Diseño y Modelado de un r

70 Pages·2010·2.79 MB·Spanish

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA
Y ELECTRICA
UNIDAD TICOMAN

“Diseño y Modelado de un rotor experimental de un
sistema anti par tipo Fenestron”

Integrantes:
Rafael Enrique Arciniega Yáñez
Emmanuel López Román.

Asesores:
M. en C. Rogelio G. Hernández G.
M. en C. Armando Oropeza O.

INDICE

Lista de símbolos 1
Lista de figuras 2
Resumen 4
Objetivo general 5
Objetivos particulares 5
Introducción 6
Justificación 7
Alcance 8

I Estado Tecnológico 9
1.1 historia del helicóptero 10
1.2 tipos de helicópteros 12
1.3 clasificación 13
1.4 sistema antipar 16

II Aerodinámica del Rotor 20
2.1 condiciones de vuelo de un helicóptero 21
2.2 método de momentum o Rankine Froude 23
2.3 teoría de elemento de pala 26
2.4 método combinado 31

III Calculo del Rotor 32
3.1 selección del perfil aerodinámico 33
3.2 requisitos de diseño 34
3.3 selección de perfiles 35
3.4 procedimiento de cálculo 39

IV Modelado en NX 44
4.1 diseño asistido por computadora 45
4.2 introducción al uso de NX6 46
4.3 diseño del rotor tipo fenestron utilizando NX 48

Conclusiones 58
Recomendaciones para trabajos futuros 59
Bibliografía 60
Anexo a) ficha técnica EC 120 b 61
b) formulario 62
c) planos de NX 64
LISTA DE SIMBOLOS:

SIMBOLO DESCRIPCION UNIDAD

A Superficie
Cl Coeficiente de sustentación adimensional
Cd Coeficiente de arrastre adimensional
c Cuerda m
D Arrastre N
K Factor de potencia inducida adimensional
m Flujo másico Kg/s
M Momento N-m
n Número de revoluciones rev/min
N Número de palas adimensional
P Potencia Watts
Q Par N-m
p Presión Pa
Pi Potencia inducida Watts
R Radio en la punta de la pala m
r Radio m
S Fuerza de sustentación N
T Tracción N
V Velocidad del viento m/s
Vi Velocidad inducida m/s

SIMBOLOS GRIEGOS

α Angulo de ataque rad
ϴ Angulo de paso rad
ρ Densidad Kg/
σ Solidez adimensional
ɷ Velocidad angular rev/s

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LISTA DE FIGURAS:

DESCRIPCION NÚMERO

Ornitóptero de Leonardo Da Vinci 1.1
Aparato de Cornú 1.2
Sikorsky VS-300 1.3
Autogiro 1.4
Helicóptero 1.5
Componentes del helicóptero 1.6
CH-47 Chinook 1.7
Kamov K 50 1.8
HH-43 Huskie 1.9
Sistema Antipar 1.10
Sistema Notar 1.11
Rotor Fenestron 1.13
Configuración con rotor Fenestron 1.13
Movimientos del helicóptero 2.1
Vena contracta 2.2
Geometría del elemento de pala 2.3
Fuerzas que actúan sobre la pala 2.4
Triangulo de velocidades 2.5
Perfil NACA 0009 3.1
Cp vs ángulo de ataque NACA0009 3.2
Cl/Cd vs alfa y Cm. vs alfa NACA 0009 3.3
Distribución de presiones NACA0009 3.4
Comparación entre rotor convencional y Fenestron 3.5
Gráfica de tracción vs radio 3.6
Gráfica potencia vs radio 3.7
Pieza desarrollada en CAD 4.1
Dibujo realizado con software CAD 4.2
Croquis de la pala 4.3
Extrusión de la pala 4.4
Pala terminada 4.5
Croquis del cubo 4.6
Corte del cubo 4.7
Diseño de los soportes de las palas en el cubo 4.8
Diseño de los elementos de sujeción en el cubo 4.9
Arandela 4.10
Perno 4.11

DESCRIPCION NÚMERO

Perno de sujeción 4.12
Sistema de cambio de ángulo de paso 4.13
Sistema de sujeción de la pala 4.14
Tuerca 4.15
2
Mecanismo interno rotor Fenestron 4.16
Ensamble final rotor Fenestron 4.17
Rotor Fenestron incorporando la caja de transmisión 4.18
Despiece rotor Fenestron 4.19

