¿Cuál es el propósito de tener hélices contrarrotantes en un avión?

Según mi experiencia, tienes dos problemas con los accesorios:

1. Esfuerzo de torsión
2. Velocidad de escape

Si usa hélices que giran en sentido contrario, elimina el problema de la reacción del par porque ahora tiene dos hélices que giran en sentido contrario, cada una de las cuales cancela el par opuesto.

También aumenta la velocidad del aire acelerado por las hélices, por lo que aumenta la eficiencia de la aeronave a velocidades de viaje relativamente altas.

Normalmente, la hélice solo se puede operar de manera efectiva a números de Mach bajos y aumentar las RPM por encima de cierto punto solo hará que el aire detrás de la hélice se comprima pero no se acelere. El uso de una segunda hélice con ángulos de paso más altos puede generar una velocidad lo suficientemente alta sin el problema de la compresión porque la segunda hélice gira dentro de la corriente de aire generada por la primera hélice.

Corrección Sin embargo, tener una velocidad y un paso diferentes INDUCIRÁ un efecto de torsión.

La principal ventaja de los puntales contrarrotantes es la mayor eficiencia (6 a 16% según Wikipedia). Otra ventaja es que el par se cancela prácticamente por la hélice contrarrotante, pero esto es un problema mucho menor en aviones con una configuración de motor como el Tu-95 en su publicación. Diría que otra ventaja es el hecho de que este diseño permite un diámetro de hélice más pequeño, lo que permite un tren de aterrizaje más pequeño, etc.

Las desventajas pueden superar las ventajas dependiendo del diseño. Son muy complejos. Esto puede generar altos costos de mantenimiento o un diseño poco confiable. Los accesorios que giran en sentido contrario también son extremadamente ruidosos. El Tu-95 es conocido por ser el avión más ruidoso del mundo. Se rumorea que en realidad pueden ser escuchados por submarinos.

El hecho de que no haya muchos aviones con este diseño es una prueba de que no es muy popular. Hasta donde yo sé, la única razón por la que el Tu-95 no usa motores de turbina regulares es porque no había motores de turbina disponibles que cumplieran con las especificaciones requeridas durante la etapa de diseño de la aeronave.

Si bien existen beneficios teóricos en términos de eficiencia, las dificultades para engranarlos han impedido su uso práctico, excepto cuando se usan con motores de muy alta potencia. Después de cierto punto, el uso de palas más largas se vuelve cada vez más ineficiente y se deben usar otras estrategias para aumentar el volumen de barrido. Un ejemplo sería el Spitfire, que pasó de 3 palas en las primeras marcas, a 4, 5, luego 3+3 contrarrotantes en el Mark XIX a medida que la potencia de los motores aumentaba durante la producción.

Además, vale la pena señalar que prácticamente todas las turbinas tienen muchas etapas de compresores que giran en un eje pero tienen álabes estáticos (estatores) entre conjuntos que brindan el beneficio de reducir el flujo tangencial sin requerir engranajes de alta velocidad. Esto proporciona casi todo el aumento de eficiencia sin agregar la complejidad mecánica de tratar de hacer girar cada etapa en direcciones opuestas a las altas RPM de una turbina.

Además de las razones expuestas anteriormente, existe otra importante, especialmente válida para el Tu-95. Las turbinas de ese avión son muy potentes, las más potentes jamás construidas. Para convertir esa potencia en aceleración de una masa de aire, se necesitaría una hélice muy grande y de giro rápido, tan grande que las puntas de las palas superarían la velocidad del sonido. Por lo tanto, el único compromiso posible para los turbohélices gigantes del Tu-95 era equipar cada turbina con dos grandes hélices coaxiales, girando en direcciones opuestas. Incluso con esta solución, las puntas de las palas son supersónicas, pero no mucho, y la eficiencia de la hélice es lo suficientemente buena como para impulsar el Tu-95 a velocidades ligeramente inferiores a las de su homólogo estadounidense de propulsión a chorro, el B-52. El Tu-95, que todavía vuela hoy en las fuerzas aéreas de Rusia,

¿Por qué estos aviones tienen cuatro conjuntos de hélices que giran en sentido contrario? Sin compensación de par: tienen cuatro motores y pueden simplemente poner a cero el par al tener dos que giran en el sentido de las agujas del reloj y dos en el sentido contrario a las agujas del reloj.

Las hélices contrarrotantes en los aviones de ala fija son una forma de superar las limitaciones inherentes que tienen las hélices para convertir la potencia del motor en empuje. La velocidad de la punta de la hélice es el problema, una vez que alcanza la velocidad del sonido, se requiere mucha potencia del motor para superar la resistencia a la compresión, y no es útil para propulsar la aeronave. Por lo tanto, el tamaño del disco está limitado o la velocidad de rotación de la cuchilla. Más cuchillas ayudan un poco si la energía no es el problema, pero solo un poco. Más discos de hélice ayudan, pero nuevamente solo hasta un límite.

