Un ciclorotor , rotor cicloidal , hélice cicloidal o ciclogiro , es un dispositivo de propulsión de fluidos que convierte la potencia del eje en aceleración de un fluido utilizando un eje de rotación perpendicular a la dirección del movimiento del fluido. Utiliza varias palas con un eje 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 elevación ) en cualquier dirección normal al eje de rotación. Los ciclorotores se utilizan para propulsión, elevación y control de vehículos aéreos y acuáticos. Una aeronave que utiliza ciclorrotores como fuente principal de sustentación, propulsión y control se conoce como ciclogiro o ciclocóptero . Un aspecto único es que puede cambiar la magnitud y dirección del empuje sin necesidad de inclinar ninguna estructura del avión. 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 la 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 con 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, lo que induce una fuerza aerodinámica neta hacia arriba y lavado descendente de fluido opuesto . Al variar la fase de este movimiento de cabeceo, la fuerza se puede desplazar a cualquier ángulo perpendicular o incluso hacia abajo. Antes de que la pala se detenga , aumentar la amplitud de la cinemática de cabeceo aumentará el empuje.
El origen de las hélices rotocicloides es ruso y se relaciona con el ámbito aeronáutico. [4] El "Samoljot" (San Petersburgo, 1909) u "ortóptero de ruedas" de Sverchkov fue el primer vehículo que se pensó 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 trasero de una de las superficies podría doblarse, reemplazando la acción de un ascensor. La sustentación y el empuje debían crearse mediante ruedas de paletas compuestas por 12 palas, colocadas en pares en un ángulo de 120°. Las palas de forma cóncava cambiaban el ángulo de incidencia mediante excéntricas y resortes. En la parte inferior de la nave estaba dispuesto un motor de 10 CV. La transmisión estaba asegurada por una correa. El peso en vacío era de unos 200 kg. "Samoljot" fue construido por el ingeniero militar EP Sverchkov con subvenciones de la Agencia Principal de Ingeniería de San Petersburgo en 1909, se presentó en la Exposición de Invenciones más recientes y ganó una medalla. De lo contrario, no podría pasar las pruebas preliminares sin volar.
En 1914, el inventor y científico ruso AN Lodygin se dirigió al gobierno ruso con el proyecto de un avión tipo ciclogiro, su esquema era similar al "Samoljot" de Sverchkov. El proyecto no se llevó a cabo.
En 1933, los experimentos de Adolf Rohrbach en Alemania dieron como resultado una disposición de alas con ruedas de paletas . [5] Las aletas oscilantes pasaron 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. La DVL evaluó el diseño de Rohrbach, pero las revistas de aviación extranjeras de la época pusieron en duda la solidez del diseño, por lo que no se pudo conseguir financiación para el proyecto, ni siquiera con una última propuesta como avión de transporte de la Luftwaffe. No parece haber evidencia de que este diseño haya sido construido alguna vez, y mucho menos volado. Sin embargo, basándose en la investigación de Rohrbach sobre ruedas de paletas, Platt en los EE. UU. diseñó en 1933 su propio Cyclogyro independiente. Su disposición de ala con ruedas de paletas recibió una patente estadounidense (que era sólo una de 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 alguna vez se construyera.
La primera propulsión cicloide operativa se desarrolló en Voith . Su origen se remonta a la decisión de la empresa Voith de centrarse en el negocio de conjuntos de engranajes de transmisión para turbinas. La famosa hélice Voight se basó en los conocimientos sobre dinámica de fluidos adquiridos en proyectos de turbinas anteriores. Fue inventado por Ernst Schneider y mejorado por Voith. Fue botado con el nombre de Voith-Schneider Propeller (VSP) para buques comerciales. Este nuevo propulsor marino podría mejorar significativamente la maniobrabilidad de un barco, como se demostró en las exitosas pruebas en el mar en el barco de prueba Torqueo, en 1937. Las primeras hélices Voith Schneider se pusieron en funcionamiento en los estrechos canales de Venecia, Italia. Durante la Exposición Universal de París de 1937, Voith recibió el gran premio (tres veces) por su exposición de hélices Voith Schneider y turbotransmisiones Voith. Un año más tarde, dos de los barcos de extinción de incendios de París comenzaron a operar con el nuevo sistema VSP.