TABLA
Estudio estadístico del perfil 3.1

3
RESUMEN:

En el presente trabajo se presenta la propuesta del diseño conceptual de un rotor
de cola tipo Fenestron. Para lograr el dimensionado de los elementos que integran
el modelo se realizó un cálculo aerodinámico utilizando el modelo combinado que
combina a la teoría de momentum y la de elemento de pala, dicho cálculo se
realizó usando el software MAPLE13. Se presenta finalmente un modelado
geométrico del sistema con cada una de las piezas que lo integran. El modelado
fue realizado utilizando el software de diseño NX6, tomando una geometría
propuesta con la finalidad de ser funcional, eficiente y de un mecanismo sencillo.
.

4
OBJETIVO GENERAL

Diseñar aerodinámicamente y modelar geométricamente un rotor experimental tipo
Fenestron que permita poner al alcance información referente a este tema,
obteniendo un modelo geométrico asistido por computadora que permita alentar la
investigación y experimentación del Fenestron.

OBJETIVOS PARTICULARES

- Establecer las variables operativas del rotor Fenestron, tomando los
diferentes métodos de análisis matemáticos para un rotor.
- Determinar las características geométricas de los componentes del rotor
tipo Fenestron en base al resultado de los cálculos aerodinámicos
- Desarrollar el concepto del rotor tipo Fenestron, y modelarlo
geométricamente utilizando tecnologías CAD.

5
INTRODUCCION

Este estudio es un análisis de un rotor antipar tipo Fenestron respondiendo a la
necesidad de hacer una primera aproximación del principio de funcionamiento
mecánico y aerodinámico de esta tecnología.

Ya que el rotor antipar tiene como función principal el contrarrestar el par torsional
generado por el rotor principal obteniendo así el control del momento de guiñada
del helicóptero, es importante conocer el principio de funcionamiento del
Fenestron, para lo cual se presentan como partes neurálgicas el cálculo del rotor
utilizando el modelo combinado para culminar con el modelado geométrico al
proponerse una geometría capaz de satisfacer a un sistema antipar.

La geometría final se obtiene a partir del desarrollo del presente trabajo, haciendo
un análisis deductivo. Inicialmente se describen las generalidades del helicóptero
pasando por los diferentes modelos matemáticos que describen el fenómeno del
rotor. Posteriormente se presenta un estudio estadístico para seleccionar el perfil
que se emplea en el cálculo de modelo combinado. Estos resultados arrojan
información suficiente para estar en la capacidad de diseñar las diversas piezas
que componen al rotor que culmina en el ensamble final del rotor Fenestron.

El trabajo está estructurado en cuatro capítulos de la siguiente manera:

Capítulo I Estado tecnológico: En el presente capítulo se presenta una breve
historia del helicóptero así como las configuraciones más comunes y
generalidades del rotor antipar enfatizando al tipo Fenestron.
Capítulo II Aerodinámica del rotor: En este capítulo se estudian los principales
modelos matemáticos del rotor iniciando por el modelo de Rankin Froude,
siguiendo por el modelo del elemento de pala para concluir con el modelo
combinado.

Capítulo III Calculo del rotor: En este capítulo se presentan los parámetros de
diseño para el rotor tipo Fenestron, también se presenta un estudio estadístico de
diferentes perfiles, presentando los resultados del perfil elegido usando el software
profili para finalmente presentar el cálculo usando el modelo combinado haciendo
uso del software Maple 13.

Capítulo IV Diseño del rotor: En este capítulo se describirá como se desarrolló el
modelo geométrico empleando el software de diseño asistido por computadora
NX6.

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JUSTIFICACION

El rotor con carenado o Fenestron es un desarrollo de la compañía
EUROCOPTER, y tiene aplicación en diversos equipos. Una configuración como
la del rotor Fenestron ofrece ventajas; sin embargo, es primordial cuantificarlas y
determinar completamente las ventajas que éste ofrece sobre las otras
configuraciones de sistema antipar.

La información concerniente al desarrollo de este tipo de rotor, es escasa,
por ser propiedad de sus creadores, lo cual hace necesario el conocer y
comprobar las ventajas que este rotor ofrece.

Para ello se plantea el diseño de un rotor, el cual pueda determinar el
comportamiento que tiene, sirviendo como herramienta de investigación para
trabajos posteriores en modificaciones de rotores de cola, cuya configuración sea
similar a la que se plantea.

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