¿En qué se diferencia un ventilador de una hélice?

¿Por qué el ventilador de un turboventilador es diferente a la hélice de un avión pequeño? ¿Por qué las hélices suelen tener 2 o 3 palas, pero el ventilador tiene muchas más? ¿Y por qué el ventilador está cubierto pero la hélice abierta?

Leí que un ventilador con conductos es más eficiente a velocidades muy bajas (genera más empuje estático que una hélice abierta), pero a altas velocidades la resistencia se vuelve demasiado grande y es mejor con una hélice abierta. Es por eso que usan un ventilador con conductos en los aerodeslizadores, por ejemplo. Pero si eso es cierto, ¿no debería estar abierto (descubierto) el ventilador de un turboventilador, considerando las altas velocidades (más altas que una hélice)?

Además, ¿cómo se sale con la suya el ventilador con velocidades de punta supersónicas y el accesorio no? ¿Sería el ventilador más eficiente si las velocidades de punta fueran más bajas?

Respuestas (5)

La respuesta simple que cubre la mayoría de los motores es que un ventilador tiene una cubierta. La posible excepción son los ventiladores sin conductos o los motores de rotor abierto , que son un híbrido entre un turbohélice y un motor de ventilador.

Una respuesta más científica se basa en la diferencia en la carga del disco: cuánta potencia por área de disco se puede bombear al ventilador para la propulsión. Para las hélices, esto es claramente menor que para los ventiladores. Algunos ejemplos:

  • Cessna 172 con motor O-320 (150 hp) y hélice McCauley 1C160 (1,9 m de diámetro): 39,45 kW/m².
  • P-51D con Packard-Merlin 1650 (1590 hp) y hélice Hamilton-Standard (3,4 m de diámetro): 130,59 kW/m².
  • Lockheed C-130H Hercules con motor Allison T-56 (4590 hp) y hélice Aeroproducts (4,1 m de diámetro): 259,25 kW/m².

Con jets, esta comparación necesita potencia cuando se enumera el empuje. Por lo tanto, hacemos la suposición heroica de que la velocidad en el ventilador es Mach 0.4 en condiciones estáticas y el empuje se divide de acuerdo con la relación de derivación (que es completamente impreciso pero servirá para el propósito aquí):

  • BAe 146 con Lycoming ALF 502 (empuje estático de 31 kN, relación de derivación de 5,7:1 y diámetro de ventilador de 1,02 m): 4254,35 kW/m².
  • Boeing 747-200 con Pratt & Whitney JT9D (empuje estático de 213 kN, relación de derivación 5:1 y ventilador de 2,34 m de diámetro): 5388,74 kW/m².
  • Boeing 777 con GE90 (388,8 kN de empuje al despegue, relación de derivación 8,4:1 y ventilador de 3,124 m de diámetro): 6077,23 kW/m².

Supongo que ahora ya ve hacia dónde se dirige esto: los turboventiladores son simplemente una clase diferente cuando se trata de empuje por área frontal. Y para que esto sea posible, se deben cumplir tres condiciones:

  1. Una admisión bien diseñada que produce un flujo uniforme sobre la cara del motor. La cubierta es sólo la consecuencia de dotar al ventilador de una toma.
  2. Un alto factor de solidez del ventilador/hélice (la relación entre el área total de las palas de la hélice y el disco barrido cuando la hélice gira)
  3. Alta presión dinámica en la cara del motor, por lo que la potencia del motor puede ser absorbida por el ventilador/hélice.

Tenga en cuenta que esas condiciones dependen unas de otras: sin la solidez, se podría absorber mucha menos energía. Sin la entrada, el flujo supersónico en las puntas de los ventiladores produciría pérdidas y ruidos horribles .

Ahora para los locos. Los inadaptados. Los rebeldes. Los alborotadores. Las clavijas redondas en los agujeros cuadrados:

Aquí es difícil hacer una llamada clara si se trata de ventiladores o hélices. Su nombre propio "propfans" ya insinúa eso.

Una última palabra sobre la terminología

La eficiencia es una medida de cuánto esfuerzo se necesita para un determinado resultado. Una hélice eficiente necesita menos potencia por unidad de empuje producida. Tiene pocas palas , gira lentamente y tiene un gran diámetro. Un ventilador subsónico sería más eficiente, pero generaría mucho menos empuje para un tamaño determinado.