Los ciclorotores proporcionan un alto grado de control. Las hélices , rotores y motores a reacción tradicionales producen empuje sólo 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 barco. Por el contrario, los ciclorotores sólo necesitan variar los movimientos de paso de las palas. Dado que hay poca inercia asociada con el cambio de paso de la pala, la vectorización del empuje en el plano perpendicular al eje de rotación es rápida. [6]
Los ciclorrotores pueden producir sustentación y empuje con 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 están limitados en su velocidad de avance por una combinación de pérdida de las palas en retirada y restricciones sónicas en las puntas de las palas. [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 exceder la velocidad del sonido para que el rotor sea eficiente y silencioso. Disminuir la velocidad de rotación del rotor evita este problema, pero presenta otro. En el método tradicional de composición de velocidades es fácil entender que la velocidad experimentada por la pala en retirada tiene un valor que es producido 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 retirada es baja. El movimiento de aleteo de la hoja cambia el ángulo de ataque. Entonces es posible que la cuchilla alcance la condición de pérdida. [8] En este caso es necesario que la pala de pérdida aumente el ángulo de paso para mantener cierta capacidad de elevación. Este riesgo impone limitaciones al diseño del sistema. Es necesaria una elección precisa del perfil del ala y un dimensionado cuidadoso del radio del rotor para el rango de velocidad especificado. [9]
Los ciclorotores de baja velocidad evitan este problema mediante un eje de rotación horizontal y funcionando a una velocidad de punta de pala comparativamente baja. Para velocidades más altas, que pueden resultar necesarias para aplicaciones industriales, parece necesario adoptar estrategias y soluciones más sofisticadas. Una solución es el accionamiento independiente de las palas, recientemente patentadas y probadas con éxito para uso naval [10] mediante su uso en un sistema de accionamiento hidráulico. El eje de rotación horizontal siempre proporciona un avance de las palas superiores, que producen siempre una elevación 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 del ratio 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 manera diferente que el ala de un avión tradicional o el ala 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 algo parecido al péndulo), que siguen variando su paso, generan 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 una rotocicloide produce mucho más empuje con el mismo número de Reynolds. Este efecto puede explicarse 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. Entonces es evidente que se reducen tanto la velocidad de elevación como la de pérdida. 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 un área de pala más grande y girar más rápido para lograr las mismas fuerzas de propulsión y perder más energía debido al arrastre de las palas. Entonces es evidente que un ciclorotor es mucho más eficiente energéticamente que cualquier otra hélice.
Los ciclorotores reales evitan este problema aumentando y luego disminuyendo rápidamente el ángulo de ataque de las palas, lo que retrasa temporalmente la pérdida y logra un alto coeficiente de sustentación. Esta elevación inestable hace que los ciclorotores sean más eficientes a pequeñas escalas, bajas velocidades y grandes altitudes que las hélices tradicionales. Por lo demás, es evidente que muchos seres vivos, como los pájaros y algunos insectos, son todavía mucho más eficientes, porque pueden cambiar no sólo el tono sino también la forma de sus alas, [15] [16] o pueden cambiar la forma de sus alas. propiedad de la capa límite como la piel de tiburón . [17]
Algunas investigaciones intentan adquirir el mismo nivel de eficiencia que los ejemplos naturales de alas o superficies. [18] Una dirección es introducir conceptos de alas transformadoras. [19] [20] Otro 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. Es probable que esto se deba a las velocidades más bajas de la punta de las palas, que producen una turbulencia de menor intensidad siguiendo las palas. [22]
