¿El montaje del motor de un motor turbohélice en un avión experimenta par motor?

Cuando el motor turbohélice está activo, el eje de la hélice gira y hace que la hélice también gire, lo que a su vez genera empuje. El eje de la hélice gira debido al par (o momento de torsión) creado por las turbinas del motor y que luego se transmite al eje de la hélice. Mi pregunta es si estoy tratando de realizar un análisis FEA para la montura en la que está conectado este motor, ¿debo aplicarle también este torque o no? Estaba pensando que no debería aplicar ningún tipo de torque en este soporte del motor ya que no creo que el motor en sí esté girando en absoluto porque no creo que haya una conexión física entre las turbinas (o el eje de la hélice) y la carcasa del motor (a la que se une el soporte). Pero se recomienda que siempre se tenga en cuenta el par al realizar dicho análisis.

Antes de ejecutar su FEA, dibuje un diagrama de cuerpo libre.
@ZeissIkon, se puede dibujar el diagrama de cuerpo libre. Esa es exactamente mi pregunta; Solo me preocupa el montaje del motor y no sé si se supone que debo ingresar torque en él o no. En lo que respecta al diagrama de cuerpo libre para el motor (aunque no es mi propósito de estudio), no puedo incluir el flujo de aire cerca de las turbinas, que creo que está experimentando el par (pero en dirección opuesta) con respecto a la tercera ley de movimiento de Newton. .
No puedo asegurarlo, pero el rotor principal de un helicóptero provoca un par en todo el avión, que se contrarresta con el rotor de cola. Me imagino que la propia hélice de un turbohélice provoca un par en la montura.
Dibuje el diagrama de cuerpo libre para el motor : ¿qué se opone al par que el motor aplica a la hélice?
@ZeissIkon, dado que la turbina aplica el par en el eje de la hélice, debe haber algo que se oponga a este par. La turbina no tiene una conexión física directa con la carcasa del motor. Así que estoy pensando que es el flujo de aire alrededor de las turbinas lo que se opone a este par.
@ZeissIkon, solo para que conste, no creo necesariamente que deba haber algo que se oponga al par en el eje de la hélice. Quiero decir que puede someterse a la segunda ley de Newton en lugar de la tercera.
@RameezUlHaq Un par en el eje no puede producir una aceleración, a menos que eso signifique que la aeronave gire fuera de control.
Si la reacción de torsión no se aplica a través de los soportes del motor, ¿dónde se aplica?
@ stevederekson555, estaba hablando de la aceleración rotacional solo en el eje de la hélice y, por lo tanto, en la hélice, no en el motor o el soporte del motor o la aeronave en sí.
@RameezUlHaq Creo que una hélice siempre transmite un par al eje.
@stevederekson555, todo el mundo sabe eso aquí, amigo. En realidad, es al revés. El eje transmite el par a la hélice. Pero esta idea de que el torque da como resultado un torque opuesto en la carcasa del motor y, por lo tanto, en el soporte del motor (ya que el soporte está conectado a la carcasa del motor) me confunde.
@RameezUlHaq No entendiste mi comentario. En estado estacionario el par aerodinámico sobre la hélice que se transmite al eje es mayor que el que se transmite a la hélice, por lo que el eje responde con un par de reacción que es el que provoca la tensión en la estructura.
@stevederekson555, ¿qué estructura enfatiza? ¿Esfuerzos en las palas de la turbina solamente, o los esfuerzos en la carcasa del motor en sí (que está unida al soporte)?

Respuestas (5)

El par aplicado a la hélice se origina en la sección de la turbina, a partir de las fuerzas de sustentación que se aplican a las palas de la turbina, que son pequeñas alas que giran y giran, por los gases de aceleración que salen de la lata del quemador.

Por lo tanto, son las fuerzas de sustentación de la masa de aire que pasa por las palas las que generan una trayectoria de fuerza de reacción newtoniana a partir de las presiones del gas que actúan en la dirección opuesta a través de las paletas del estator y la carcasa del motor. Entonces, el par generado en el centro del disco de la turbina, donde se conecta el eje pasante, está viendo una fuerza de par de reacción en la dirección opuesta que se aplica a la carcasa del motor, queriendo hacer girar el motor en la dirección opuesta a lo largo del eje del eje de la turbina.

Olvídese de la hélice por un minuto e imagine que tiene un motor de turboeje en un helicóptero, donde solo hay un eje de transmisión que funciona con una unidad de transmisión completamente separada. Al motor no le importa que haya un rotor encima de la transmisión, solo sabe que está girando un eje contra resistencia. El par que impulsa la transmisión del rotor todavía se origina en la sección de la turbina del motor y quiere hacer girar la carcasa del motor en la dirección opuesta, restringida por los soportes del motor. Por supuesto, las fuerzas de torsión también generan una fuerza de reacción dentro de la transmisión que desea hacer girar el helicóptero en dirección contraria a la torsión del rotor, lo que requiere un rotor de cola.

