Guía básica para hélices axiales

Multi-Wing Ibérica S.L.Pol. Ind. Mata-Rocafonda, C./ Vapor Gordils, 7. E-08304 MataróTel: + 34 / 93 755 20 41 | Web: www.multi-wing.esE-mail: info@multi-wing.es Versión 3 10/15

7. Código de la hélice y tolerancias estándar 8. Materiales 9. Posición axial de la hélice10. Obstáculos al flujo de aire11. Efecto del huelgo12. Alcance y propagación del aire

1. La curva característica de una hélice axial2. Las leyes para hélices axiales

3. Acústica4. Envolvente – Geometría óptima

5. Equilibrado de las hélices6. Vibraciones por resonancia

Índice

1. La curva característica de una hélice axialA - Curva característicaB - Curva de resistencia del sistemaC - Punto de trabajoD - Curva de potencia absorbida por la héliceE - Zona de turbulenciaF - Ángulo de palaG - Zona de operación óptimaH - Pico de presiónI - Presión dinámicaMétodos para determinar la resistencia del sistema 1. Cálculo usando guías estimativas de resistencia. 2. Teste en túnel de viento del conjunto completo 3. Midiendo el caudal de la hélice de la cual conocemos la curva característica. Sabiendo el caudal identificamos el punto de trabajo y con ello la curva de resistencia. 4. Calculo de CFD

Caudal de aire(V)

Presión estática (P )

Potencia (N)

Resistencia del sistema P =C · v

C = constante v = velocidad del aire

2

AAB

C

D

EF 35º

G

H

I

e

e

Pd= pv 21 2

P =C · pde

2. Las leyes para hélices axiales Una vez conocida la curva característica de una hélice axial podemos obtener sus equivalentes a diferente rotación (n), temperatura (T en Kelvin) y diámetro (d), usando las leyes de la ventilación:

Término Fórmula Ejemplo V (caudal) 𝑉𝑉2 = 𝑉𝑉1 · (𝑛𝑛2

𝑛𝑛1) · (𝑑𝑑2𝑑𝑑1)

3 Si doblamos la rotación (n2=2·n1), con diámetro de hélice constante (d2=d1), el caudal

(V2) se doblará.

P (presión estática) 𝑃𝑃2 = 𝑃𝑃1 · (𝑛𝑛2𝑛𝑛1)

2· (𝑑𝑑2

𝑑𝑑1)2

· (𝑇𝑇1𝑇𝑇2) Aumentando diámetro un 10% (d2=1,1d1), y manteniendo la rotación y temperatura, la

presión aumenta 21%.

N (potencia) 𝑁𝑁2 = 𝑁𝑁1 · (𝑛𝑛2𝑛𝑛1)

3· (𝑑𝑑2

𝑑𝑑1)5

· (𝑇𝑇1𝑇𝑇2) Aumentando la temperatura de 20°C a 50°C, manteniendo la rotación y diámetro, la

potencia disminuye 9%

3. Acústica

Lw Lw Lw Lw

Lp Lp LpLp

Lp

LpD

LWr

Lp < 2 x D

campo próximo > 2 x D

campo libre

Q = 2 (1/2 esférico).

Q = 1 (esférico). Q = 2 (1/2 esférico). Q = 4 (1/4 esférico). Q = 8 (1/8 esférico).Propagación

El ruido de una hélice se puede categorizar en 2 tipos: 1. Tonos discretos debido a una carga frequencial como BPF 2. Ruido de banda ancha debido al huelgo, “trailing edge”, desprendimiento de vórtices y otros efectos de turbulencia. La grafica de abajo muestra el típico espectro.

Lw Lw

LpLp

Q = 1 (esférico). Q = 2 (1/2 esférico).

Lw

Lw

Lp

LpLp

Lp

Q = 4 (1/4 esférico).

Q = 8 (1/8 esférico).Banda ancha

4X 8X

Tonos puros como BPF

dB (A)

Ordenes

Término Fórmula Ejemplo

Potencia acústica – medida absoluta de nivel sonoro. Basada en energía irradiada por fuente de sonido N(Watt). Aunque la potencia acústica no se puede medir directamente, se puede calcular midiendo la presión acústica.

𝐿𝐿𝐿𝐿𝑤𝑤𝑤𝑤 = 10 · 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 �𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁0� [𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑]

𝑁𝑁𝑁𝑁0 = 10−12𝑊𝑊𝑊𝑊

Suma de potencia acústica es logarítmica. 2 fuentes de 60dB generan potencia de 63 dB:

10 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 �2 · 10−6

10−12� = 10 log(2) + 10𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 �

10−6

10−12� = 3𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑 + 60𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑

Optimiser facilita valores de Lw. Presión acústica – medida de nivel sonoro en un punto específico basado en la presión generada (Pa). El nivel sonoro puede ser medido o estimado en base a la potencia acústica, tipo de propagación y reverberación.

