¿Cómo afecta el diámetro de la tobera al empuje de una hélice con conducto?

Actualmente realizo algunos experimentos con hélices con conductos en los que trato de averiguar qué efecto tiene una tobera en el empuje producido. Mi teoría es la siguiente: si reduzco el diámetro de salida del conducto, la presión disminuirá y la velocidad del aire y, por lo tanto, el empuje aumentará. En consecuencia, querrá un diámetro de salida pequeño.

Sin embargo, en mis experimentos medí el empuje de una hélice de 12x12 pulgadas a alrededor de 5500 rpm y obtuve 20 N sin boquilla (solo un conducto de diámetro constante) y solo 4 N con una boquilla que reduce el diámetro de salida al 50 por ciento del diámetro de la hélice. .

¡Estos resultados son contrarios a mi teoría! ¿Alguien tiene una explicación para esto? ¿Y qué debo cambiar para aumentar realmente el empuje en comparación con la hélice sin boquilla?

Aquí hay algunas fotos:
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Lo alentaría a obtener más resultados con varios diámetros de escape y alargar su conducto para que haya más distancia entre el ventilador y la salida. La turbulencia dentro del conducto puede estar afectando el rendimiento de su rotor. Además, puede probar una amplia gama de configuraciones de energía. Buenos datos de este!

Respuestas (5)

Bienvenido. Me temo que tu teoría en realidad no estaba funcionando. La reducción del diámetro de salida del conducto condujo a un aumento en su presión interna, aumentando la carga en la hélice y probablemente incluso causando un flujo inverso.

El diseño de boquillas es un tema complejo. No puedo pensar en una forma de condensarlo, incluso limitado a un caso específico, en una respuesta adecuada; tal vez no lo entiendo lo suficiente yo mismo. Mantenlo en mente; lo siguiente es solo un pequeño fragmento del todo y de ninguna manera la imagen completa.

En general, el trabajo de una boquilla es hacer coincidir la presión en la salida del motor a reacción con la del exterior. Si la presión es diferente, se iguala fuera del motor, donde no produce empuje.

Cuando el motor es un cohete, que crea alta presión, la boquilla necesita expandir el gas, convirtiendo la presión en empuje actuando sobre la boquilla. Cuando el motor es un ventilador frío, que acelera el aire, ocurre lo contrario: la boquilla debe compensar la pérdida de presión con un poco de compresión, para que la corriente de aire pueda salir sin luchar contra la presión del aire exterior en la parte posterior.

Es importante que una tobera convergente no comprima el escape a una presión más alta que el aire exterior, de lo contrario destruirá el empuje. Ese fue su caso, la boquilla era demasiado estrecha, por lo que comprimió el aire por encima del ambiente, lo que provocó que intentara soplar a través del ventilador.

Para dar una respuesta práctica, una boquilla óptima a estas velocidades sería muy similar a un conducto simple, estrechándose solo uno o dos por ciento al final, con una forma de salida suave.

¡Gracias por tu respuesta! Entonces, ¿entiendo bien que después de la hélice el aire tiene una presión más alta que el aire exterior y la boquilla debe estrechar el conducto tanto como para que la presión sea igual a la del exterior del conducto? ¿Y debido a que mi boquilla disminuyó demasiado el diámetro, la presión bajó demasiado y el chorro tuvo que "luchar contra la presión exterior"?
Casi, pero al revés. El aire acelerado tiene una presión más baja, pero esa presión aumenta si hay una obstrucción en el conducto, como una boquilla convergente. En su caso, la boquilla era demasiado estrecha, por lo que presurizó el aire por encima del ambiente , y luego comenzó a empujar el aire que ingresaba a la hélice.
Ok, pero ¿no disminuye la presión y el aire acelera cuando el diámetro disminuye?
La disminución de la presión ocurre en la obstrucción y después de ella, aumenta por la obstrucción, entre el ventilador y la salida de la boquilla.
Bien, para resumir: después de la hélice, el aire tiene una mayor presión y velocidad. El trabajo de la boquilla es convertir parte de esa presión en más velocidad hasta que la presión coincida con la presión ambiental. Sin embargo, si continúa estrechándose, la presión aumenta nuevamente, por lo que el aire eventualmente empuja hacia atrás contra la hélice, lo que disminuye el empuje.
@SimonHenn no, sin una boquilla, tendría una presión más baja después del ventilador/hélice, no una más alta.
Entonces, ¿por qué querría una boquilla para bajar la presión? Tendría que aumentarlo, ¿no?
Solo desea que el conducto mantenga una presión constante en todo momento. Si es demasiado angosto, la presión aumenta detrás de la hélice (imagínese si la hélice estuviera soplando en un balde, funcionaría como un compresor débil). Si es demasiado ancho, la presión disminuye. Un cono muy ligero mantiene una presión constante. Tenga en cuenta que el resultado no será muy diferente de un conducto recto.

