámbito aeronáutico. [4] El "Samoljot" de Sverchkov (San Petersburgo, 1909) u "ortóptero de ruedas" fue el primer vehículo del que se piensa expresamente que utilizó este tipo de propulsión. Su esquema se acercaba al ciclogiro, pero es difícil clasificarlo con precisión. Tenía tres superficies planas y un timón; el borde posterior de una de las superficies podía doblarse, reemplazando la acción de un elevador. La sustentación y el empuje debían crearse mediante ruedas de paletas compuestas por 12 palas, dispuestas en pares bajo un ángulo de 120°. Las palas de forma cóncava variaban el ángulo de incidencia mediante excéntricas y resortes. En la parte inferior de la nave se disponía un motor de 10 CV. La transmisión estaba asegurada por una correa. El peso en vacío era de unos 200 kg. El "Samoljot" fue construido por el ingeniero militar E. P. Sverchkov con fondos de la Agencia Principal de Ingeniería de San Petersburgo en 1909, fue presentado en la Exposición de Invenciones Más Recientes y ganó una medalla. De lo contrario, no podría haber pasado las pruebas preliminares sin volar.
En 1914, el inventor y científico ruso A. N. Lodygin presentó al gobierno ruso un proyecto de avión tipo ciclogiro, cuyo diseño era similar al del "Samoljot" de Sverchkov. El proyecto no se llevó a cabo.
En 1933, los experimentos realizados en Alemania por Adolf Rohrbach dieron como resultado un sistema de alas con ruedas de paletas . [5] Las aletas oscilantes pasaban de ángulos de ataque positivos a negativos durante cada revolución para crear sustentación, y su montaje excéntrico produciría, en teoría, casi cualquier combinación de fuerzas horizontales y verticales. El DVL evaluó el diseño de Rohrbach, pero las revistas de aviación extranjeras de la época pusieron en duda la solidez del diseño, lo que significó que no se pudo conseguir financiación para el proyecto, ni siquiera con una propuesta posterior como avión de transporte de la Luftwaffe. No parece haber evidencia de que este diseño se haya construido nunca, y mucho menos de que haya volado. Sin embargo, basándose en la investigación de Rohrbach sobre ruedas de paletas, Platt diseñó en 1933 en los EE. UU. su propio Cyclogyro independiente. Su sistema de alas con ruedas de paletas recibió una patente estadounidense (que era solo una de las muchas patentes similares registradas) y se sometió a extensas pruebas en el túnel de viento del MIT en 1927. A pesar de esto, no hay evidencia de que el avión de Platt se haya construido alguna vez.
El primer sistema de propulsión cicloide operativo fue desarrollado en Voith . Sus orígenes se remontan a la decisión de la empresa Voith de centrarse en el negocio de conjuntos de engranajes de transmisión para turbinas. La famosa hélice Voith se basó en su conocimiento de dinámica de fluidos adquirido en proyectos de turbinas anteriores. Fue inventada por Ernst Schneider y mejorada por Voith. Se lanzó con el nombre de Voith-Schneider Propeller (VSP) para buques comerciales. Este nuevo sistema de propulsión marina podía mejorar significativamente la maniobrabilidad de un barco, como se demostró en las exitosas pruebas en el mar en el barco de pruebas Torqueo, en 1937. Las primeras hélices Voith Schneider se pusieron en funcionamiento en los estrechos canales de Venecia, Italia. Durante la Feria Mundial de 1937 en París, Voith recibió el gran premio -tres veces- por su exhibición de hélices Voith Schneider y turbotransmisiones Voith. Un año después, dos de los barcos de extinción de incendios de París comenzaron a operar con el nuevo sistema VSP.
Los ciclorrotores proporcionan un alto grado de control. Las hélices , rotores y motores a reacción tradicionales producen empuje solo a lo largo de su eje de rotación y requieren la rotación de todo el dispositivo para alterar la dirección del empuje. Esta rotación requiere grandes fuerzas y escalas de tiempo comparativamente largas, ya que la inercia de la hélice es considerable y las fuerzas giroscópicas del rotor resisten la rotación. Para muchas aplicaciones prácticas (helicópteros, aviones, barcos), esto requiere girar todo el buque. En contraste, los ciclorrotores solo necesitan variar los movimientos de paso de las palas. Dado que hay poca inercia asociada con el cambio de paso de las palas, la vectorización del empuje en el plano perpendicular al eje de rotación es rápida. [6]
Los ciclogiros pueden producir sustentación y empuje a altas relaciones de avance , lo que, en teoría, permitiría a un avión ciclogiro volar a velocidades subsónicas muy superiores a las de los helicópteros de un solo rotor.
