Ciclotor - Cyclorotor
Um cyclorotor , rotor cicloidal , hélice cicloidal ou cyclogiro , é um dispositivo de propulsão de fluido que convertidos eixo de alimentação à aceleração de um fluido através de um eixo de rotação perpendicular à direcção de movimento do fluido. Ele usa várias lâminas com um eixo transversal paralelo ao eixo de rotação e perpendicular à direção do movimento do fluido. Essas lâminas são ciclicamente inclinadas duas vezes por revolução para produzir força ( impulso ou levantamento) em qualquer direção normal ao eixo de rotação. Os ciclomotores são usados para propulsão, elevação e controle de veículos aéreos e aquáticos. Uma aeronave que usa ciclomotores como fonte primária de sustentação, propulsão e controle é conhecida como ciclogiro ou ciclocóptero . O aplicativo patenteado, usado em navios com mecanismos de acionamento específicos tanto mecânicos quanto hidráulicos, leva o nome do nome da empresa alemã Voith Turbo que os produz: Voith Schneider Propellers .
Princípio de operação
Os ciclomotores produzem o empuxo pela ação combinada de uma rotação de um ponto fixo das pás em torno de um centro e a oscilação das pás que muda seu ângulo de ataque ao longo do tempo. A ação conjunta do avanço produzido pelo movimento orbital e variação do ângulo de passo gera um impulso maior em baixa velocidade do que qualquer outra hélice. Em pairar, as pás são acionadas para um passo positivo (para fora do centro do rotor) na metade superior de sua revolução e um passo negativo (para dentro em direção ao eixo de rotação) sobre a metade inferior induzindo uma força aerodinâmica ascendente líquida e oposto de downwash de fluido . Variando a fase desse movimento de inclinação, a força pode ser deslocada para qualquer ângulo perpendicular ou mesmo para baixo. Antes do estol da lâmina , aumentar a amplitude da cinemática do pitch aumentará o empuxo.
História
A origem da hélice rotociclóide é russa e se relaciona ao domínio aeronáutico. O "Samoljot" de Sverchkov (São Petersburgo, 1909) ou "ortóptero de roda" foi o primeiro veículo expressamente pensado para ter usado este tipo de propulsão. Seu esquema se aproximou do cyclogiro, mas é difícil classificá-lo com precisão. Ele tinha três superfícies planas e um leme; a borda posterior de uma das superfícies pode ser dobrada, substituindo a ação de um elevador. A sustentação e o empuxo tiveram que ser criados por rodas de pás consistindo de 12 lâminas, estabelecidas em pares sob um ângulo de 120 °. As lâminas de formato côncavo mudavam o ângulo de incidência por meio de excêntricos e molas. Em um fundo da nave, um motor de 10 cv foi arranjado. A transmissão foi assegurada por um cinto. O peso vazio era de cerca de 200 kg. "Samoljot" foi construído pelo engenheiro militar EP Sverchkov com as bolsas da Agência Principal de Engenharia em São Petersburgo em 1909, foi demonstrado na Exposição de Invenções Mais Novas e ganhou uma medalha. Caso contrário, ele não poderia passar nos testes preliminares sem voar.
Em 1914, o inventor e cientista russo AN Lodygin dirigiu-se ao governo russo com o projeto da aeronave semelhante ao ciclogiro, seu esquema era semelhante ao "Samoljot" de Sverchkov. O projeto não foi executado.
Em 1933, experimentos na Alemanha por Adolf Rohrbach resultaram em um arranjo de asa de roda de pás. Os winglets oscilantes passaram de ângulos de ataque positivos para negativos durante cada revolução para criar sustentação, e sua montagem excêntrica produziria, em teoria, quase qualquer combinação de forças horizontais e verticais. O DVL avaliou o projeto de Rohrbach, mas os periódicos de aviação estrangeiros da época lançaram dúvidas sobre a solidez do projeto, o que significava que o financiamento para o projeto não poderia ser levantado, mesmo com uma última proposta como uma aeronave de transporte da Luftwaffe. Parece não haver evidência de que esse projeto tenha sido construído, muito menos voado. Com base na pesquisa de roda de pás de Rohrbach, no entanto, Platt nos Estados Unidos projetou em 1933 seu próprio Cyclogyro independente. Seu arranjo de asa de roda de pás foi premiado com uma patente dos EUA (que era apenas uma das muitas patentes semelhantes em arquivo), e passou por extensos testes em túnel de vento no MIT em 1927. Apesar disso, não há evidências de que a aeronave de Platt foi construída.
A primeira propulsão ciclóide operativa foi desenvolvida na Voith . Suas origens remontam à decisão da empresa Voith de focar no negócio de montagens de engrenagens de transmissão para turbinas. A famosa hélice Voight foi baseada em seu know-how de dinâmica de fluidos adquirido em projetos anteriores de turbinas. Foi inventado por Ernst Schneider e aprimorado pela Voith. Foi lançado com o nome de Voith-Schneider Propeller (VSP) para embarcações comerciais. Esta nova unidade marítima pode melhorar significativamente a manobrabilidade de um navio, conforme demonstrado nos testes de mar bem-sucedidos no barco de teste Torqueo, em 1937. As primeiras hélices Voith Schneider foram colocadas em operação nos estreitos canais de Veneza, Itália. Durante a Feira Mundial de 1937 em Paris, a Voith recebeu o grande prêmio - três vezes - por sua exposição de hélices Voith Schneider e turbo-transmissões da Voith. Um ano depois, dois dos barcos de combate a incêndio de Paris começaram a operar com o novo sistema VSP.