Para agregar a la respuesta de @ Therac, probablemente agregará algo de arrastre en el exterior de la boquilla al contraerla. El aire que fluye a su alrededor se separará si el ángulo de contracción es demasiado pronunciado.

Tiene sentido un poco de contracción, ya que el flujo acelerado detrás de la hélice necesitará menos sección transversal para el flujo másico dado. También deseará que el área de captura sea un poco más grande que la sección transversal en el avión de la hélice. Simplemente calcule el aumento de velocidad a través del disco de la hélice y suponga que la mitad se alcanza en el plano de la hélice. Esto asegurará que la presión sea constante a lo largo de todo el conducto y que se minimicen las pérdidas.

Este tema es uno en el que la gente del helicóptero ha pensado mucho. De esta figura de Leishman podemos ver que la estela ya se contrae por sí sola.

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La cubierta de contracción en su configuración de prueba tiene una presión más alta justo detrás de la hélice que en el escape de la cubierta. Este gradiente de presión estática ejerce una fuerza en el área de la cubierta, lo que resulta en un empuje negativo. Además de las fuerzas de fricción de la corriente de aire en el conducto.

El mismo libro tiene un pequeño tratado sobre el diseño de ventilador en aleta del rotor de cola basado en la teoría del impulso, que en realidad representa una forma ensanchada. Más detalles en el informe de tesis de maestría, mencionado en esta respuesta .

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La ecuación de empuje nos da Empuje = Masa x Aceleración

Aumentó la velocidad aerodinámica pero redujo el flujo de aire.

Ok gracias por tu respuesta! Pero, ¿no aumenta la velocidad del aire para que la misma masa de aire pueda atravesar la tubería?

Este es un gran trabajo, y has tenido un buen comienzo. Es posible que desee revisar el diseño del motor a reacción. Lo que estás construyendo parece ser la mitad del compresor. Estrechar el "extremo de escape" aumentará la presión en el conducto, que es lo que desea que haga un compresor. El movimiento hacia adelante creado cuando se aplica a un avión se sumará a este efecto. ¡Esto podría ser una "cuchara" de aire para un motor de pistón!

La mejor manera de probar sus diseños podría ser acelerar a fondo en vuelo nivelado, ya que esto también le daría datos de arrastre de la góndola. Las comparaciones de velocidad máxima probablemente mostrarán con mucho que una hélice correctamente inclinada sin conducto ganará la prueba de eficiencia de potencia a empuje, pero no sin aprender mucho.

Los ventiladores con conductos se ven muy bien en los diseños de modelos a escala, pero generalmente agotan las baterías mucho más rápido que los accesorios. Tienen ventajas a velocidades muy bajas o flotantes, pero los apoyos toman el control de alrededor de 50 a alrededor de 400 mph.

Definitivamente continuaría este trabajo para la aplicación de potencia de refuerzo en motores de pistón. Los autos deportivos tienen tomas de aire en sus capotas, esta podría ser mejor.

A velocidades subsónicas, la velocidad aumenta al disminuir el área de la sección transversal y la presión estática disminuye.
"La cubierta de contracción en su configuración de prueba tiene una presión más alta justo detrás de la hélice", sí, si dejamos salir el aire de un globo, hay un gradiente de presión de adelante hacia atrás. Supongo que esto está bien para el globo, pero no para el ventilador. Sí, desafortunadamente, este es un compresor, pero me gusta el trabajo. Intentaría poner algo como un calentador eléctrico o una antorcha de propano en una "cámara de combustión" detrás para ver qué se necesita para volver a 20N de empuje.
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