Si desea expresar la capacidad de creación de empuje en un diámetro específico, utilice la carga del disco, no la eficiencia.

Entonces, ¿la cubierta es básicamente un complemento aerodinámico para la entrada del ventilador? Pero también, tenía la impresión de que el ventilador actúa un poco como un compresor, que aumenta la presión del aire y luego el aire es expulsado a una velocidad mayor que la velocidad de entrada. Digo esto por la forma de la góndola. La salida suele tener un diámetro pequeño, que a mí me parece una tobera convergente. Sé que el núcleo del chorro usa este principio, pero ¿se aplica, en menor medida, también al flujo frío del ventilador, o la cubierta es simplemente para controlar el flujo de entrada? Gracias
@Anónimo; Tienes razón, el flujo se contrae mientras se acelera. Vea esta respuesta para una hélice , donde sucede lo mismo, solo que sin una pared entre el flujo interno y externo. La cubierta simplemente sigue el contorno aerodinámico.
Bien, @PeterKämpf, ¿puede ser coherente en el uso de la notación fraccionaria? Para puntales y kW/m², se utiliza el decimal americano para diferenciar los metros de sus fracciones 1C160 prop (1.9 m diameter)y 4254.35 kW/m², sin embargo, se utiliza la coma europea para chorros 3,124 m fan diameter. Me tomó un momento entender cuán grande era ese abanico, y luego darme cuenta de que me cambiaste de método. :)
@FreeMan: Lo siento, se me escapó. Hice la lista copiando y pegando y no miré el punto decimal. ¡Gracias por atraparlo!
Pensé que probablemente era un problema de copia/pasta. ¡Sin embargo, realmente me desconcertó por un minuto! Tus respuestas son tan buenas que es divertido darse cuenta de que eres humano como el resto de nosotros. ;)
@FreeMan: Gracias. ¿Atrapaste el huevo de Pascua? (Pista: es una cita de un comercial...)
@fooot: ¿Los espacios que no se rompen están arruinando el diseño? Traté de evitar dividir las líneas entre número y unidad. Por favor, ayúdame, ¿qué te hizo editar la publicación? Para mí, no veo ninguna diferencia.
Supongo que es el Now para los locos... , pero no veo mucha televisión comercial.
Rechacé esto porque creo que "accesorio" vino del coloquial temprano de alguien como Wright o Curtiss. Y cuando decidieron nombrar el dispositivo que ahora llamamos "turboventilador", no se sentaron y midieron la carga del disco, verificaron si excedía alguna línea de discriminación de hélice/ventilador, y decidieron llamarlo "ventilador". . Miraron la cosa y dijeron, eh, parece más un abanico que un accesorio.
@rbp: ¿Consideró que traté de responder la pregunta? Y, por cierto, la palabra hélice se usó mucho antes que Curtiss o Wright.
@FreeMan: Sí, y este tiene su propia página de Wikipedia .
@PeterKämpf sí, lo consideré. Pero creo que está aplicando ingeniería inversa a una respuesta basada en las propiedades observadas, con excepciones que no se ajustan a la regla que estableció. No creo que la palabra "accesorio" se haya usado en el contexto de la aviación antes de Wright, que es el tema en cuestión, y eludí eso cuando hablé del término proveniente de Mariners.
@FreeMan Ahora quiero ver ese abanico de 3.124 km. - lol - El diámetro del ventilador sería más largo que la mayoría de las pistas.
Tú y yo ambos, @reirab, tú y yo ambos... :)
@FreeMan Para mantener las puntas subsónicas, su velocidad de rotación máxima sería de aproximadamente 2 rpm. - jajaja

Primero, comencemos con la máquina más simple, el tornillo , que convierte el movimiento de rotación en movimiento lineal.

Un ventilador es un tornillo cuyo propósito principal es mover el fluido (aire para un avión o agua para un bote) que lo rodea.

Una hélice es un tornillo cuyo propósito principal es mover ( impulsar ) el objeto al que está unido, como un bote o un avión de hélice. Y, de hecho, los marineros usan el término tornillo en lugar de puntal .