Con un motor turbohélice con una caja de cambios reductora de hélice integral, este par de reacción está siendo absorbido por los soportes del motor, junto con las cargas de empuje y las fuerzas de precesión giroscópicas de la hélice, transferidas a la caja de engranajes de la hélice a través de los cojinetes del eje de la hélice, al motor. caso, a los soportes del motor.

El resultado es que la carga en cualquier montaje en particular es la suma de las fuerzas que actúan en un momento dado en ese punto de las fuerzas de empuje, torsión y precesión que actúan sobre la caja. Por otro lado, un turbohélice basado en turboeje como el General Electric T-64 tiene la caja de cambios de la hélice en un soporte separado, de modo que los soportes del motor solo ven el par de rotación de la sección de la turbina.

Lo escucho sobre el punto en que una transmisión o un engranaje reductor pueden quitar la carga de la hélice (o del rotor) del centro del eje de transmisión, produciendo torque. Con un helicóptero, está diseñado para impulsar el rotor que está a 90 grados del eje de la turbina a chorro, ¿no?
John K, para que quede claro aquí, ¿entonces el par que experimenta el eje de la hélice es exactamente igual al que experimenta la carcasa del motor, y ambos son iguales al par producido en el centro del disco de la turbina? ¿O el par producido en el centro del disco de la turbina se distribuye por igual entre el eje de la hélice y la carcasa del motor?
@RameezUlHaq: En una primera aproximación, el eje y la carcasa experimentan el par total producido por el disco. Es como si tuviera una pila vertical de cajas de cartón con un peso pesado encima: cada caja experimenta todo el peso, el peso no se distribuye a lo largo de la columna.

Dependerá de dónde estén las paletas.

Las turbinas tienen paletas que redirigen el flujo, en el lado de entrada ayudan a evitar que el compresor se detenga y en el lado de escape capturan la energía rotacional y la convierten en empuje.

Estas paletas están unidas de forma rígida, por lo que el aire que las golpea provocará un par de torsión giratorio en lo que sea que estén unidas.

Buen punto. Torque Force en las paletas estacionarias intentará torcer la góndola. Así que tuerza un tubo hecho de papel de aluminio y uno de acero de 1/4 de pulgada. ¿Lo que sucede? Entonces, de nuevo, ¿hay torque en el pilón que sostiene la góndola? .
Suspiro, siempre estos votantes negativos que nunca explican. Me encantaría saber qué parte me he perdido en la mecánica newtoniana muy simple del aire que incide sobre una superficie estacionaria.

Sí, lo hace...

Podemos considerar la turbina como una 'caja negra' cuya salida es la rotación de un eje. Si esa salida encuentra un par resistente, de cualquier tipo, toda la 'caja negra' reaccionará, en su montura, con un par de igual magnitud y sentido opuesto.

Esta es una gran pregunta porque desafía los principios generalmente aceptados del par motor generado por un motor de pistón . Una pista en la pregunta dice "un momento de torsión creado por la turbina", y hubo pensamientos sobre los pilones delgados en los jets: ¿hay un esfuerzo de torsión en los soportes del motor? .

Ciertamente, una tensión de torsión en el cambio de la turbina, ya sea que se ejecute a través de una transmisión o no. Así que carguemos la hélice mientras el jet está funcionando. Observe que las palas están dispuestas simétricamente alrededor del eje en comparación con los pistones que empujan uno a la vez alejándose del centro de rotación .

El empuje simétrico sobre todas las palas de la turbina por parte de los gases de escape del chorro no produce una fuerza de torsión en los soportes, solo una tensión de torsión en el eje. La carga de arrastre simétrica de las palas de la hélice no produce una fuerza de torsión en los soportes, solo una tensión de torsión en el eje.

Se puede suponer que si el par de la turbina y el par de la carga de apoyo están equilibrados alrededor del centro de rotación, no hay par en el soporte del motor .

Sin embargo, si un componente se desequilibra (como el puntal), el montaje del motor puede romperse fácilmente.

Para obtener más información sobre los diseños de turbopropulsores, consulta esta pregunta. Parece que los diseñadores de Pratt y Whitney también tuvieron algunas ideas sobre el tema del torque.

Y en este informe la "ovalización" de la góndola parecía ser la mayor preocupación, solucionada aumentando los puntos de unión al pilón de 1 a 2, separados 120 grados.

