Diseño y construcción de banco de pruebas para la caracterización de hélices mediante torque y empuje

Abstract

En la aeronáutica, las hélices cumplen un rol fundamental ya que constituyen un parámetro importante en cuando a las capacidades del vehículo. Parámetros como su velocidad, el peso máximo que el vehículo puede transportar y su máxima envergadura de alas están definidos, en parte, por el tamaño y geometría de la hélice. Así, se tiene que el diseño de estas es vital para el correcto funcionamiento de un avión, helicóptero, cuadricóptero, entre otros. El propósito de este trabajo de título fue diseñar, calcular y construir un banco de pruebas para hélices de hasta 0,78 metros de largo que sea capaz de medir rpm, fuerza de empuje, velocidad, temperatura y torque de una manera más económica al no tener que recurrir a túneles de viento de alta velocidad existentes en laboratorios. El fin de estas mediciones es poder caracterizar distintos diseños de hélices y luego poder compararlos con modelos ya existentes y así poder cuantificar la diferencia entre ellas, dependiendo de su diseño. Como requerimiento de diseño por parte de Vempto S.P.A. se tuvo que el soporte debe poder instalarse aguas arriba (upwind) y aguas abajo (downwind) para así poder realizar ambos tipos de mediciones sobre las hélices. Las mediciones de torque y de empuje del banco de pruebas las realizan celdas de carga cuyo peso y volumen se consideraron en el diseño del pedestal. Estas celdas de carga son transductores que convierten la deformación mecánica en una salida eléctrica cuantificable. El trabajo de título consta de dos etapas: La de diseño y la de construcción. En la primera se realizó el diseño preliminar y el análisis de elementos finitos del pedestal mediante un software. Así, se realizan 3 tipos de análisis a la estructura; estático, de vibraciones y pandeo. Luego de especificar que el factor de seguridad mínimo (2,75) superó al requerido en un principio por Vempto (2,00), se cubicó y cotizó cada uno de los componentes y materiales para la construcción y, finalmente, se especificó qué tipo de mecanizado, procesos de manufactura y ensamblaje se llevaron a cabo para poder realizar de manera óptima la siguiente etapa. Además de lo relacionado al pedestal se seleccionó la parrilla y su anclaje, la que se utilizó para instalar el banco de pruebas sobre el automóvil durante la etapa final. Al mismo tiempo, se diseñó un sistema de aluminio desmontable que permite calibrar cada una de las celdas de carga para luego poder tener mediciones fidedignas en cuanto al torque y empuje generado por cada hélice que se instale en el banco de pruebas. Una vez finalizado el diseño y mecanizado comenzó el ensamblaje y la instalación del banco de pruebas sobre el auto. Así, el pedestal quedó apto para poder realizar las mediciones de hélices. Esta etapa se realiza, por un lado, en un taller privado contratado por parte de Vempto, y para el caso de algunas piezas se tuvo que acudir al taller mecánico de la Universidad de Chile. El trabajo de título se validó luego de que Vempto aceptó el diseño, los cálculos realizados a este y dio el Visto Bueno considerando que el banco de pruebas efectivamente cumple con lo pedido, pudiendo caracterizar hélices mediante torque y empuje.