Los helicópteros de un solo rotor tienen una velocidad de avance limitada por una combinación de pérdida de sustentación de la pala en retroceso y restricciones sónicas en la punta de la pala. [7] A medida que los helicópteros vuelan hacia adelante, la punta de la pala que avanza experimenta una velocidad del viento que es la suma de la velocidad de avance del helicóptero y la velocidad de rotación del rotor. Este valor no puede superar la velocidad del sonido si se quiere que el rotor sea eficiente y silencioso. La reducción de la velocidad de rotación del rotor evita este problema, pero presenta otro. En el método tradicional de composición de la velocidad es fácil entender que la velocidad experimentada por la pala en retroceso tiene un valor que se produce por la composición vectorial de la velocidad de rotación de la pala y la velocidad de la corriente libre. En esta condición es evidente que en presencia de una relación de avance suficientemente alta la velocidad del aire en la pala en retroceso es baja. El movimiento de aleteo de la pala cambia el ángulo de ataque. Entonces es posible que la pala alcance la condición de pérdida. [8] En este caso es necesario que la pala en pérdida aumente el ángulo de cabeceo para mantener cierta capacidad de sustentación. Este riesgo impone restricciones al diseño del sistema. Es necesaria una elección precisa del perfil del ala y un dimensionamiento cuidadoso del radio del rotor para el rango de velocidad especificado. [9]
Los ciclorotores de baja velocidad evitan este problema gracias a un eje de rotación horizontal y a una velocidad de punta de pala relativamente baja. Para velocidades más altas, que pueden llegar a ser necesarias para aplicaciones industriales, parece necesario adoptar estrategias y soluciones más sofisticadas. Una solución es la actuación independiente de las palas, que se ha patentado recientemente y se ha probado con éxito para uso naval [10] mediante el uso de un sistema de actuación hidráulica. El eje de rotación horizontal siempre proporciona un avance de las palas superiores, que producen siempre una sustentación positiva por parte del rotor completo. [11] Estas características podrían ayudar a superar dos problemas de los helicópteros: su baja eficiencia energética y la limitación de la relación de avance. [12] [13] [14]
El avance de las palas y las oscilaciones son las dos acciones dinámicas que produce un ciclorotor. Es evidente que las palas de un ciclorotor funcionan de forma diferente a las de un avión tradicional o a las de un helicóptero tradicional. Las palas de un ciclorotor oscilan por rotación alrededor de un punto que al girar describe una circunferencia ideal. La combinación del movimiento de avance del centro de rotación de la pala y la oscilación de la pala (es un movimiento similar al del péndulo), que va variando su paso, genera un conjunto complejo de fenómenos aerodinámicos:
Los dos efectos están evidentemente correlacionados con un aumento general del empuje producido. Si se compara con un helicóptero o cualquier otra hélice, es evidente que la misma sección de pala en un rotocicloide produce mucho más empuje con el mismo número de Reynolds. Este efecto se puede explicar considerando el comportamiento tradicional de una hélice.
Con números de Reynolds bajos hay poca turbulencia y se pueden alcanzar condiciones de flujo laminar. Considerando un perfil de ala tradicional, es evidente que esas condiciones minimizan las diferencias de velocidad entre la cara superior e inferior del ala. Es evidente entonces que tanto la sustentación como la velocidad de pérdida se reducen. Una consecuencia es una reducción del ángulo de ataque en el que se alcanzan las condiciones de pérdida.
En este régimen, las hélices y rotores convencionales deben utilizar una mayor superficie de las palas y girar más rápido para lograr las mismas fuerzas de propulsión y perder más energía por la resistencia de las palas. Es evidente, entonces, que un ciclorotor es mucho más eficiente energéticamente que cualquier otra hélice.
Los ciclorotores actuales evitan este problema aumentando y luego disminuyendo rápidamente el ángulo de ataque de las palas, lo que retrasa temporalmente la pérdida de sustentación y logra un alto coeficiente de sustentación. Esta sustentación inestable hace que los ciclorotores sean más eficientes a escalas pequeñas, velocidades bajas y altitudes elevadas que las hélices tradicionales. Por otra parte, es evidente que muchos seres vivos, como las aves y algunos insectos, siguen siendo mucho más eficientes, porque pueden cambiar no solo el paso sino también la forma de sus alas, [15] [16] o pueden cambiar la propiedad de la capa límite como la piel de tiburón . [17]
Algunas investigaciones intentan alcanzar el mismo nivel de eficiencia que los ejemplos naturales de alas o superficies. [18] Una dirección es introducir conceptos de alas transformables. [19] [20] Otra se relaciona con la introducción de mecanismos de control de la capa límite, como la descarga de barrera dieléctrica. [21]
Durante la evaluación experimental, los ciclorotores produjeron poco ruido aerodinámico. Esto probablemente se deba a las velocidades más bajas de las puntas de las palas, que producen una turbulencia de menor intensidad después de las palas. [22]
