¿Por qué las puntas de las palas de los turboventiladores superan la velocidad del sonido mientras que las puntas de las hélices no deberían hacerlo?

Respuesta corta:

• Los turboventiladores necesitan una velocidad supersónica en las puntas de las aspas del ventilador para crear su alto empuje.
• Los turboventiladores pueden tolerar velocidades supersónicas porque la admisión crea condiciones de flujo constante independientemente de la velocidad de vuelo.
• La eficiencia de las hélices y las aspas del ventilador es más alta en condiciones de flujo subsónico.
• Las hélices pueden girar a velocidades supersónicas, pero dado que las condiciones de flujo están menos controladas, la penalización por hacerlo es mucho mayor que la penalización por un ventilador.

Explicación

Es malo tener puntas de aspas de ventilador supersónicas, al igual que es mejor evitar las puntas de hélice supersónicas. Pero en los turboventiladores es un precio que vale la pena pagar, porque la velocidad de punta más rápida significa una presión dinámica más alta, y la diferencia de presión entre ambos lados de las aspas del ventilador crece con el cuadrado de su velocidad. Esto hace posible los altos niveles de empuje de los turboventiladores modernos.

Eficiencia de la hélice sobre la velocidad ( fuente de la imagen ). La trama de las aspas del ventilador no se vería muy diferente. La superficie aerodinámica muy delgada y sin curvatura de una hélice supersónica y la resistencia de onda adicional reducen la eficiencia máxima, pero mantienen la eficiencia a velocidades de aire supersónicas.

Tenga en cuenta que la hélice del XF-84H Thunderscreech se movió a una velocidad supersónica. No hay nada inherente a las hélices que impida que sus puntas se muevan más rápido que la velocidad del sonido. Por otro lado, el gran diámetro de una hélice requiere proporcionalmente más torque para mantener la hélice girando contra el arrastre de las puntas supersónicas. Por lo tanto, un motor de ventilador requiere menos par por aspa para alcanzar velocidades de punta supersónicas en las aspas del ventilador.

Además, la cubierta de un motor turboventilador ayuda mucho a que el ruido de las puntas supersónicas sea manejable. El ruido del XF-84H ponía literalmente enferma a la gente. Pero hay más: @FreeMan me animó con su comentario a profundizar un poco más.

Una hélice supersónica funcionará bien cuando la dirección del flujo en cada estación a lo largo de la pala de la hélice sea aproximadamente igual a la cuerda aerodinámica local. Dado que el álabe no está combado, esto significa que el cambio en la dirección del flujo local en el borde de ataque se puede minimizar en la cantidad que se requiere para crear el empuje deseado. Pero para poder cumplir con esta condición, debe hacer coincidir la velocidad de su hélice con la velocidad de vuelo y la distribución de torsión. Además, el ángulo de ataque debe compensarse girando este eje de la hélice en la dirección de vuelo. No tendrá factor p , pero puede funcionar a una sola velocidad para una velocidad de vuelo dada.

Compare esto con un turboventilador: la admisión se asegura de que la velocidad y la dirección del flujo en la parte frontal del ventilador sean las mismas sin importar cuál sea la velocidad de vuelo. Esto lo hace el campo de presión dentro y alrededor de la entrada, que derramará el exceso de aire por la borda a alta velocidad o succionará el aire adicional de los lados a baja velocidad. En el ventilador, puede hacer coincidir el ángulo local de incidencia con la velocidad del aire para que el ventilador funcione bien en su rango de diseño.

En general, un ventilador completamente subsónico sería más eficiente. Pero entonces el diámetro tendría que ser tan grande como el de los grandes motores turbohélice, y la cubierta se volvería imposiblemente pesada y produciría demasiada resistencia. La alta presión dinámica sobre las aspas del ventilador es necesaria para producir el empuje con el diámetro relativamente pequeño de un turboventilador.

Las puntas de las hélices pueden y, a veces, se vuelven supersónicas (como XF-84H o Tu-95 ). Sin embargo, si bien se tolera en el caso de los turboventiladores (algunas medidas como las palas inclinadas y los ventiladores de baja velocidad se usan en los turboventiladores para contrarrestar esto), no es así en el caso de las hélices por varias razones:

• A medida que se acercan a las velocidades supersónicas (o se superan localmente), se forman ondas de choque sobre las secciones de las palas de la hélice. Esto reduce significativamente la eficiencia de la hélice y, al mismo tiempo, provoca un aumento de las cargas en las palas. Esto causa un problema: para velocidades supersónicas, las hojas deben ser extremadamente delgadas, mientras que las cargas requieren que las hojas sean más gruesas.

• El arrastre debido a las ondas de choque (punta) aumenta enormemente la potencia requerida del motor. Por ejemplo, los motores del Tu-95 tuvieron que ser mejorados de 12000 shp en los prototipos a 15000 en las unidades de producción para alcanzar la velocidad requerida.

• Otra razón principal es el sonido: el XF-45 era tan fuerte que provocó convulsiones . En el caso de los turboventiladores, el ventilador de derivación está cubierto, lo que mitiga un poco los problemas de ruido.

La diferencia más importante es que las aspas del ventilador funcionan dentro de una carcasa y las hélices funcionan al aire libre. La mayor parte del ruido y la pérdida de energía proviene de los vórtices que se desprenden de las puntas de las palas de la hélice. La carcasa del ventilador evita que se formen esos vórtices, excepto por la pequeña cantidad de fuga de aire entre las puntas de las aspas y la carcasa.

Inevitablemente, existe un pequeño espacio libre entre las aspas y la carcasa, por ejemplo, porque las fuerzas aerodinámicas externas en la carcasa pueden deformarla y darle una forma no circular en algunas condiciones de vuelo, pero la distancia máxima alrededor de un ventilador de 3000 mm de diámetro suele ser inferior a 5 mm. .

Las hélices con conductos se utilizan en tamaños pequeños, pero la penalización de peso de un conducto grande que es lo suficientemente fuerte como para sobrevivir a condiciones como el impacto de pájaros (y el daño colateral de las palas de hélice dobladas o rotas) sería prohibitiva para hélices grandes.

¿Por qué exceder la velocidad del sonido es aceptable en una situación pero no en la otra?

Porque la sustentación (o el empuje de la hélice, que es un ala que gira) a velocidades supersónicas disminuye mientras que la compresión no se ve afectada. El aire que golpea las palas de un compresor no tiene otro camino que atravesarlo y alimentar el motor.

En el caso de una hélice a velocidades supersónicas, el aire, en lugar de fluir alrededor de las palas, forma ondas en V, un fenómeno que aumenta la resistencia y reduce la sustentación (empuje).