El Tu-94 tenía una misión operativa similar a la de los aviones de pasajeros modernos: volar a larga distancia, cerca de la velocidad del sonido. Voló por primera vez en 1952, mucho antes de que existieran los turboventiladores de derivación alta: los jets de la época derrochaban combustible, también una consideración en el diseño del B52 . Mientras EE. UU. trabajaba en turboventiladores más eficientes, la URSS eligió la otra opción: usar dos discos de hélice. El segundo disco acelera aún más el aire del primer disco.

El nuevo usuario Sam publica: Parece que necesitamos echar un vistazo a la mejor eficiencia potencial de las turbinas eólicas . De hecho, una disposición contrarrotante puede extraer más energía de un flujo de aire dado, pero ¿a qué costo? ¿La velocidad punta rompe la barrera del sonido realmente un problema con las turbinas eólicas? ¿Cuesta menos el arreglo contrarrotante que simplemente construir otro generador completo?

Aquí hay una explicación de una hélice de rotación contraria, explicó su ventaja y desventaja.

2 - ¿Por qué hélices contrarrotantes?

Como se explicó, cada pala de la hélice de un avión es esencialmente un ala giratoria. Como resultado, las palas de la hélice son como superficies aerodinámicas y producen fuerzas que crean el empuje para tirar o empujar el avión por el aire.

La rotación de alta velocidad de la hélice de un avión le da una rotación en espiral o en espiral a la estela. El flujo en espiral de la estela también provoca un momento de balanceo alrededor del eje longitudinal (rollo). Tenga en cuenta que este momento de balanceo causado por el flujo en espiral de la estela está a la derecha, mientras que el momento de balanceo causado por la reacción de torsión está a la izquierda; en efecto, uno puede estar contrarrestando al otro. {Sin embargo, estas fuerzas varían mucho y depende del piloto aplicar la acción de corrección adecuada mediante el uso de los controles de vuelo en todo momento. Estas fuerzas deben ser contrarrestadas independientemente de cuál sea la más prominente en ese momento.}

A altas velocidades de la hélice y baja velocidad de avance (como en los despegues y aproximaciones a potencia en pérdida), esta rotación en espiral es muy compacta y ejerce una fuerte fuerza lateral sobre la superficie vertical de la cola del avión.

Cuando esta estela en espiral golpea la aleta vertical de la izquierda, provoca un momento de giro a la izquierda sobre el eje vertical (guiñada) del avión. Cuanto más compacta es la espiral, más prominente es esta fuerza. Sin embargo, a medida que aumenta la velocidad de avance, la espiral se alarga y se vuelve menos efectiva.

Una solución es agregar una segunda hélice detrás de la primera, contrarrotando y cancelando el momento de rotación.

Respuesta simple : para contrarrestar el efecto Torque.

Respuesta detallada : las hélices generalmente giran en el sentido de las agujas del reloj. Ahora recuerde la tercera ley de Newton: "Toda acción tiene una reacción igual y opuesta". Aquí la "acción" es la hélice girando en el sentido de las agujas del reloj y la "reacción opuesta" sería que el avión tenga tendencia a girar en el sentido contrario a las agujas del reloj (es decir, hacia la izquierda). Ahora bien, esta tendencia a girar a la izquierda va a ser un dolor para los pilotos, ya que tienen que aplicar presión en el timón para contrarrestarla. ¡Y es por eso que se introdujeron las hélices contrarrotantes!

Como sugiere el nombre, se trata básicamente de 2 hélices que giran en 2 direcciones opuestas (una en el sentido de las agujas del reloj y la otra en el sentido contrario). ¡Esto va a cancelar el efecto de torsión!

Con respecto al ruido de las hélices a velocidades cercanas a la barrera del sonido, puede echar un vistazo al F-84 'Thunderstreak', video de la versión de hélice en YouTube, https://youtu.be/UFhSzReWTgs tiene hélices contrarrotantes, y probablemente sea uno de los aviones más rápidos con esta disposición, el video analiza el desarrollo y los hallazgos de una hélice de rotación contraria en un caza que vuela cerca de Mach 1; a cualquier velocidad, supongo que el objetivo de tener hélices contrarrotantes es reducir el efecto del par que tenderá a hacer que el avión gire en la dirección opuesta a la hélice, a lo largo del eje de las hélices, en un avión monomotor colocado en el centro, una hélice que gira en el sentido de las agujas del reloj, mirando desde atrás, indicará una fuerza que hace que el fuselaje gire en el sentido contrario,