EL ROTOR DEL HELICÓTERO

Es una de las partes más importantes del helicóptero ya que, gracias a él, vamos a dar sustentación, tracción y control en dos de sus ejes a la aeronave que lo porte.

Está formado por un eje vertical de rotación al que están fijadas dos o más palas que giran alrededor de este.

Precisamente por esta configuración rotatoria el conjunto se comporta como un sistema giroscópico por lo que le son de aplicación las características peculiares de este tipo de mecanismo.

Antes de entrar en el rotor en sí vamos a hacer una pequeña introducción a las peculiaridades de los giróscopos.

Giróscopo

El giróscopo es un dispositivo mecánico formado esencialmente por un cuerpo con simetría de rotación que gira alrededor de su eje de simetría.

Posee por sí mismo dos características notables que condicionan el comportamiento del rotor del helicóptero y que son la inercia giroscópica y la precesión giroscópica.

INERCIA GIROSCÓPICA

Se puede definir como la tendencia que tiene un sistema giroscópico a mantener su plano de giro cuando se alcanzan unas elevadas revoluciones. Este principio es el que tiende a mantener estable una bicicleta o moto cuando ruedan a alta velocidad y se apartan las manos del manillar.

PRECESIÓN GIROSCÓPICA

Cuando se somete el giroscopio a un momento de fuerza que tiende a cambiar la orientación del eje de rotación su comportamiento es aparentemente paradójico ya que el eje de rotación, en lugar de cambiar de dirección como lo haría un cuerpo que no girase, cambia de orientación en una dirección perpendicular a la dirección "intuitiva" y que responde con un retardo de 90º con respecto al punto de aplicación de la fuerza.

CONSIDERACIONES INHERENTES AL ROTOR EN MARCHA

DISIMETRÍA DE LA SUSTENTACIÓN

La disimetría de la sustentación sobre el rotor de un helicóptero se debe a la diferencia de sustentación entre la mitad del rotor que avanza y la mitad que retrocede.

La pala que pasa por el rotor de cola y avanza hacia adelante por el lado derecho del helicóptero (tomamos como ejemplo un giro en contra de las agujas del reloj, helicópteros standard, no así los helicópteros franceses) tiene un incremento de velocidad la cual alcanza su máxima a los 3/4 del giro. Luego, a partir de ese lugar hacia la nariz del helicóptero la pala va perdiendo velocidad. A partir de aquí la pala va perdiendo velocidad obteniendo la mínima a los 90º a la izquierda y luego comienza nuevamente a ganar velocidad.

La siguiente figura muestra las diferentes velocidades que alcanza la pala a lo largo de una revolución. Note también la parte circular sombreada llamada "Área de Flujo Reversivo".

La velocidad en el extremo de esta zona es nula, dentro de esta zona el aire se mueve desde el borde de fuga hacia el borde de ataque. Desde el extremo de esa zona hacia la punta de la pala la velocidad aumenta hasta 294 Kts. (en el ejemplo).

A una velocidad de 100 Kts. del helicóptero, como en el ejemplo, existe una diferencia de 200 Kts. entre la pala que avanza y la que retrocede. Puesto que la sustentación se incrementa con el cuadrado de la velocidad, una potencial variación de la sustentación existe entre la zona del rotor que avanza con la zona que retrocede. Esta diferencia de sustentación debe ser compensada sino un helicóptero sería incontrolable (volcaría hacia la izquierda, como lo comprobó de forma práctica Juan de la Cierva).

RESISTENCIA

La Resistencia es la fuerza que se opone al movimiento del helicóptero en el aire. La resistencia total que se opone al movimiento de una aeronave es la suma de: La resistencia del perfil, la resistencia inducida y la resistencia parásita. La resistencia total es primariamente función de la velocidad. La velocidad que teóricamente produce la resistencia total más baja determina la velocidad de mejor rango de ascenso, el mínimo rango de descenso para la autorrotación y la máxima velocidad de mejor autonomía.

La siguiente figura nos muestra un cuadro de las diferentes resistencias en función de la velocidad.

La resistencia al avance es la provocada por el perfil con su fricción con el aire. Esta no cambia significativamente con la variación del ángulo de ataque, pero se incrementa moderadamente con el aumento de la velocidad.

La resistencia inducida es la resistencia producida como resultado de la producción de sustentación. Altos ángulos de ataque, que producen más sustentación, producen alta resistencia inducida. En las alas rotativas, al aumentar la velocidad de translación del helicóptero, la resistencia inducida disminuye. La resistencia inducida es una de las fuerzas aerodinámicas opuestas a la sustentación.

