Comparación de una hélice de paso fijo con una de paso variable para una aplicación de un avión VTOL

Abstract

El trabajo que se presenta a continuación es un resumen traducido del Trabajo de Fin de Máster “Fixed and adjustable propeller comparison for VTOL aircraft application” desarrollado durante el Programa Erasmus en la Facultad de Ingeniería Mecánica (FME) de la Universidad Tecnológica de Brno (BUT). Concretamente en el Instituto de Ingeniería Aeroespacial (IAE). El proyecto analiza uno de los sistemas de propulsión más importantes de la industria aeronáutica, las hélices. El objetivo es estudiar y comparar los dos tipos de hélices más comunes: hélice de paso fijo y hélice de paso variable. En un avión con hélice de paso fijo la potencia y la velocidad del motor se controlan por medio de la palanca de aceleración. Una palanca lo controla todo, la potencia es igual a la velocidad. Los aviones con hélice de paso variable tienen dos palancas que controlan la potencia y velocidad del motor por separado. Una palanca de control de acelerador que controla la potencia y una palanca de control de la hélice que controla la velocidad de la hélice (mediante el cambio del paso de la hélice). Estas hélices también se conocen como hélices de velocidad constante porque, una vez la velocidad se ha estabilizado, los cambios en la palanca del acelerador no afectarán a la velocidad del motor. El objetivo es de diseñar y analizar la hélice de un vehículo aéreo no tripulado con despegue y aterrizaje vertical. Más conocido por sus siglas del inglés VTOL UAV (Vertical Take off and Landing Unmanered Aerial Vehicles). El interés en el estudio de este tipo de vehículos está en sus numerosas ventajas. La ventaja de los aviones de despegue y aterrizaje vertical es que no necesitan recorrer una larga pista para aterrizar o despegar. Pueden hacerlo en muchos más lugares que una aeronave convencional, lo que puede ahorrar tiempo y combustible. Por su parte, los vehículos aéreos no tripulados no ponen en peligro la seguridad de un piloto ya que se controlan de forma remota o autónoma. Debido a ello, tienen diversidad de usos como puede ser en servicios de mensajería o como aviones de extinción de incendios. En la introducción teórica se han estudiado dos modelos teóricos que describen el funcionamiento de una hélice. La teoría más simple es la teoría del momento de pala que simplifica la hélice considerándola un disco uniformemente cargado con un número infinito de palas y un espesor infinitamente delgado, llamado disco actuador. Esta teoría se basa en la segunda y tercera ley de Newton: al aumentar la cantidad de movimiento del fluido que pasa por la hélice, el fluido reacciona produciendo una fuerza llamada empuje en dirección opuesta a este aumento y que actúa sobre la hélice. La segunda es la teoría del elemento de pala. En esta sí se tiene en cuenta la geometría de la hélice. Cada pala se divide en secciones infinitamente delgadas y en cada una de ellas se calcula el empuje y el momento, e integrando todas las secciones y todas las palas se obtienen la fuerza y el momento totales. Además del estudio de los modelos teóricos, se ha estudiado otra forma de análisis del flujo alrededor de una hélice: la simulación mediante Dinámica de Fluidos Computacional o CFD (Computational Fluid Dynamics) que es el método que se ha escogido para el estudio del presente proyecto. La Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) es un método de discretización que resuelve ecuaciones de fluidos que no pueden ser resueltas por métodos analíticos. Es importante destacar que los resultados numéricos son siempre aproximados porque se hacen aproximaciones a lo largo de todo el proceso. También se debe saber que se pueden obtener soluciones erróneas, incluso soluciones que parecen correctas pero no lo son. Por lo tanto, es importante comparar las soluciones con datos experimentales y examinar los resultados de forma crítica. A pesar del ello, es uno de los métodos más utilizados hoy en día para simulaciones reales como la del presente trabajo. Entre sus ventajas cabe destacar el bajo coste de las simulaciones frente al coste de un ensayo experimental. Además, el diseño de la pieza pueden ser cambiado en cualquier momento a diferencia de los ensayos experimentales.