En el caso del turbopropulsor y el turboventilador , el turbopropulsor usa su propulsor como principal medio de movimiento, mientras que en el turboventilador , el ventilador simplemente aumenta la velocidad del aire, pero no proporciona el principal medio de movimiento de la aeronave.

los gases expulsados ​​por la propia turbina
ahora nos estamos metiendo en la etimología. cuando se ideó la palabra turboventilador , solo había ventiladores de relación de derivación baja y los gases de escape proporcionaban el principal medio de propulsión. incluso cuando se desarrollaron los ventiladores de derivación alta, el nombre se mantuvo.
siéntete libre de votar, entonces :)
Eso es correcto en el caso de los motores de baja BPR, pero no en los motores civiles de hoy en día con fines de eficiencia de combustible, como se explica aquí: ¿Para qué sirve realmente el aire de derivación en un motor turboventilador?
Sí, y digo (nuevamente) que turboventilador es un término histórico que se le da a los motores LBPR, cuando el aire gasificado, no el de derivación, proporcionaba la mayor parte de la propulsión. El nombre se mantuvo, a pesar de que la mayor parte del empuje ahora es producido por el aire de derivación en los motores HBPR.
the fan simply increases the velocity of the airNo estoy seguro de lo que estás diciendo con esto. Proporciona movimiento a la aeronave . Tal vez en LBP no sea el medio principal , pero aún realiza la misma función que una hélice.
Entre esta respuesta y sus comentarios sobre la respuesta de Peter, parece que está señalando que la utilería frente al fanático es un continuo, lo cual es cierto. Pero además de los ventiladores de utilería que Peter menciona, existen claras diferencias entre los accesorios y los ventiladores que se usan hoy en día. Que de lo que se trata la pregunta, no de la diferencia en la terminología.

En términos simples, el principio de funcionamiento es diferente:

Una hélice es un ala giratoria. Esto significa que su principal principio de funcionamiento es el principio de Bernoulli. Una diferencia de presiones (es decir, presión baja en la parte delantera y presión alta en la parte trasera) hace que el avión se mueva hacia adelante. Es lo mismo que en los rotores de los helicópteros. Consulte https://en.wikipedia.org/wiki/Lift_(force) y https://en.wikipedia.org/wiki/Airfoil

El turboventilador es principalmente un reactor. Esto significa que su principal principio de funcionamiento es la tercera ley de Newton. El aire de alta velocidad que es forzado a través de la boquilla empuja el avión hacia adelante. Lo mismo que en una manguera de jardín. Ver https://en.wikipedia.org/wiki/Newton%27s_laws_of_motion

Para responder a una de sus preguntas adicionales, la que es menos eficiente a altas velocidades es la hélice. Esto se debe a que, en la hélice, a altas velocidades, el aire fluye de adelante hacia atrás, lo que hace que la presión aumente en la parte delantera, lo que detiene la hélice.

Por otro lado, en el turboventilador, la presión adicional en la parte delantera ayuda a que el aire sea forzado a través de la boquilla, lo que aumenta el rendimiento.

Sin embargo, a velocidades extremadamente altas, la resistencia del ventilador se vuelve muy alta y la velocidad se vuelve a limitar (pero a una velocidad más alta que en la hélice). Para lograr aún más velocidad, se quitan las paletas giratorias y se fuerza el aire el compresor debido a la presión muy alta en la parte delantera (ver estatorreactores). El principio de funcionamiento del estatorreactor también es la tercera ley de Newton.