𝐿𝐿𝐿𝐿𝑝𝑝𝑝𝑝 = 20 · 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 �𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃0� [𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑]

𝑃𝑃𝑃𝑃0 = 2 · 10−5 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃

Cálculo de propagación en campo libre:

𝐿𝐿𝐿𝐿𝑝𝑝𝑝𝑝 = 𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿 − 10 · 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 �𝑄𝑄𝑄𝑄

4𝜋𝜋𝜋𝜋 · 𝑟𝑟𝑟𝑟2� [𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑]

Como se describe en la figura. (Fórmula en OPTIMISER)

Nivel de ruido ponderado – adaptación de presión y potencia a niveles adecuados al oído humano.

F(Hz) 63 125 250 500 1000 2000 Se analiza que frecuencias el oído humano percibe más intensamente. Pond(A) -26,2 -16,1 -8,6 -3,2 0 1,2

Ruido de fondo – nivel normal de ruido del ambiente donde está la fuente analizada.

El ruido de fondo influye en el análisis de la fuente sonora: - Diferencia l<3dB – análisis acústico no válido.

- Diferencia l entre 3dB y 10dB – aplicar corrección. - Diferencial >10dB – ruido de fondo insignificante.

Si el ruido de fondo son 20dB y la medición de la fuente analizada genera 60dB, el ruido de fondo no es revelante en el análisis Diferencia = 60 – 20 = 40 dB > 10 dB.

Conversión nivel de ruido en función de rotación hélice (n) y diámetro hélice (d). 𝐿𝐿𝐿𝐿𝑊𝑊𝑊𝑊2 = 𝐿𝐿𝐿𝐿𝑊𝑊𝑊𝑊1 + 50 · 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 �

𝑛𝑛𝑛𝑛2𝑛𝑛𝑛𝑛1�+ 70 · 𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙 �

𝑑𝑑𝑑𝑑2𝑑𝑑𝑑𝑑1� [𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑]

Al doblar las revoluciones el nivel de ruido aumenta 50·log(2) = 15 dB Al aumentar 10% el diámetro de la h élice, el nivel de ruido aumenta 70·log(1.1) = 3 dB

4. Envolvente – Geometría óptima La envolvente es un elemento clave en la eficiencia del sistema ya que define el com-portamiento del flujo del aire.

La mejor geometría es el tipo Bellmouth según esquemas laterales. Con el tipo Bellmouth obtendremos una entrada suave de aire y evitaremos las zonas de contacto que causan una pérdida de eficiencia de entre el 15 y 20% al crear pertur-baciones en las puntas de pala.

Dimensiones recomendadas para “Bellmouth”:

L

R

D

R = 0,1 x DL = 0,1 x D

Vena contracta

Bellmouth Sharp duct Orifice plate

Ideal Regular Menos Indicado

Estimación de pérdida de presión comparado con la de “Bellmouth“ en porcentaje de presión dinámica. (Perfil Airfoil) 0 50 70

Código hélice para buje

750/9-9/30º/PPG/4ZR/24/8/52/A Código hélice para brida

.../4ZR/20/4x7/BC50/B

Sentido de GiroL - Anti-horario R - Horario

B - Aspirante A - Soprante

Diámetro máximo entre el centrode agujeros de fijación.Diámetro de agujeros de fijaciónNº de agujeros de fijaciónAgujero centrador de brida ****(H8)

Dirección de flujo de aireLongitud de bujeAncho de chaveta ***(Js9)Agujero central del buje **(H7/G7)Sentido de giroPerfil de pala

(H14)* Diámetro de la héliceNº de palas

Nº de posiciones de palasÁngulo de palas

Material de palas* Tolerancias H14, según norma DS/EM 20286-2.** Tolerancias H7 para diámetros hasta 48 mm y G7 a partir de 55mm.*** Tolerancias para chaveta Js9, según norma ISO 773 (R).**** Tolerancias para motores de combustión H8.

Dirección de flujo del aire

Dirección de flujo del aire Dirección de flujo del aire

PPG: polipropileno reforzado con �bra de vidrioPAG: poliamida reforzado con �bra de vidrio AL: aluminioPAGAS: PAG antiestático

5. Equilibrado de hélicesTérmino Fórmula Ejemplo

Definición de desequilíbrio Eje de giro ≠ Eje desalineamiento de gravedad Objetos rotativos como hélices axiales.Norma de equilíbrio habitual ISO 1940/1. -Cuando equilibrar em 1 plano (Equilibrado estático) Profundidad de la hélice < 0,2 x Diámetro de la hélice. Caso de las hélices Multi-Wing.

