Domanda:
Il collegamento delle pale dell'elica con un anello continuo ridurrebbe la resistenza indotta?
falstro
2014-01-08 13:43:05 UTC
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I motori a turbina sono coperti, il che ovviamente serve a contenere il processo (proprio come un motore super / turbocompresso non appena l'aria entra nell'aspirazione). Ma mi ha fatto pensare, questo non riduce anche - o addirittura rimuove completamente - la resistenza indotta intorno alle punte delle pale del ventilatore?

Sarebbe possibile avere una configurazione simile per un'elica standard, non deve nemmeno essere fermo, potrebbe essere un anello che collega le punte dell'elica, ruotando con esso, come un'ala infinita. Ha l'ulteriore vantaggio di sicurezza che sarà visibile quando l'elica gira. E immagino che se l'anello è abbastanza forte da mantenere la sua circonferenza, il carico sull'elica dovrebbe essere marginale poiché ruota attorno al proprio centro di massa.

La resistenza indotta sull'elica non è abbastanza grande da merita qualsiasi pensiero, o un simile anello di ala di elica (sono sicuro che ci sia un vero nome per questo, qualcuno sa di cosa sto parlando?) Causerebbe altre interruzioni del flusso d'aria? O forse ci sono altri motivi, come sarebbe semplicemente troppo difficile da risolvere per eliche a velocità costante?

Ci sono già molte risposte di seguito che risolvono la resistenza indotta sugli oggetti di scena. Per rispondere direttamente alla tua domanda riguardante un anello attaccato direttamente alle pale, subirebbe carichi centrifughi variabili, che di per sé sarebbero piuttosto grandi su regimi elevati, ma il fatto che i carichi varierebbero così tanto porterebbe a fatica e guasto del materiale.
Come connettereste le punte delle pale dell'elica con un anello continuo senza renderle incapaci di cambiare passo?
Cinque risposte:
#1
+19
Daniel Steele
2014-01-08 17:45:37 UTC
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Ciò di cui stai parlando esiste, sono chiamate eliche Q-Tip.

Ricorda che una pala di elica è solo un profilo alare, come un'ala, e il l'aerodinamica di base non è diversa da un'ala. Ma la rotazione della pala crea più fenomeni di un'ala, in particolare il vortice elicoidale che si vede dietro l'elica e causa tutti i tipi di effetti dell'elica .

In teoria, nulla ci impedirebbe di avere le alette sulle punte dell'elica: i vantaggi sarebbero

  1. Rendere l'elica più efficiente riducendo la resistenza indotta (come un winglet su un'ala)
  2. Riduzione del rumore
  3. Mantenere la velocità di punta dell'elica subsonica diminuendone la lunghezza

Il grosso problema è nelle sollecitazioni aerodinamiche, e per quanto ne so ci sono stati dei fallimenti piuttosto spettacolari durante i test, quindi la soluzione ora è quella di dare uno sweep maggiore alle punte (vedi che è equivalente alla punta dell'ala 777 rispetto al 787 per esempio). Prova a trovare articoli sul Q-tip Hartzell .

Poiché le eliche navali sono più larghe e in grado di sopportare sollecitazioni di coppia maggiori, quelle moderne hanno le alette. Potresti trovare alcune immagini sul web.

Freddo! Sai se ci sono degli "anelli" che collegano tutte le punte dell'elica, tutto intorno? O mettere una cornice attorno all'elica, come su alcuni veicoli acquatici e alcuni elicotteri (almeno di fantascienza, non sono sicuro di quelli veri)?
Un concetto correlato all'elica Q-Tip (con meno problemi dovuti allo stress aerodinamico) è lo [Scimitar Propeller] (http://en.wikipedia.org/wiki/Scimitar_propeller), che si trova su molti velivoli a turboelica compreso [il C-130J "Super Hercules"] (http://en.wikipedia.org/wiki/Lockheed_Martin_C-130J_Super_Hercules). Sebbene la maggior parte delle eliche a scimitarra che conosco siano a velocità costante, credo che ci siano anche alcune varianti a passo fisso ...
#2
+12
Peter Kämpf
2014-09-29 00:59:03 UTC
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Come altri hanno sottolineato, il montaggio dell'anello sull'elica aumenterà notevolmente lo stress sulle pale. Lo stesso effetto si può avere con una copertura ben adattata.