En pruebas a pequeña escala, los ciclorotores lograron una carga de potencia mayor que los rotores tradicionales de escala comparable con la misma carga de disco . Esto se atribuye a la utilización de una sustentación inestable y a condiciones aerodinámicas constantes de las palas. 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 extensión de las palas del ciclorotor es paralela al eje de rotación, cada sección de las palas opera a velocidades similares y se puede optimizar toda la pala. [6] [23]
Las palas del ciclorotor requieren una estructura de soporte para su posicionamiento paralelo al eje de rotación del rotor. Esta estructura, a veces denominada "radios", aumenta la resistencia y el peso parásitos del rotor. [24] Las palas del ciclorotor 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 intermedios de soporte de pala. Los ciclorotores de principios del siglo XX presentaban palas cortas o una estructura de soporte adicional para evitar este problema. [25] [26] [27]
Los ciclorotores requieren un paso de pala 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 pala debe ajustarse a estos diversos ángulos de flujo. Las altas velocidades de rotación dificultan la implementación de un mecanismo basado en un actuador, que requiere una pista de forma fija o variable para el control del paso, montada paralela a la trayectoria de la pala, sobre la cual se colocan los seguidores de la pala, como rodillos o almohadillas de aire; la forma de la pista de control del paso es fiable. Determina 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 vuelo estacionario no están optimizados para el vuelo hacia adelante, en una 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 ciclorrotores. [31] Se denominan en este caso aerogeneradores de eje vertical de paso variable , con grandes prestaciones respecto a los VAWT tradicionales. [32] Se afirma que este tipo de turbina supera la mayoría de las limitaciones tradicionales de los VAWT tradicionales de Darrieus. [33]
La aplicación más extendida de los ciclorotores es la propulsión y el control de barcos. En los barcos, el ciclorotor se monta con el eje de rotación vertical para que el empuje pueda dirigirse rápidamente en cualquier dirección paralela al plano de la superficie del agua. En 1922, Kurt Kirsten instaló un par de ciclorotores 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 Kirsten-Boeing Propeller Company perdiera una subvención de investigación de la Marina de los EE. UU., la compañía de hélices Voith-Schneider empleó comercialmente con éxito la hélice. Esta hélice de Voith-Schneider se instaló en más de 100 barcos antes del estallido de la Segunda Guerra Mundial. [34] Hoy en día, la misma empresa vende la misma hélice para embarcaciones muy maniobrables. Se aplica en buques de perforación, remolcadores y transbordadores en alta mar. [35]
Un ciclogiro es un avión de despegue y aterrizaje vertical que utiliza un ciclorrotor como ala del rotor para sustentación y, a menudo, también para propulsión y control. Los avances en la aerodinámica del ciclorotor hicieron posible el primer modelo de vuelo en ciclogiro sin ataduras en 2011 en el Instituto Politécnico del Noroeste en China. Desde entonces, universidades y empresas han realizado con éxito ciclogiros de pequeña escala en varias configuraciones. [24] [36]
El rendimiento de los rotores tradicionales se ve gravemente deteriorado con números de Reynolds bajos debido a la pérdida de las palas con un ángulo de ataque bajo. Los MAV actuales con capacidad de flotación pueden permanecer en el aire sólo unos minutos. [23] Los MAV de ciclorotor (ciclogiros de muy pequeña escala) podrían utilizar una elevación inestable para aumentar la resistencia. El ciclogiro más pequeño volado hasta la fecha pesa sólo 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 ciclogiro comerciales . [39]
Una gran área expuesta hace que las aeronaves sean susceptibles a ráfagas y difíciles de despegar, aterrizar o amarrar en condiciones de viento. Propulsar aeronaves con ciclorotores podría permitir el vuelo en condiciones atmosféricas más severas al compensar las ráfagas con una rápida vectorización de empuje. Siguiendo esta idea, la Armada de los EE. UU. consideró seriamente instalar seis primitivos ciclorrotores Kirsten-Boeing en el dirigible USS Shenandoah . El Shenandoah se estrelló mientras transitaba por una línea de turbonada el 3 de septiembre de 1925 antes de cualquier posible instalación y prueba. [40] No se han intentado pruebas a gran escala desde entonces, pero una aeronave ciclorotor de 20 m (66 pies) demostró un rendimiento mejorado en comparación con una configuración de aeronave tradicional en una prueba. [41]