Grado (G) de equilibración para hélices según la norma ISO 1940/1.

= 6,3 = 2,5 á

= ∙ ( )

2 ∙ ∙ ( − 1 ) ( ∙ )

( − 1) Equilibramos según el grado deseado por el cliente

6,3 = 950 = 95060

= 15,83 − 1

(habitual equilibrio de Multi-Wing)

6,3 ∙ ( )2 ∙ ∙ ( − 1)

= 0,0633 ∙ ( ∙ )

− 1

Si la hélice pesa 500g el máximo desequilibrio es

máximo desequilíbrio en un radio de 75 mm 32

75= 0,4

Signos de desequilibrio.Vibraciones y ruido.

frequencia de 1xRPM

En Multi-Wing equilibramos todas las hélices, por tanto desequilíbrio de nuevas hélices no es común.

Causas de vibraciones no relacionadas conel desequilibrio.

Resonancia, desalineamiento de ejes en el conjunto, ejes doblados, rodamiento defectuoso y holguras.

Los analisis de vibraciones pueden mostrarla causa.

Cómo determinar si el problema de vibracioneses debido a desequilibrio. Análisis “in-situ” de vibraciones. Determinar espectro de vibraciones,

equilibrar “In-situ” y evaluar el resultado.

y desequilibrio permisible.

Es decir que el

es de

Las amplitudes de las vibraciones se muestran a la

Donde m=masa de la hélice (g) y n=rotaciones por segundo

Donde m= masa de la hélice (g) y n= rotaciones por segundo

6. Vibraciones por resonancia

¿Cuándo puede haber resonancia?

M1 o M2 = 1x o 2x o 3x o 4x o BPF o OPF donde:- M1, M2 = frecuencias naturales de la pala- 1x, 2x, 3x, 4x = múltiplos enteros de la rotación [Hz] - BPF = Número de palas ∙ RPM

60[Hz]

- OPF = Número de soportes ∙ RPM60 [Hz]

¿Cómo evitar problemas de resonancia?

En Multi-Wing facilitamos el diagrama de “Campbell” de frecuencias naturales con margen de seguridad de 10% para evitar resonancia. (Ver en la figura de abajo)

¿Cómo determinar si hay problemas de resonancia en la aplicaxión?

Medida y análisis de amplitudes de vibraciones. Conociendo el espectro podemos saber en qué frecuencias se encuentran las amplitudes de vibraciones y determinar si coinciden con las frecuencias naturales de las palas.

¿Cómo determinar si hay problemas de resonancia en una hélice de 6 palas girando a 1500 RPM? Tenemos 4 soportes y las frecuencias naturales de las palas son 75 Hz y 193 Hz.

1x, 2x, 3x, 4x = 25, 50, 75, 100BPF = 6∙ 1500

= 150 , OPF = 4∙ 1500 = 10060 60

Ninguna de las frecuencias críticas son iguales a las frecuencias naturales de la hélice por lo que no debería haber resonancia. El diagrama de “Campbell” muestra el resultado con un margen de seguridad de 10%. (Margen rosa)

Pregunta Respuesta

1600 RPM

Hz

200

150

100

50

00 1100 1200 1300 1400 1500

Modo 1: 75HzModo 2: 93Hz

M2

M1

BPF

4N3N2N3N

N

Campbell

BPF = Blade Pass FrequencyOPF = Obstruction Pass Frequency

RMS mm/s

Órdenes X=RPM1x x01012x 3x 4x 5x 6x 7x 8x 9x 11x10x 12x

desequilibrioresonancia por velocidad de rotación = frecuencia naturaldesalineaciónresonancia por OPF (2,3 o 4 obstáculos) = frec. naturalholguras (desde 3x a 8x)ejemplo defecto en rodamiento (picos en órdenes NO enteras)resonancia por BPF = frecuencia natural (ejemplo para hélice 10 palas)

5,78x

Interpretación del espectro de frecuencias de vibración

LÍMITE MOTORES COMBUSTIÓN: 30-35mm/s ISO10816-6

LÍMITE MOTORES ELÉCTRICOS: 4-5mm/s ISO10816-3

7. Código de la hélice y tolerancias estándar

8. MaterialesFactores para determinar material de la pala:

• Velocidad de rotación de la hélice

• Temperatura

• Sustancias químicas

• Condiciones climáticas

• Vibraciones

La siguiente tabla muestra características de nuestros principales materiales de palas:

Nomenclatura Multi-Wing

PPG

PAG

Al

Composición

Polipropileno reforzado con fibra de vidrio (25%)

Poliamida reforzada con fibra de vidrio (25%)

EN AC-AL SI12Cu1(Fe)