C'è stato effettivamente un aereo che utilizzava questo concetto, l'RFB FanTrainer (vedi immagine sotto). Per ridurre il peso e l'area bagnata, il diametro dell'elica era molto più piccolo rispetto a un'elica normale, quindi l'efficienza complessiva non era migliore. Tuttavia, le inerzie rotanti più piccole hanno prodotto un effetto più simile a una turbina (meno precessione), quindi il concetto è stato utilizzato per un addestratore di base per futuri piloti di jet.

FanTrainer 400

Alla fine, il FanTrainer ebbe solo un successo limitato e fu interrotto dopo la costruzione di 50. Il design era troppo leggero per supportare tutti i desideri delle forze aeree per un addestratore di base, e il mercato privato a quel tempo si stava restringendo e pieno di aerei più vecchi che servivano ugualmente bene i clienti attenti ai costi. Tuttavia, offriva caratteristiche quasi simili a quelle di un jet a un prezzo straordinariamente basso per ora di volo.

In generale, se si desidera avvolgere l'elica per una migliore efficienza, è necessario accettare la superficie più alta di il velo, che aggiungerà rapidamente più resistenza di quanto potresti mai risparmiare impedendo il flusso intorno alle punte dell'elica.

Cosa si potrebbe salvare avvolgendo l'elica? La resistenza indotta sarebbe la stessa, poiché proviene dalla creazione del sollevamento. La teoria classica per le eliche a minima perdita indotta di A. Betz e L. Prandtl richiede una distribuzione ellittica della portanza sul disco dell'elica, in modo tale che la portanza si assottigli sulle punte. Aumentando artificialmente sarebbe utile solo se ciò potesse ridurre la corda della lama sulle punte - poiché le punte vedono la più alta pressione dinamica, questo potrebbe effettivamente tradursi in una minore resistenza all'attrito. Tuttavia, questo guadagno è piccolo se paragonato all'enorme aumento della resistenza all'attrito di un sudario.

Ad alte velocità le perdite indotte sono piccole e altri fattori diventano dominanti. Notare che i turbofan e le eliche ad alto carico non sono progettati per la minima perdita indotta, ma per la massima spinta con un dato diametro. Un'elica avvolta può godere di un carico del disco maggiore, in modo da ottenere la stessa spinta con pale più piccole e velocità di punta inferiori, il che aiuterà nell'efficienza ad alta velocità. Pale più piccole si traducono in minori perdite di attrito sull'elica e velocità di punta inferiori si traducono in una maggiore velocità di crociera prima che le perdite di Mach inizino a mordere.

Pertanto, ad alta velocità una protezione può essere utile quando non è troppo grande . I motori turbofan soffrono di questo dilemma. Potrebbero avere rapporti di bypass molto più elevati di quelli odierni, ma ciò significherebbe enormi gondole e la maggiore resistenza della gondola compenserebbe i guadagni derivanti dall'aumento del rapporto di bypass. La laminarizzazione attiva del flusso della navicella è la via da seguire qui, ma finora l'implementazione pratica deve ancora avvenire.

Per quanto riguarda l'inerzia rotante, immagino che un mantello rotante avrebbe anche un momento angolare elevato, portando a effetti giroscopici ogni volta che l'orientamento del disco dell'elica cambiava. Oltre a influenzare la manovrabilità dell'aereo, penso che ciò imporrebbe un carico di flessione ciclico sulle pale dell'elica durante la manovra, e posso immaginare che la disposizione sia soggetta a oscillare.
@sdenham: Sì, lasciare che la copertura ruoti con l'elica porterà molti problemi. È meglio tenerlo fisso, come sui turboventilatori.
@PeterKämpf: tocchi le velocità di punta e solo la resistenza dell'onda, ma per quanto riguarda l'aumento della spinta? Certamente questo era un obiettivo chiave nei primi progetti come le varie piattaforme di sollevamento.
@MauryMarkowitz L'aumento della spinta necessita di un'area della copertura rivolta in avanti affinché l'aspirazione possa funzionare. Le piattaforme di sollevamento lo avevano, ma le protezioni dell'elica offrono molto poco perché sono progettate per funzionare ad alta velocità di avanzamento. In altre parole, le basse velocità verticali delle piattaforme di sollevamento consentono a quelle di utilizzare l'aumento della spinta, ma l'elevata velocità di volo delle protezioni dell'elica sposta l'ottimale per lasciare poca opportunità di aumento della spinta.
#3
+11
Philippe Leybaert
2014-01-08 22:17:38 UTC
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Un ventilatore intubato si avvicina a quello che stai descrivendo, anche se l'anello attorno all'elica è fermo invece che attaccato e gira con l'elica.

