¿Por qué las aspas del ventilador del motor a reacción tienen una forma retorcida?

Ha habido guerras de patentes con respecto a esta invención.

Lo que muestra no es solo un giro, sino también un barrido variable. Según la patente de Rolls-Royce de 1996 , que fue objeto de una de las demandas , un resumen básico es el siguiente:

Esta característica produce un claro sesgo de altura media en la distribución del flujo de aire a lo largo de un álabe, con el resultado de que el flujo de aire a través de las regiones de altura media del paso de flujo aumenta y el flujo de aire a través de las regiones de la punta se reduce. Esto tiene un efecto ventajoso sobre la eficiencia global de la cuchilla.

y

El barrido hacia adelante se emplea cerca del cubo 4 para contrarrestar el barrido hacia atrás de las secciones exteriores de la pala 30 para hacer que el diseño sea mecánicamente factible.

Si observa la imagen en el medio, muestra cómo cambia el ángulo de la cuchilla, cuanto mayor sea la$S_n$número, más lejos del centro. Y con los dos vectores de velocidad de la rotación y el flujo de aire, está claro que las secciones intermedias producirán la mayor parte del empuje, lo que ayuda a reducir las pérdidas en las puntas.

Otro objeto de la invención, es “aumentar la resistencia al daño por objetos extraños”, “en particular al impacto de aves”; Dado que la mayor parte de la superficie superior de las palas no mira directamente hacia adelante, se imparte menos energía de impacto a las palas.

No creo que sea exacto decir que el empuje deseado es el mismo a lo largo de toda la hoja. Para un aspa de turboventilador grande como la de su imagen, la parte exterior está diseñada para actuar más como una hélice (eficiente para el aire de derivación) mientras que la parte interior está diseñada para actuar más como un compresor (eficiente para el núcleo). No está equivocado al afirmar que el giro ayuda a optimizar el ángulo de ataque con la velocidad de la sección, pero eso se trata más de no romper la velocidad del sonido en la punta que de mantener el empuje constante a lo largo de la hoja.

Sin embargo, para cualquier motor específico, las palas están altamente optimizadas en base a una cantidad increíble de análisis CFD y túnel de viento complejos para los cuales no existe un resumen simple o intuitivo. El diseño de un álabe de turboventilador depende de varios factores, principalmente

• eficiencia aerodinámica,
• eficiencia estructural,
• ruido,
• temperatura,
• vibraciones, y
• Resistencia al impacto de pájaros.

Todos estos entran en la forma resultante, pero es poco probable que encuentre detalles que no sean propiedad del fabricante y que estén disponibles para que cualquiera los analice. El giro específicamente es solo otro parámetro en la optimización extensa y complicada.

¿Por qué las aspas del ventilador del motor a reacción tienen una forma retorcida?

Su pregunta es sobre el giro de las aspas del ventilador, pero en realidad la respuesta es válida para casi todas las aspas giratorias. Si una hoja no estuviera torcida, el ángulo de ataque sería muy diferente desde la raíz hasta la punta.

Twist iguala el ángulo de ataque a lo largo. Digo igualar para simplificar, el ángulo puede no estar diseñado para ser igual, otros aspectos pueden requerir que la hoja incluya alguna variación del ángulo de ataque, por ejemplo, para evitar que la hoja oscile (aleteo), aún así el objetivo general es a igualar el ángulo.

Ángulo de ataque

El ángulo de ataque es el ángulo entre el flujo de aire y la cuerda de la pala .

Para que la pala sea eficiente, este ángulo debe estar cerca del ángulo de sustentación máximo, que es de aproximadamente 15° para las superficies aerodinámicas habituales:

Sin embargo, estamos hablando de la dirección de donde proviene el aire, como lo ve la hoja . Cuando la aeronave se mueve en línea recta y nivelada, el aire del piloto proviene de adelante, pero esto no es cierto para las aspas del ventilador, debido a la rotación de las aspas.

La velocidad creada por la rotación (velocidad tangencial) depende de si el punto está cerca del centro de rotación (menor velocidad) o cerca de la punta (mayor velocidad).

Para una pala giratoria, la dirección del aire es la suma (vectorial) de la traslación de la aeronave, que es la velocidad aerodinámica de la aeronave y la rotación de la pala. La suma tiene una componente fija, la traslación, y una componente variable, la velocidad tangencial en el punto considerado:

Imaginemos que hemos ajustado el ángulo de ataque de la hoja en la ubicación A. ¿Qué sucede en las ubicaciones B y C si la hoja no está torcida?

A medida que nos acercamos a la punta de la pala, la velocidad tangencial aumenta en relación con la velocidad de avance, por lo que la suma (púrpura) se vuelve más vertical. El ángulo de ataque ahora es demasiado pequeño para las ubicaciones B, y en C es incluso negativo, es decir, la pala empuja el aire en la dirección incorrecta.