@SMSvonderTann, Un turbo<b>ventilador</b> es un ventilador con conductos y es claramente el tipo de ventilador con conductos del que se trata el OP.
No, el principio no es diferente . La hélice y el ventilador (turbocompresor) son alas giratorias. Una diferencia de presión es la única forma de hacer que el aire aplique fuerza sobre cualquier cosa, por lo que ambos también la usan. Y ambos también usan aire como masa de reacción, porque uno simplemente no puede sortear las leyes del movimiento.
Tienes razón Jan. Todas las leyes de la física están presentes en ambos dispositivos. La diferencia es que, por diseño, el principio principal es diferente. Por ejemplo, en la hélice, el aire que pasa por las palas proviene principalmente de los lados (no del frente). Por esta razón, en las hélices, el efecto Venturi es más importante que la tercera ley de Newton. Por otro lado, en el turboventilador, el aire detrás de las palas se comprime y acelera antes de salir por la boquilla, haciendo que la tercera ley de Newton tenga un impacto mayor que el efecto Venturi.
Creo que tienes razón, Krauss, porque el límite práctico de los apoyos parece ser de alrededor de 700 km/h, no pueden empujar el aire a velocidades aerodinámicas más rápidas. Los turboventiladores, sin embargo, navegan a 900 km/h, por lo que deben estar haciendo algo diferente a las hélices. Aparentemente actúan más como compresores.
En primer lugar, el efecto Venturi es específico de estructuras cerradas, como una tubería. Creo que te refieres al principio de Bernoulli . Secundo a JanHudec. Tanto las hélices como las aspas del ventilador utilizan exactamente el mismo método de reducción de presión para acelerar el aire. La fuerza de reacción newtoniana es el resultado de acelerar ese aire. No hay orden de importancia. Cuanto más Bernoulli tienes, más Newton tienes.
Tienes razón Tomás. Es mi error. Debería haber dicho principio de Bernoulli en lugar de Venturi. También estoy de acuerdo en que la explicación que ofrezco podría ser demasiado simplista, pero el punto es (como expliqué antes) aunque todas las leyes de la física contribuyen a construir la fuerza de empuje, las diferencias de diseño aprovechan diferentes principios. Nota: Gracias por la corrección, estoy editando la respuesta.
@Anónimo: Lo que es diferente es la ingesta. Disminuye la velocidad del aire en el caso del ventilador, por lo que nunca "ve" la velocidad de vuelo real.

Supongo que tanto la hélice como el ventilador actúan según el principio de conservación del impulso, llámalo 'acción-reacción', envía hacia atrás una masa de aire que empuja el dispositivo hacia adelante, la velocidad de la masa de aire expulsada y la velocidad del avión. influyen en qué tipo de método propulsor da mejores resultados, mucho aire a una velocidad no muy alta, o menor masa de aire expulsada muy rápido. Los ingenieros alemanes durante la Segunda Guerra Mundial pensaron que las hélices serían buenas hasta un poco por encima de Mach 1, pero la versión de hélices contrarrotantes del avión de combate F-84 Thunderstreak demostró ser tan ruidosa que los que estaban cerca del motor en marcha o la pista de aterrizaje se enfermaron. Aquí hay una breve grabación de audio de YouTube del F-84H 'Thunderscreech':

Puede que le guste el gráfico adjunto, del folleto: 'Ventiladores con conductos para aviones ultraligeros', de RW Hovey. Muestra la eficiencia de diferentes sistemas de propulsión según AirSpeed ​​de una máquina voladora. Eficiencia típica de los sistemas de propulsión

Hay un análisis más detallado del tema en una tesis de 2009 de Leighton Montgomery Myers, Universidad Estatal de Pensilvania: 'Experimentos aerodinámicos en un ventilador con conductos en vuelo estacionario y Edgewise' http://www.engr.psu.edu/rcoe/theses/ Myers_Leighton.pdf

También: AIAA-98-3116 NASA / TM--1998-208411 Propulsión de aeronaves ligeras de aviación general: desde la década de 1940 hasta el próximo siglo Centro de investigación Leo A. Burkardt Lewis, Cleveland, Ohio Preparado para la 34.ª Conferencia conjunta de propulsión copatrocinada por AIAA, ASME, SAE y ASEE Cleveland, Ohio, 12-15 de julio de 1998 Centro de Investigación Lewis de la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio, julio de 1998. http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/ 19980209647.pdf

Sería útil incluir parte de la información de estas referencias para que quede más claro cuál es la conclusión.
De acuerdo con @fooot, tratamos de evitar ser un sitio solo de enlace (o solo de referencia). Es mejor extraer la información relevante en su respuesta.
Los artículos citados tienen muchas páginas, agregar solo algunas, o algunos gráficos, harán que se pierda información. La primera imagen es la información básica, hay más disponible en los enlaces. Gracias por tu interesante comentario.

Un ventilador no es necesariamente un tornillo, es cualquier objeto que se usa para mover el aire hacia algo. La forma de hélice resulta ser bastante ideal, pero una hélice tampoco necesita tener forma de hélice, simplemente un objeto que se usa para impulsar algo en un fluido o gas. (La propulsión a través de un sólido es como viajar en el tiempo: probablemente imposible. A menos que podamos imaginar algo como un tunelador escupiendo lo que sea que venga por el otro extremo para avanzar).

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¿En qué se diferencia un ventilador de una hélice?
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