La resistencia parásita es la producida por todos aquellos componentes no generadores de sustentación. La curva "A" en el diagrama nos muestra la resistencia parásita, que es muy baja a bajas velocidades y aumenta

con la velocidad. La curva "B" nos muestra la resistencia inducida que decrece con la velocidad. En estacionario esta resistencia es muy alta. La curva "C" es la resistencia del perfil o de forma aumentando muy poco con el aumento de la velocidad. La curva "D" muestra la resistencia total que es la suma de las otra tres. Ahora si usted puede identificar el punto mas bajo de esta curva, y lo transporta sobre el eje de las velocidades, obtendrá una velocidad, la cual es: la de mayor autonomía, la de mejor rango de ascenso y la de mínimo rango de descenso en autorrotación.

VELOCIDAD DEL ROTOR

Durante el vuelo estacionario, el flujo de aire sobre las palas es producido por el giro del rotor del helicóptero. La siguiente figura nos muestra un típico sistema de rotor.

la velocidad cercana a la raíz es menor que en la punta, ahora, si tomamos un punto medio entre la raíz y la puntera de pala (punto A), obtendremos una velocidad superior a la de la raíz pero menor a la de la puntera, como verán la velocidad aumenta a medida que nos alejamos del centro. Por eso las palas de los helicópteros están construidas con una "Torsión" (torsión "Twist"), diseñándolas con un ángulo de ataque mayor en la raíz que en las puntas. Logrando con esto una distribución de la

sustentación más uniforme desde la raíz hacia la puntera. La siguiente figura compara la distribución de la sustentación en una pala con torsión a otra sin ella.

Se aprecia que las palas con torsión generan más sustentación cerca de la raíz y menos en las puntas que las palas sin torsión.

Una vez vistas las características de los giróscopos, que nos sirven de introducción y que serán retomadas cuando nos refiramos a los sistemas de control, además vamos a pasar a las tipificaciones constructivas de los rotores más usuales.

Los distintos rotores se diferencian en la manera en que las palas están ancladas al mecanismo que las une al eje de giro y que recibe el nombre de cabeza del rotor.

TIPOS CABEZAS DE ROTOR

Existen tres tipos de cabeza de rotor totalmente diferentes en su constitución:

Rotor articulado Rotor rígido (sin articulaciones) Rotor semirrígido (basculante)

ROTOR ARTICULADO

Utiliza articulaciones para reducir los esfuerzos a los que ven sometidas las palas y que pueden transmitirse indebidamente a la cabeza del rotor.

El orden de situación de las tres articulaciones no siempre es el mismo, depende del diseño del fabricante

Sin la introducción de la articulación de batimiento no se hubieran desarrollado con éxito los helicópteros. –Mérito: el ingeniero español Juan de La Cierva en su investigación y desarrollo de autogiros.

Debido a la asimetría de sustentación entre la pala que avanza y la que retrocede, la solución no parecía fácil; optó por dotar de articulación de batimiento de forma que los dos lados del disco alcancen su propio equilibrio de fuerzas (peso, fuerzas de inercia, fuerzas aerodinámicas).

Gracias a la articulación de batimiento se consigue que las palas trabajen exclusivamente a tracción sin estar sometidas a esfuerzos de flexión en el encastre.

En una condición cualquiera de vuelo, la resultante Rs debida a la sustentación L de la pala, a la fuerza centrífuga Fc y al peso de la misma (mucho menor), forma un ángulo con el plano perpendicular al eje de giro.

Dado que las palas están articuladas, éstas acabarán siguiendo la dirección de la resultante (la misma dirección que la reacción Ra de la pala debida a la articulación).

La pala es libre de batirde forma que aparecen, por ese movimiento relativo, fuerzas de Coriolisque tienden a flexarla pala en el plano de la misma.

Además, la distribución de resistencia a lo largo de la pala (inducida y parásita) puede agravar este efecto.

Si la sustentación aumenta, la resistencia aumenta y la resistencia tiende a frenar a las palas. Si la sustentación disminuye, la resistencia disminuye y las palas tienden a acelerarse.

Estas variaciones producen grandes esfuerzos y solicitaciones (fatiga) que necesitan ser eliminadas o minimizadas.

Se hace necesaria una articulación que permita oscilar adelante/atrás a la pala para reducir esfuerzos. Introducción de una nueva articulación de eje paralelo al de rotación: articulación de arrastre, que

permite a la pala tener movimiento en su mismo plano.

La introducción de esta nueva articulación de arrastre, crea otros nuevos problemas.

–Resonancia en suelo

–Variación incontrolada del ángulo de paso

RESONANCIA EN SUELO

Si las palas oscilarán al unísono el CG del conjunto de las palas permanecería en el centro, pero como esa oscilación es libre para cada pala, provoca que el CG del rotor se desplace fuera del centro provocando vibraciones en el sistema.