Para compensar la rotación de la dirección del aire a medida que nos acercamos a la punta, la hoja debe girarse por un valor que se muestra en gris en la imagen de arriba. Cerca de la raíz donde el movimiento hacia adelante es mayor, la cuerda está cerca de la dirección de desplazamiento; cerca de la punta donde la velocidad tangencial es mayor, la cuerda está casi en el plano de rotación del ventilador:

^{Fuente: El excelente rincón de Bjorn}

Efecto del giro: Incidencia variable

El ángulo de ataque de las palas en la punta es menor que en el buje porque se mueve a mayor velocidad que el buje.

De lo comentado podemos distinguir el ángulo de ataque real del ángulo aparente, que generalmente se denomina cabeceo o incidencia , que es el ángulo entre el eje longitudinal del motor y la cuerda.

En una hoja torcida, la incidencia varía y es mayor en la punta de la hoja. Sin embargo, el ángulo de ataque, que en realidad depende de la velocidad de rotación y no puede evaluarse visualmente, debería ser más o menos constante.

Especificidad de las aspas del ventilador en turboventiladores

En los turboventiladores, el ventilador actúa sobre dos flujos separados: flujo primario, el de menor masa que se utiliza para producir gas para hacer girar la turbina; y flujo secundario, el más grande que pasa por alto el núcleo del motor y propulsa la aeronave.

En consecuencia, las aspas del ventilador en dichos motores están diseñadas en dos secciones. Cerca del cubo, las paletas son parte del compresor de baja presión, su función es aumentar la presión. En otros lugares aceleran un poco el aire para crear empuje, como una hélice.

Estos dos diseños deben lidiar con sus propias limitaciones y optimizaciones, esto les da una forma particular. Las aspas de los ventiladores modernos están formadas por sándwiches huecos de titanio/aluminio y compuestos, y son comparativamente más livianas y complejas. Cuando giran, están menos estresadas, en particular cuando la velocidad es mayor, que las palas más pesadas, y pueden ser más anchas sin estar sujetas a deformación. Esto permite darles una forma más optimizada, que incluye torsión, conicidad, diedro, barrido, etc. La evolución de la forma a lo largo del tiempo se puede ver en la última imagen de esta respuesta.

Los álabes de la turbina (sección caliente) están torcidos (en la dirección de la cuerda) porque utilizan parcialmente un diseño aeromecánico reactivo y un diseño aeromecánico de impulso. (La pala también se tuerce en la dirección radial debido al flujo de vórtice. Consulte el último párrafo de la sección de desarrollo aquí . Esto también se menciona en el libro de Frank Whittle, Gasturbine Aerothermodynamics. El libro de Rolls Royce, "The Jet Engine" dice en la página 50 : " La razón del giro es hacer que el flujo de gas del sistema de combustión realice el mismo trabajo en todas las posiciones a lo largo de la pala y garantizar que el flujo ingrese al sistema de escape con una velocidad axial uniforme. ")

Con las aspas del ventilador, no estoy tan seguro; creo que su respuesta está en la línea correcta (aunque es mejor decir que incluso la presión aumenta que el empuje, aunque en última instancia esa presión se traduce en empuje), pero si ese fuera el único factor en juego , creo que la forma de la hoja sería un arco suave desde el cubo hasta la punta, y ese no es el caso. Por lo general, en una turbina de gas, el diámetro exterior de la caja del ventilador es relativamente recto, pero el cubo se expande a medida que el aire fluye a través del ventilador, luego hacia el compresor, el aire viaja a través de una curva. Entonces, el aire se mueve en una dirección axial y radial. Este puede ser un factor adicional que hace que las aspas del ventilador se tuerzan. Los álabes del ventilador y del compresor tienen la difícil tarea de hacer que el aire fluya en la dirección de aumento de la presión. La separación del flujo causará estancamiento, por lo tanto, se debe tener cuidado para evitar cualquier perturbación del flujo local. El aire también puede atascarse dentro de un compresor, razón por la cual a veces se purga el aire de las etapas traseras para controlar la estabilidad. Para evitar la asfixia en una región, el aire debe distribuirse uniformemente. (Sin embargo, esto es más un problema en el amplificador o HPC que en el ventilador). Reducir el ruido del ventilador es otro requisito.

Nota: Se agregaron bits entre () en el primer párrafo en la edición posterior, para incluir retroalimentación en los comentarios.

Porque el flujo de aire se encontrará con los bordes de ataque a diferentes velocidades (en el centro es más lento y necesita más AOA y en el borde externo es más rápido y se necesita un paso fino). Para beneficiarse de todo el flujo de aire disponible y no obtener aire estancado aerodinámico (para el compresor), se debe agregar la torsión a las aspas. Entonces, no tener Stall de las cuchillas es la respuesta.