En pruebas a pequeña escala, los ciclorotores lograron una carga de potencia mayor que los rotores tradicionales a escala comparable con la misma carga de disco . Esto se atribuye al uso de sustentación inestable y condiciones aerodinámicas de palas constantes. El componente rotacional de la velocidad en las hélices aumenta desde la raíz hasta la punta y requiere que la cuerda de la pala, la torsión, el perfil aerodinámico, etc., varíen a lo largo de la pala. Dado que la envergadura de la pala del ciclorotor es paralela al eje de rotación, cada sección de pala en la envergadura opera a velocidades similares y se puede optimizar toda la pala. [6] [23]
Las palas de los ciclorotores requieren una estructura de soporte para su posicionamiento paralelo al eje de rotación del rotor. Esta estructura, a veces denominada "radios", aumenta la resistencia parásita y el peso del rotor. [24] Las palas de los ciclorotores también se cargan centrífugamente en flexión (a diferencia de la carga axial en las hélices), lo que requiere palas con una relación resistencia-peso extremadamente alta o radios de soporte de pala intermedios. Los ciclorotores de principios del siglo XX presentaban palas de envergadura corta o una estructura de soporte adicional para evitar este problema. [25] [26] [27]
Los ciclorotores requieren un paso de palas accionado continuamente. El ángulo de flujo relativo que experimentan las palas a medida que giran alrededor del rotor varía sustancialmente con la relación de avance y el empuje del rotor. Para funcionar de manera más eficiente, un mecanismo de paso de palas debe ajustarse a estos diversos ángulos de flujo. Las altas velocidades de rotación dificultan la implementación de un mecanismo basado en actuador, que requiere una pista de forma fija o variable para el control del paso, montada en paralelo a la trayectoria de la pala, sobre la que se colocan seguidores de la pala, como rodillos o almohadillas de aire: la forma de la pista de control de paso determina de manera confiable el paso de la pala a lo largo de la órbita independientemente de las RPM de la pala. Si bien los movimientos de cabeceo utilizados en el vuelo estacionario no están optimizados para el vuelo hacia adelante, en la evaluación experimental se descubrió que proporcionaban un vuelo eficiente hasta una relación de avance cercana a uno. [24] [28] [29] [30]
Las turbinas eólicas son una aplicación potencial de los ciclorotores. [31] En este caso se denominan turbinas eólicas de eje vertical de paso variable , con grandes ventajas respecto a las tradicionales VAWT. [32] Se afirma que este tipo de turbina supera la mayoría de las limitaciones tradicionales de las VAWT Darrieus tradicionales. [33]
La aplicación más extendida de los ciclorrotores es la propulsión y el control de los barcos. En los barcos, el ciclorrotor se monta con el eje de rotación vertical para que el empuje pueda ser dirigido rápidamente en cualquier dirección paralela al plano de la superficie del agua. En 1922, Frederick Kirsten instaló un par de ciclorrotores en un barco de 32 pies en Washington, lo que eliminó la necesidad de un timón y proporcionó una maniobrabilidad extrema. Si bien la idea fracasó en los Estados Unidos después de que la Kirsten-Boeing Propeller Company perdiera una beca de investigación de la Marina estadounidense, la empresa de hélices Voith-Schneider empleó con éxito la hélice comercialmente. Esta hélice Voith-Schneider se instaló en más de 100 barcos antes del estallido de la Segunda Guerra Mundial. [34] Hoy, la misma empresa vende la misma hélice para embarcaciones de alta maniobrabilidad. Se aplica en barcos de perforación en alta mar, remolcadores y transbordadores. [35]
Un ciclogiro es una aeronave de despegue y aterrizaje vertical que utiliza un ciclorrotor como ala de rotor para sustentación y, a menudo, también para propulsión y control. Los avances en la aerodinámica de los ciclorrotores hicieron posible el primer vuelo de un modelo de ciclogiro sin ataduras en 2011 en el Instituto Politécnico del Noroeste de China. Desde entonces, universidades y empresas han realizado vuelos exitosos de ciclogiros a pequeña escala en varias configuraciones. [24] [36]
El rendimiento de los rotores tradicionales se ve gravemente afectado por la pérdida de sustentación de las palas debido a un bajo ángulo de ataque con números de Reynolds bajos. Los MAV con capacidad de vuelo estacionario actuales pueden permanecer en el aire solo unos minutos. [23] Los MAV con ciclorotor (ciclogiros de escala muy pequeña) podrían utilizar la sustentación inestable para extender la autonomía. El ciclogiro más pequeño que ha volado hasta la fecha pesa solo 29 gramos y fue desarrollado por el laboratorio avanzado de vuelo vertical de la Universidad Texas A&M. [37]
D-Daelus [38] y Pitch Aeronautics están desarrollando vehículos aéreos no tripulados con ciclogiros comerciales . [39]
Una gran superficie expuesta hace que los dirigibles sean susceptibles a las ráfagas y les resulte difícil despegar, aterrizar o atracar en condiciones de viento. La propulsión de dirigibles con ciclorrotores podría permitir el vuelo en condiciones atmosféricas más severas al compensar las ráfagas con una rápida vectorización del empuje. Siguiendo esta idea, la Armada de los EE. UU. consideró seriamente la posibilidad de instalar seis ciclorrotores Kirsten-Boeing primitivos en el dirigible USS Shenandoah . El Shenandoah se estrelló mientras transitaba una línea de turbonadas el 3 de septiembre de 1925 antes de que se pudiera realizar cualquier instalación y prueba. [40] No se han realizado pruebas a gran escala desde entonces, pero un dirigible con ciclorrotor de 20 m (66 pies) demostró un rendimiento mejorado en comparación con una configuración de dirigible tradicional en una prueba. [41]