Los soportes pueden experimentar torque cuando uno cambia la dirección en la que se desplazan los trabajos giratorios (precesión giroscópica).
@Rameez Ul Haaq En este documento , el momento de torsión se dibuja en la sección de popa del pilón. Ver página no. 52. Tal vez esto ayudaría.
@Auberron gracias, sí, también debemos considerar el par en los soportes del empuje . Tenga en cuenta que los puntos de unión del pilón al ala también estarían estresados ​​de esa manera.
Tu respuesta es correcta hasta el penúltimo párrafo. Sin embargo, encontrará que el torque de la turbina no está balanceado con el torque de la hélice - por diseño (!) Para que los soportes del motor no experimenten torque, el momento angular del lavado de la hélice y del escape debe ser igual y opuesto. Eso significaría que se desperdicia una gran cantidad de momento angular en la corriente de escape.
@Sanchises, por definición, un "cojinete" mantiene un objeto en movimiento en su lugar. Los rodamientos de bolas permiten que un objeto gire mientras está bajo la fuerza de la gravedad. En un jet, el empuje es hacia atrás, por lo que el cojinete debe evitar que la turbina sea expulsada por la parte posterior de la góndola (además de soportarla por gravedad). Imagina a un astronauta en el espacio tratando de girar un tornillo (sin apoyo, el astronauta gira). Entonces, uno podría tener gases de escape de un cohete conectado a una turbina para girar al astronauta hacia el otro lado (creando torsión o torsión). ¡La red de empuje mueve todo hacia adelante!
Entonces, si queremos girar un tornillo , se necesita una turbina de escape más grande , por lo que se extrae más energía y se produce menos empuje de acción/reacción (por qué los chorros de turbopropulsores obtienen el mayor empuje del propulsor) (y estoy empezando a preguntarme acerca de los fanáticos también).
El empuje neto es hacia adelante, por supuesto. Estoy diciendo que normalmente hay paletas guía en su lugar para eliminar el momento angular del escape (también, estatores de turbina intermedios) que transfieren un par neto a la carcasa del motor. Los cojinetes juegan un papel insignificante en la transferencia del momento angular (a menos que la fricción sea muy alta).
@Sanchises sí, estoy de acuerdo, también con Kenn Sebesta en ese punto. Y tiene razón con el empuje neto hacia adelante , los cojinetes deben evitar que el eje de la hélice (o ventilador) también se salga de la góndola. Entonces, las cargas en esos cojinetes son hacia adelante y hacia atrás . La fuerza de par de torsión (de las paletas) parece ser absorbida por el borde de la góndola. Recuerdo las latas de cerveza de acero (en comparación con el aluminio delgado). Todavía no estoy seguro de si ese giro pone alguna carga en el pilón. Gran discusión de todos modos, gracias.
@RobertDiGiovanni, ¿la torsión de las paletas fijas (también conocidas como estatores) contrarresta el par producido en los rotores de la turbina (que a su vez hace girar el eje de la hélice)? Si es así, entonces tiene sentido que el montaje del motor esté tomando la misma cantidad de par producido por la turbina (o, para ser más precisos, producido por los rotores de las turbinas). Y también, si lo que dije es cierto, ¿entonces la carcasa del motor comenzaría a girar en la dirección opuesta a la rotación del eje si no estuviera montada?
Estoy diciendo que cualquier ingeniero que se precie se asegurará de que haya una carga de torque en el pilón porque, de lo contrario, estarían desperdiciando energía cinética valiosa en el momento angular en el escape.
@RameezUlHaq el mayor peligro parece ser la deformación de la góndola.

Interesante discusión. Lo primero que pensé es que un motor turborreactor puro aplica par cero a los montajes, pero con un turbohélice, los montajes sienten todo el par de la hélice. No deben pasarse por alto las cargas 1P y giroscópicas de la hélice (y los giroscopios del motor, por supuesto) que son significativas. ¡Estresar el montaje de un turbopropulsor es algo más complejo que un jet puro! Y agregaré mi primera sabiduría destacada: ¡dibuje un diagrama de bogy gratis!

¿Por qué la montura experimentaría el par de la hélice si no hay una conexión física 'uno a uno' entre la hélice y la carcasa del motor? ¿Cómo se pueden calcular las cargas giroscópicas de la hélice?
Hay contacto físico entre la hélice y la carcasa del motor a través de la caja de cambios.
Las cargas del giroscopio se calculan utilizando la inercia de la masa rotacional, las revoluciones y las tasas de cabeceo y guiñada.
¿El montaje del motor de un motor turbohélice en un avión experimenta par motor?
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