PORQUE SE PRODUCE LA RESONANCIA EN SUELOEl tren de aterrizaje y la célula del helicóptero tendrán sus frecuencias naturales de vibración (gobernadas por las características dinámicas).Si la frecuencia de ese movimiento vibratorio del CG del rotor es cercana o coincide con la del fuselaje y tren puede darse la condición de resonancia con el peligro que ello conlleva: que el movimiento no sea convergente y se amplifique, pudiendo producirse serio daño incluso, destrucción del helicóptero. Se deberá introducir un amortiguador del movimiento de arrastre así como en la unión entre la cabeza del rotor y célula y tren de aterrizaje.

Puede ocurrir durante la puesta en marcha, así como en el aterrizaje y parada del helicóptero.

VARIACIÓN INCONTROLADA DEL ÁNGULO DE PASO

Algunos diseños de cabezas de rotor provocan un efecto de acoplamiento entre el eje de batimiento/eje de arrastre y el ángulo de paso: cuando la pala bate arriba u oscila respecto al eje de arrastre, la pala cambia de paso.

La forma de evitarlo/reducirlo consiste en desplazar el eje de batimiento un ángulo (δ3) de forma que no sea perpendicular al eje longitudinal de la pala.

Así configurado, cuando la pala bata hacia arriba el ángulo de paso disminuirá; será reducido a medida que aumente el batimiento ascendente, y viceversa. Se conoce como articulación delta tres.

Existen otras disposiciones de calado del ángulo de batimiento de filosofía totalmente análoga al anterior.

ROTOR RIGIDO

En un rotor rígido el eje de giro y el buje están rígidamente unidos formando una única pieza. Las palas están encastradas rígidamente al buje, teniendo solamente la libertad de giro sobre su eje

longitudinal para la variación de paso. Sus características más importantes son la sencillez constructiva y la robustez mecánica.

ROTOR SEMIRRÍGIDO

Es un “combinado” de los dos anteriores. Elimina algunos de los inconvenientes de los rotores articulados, aunque naturalmente surgen otros

propios de este sistema. Las palas no se articulan en el buje; es el conjunto el que puede inclinarse en todas direcciones

mediante la articulación cardan o junta universal que une el buje al mástil.

Cierta flexibilidad permite a las palas un ligero batimiento vertical individual.

La variación cíclica se produce por pivotamiento del conjunto respecto al eje AB. Esta compensación obliga a que sea simultáneo el movimiento de subida y bajada de ambas

palas, lo cual únicamente puede conseguirse en el caso de que el rotor tenga dos palas. El sistema es capaz de corregir automáticamente la asimetría de sustentación, ya que la pala

que avanza puede subir a la vez que desciende la pala que retrocede gracias a que todo el sistema en conjunto puede bascular.

En condiciones normales de vuelo, este tipo de rotor está sometido a esfuerzos de flexión en los encastres de las palas.

Para tratar de mitigar estos esfuerzos todo lo posible, las palas están caladas con un ángulo de conicidad que corresponde al existente en condiciones de crucero en la que la pala trabajará casi exclusivamente a tracción.

Cuando estas condiciones varíen las palas estarán sometidas a esfuerzos de flexión. Al no existir la articulación de batimiento, tampoco es preciso la de arrastre.

COMPARACIÓN ENTRE ROTORES

Comportamiento en vuelo de avance de cada uno de ellos:

(a) Semirrígido (teetering)(b) Articulado (articulated)(c) Rígido (hingeless)

En la década de los sesenta del pasado siglo se optó por sistemas de rotor rígido debido a su simplicidad mecánica y constructiva pero se encontraron con problemas de inestabilidad aeromecánica y aeroelástica que no aparecían con los rotores articulados.

La complejidad y la problemática de esos fenómenos es la causa de la lenta evolución de ese tipo de sistemas.

El rotor rígido, básicamente, consiste en la reducción de la complejidad de la cabeza del rotor.

En el rotor semirrígido, la eliminación de las articulaciones reduce el peso y el coste del sistema del rotor y aumenta la fiabilidad y mantenibilidad gracias a esa disminución de la complejidad.

Reducir el volumen de la cabeza también ofrece la posibilidad de disminuir la resistencia aerodinámica, fuente importante de la resistencia total del helicóptero en vuelo de avance.

Se deduce que no existe una clara supremacía de un tipo sobre otro, por cuanto las ventajas y desventajas están más o menos compensadas.

Existen casas constructoras que tradicionalmente se han especializado en un tipo de rotor y cuyos productos utilizan frecuentemente el mismo sistema.