¿Por qué las palas de rotor RC son diferentes de las palas de helicóptero?

¿Por qué los helicópteros de juguete (RC) tienen superficies planas curvas y los rotores más grandes de los helicópteros reales tienen una forma aerodinámica sólida?

Si el rotor era lo suficientemente fuerte mecánicamente para levantar el peso deseado, ¿hay alguna ventaja (aerodinámica) en el perfil aerodinámico sólido sobre la superficie curva más simple?

Seguramente, los fabricantes de juguetes podrían "cerrar la parte inferior" del rotor (equivalente a la forma del perfil aerodinámico) incluso si fuera hueco con un aumento de peso insignificante.

Entiendo que el efecto Bernoulli no se aplica necesariamente a los rotores RC y puede ser simplemente un efecto Coanda, pero parecen levantarse bien solo con motores eléctricos.

He visto la discusión de que hay un efecto de "aumento de escala", pero ¿por qué y, de ser así, a qué tamaño comienza a fallar el rotor simple ... un pie, tres pies, diez pies? ¿Hay algún dato que indique cuándo se requiere la transición de este diseño más simple a un rotor sólido completamente extruido?

¡Bienvenido a aviación.SE! Creo que entiendo tu pregunta, pero agregar imágenes (o enlaces a algunas) sería muy útil.
Un factor que viene a la mente es que en un helicóptero de tamaño completo, los rotores delantero y trasero tienen que tener diferentes ángulos de ataque dependiendo de la velocidad del helicóptero. Si bien eso puede ser posible de lograr en un helicóptero RC, el costo sería prohibitivo.
Gracias por tus comentarios. Los párrafos primero y segundo son realmente la misma pregunta desde diferentes aspectos. ¿Por qué la típica hoja de plástico curvada de un helicóptero RC no se adapta a helicópteros más grandes o, por el contrario, por qué los helicópteros RC no tienen rotores con forma aerodinámica como los helicópteros más grandes, ya que son la forma más eficiente? Si la explicación es que hay algún efecto que "se activa" a medida que aumenta la escala, ¿cuál podría ser y cuándo se activa?
Gracias. Estoy de acuerdo en que habría un problema de sustentación diferencial si el helicóptero RC avanzara lo suficientemente rápido en un diseño de un solo rotor, pero no es la forma del rotor lo que lo causa. Muchos son coaxiales para resolver el problema al igual que con algunos helicópteros a gran escala.

Respuestas (2)

Si el rotor era lo suficientemente fuerte mecánicamente para levantar el peso deseado

no sería Debido a la ley del cubo cuadrado , la sustentación y la fuerza mecánica crecen con la segunda potencia del tamaño lineal, pero el peso crece con la tercera potencia. El resultado es que a escala RC, todo tiene mucha potencia y fuerza, incluso si está hecho de manera descuidada (y, por lo tanto, barata) con materiales comunes, mientras que la escala de transporte humano realmente está ampliando las capacidades de los materiales y motores que tenemos.

Una superficie aerodinámica muy combada no sería lo suficientemente fuerte para una pala de helicóptero a gran escala.

¿Hay alguna ventaja (aerodinámica) en el perfil aerodinámico sólido sobre la superficie curva más simple?

Creo que hay Ningún avión moderno utiliza un perfil aerodinámico muy combado.

Seguramente los fabricantes de juguetes podrían "cerrar la parte inferior" del rotor (equivalente a la forma del perfil aerodinámico) incluso si fuera hueco con un aumento de peso insignificante.

No. La eficiencia no es tan importante a escala RC y el plástico hueco es mucho más difícil de fabricar (recuerde, el plástico se fabrica inyectándolo en un molde).

Entiendo que el efecto Bernoulli no se aplica necesariamente a los rotores RC

Airfoils es un perfil aerodinámico, ya sea que vuele en línea recta o gire. Y dado que el principio de Bernoulli es solo la conservación de la energía para el flujo de fluidos, siempre se aplica a él. Sin embargo, no significa que una superficie inferior cóncava signifique una mayor velocidad de flujo y una menor sustentación, porque la longitud del camino no tiene nada que ver con la sustentación. El aire por encima del ala es más rápido y llega al borde de fuga mucho antes que el aire por debajo, por razones completamente diferentes. Las alas muy combadas tienen mayor sustentación. Simplemente tienen un arrastre aún mayor.

puede ser simplemente un efecto Coanda

El efecto Coandă se trata de un chorro de fluido rodeado de fluido inmóvil a su alrededor, pero aquí no hay chorros de aire involucrados, por lo que no puede ser el efecto Coandă.

pero parecen levantarse bien solo con motores eléctricos

Esa es la ley del cubo cuadrado nuevamente que hace que el rendimiento aerodinámico sea mucho mejor en relación con el peso a escala RC.

He visto una discusión de que hay un efecto de "ampliación", pero por qué y si es así, ¿a qué tamaño comienza a fallar el rotor simple?

No es solo escalar ( ley del cubo cuadrado ):

  • Los cuadricópteros con rotores de paso fijo (típicos de los de juguete) no se pueden controlar con el motor averiado. Las naves que transportan humanos tienen que serlo.
  • Los rotores de paso fijo manejan mal la velocidad horizontal, porque la asimetría de elevación crea grandes cargas. Los rotores grandes necesitan adelanto-retraso y aleteo para compensar esto.

Ambos hacen que los cuadricópteros sean poco prácticos a gran escala.

Por lo general, los helicópteros cuádruples se fabrican con un peso máximo de decenas de kilogramos. Pero puede ser difícil saber dónde está exactamente el límite, ya que es posible que no se fabriquen los más grandes simplemente porque no tienen mucho uso.

