Relación de avance

Relación entre la velocidad de flujo libre y la velocidad de punta

Diámetro de la hélice.

La relación o coeficiente de avance de la hélice es un número adimensional utilizado en aeronáutica e hidrodinámica marina para describir la relación entre la velocidad a la que un vehículo (como un avión o un barco) se mueve hacia adelante y la velocidad a la que gira su hélice. Ayuda a comprender la eficiencia de la hélice a diferentes velocidades y es particularmente útil en el diseño y análisis de vehículos impulsados ​​por hélice. Es la relación entre la velocidad del fluido en corriente libre y la velocidad de la punta de la hélice , el rotor o el ciclorotor . Cuando un vehículo impulsado por hélice se mueve a alta velocidad en relación con el fluido, o la hélice gira lentamente, la relación de avance de su(s) hélice(s) es un número alto. Cuando el vehículo se mueve a baja velocidad o la hélice gira a alta velocidad, la relación de avance es un número bajo. La relación de avance es una cantidad adimensional útil en la teoría de helicópteros y hélices, ya que las hélices y los rotores experimentarán el mismo ángulo de ataque en cada sección del perfil aerodinámico de la pala con la misma relación de avance independientemente de la velocidad de avance real. Es la inversa de la relación de velocidad de punta utilizada para turbinas eólicas.

Definición matemática

Hélices

La relación de avance J es un término adimensional dado por: ^{[1] [2]}

${\displaystyle J={\frac {V_{a}}{nD}},}$

dónde

Rotores y ciclorotores de helicópteros

La relación de avance μ se define como: ^{[3] [4]}

${\displaystyle \mu ={\frac {V_{\infty }}{\Omega r}},}$

dónde

Significado

Hélices

Relación de avance baja (J < 1): cuando la relación de avance es baja, el vehículo avanza lentamente en relación con la velocidad de la hélice. Esto suele ocurrir a velocidades bajas o cuando la hélice gira muy rápido.

Relación de avance alta (J > 1): cuando la relación de avance es alta, el vehículo avanza rápidamente en comparación con la velocidad de rotación de la hélice. Esto suele ocurrir a velocidades más altas o cuando la hélice gira más lentamente.

La relación de avance es fundamental para determinar la eficiencia de una hélice. Con diferentes relaciones de avance, la hélice puede producir más o menos empuje. Los ingenieros utilizan esta relación para optimizar el diseño de la hélice y el motor, lo que garantiza que el vehículo funcione de manera eficiente a la velocidad de crucero prevista (consulte la teoría de la hélice) .

Por ejemplo, la hélice de un avión debe ser eficiente tanto durante el despegue (donde la relación de avance es baja) como a la altitud de crucero (donde la relación de avance es mayor). De manera similar, el diseño de la hélice de un barco variará dependiendo de si está diseñada para maniobras a baja velocidad o para viajes a alta velocidad.

Helicópteros

Los helicópteros de un solo rotor tienen una velocidad de avance limitada por una combinación de velocidad de la punta sónica y pérdida de sustentación de la pala en retroceso . A medida que aumenta la relación de avance, la velocidad relativa experimentada por la pala en retroceso disminuye, de modo que la punta de la pala experimenta velocidad cero con una relación de avance de uno. Los rotores de los helicópteros inclinan la pala en retroceso a un ángulo de ataque más alto para mantener la sustentación a medida que disminuye la velocidad relativa. Con una relación de avance suficientemente alta, la pala alcanzará el ángulo de ataque de pérdida y experimentará pérdida de sustentación de la pala en retroceso. Los perfiles aerodinámicos especialmente diseñados pueden aumentar la relación de avance operativa utilizando perfiles aerodinámicos de alto coeficiente de sustentación. Actualmente, los helicópteros de un solo rotor están prácticamente limitados a relaciones de avance inferiores a 0,7. ^[5]

Relación con la velocidad de la punta

La relación de avance es la inversa de la relación de velocidad de la punta , , utilizada en la aerodinámica de las turbinas eólicas: ^[6] ${\displaystyle \lambda }$

${\displaystyle \mu =\lambda ^{-1}}$.

En funcionamiento, las hélices y los rotores generalmente giran, pero podrían estar inmersos en un fluido estacionario. Por lo tanto, la velocidad de punta se coloca en el denominador, de modo que la relación de avance aumenta de cero a un valor positivo no infinito a medida que aumenta la velocidad. Las turbinas eólicas utilizan el recíproco para evitar valores infinitos, ya que comienzan estacionarias en un fluido en movimiento.

Véase también

• Diseño de ventilador axial
• Pérdida de velocidad de la hoja en retirada
• Rotor de helicóptero
• Rotor ralentizado
• Hélice de avión
• Teoría de la hélice

Notas

1. Clancy, LJ (1975), Aerodinámica , Sección 17.2, Pitman Publishing Limited, Londres. ISBN  0-273-01120-0
2. Prof. ZS Spakovszky. "11.7.4.5 Rendimiento típico de la hélice" MIT turbinas , 2002. Termodinámica y propulsión, página principal
3. Leishman, J. Gordon (2005). Principios de la aerodinámica de helicópteros (2.ª ed.). Nueva York, NY: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-85860-1.
4. Jarugumilli, T.; Benedict, M.; Chopra, I. (1 de mayo de 2012). "Investigación experimental del rendimiento de vuelo hacia adelante de un rotor cicloidal a escala MAV". 68.° Foro y exhibición de tecnología anual de la American Helicopter Society .
5. Leishman, J. Gordon (2007). El helicóptero: pensar en el futuro, mirar hacia atrás . College Park, Maryland: College Park Press. ISBN 978-0-9669553-1-6.
6. Spera, David A., ed. (2009). Tecnología de turbinas eólicas: conceptos fundamentales de ingeniería de turbinas eólicas (2.ª ed.). Nueva York, NY: ASME Press. ISBN 978-0791802601.

Enlaces externos

• Rendimiento de las aeronaves de hélice y el método Bootstrap Archivado el 28 de diciembre de 2010 en Wayback Machine
• Termodinámica del MIT 11.7 Rendimiento de las hélices