¿Se necesitaría de 7 a 10 veces más energía para levantar un helicóptero turboventilador?

Quiero averiguar cuánta energía se necesitaría para levantar un helicóptero turboventilador.

Como referencia, comencé con un helicóptero de rotor y asumí T = 100   k norte peso bruto y d = dieciséis   metro diámetro del rotor (comparar S92 o AH64 ).

Usando la fórmula de la hélice

T = ( 0.5 ∗ PAG 2 ∗ η nene 2 ∗ π ∗ d 2 ∗ ρ aire ) 1 / 3 .

con η nene 2 = 0.58 ( fuente ) obtengo una salida del motor de PAG = 1 870   k W

Si ahora tomo un turboventilador típico y un despegue t s F C de 10   gramo / ( k norte s ) obtengo un consumo de combustible de 1   k gramo / s para mi 100   k norte helicóptero. Si además asumo una eficiencia global del 30% y mi Combustible para aviones = 43.5   METRO j / k gramo Obtengo una demanda de energía de 13 050   k W para hacer funcionar el ventilador (descuidó todas las demás cosas que toman energía del eje).

¿Significa esto que se necesitaría 7 veces la cantidad de energía para levantar un helicóptero turboventilador (con los motores funcionando a toda velocidad)? O una magnitud si asumo crucero tsfc...

¿Esto se adapta a tu experiencia? ¿O hay un gran error/concepto erróneo en mi breve cálculo?

Sí, esa es precisamente la razón por la que el despegue vertical en los jets se limita a los cazas, que tienen una potencia de motor increíble para su peso, y es muy raro incluso allí.

Respuestas (3)

Los rotores de los helicópteros son muy grandes precisamente por eso. La sustentación de un rotor (o el empuje de una hélice o ventilador) se obtiene acelerando una masa dada de aire m a una velocidad v. El empuje obtenido es proporcional al aumento del momento ∆mv. Obviamente, puede obtener el mismo ∆mv acelerando una masa dada de gas a una velocidad alta (hélice/ventilador) o acelerando una masa más grande a una velocidad más baja (rotor). Pero la energía necesaria es proporcional a v al cuadrado... Por lo tanto, y para el mismo empuje/ascenso, es mucho más caro, en términos de energía o potencia, usar una hélice/ventilador que un gran rotor...

Usando esta lógica, ¿tendría sentido construir aviones con rotores masivos (tal vez retraerlos/moverlos cuando estén cerca del suelo)?
El Osprey V-22, cuando está en modo avión, tiene hélices muy grandes y vuela bastante bien...
La complicación es que el sistema de propulsión de un avión se enfrenta a una corriente de aire que ya se está moviendo (en relación con el avión). Las hélices grandes funcionan bien a baja velocidad, pero no tan bien a medida que el avión se vuelve más rápido. AIUI los propulsores de águilas pescadoras son un compromiso, son más grandes de lo ideal para el modo avión y más pequeños de lo ideal para la operación de helicóptero.
@peter green El tamaño también se ve influido por los requisitos de almacenamiento de la Marina de los EE. UU.
@xxavier, su respuesta explica exactamente por qué el helicóptero de propulsión humana AeroVelo Atlas usa cuatro rotores enormes (el avión es más grande que un 737) con baja velocidad.

Un helicóptero turboventilador también debe despegar produciendo al menos un empuje igual al peso TO. Con los turboventiladores, el empuje estático a velocidad cero está muy determinado por la relación de derivación. Está mencionando un turboventilador típico, así que tomemos un CFM56-3 con una relación de derivación de 6, este es un motor de 100 kN.

  • El UH-60 tiene un máx. TO peso de 22.000 lb y un diámetro de rotor de 16,4 m, por lo que este sería su helicóptero objetivo. Está instalado máx. La potencia TO es de 3.086 SHP = unos 2.300 kW. Necesita un exceso de potencia para escalar, por lo que diría que la potencia del motor requerida está en el estadio de béisbol.
  • El CFM56 tiene una tasa de flujo másico a través del generador de gas de 53,5 kg/s (fuente de un libro de texto antiguo), por lo que el flujo másico total = (1+6)*53,5 = 374,5 kg/s. Velocidad media de escape V mi = T / metro ˙ = alrededor de 265 m/s. Poder = 1 2 ⋅ metro ˙ ⋅ V mi 2 = 13,2 kilovatios

Así que obtengo aproximadamente los mismos números que usted obtiene: su declaración es válida, un helicóptero propulsado por un motor CFM56 necesita aproximadamente 7 veces la potencia instalada para despegar.

A partir de consideraciones dimensionales, el poder PAG = k ⋅ T 3 / 2 ⋅ D − 1 ⋅ ρ − 1 / 2 . Por lo tanto, para el mismo empuje y densidad, P = k\cdot D^{-1}} donde k es una constante...
¡Prueba un Rolls Royce Pegasus en lugar de un CFM56!
@BrianDrummond Royce Pegasus es, por supuesto, un exitoso levantador vertical de fuselajes. Funciona a 81,1 kg/s a través del generador de gas y tiene una relación de derivación de 1:1,2. Si hacemos el mismo cálculo que el anterior, obtenemos una velocidad de escape supersónica, que solo puede ser acomodada por un tubo de escape convergente-divergente. El Harrier no tiene esto, por lo que el exceso de energía provoca un aumento de la presión, lo que también genera empuje. Pero se requiere mucho más detalle de la geometría del Pegasus para realizar correctamente el cálculo. El caso CFM56 permite este método porque la velocidad de escape promedio es subsónica.

Te enfrentas a otro problema. Los rotores de helicóptero también se utilizan para mantener el control de la aeronave, variando el paso de las palas del rotor en una parte de su arco.

Con un turboventilador canalizado, tendrías que encontrar otra forma de controlarlo. Probablemente se escape el aire en los ejes de balanceo y cabeceo, que es como lo hacen el Harrier y el F35 cuando están en vuelo estacionario.

Por lo tanto, necesitaría agregar a su presupuesto de energía, suficiente aire de purga de reserva para el control.

¿Se necesitaría de 7 a 10 veces más energía para levantar un helicóptero turboventilador?
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