Il vantaggio principale di un ventilatore intubato è una maggiore efficienza dovuta alle ridotte perdite sulla punta delle pale dell'elica (essenzialmente resistenza indotta), ma questo vantaggio in termini di efficienza viene perso a velocità più elevate e / o minore richiesta di spinta.

Negli aerei "normali", gli svantaggi di una ventola intubata superano i guadagni di efficienza. I ventilatori intubati vengono utilizzati principalmente su dirigibili e velivoli VTOL come il famigerato Bell X-22. Sono anche utilizzati nella maggior parte dei modellini di aeroplani.

La ventola intubata a destra era quello che stavo cercando quando ho menzionato gli elicotteri "fantascientifici", grazie! :)
#4
+4
StallSpin
2014-01-09 00:35:01 UTC
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Q-Tips e ventole canalizzate sono i più importanti per risolvere i problemi a cui stai pensando.

La tua idea di anello sarebbe molto difficile da implementare per una serie di motivi, il peso è il principale. Un anello di metallo tutto intorno all'elica aggiungerebbe una quantità significativa di peso all'aereo, il che probabilmente annullerebbe qualsiasi guadagno di efficienza che si ottiene stabilizzando il flusso d'aria. Inoltre, le punte di un'elica stanno già sperimentando diverse migliaia G ai normali giri al minuto. Questo è accettabile perché l'elica diventa sempre più leggera man mano che ti avvicini alle punte. Ma se dovessi attaccare un anello di metallo del peso di poche dozzine di libbre, le forze sarebbero astronomiche e la tua elica fallirebbe molto rapidamente.

Un secondo problema è che per avere eliche efficienti, noi ruotare leggermente le lame per modificare l'angolazione con cui mordono nell'aria. Queste sono chiamate eliche a velocità costante e sono già un po 'complicate. Se aggiungi un secondo punto di rotazione alle punte dell'elica in modo che possano muoversi all'interno dell'anello, stai solo aggiungendo un mucchio di cuscinetti, grasso, peso e un altro punto di rottura.

Infine, bilanciare l'anello sarebbe probabilmente un compito difficile. Per prima cosa il tuo anello dovrebbe essere prodotto con tolleranze molto precise che sarebbero piuttosto costose. Il minimo graffio o ammaccatura nell'anello (che si verifica frequentemente alle eliche) lo farà diventare sbilanciato e richiederebbe come minimo lavoro, e al massimo potrebbe causare lo scuotimento dell'intera elica. Questa è già una preoccupazione minore per gli oggetti di scena, ma quando metti il ​​tuo disco pesante su un braccio lungo dal suo fulcro, quindi lo sottoponi a forze G incredibilmente elevate, stai solo amplificando eventuali difetti che potrebbe avere.

#5
+2
Skip Miller
2014-01-09 00:04:40 UTC
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Per una prospettiva storica, fai qualche ricerca sul Culver Channel Wing prodotto nel 1952-53. Questo aereo bimotore (pusher) ha due condotti che non circondano completamente l'elica ma fanno parte dell'ala. Ciò ha portato a capacità di decollo estremamente brevi perché il flusso d'aria sopra l'ala non era legato alla velocità di avanzamento al suolo. Mi spingerei addirittura a dire che è stato un primo passo verso le capacità VTOL delle ventole canalizzate.

Questo articolo di Doug Robertson pubblicato nel 2005 su airport-data.com contiene alcune bellissime immagini e quella che sembra essere una storia narrativa dell'aereo ben documentata.



Questa domanda e risposta è stata tradotta automaticamente dalla lingua inglese. Il contenuto originale è disponibile su stackexchange, che ringraziamo per la licenza cc by-sa 3.0 con cui è distribuito.
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