Hay que tener en cuenta que la fuerza centrífuga añade rigidez a las palas. En los primeros dirigibles, a veces las palas de la hélice estaban hechas de lona y asumían su "forma de trabajo" solo cuando giraban...
@xxavier, sin embargo, no creo que eso tenga efecto en la sección transversal de las palas (en helicópteros).
No, pero no es necesario construir la hoja con ningún material de alta resistencia, ya que solo funcionará en tensión.
Gracias de nuevo. ¿Sabemos en qué punto tenemos que pasar del perfil aerodinámico altamente combado al rotor sólido? Además, no trato de ser contradictorio, pero cuando estaba en la NASA vi algunos datos convincentes de que el efecto Bernoulli es de hecho menor y que en realidad es el aire "arrojado" por el efecto Coanda lo que en realidad causa sustentación en casi todas las formas de las alas. . Si es así, entonces no habría ninguna ventaja en la extrusión de un ala de plástico sobre la fabricación de una hoja curva simple. Estoy de acuerdo con los comentarios sobre el paso fijo, pero nuevamente eso no se relaciona con la forma del rotor, un perfil aerodinámico fijo sufriría lo mismo.
Gracias. Sí, las alas giratorias son más complejas que las reglas que guían la fuerza en otras áreas de la ingeniería. Los paracaídas son alas flexibles que utilizan anclaje y presión de aire. Una superficie giratoria (como el hilo de una podadora de jardín) expuesta a la fuerza centrífuga y rodeada por fuerzas dinámicas de presión de aire por encima y por debajo tiene una mayor resistencia mecánica que cuando está estática. Pero todavía es difícil imaginar que podrías hacer un rotor con tela, pero vemos alas hechas de tela volando todos los días y un rotor es un ala que se mueve en círculo... un experimento interesante. Tal vez Da Vinci tenía razón.
Desafortunadamente, el documento al que me referiré para esto está detrás de un muro de pago, pero se ha realizado un estudio experimental y computacional significativo que muestra que, bajo un número de Reynold de ~ 80,000 más o menos (en el que caen los rotores en algunos de estos quadrotores) , una placa plana combada de un 3-6% de espesor es en realidad sustancialmente MÁS eficiente (en términos de relación de elevación a arrastre) que las formas tradicionales. Sin embargo, no creo que esta haya sido la motivación real del diseño. El documento está aquí: vtol.org/store/product/…
@CAerospace, la sustentación se debe a que el aire sigue al ala, bajando en el proceso. Sin embargo, este no es el efecto Coandă, solo es similar a él, porque habla de un flujo que se mueve en relación con el aire circundante y no hay un flujo separado aquí. Tampoco hay una contribución separada del "efecto Bernoulli". principio de Bernoulli, pero es simplemente parte de un fenómeno. Véase también esta respuesta .
@CAerospace, tanto el perfil aerodinámico delgado altamente combado como el perfil aerodinámico más grueso producen sustentación, la diferencia está en la cantidad de resistencia que tienen. Y como señala Marius, esto depende del número de Reynolds , por lo que el perfil aerodinámico delgado altamente combado puede ser mejor a escalas más pequeñas, pero no más grandes. No hay un límite nítido; a medida que crece la escala, tanto las restricciones aerodinámicas como las estructurales cambian continuamente.
Para los que dudan, estas dos fotos muestran que las hélices de tela existieron y funcionaron. Es de un dirigible 'Parseval' de 1906... imgur.com/5IvtcpR
¡Uy! Comentario retractado.
Esta respuesta merece +5 por la cantidad de preguntas que respondió.

Las dos diferencias principales son la carga del disco (elevación por área del disco del rotor) y el número de Reynolds. El número de Reynolds es la relación entre las fuerzas de inercia y las viscosas.

Los modelos de helicópteros operan con los números de Reynolds típicos de las aves pequeñas. Si miras sus alas, tienen una sección transversal delgada y combada. A esta escala, las cargas son bajas y, por lo tanto, pueden permitirse tener alas delgadas. Esto reduce la aceleración del flujo por el efecto de desplazamiento y ayuda a retrasar la separación del flujo porque los gradientes de presión para el mismo levantamiento son más bajos. En el bajo número de Reynolds de rotores de helicópteros modelo pequeño, la capa límite será completamente laminar.

Los helicópteros a gran escala, por otro lado, necesitan palas de rotor mucho más fuertes debido a su mayor carga de disco y cargas centrífugas. No pueden permitirse el lujo de usar las delgadas superficies aerodinámicas de las aves pequeñas, y la capa límite puede tolerar aumentos de presión mucho más altos porque el número de Reynolds operativo de un rotor de helicóptero de tamaño completo es lo suficientemente grande como para garantizar una transición turbulenta .

En comparación con las alas, los rotores disfrutan de una gran ventaja: la separación del flujo es casi imposible. Las fuerzas centrífugas empujarán hacia afuera cualquier capa límite ralentizada, donde la velocidad circunferencial más alta garantizará que el flujo en la pared nunca se detenga, lo que se requiere para la separación del flujo.

Otra razón de la forma plana de los modelos de helicópteros de interior especialmente baratos con palas moldeadas por inyección es el menor uso de material y los tiempos de ciclo más cortos posibles con una pala delgada: son mucho más baratos de producir.

Gracias. Algunos trabajos realizados en Langley en los años 80 mostraron que el número de Reynolds siempre está por encima del crítico (millones) en los rotores, pero que los modelos a escala podrían usarse para predecir la escala completa con mucha precisión. La pregunta que tengo es dónde hacemos la transición del ala Hummingbird al rotor Blackhawk.
De hecho, incluso los experimentos con tiras de turbuladores en palas de rotor son raros.
¿Por qué las palas de rotor RC son diferentes de las palas de helicóptero?
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