Desarrollo de modelo aeroelástico para el diseño de hélices

Abstract

En las hélices, que son dispositivos mecánicos que transforman el giro de un eje en una fuerza de empuje, la interacción mecánica-aerodinámica es de vital importancia, ya que desde principio del siglo XX, se sabe que estas se deforman al encontrarse en operación. Siendo realistas, sería correcto decir que toda maquina y/o dispositivo se deforma en condiciones de operación (que sean magnitudes relevantes o no, es otro asunto), sin embargo asumir que una hélice es rígida es un error, ya que las fuerzas que actúan sobre ella, son extremadamente sensible a las deformaciones y velocidades de deformación. Entonces, para estudiar la hélice, se requiere estudiar su comportamiento mecánico y aerodinámico, lo que se hace mediante la Aeroelasticidad . La aeroelasticidad es un rama de la ingeniería mecánica que une el diseño mecánico y aerodinámico,en una sola formulación más completa y compleja. Para estudiar una hélice, en particular la APC SP 10x6 de 10 pulgadas de diámetro, se propone un modelo aeroelástico que considera la hélice como una viga unidimensional de 6 grados de libertad, que esta empotrada en un extremo y libre en el otro; que está acoplada a una fuerza aerodinámica modelada por la rutina QPROP. Se valida el modelo de elementos finitos programado, al igual que el método de Runge- Kutta de cuarto orden que se utilizó. También se valida la rutina QPROP en la predicción de los coeficientes aerodinámicos. Los resultados son consistentes a lo esperado a 4000, 5000, 6000 y 6500 RPM. mas sin embargo, no fue posible resolver la ecuación diferencial que representa al sistema acoplado, ya que la magnitud de las componentes de las matrices que utiliza el método de Runge-Kutta son demasiado grandes, haciendo que las variaciones de posición tenga que ser muy pequeñas y además, tenga que ser de magnitud similar al vector modificado de fuerzas. Con estas condiciones, el paso de tiempo tiene que se extremadamente pequeño, haciendo que Matlab no tenga los recursos suficientes para hacer un segundo de simulación Finalmente se propone encontrar una posición de equilibrio inicial entre la fuerza aerodinámica y la deformación de la hélice, para que a partir de ahí las variaciones sean pequeñas y la fuerza externa se mantenga de una magnitud similar a la fuerza elástica de la hélice.