Rango de trabajo

-10°C a +90°C

-40°C a + 120°C

-60°C a +245°C permanente +400°C durante 2h

Resistencia a tracción

85MPa

165MPa

240MPa

Módulo de flexión

6.0GPa

8.2GPa

70GPa

Resistencia química

Alta

Media

Baja

Tratamiento

--

--

Pintura Epoxi

9. Posición axial de la hélice La posición axial de la hélice depende del tipo de envolvente, forma-to de la pala y punto de trabajo. Usamos el termino FOOS (Fan Out of Schroud) para definir la posición axial. FOOS es el porcentaje de punta de la pala que sobresale del envolvente en el sentido del flujo. Abajo algunas recomendaciones de FOOS, según tipo de envolvente y tipo de pala:

Sicke Airfoil Increasing arc

Orifice plate 0 - 20% 0 - 20% 20 - 30%

Bellmounth 0 - 20% 0 - 50% 0 - 20%

Sharp 20 - 50% 0% 30 - 60%

Airflow Airflow Airflow

Orifice plateSickle bladeFOOS = 0%

BellmouthAirfoil blade

FOOS = 30%

SharpIncreasing arcFOOS = 30%

10. Obstáculos al flujo de aire Los obstáculos (soporte del motor, poleas, etc) deben estar a una distancia de las palas de como mínimo el 15% del diámetro de la hélice. Para intercambiadores de calor o radiadores, la distancia depende de la aplicación (flujo aspirante o soplante).

Tipo de aplicación Flujo aire Distancia min. radiador - palas

Soprante Hélice -> Radiador 50%

Aspirante Radiador -> Hélice 25%

Otras reglas recomendadas:Número de soportes ≠ Número de palas

Diámetro de núcleo 2 ≥ Diámetro de motor

>0,15 x D >0,15 x D

D D

0,25 x D 0,50 x D

Huelgo 0,5% x D Huelgo 0,5% x D

Airflow

Airflow

Airflow

y >W=ancho de la pala

11. Efecto del huelgo Definición de huelgo: es la distancia entre la punta de la pala y la pared interior de la envolvente. Efecto del huelgo: su aumento reduce la presión por tanto tambien el caudal. Huelgo ideal: entre 0,5% y 1% de diámetro de hélice según la tabla de abajo.

12. Alcance y propagación del aire

10,2º

10,2º

W(m

)

L(m)

D(m

m)

Vmed(m/s)

Vmax(m/s)

El alcance depende de los obstáculos como suelos y pare-des. Recomendamos una simulación CFD para determinar el alcance. Las siguientes fórmulas son buenas aproximaciones. Es importante reducir Q (m³/h) teniendo en cuenta la re-sistencia del sistema como soportes y huelgo elevado.

𝑊𝑊 = 0,36𝐿𝐿(𝑚𝑚) + (𝐷𝐷(𝑚𝑚𝑚𝑚)1000 ) (𝑚𝑚)

𝑅𝑅 = 6970 (𝑄𝑄(𝑚𝑚3 ℎ)⁄𝐷𝐷 (𝑚𝑚𝑚𝑚) )

2

𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉 𝑚𝑚𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉: 𝑉𝑉𝑚𝑚𝑉𝑉𝑉𝑉 = 1310 √ 𝑅𝑅

𝐿𝐿(𝑚𝑚𝑚𝑚) (𝑚𝑚 𝑠𝑠)⁄

𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉 𝑚𝑚á𝑥𝑥𝑉𝑉𝑚𝑚𝑉𝑉: 𝑉𝑉𝑚𝑚á𝑥𝑥 = (𝐷𝐷(𝑚𝑚𝑚𝑚)1850 + 1) 𝑉𝑉𝑚𝑚𝑉𝑉𝑉𝑉(𝑚𝑚 𝑠𝑠⁄ )

Fórmulas

Como reducir el efecto del huelgo: - Mejorando las tolerancias del ventilador (envolvente y soporte). - Utilizando aspas con menos sensibilidad al huelgo como está indicado en la figura. - Utilizando la aplicación del sistema 0-Tip en caso de un huelgo elevado.

El diámetro de la hélice Multi-Wing cumple con la tolerancia h14.

100%

94%

84%

71%

Pico de presión

(%)

Huelgo (%)

Diámetro de la hélice (mm)

0,5%990 mm

1%980 mm

2%962 mm

4%926 mm

En este grafico se ve el efecto del huelgo en la presión de una hélice. (Referencia: pala airfoil con 0,5% de huelgo = 100% presión).

1. La curva característica de una hélice axial2. Las leyes para hélices axiales

3. Acústica4. Envolvente – Geometría óptima

5. Equilibrado de las hélices6. Vibraciones por resonancia