Vantagens e desafios do design
Vetorização de impulso rápido
Os ciclomotores fornecem um alto grau de controle. Hélices , rotores e motores a jato tradicionais produzem empuxo apenas ao longo de seu eixo de rotação e exigem a rotação de todo o dispositivo para alterar a direção do empuxo. Essa rotação requer grandes forças e escalas de tempo comparativamente longas, uma vez que a inércia da hélice é considerável e as forças giroscópicas do rotor resistem à rotação. Para muitas aplicações práticas (helicópteros, aviões, navios), isso exige a rotação de todo o navio. Em contraste, os ciclomotores precisam apenas variar os movimentos de passo das pás. Como há pouca inércia associada à mudança do passo da pá, a vetorização do empuxo no plano perpendicular ao eixo de rotação é rápida.
Impulso de alta taxa de avanço e levantamento simétrico
Os ciclomotores podem produzir sustentação e empuxo em altas taxas de avanço, o que, em teoria, permitiria a uma aeronave ciclogiro voar a velocidades subsônicas bem superiores às de helicópteros de rotor único. Helicópteros de rotor único são limitados em velocidade de avanço por uma combinação de estol de lâmina em recuo e restrições de ponta de lâmina sônica. Conforme os helicópteros voam para frente, a ponta da lâmina em avanço experimenta uma velocidade do vento que é a soma da velocidade de avanço do helicóptero e da velocidade de rotação do rotor. Este valor não pode exceder a velocidade do som se o rotor for eficiente e silencioso. Diminuir a velocidade de rotação do rotor evita esse problema, mas apresenta outro. No método tradicional de composição de velocidade é fácil entender que a velocidade experimentada pela lâmina em recuo tem um valor que é produzido pela composição vetorial da velocidade de rotação da lâmina e da velocidade do fluxo livre. Nesta condição, é evidente que na presença de uma razão de avanço suficientemente alta , a velocidade do ar na lâmina em retirada é baixa. O movimento de bater da lâmina muda o ângulo de ataque. Então, é possível que a lâmina alcance a condição de estol. Nesse caso, é necessário que a lâmina de estol aumente o ângulo de inclinação para manter alguma capacidade de levantamento. Esse risco impõe restrições ao design do sistema. Uma escolha precisa do perfil da asa é necessária e um dimensionamento cuidadoso do raio do rotor para a faixa de velocidade especificada. Os ciclomotores de baixa velocidade contornam esse problema por meio de um eixo horizontal de rotação e operam a uma velocidade da ponta da lâmina comparativamente baixa. Para velocidades mais altas, que podem se tornar necessárias para aplicações industriais, parece necessário adotar estratégias e soluções mais sofisticadas. Uma solução é o acionamento independente das lâminas recentemente patenteadas e testadas com sucesso para uso naval em sistema de acionamento hidráulico. O eixo horizontal de rotação sempre proporciona um avanço das pás superiores, que produzem sempre um levantamento positivo pelo rotor completo. Essas características podem ajudar a superar dois problemas dos helicópteros: sua baixa eficiência energética e a limitação da taxa de avanço.
Aerodinâmica instável
O avanço das pás e as oscilações são as duas ações dinâmicas que são produzidas por um ciclomotor. É evidente que as lâminas das asas de um ciclomotor operam de maneira diferente de uma asa de aeronave tradicional ou de uma asa de helicóptero tradicional. As lâminas de um ciclotor oscilam por rotação em torno de um ponto que rotativo descreve uma circunferência ideal. A combinação do movimento de avanço do centro de rotação da lâmina e a oscilação da lâmina (é um movimento de alguma forma semelhante ao pêndulo), que continuam a variar seu passo, geram um conjunto complexo de fenômenos aerodinâmicos:
- o atraso da parada da lâmina;
- um aumento do coeficiente máximo de levantamento da lâmina em números de Reynolds baixos .
Os dois efeitos estão evidentemente correlacionados com um aumento geral do impulso produzido. Se comparado a um helicóptero ou qualquer outra hélice, é evidente que a mesma seção da pá em um rotociclóide produz muito mais empuxo com o mesmo número de Reynolds. Esse efeito pode ser explicado considerando o comportamento tradicional de uma hélice.
Em números de Reynolds baixos, as condições de turbulência e de fluxo laminar podem ser alcançadas. Considerando um perfil de asa tradicional, é evidente que essas condições minimizam as diferenças de velocidade entre as faces superior e inferior da asa. É então evidente que as velocidades de levantamento e estol são reduzidas. Uma consequência é uma redução do ângulo de fixação em que as condições de estol são alcançadas.
Neste regime, hélices e rotores convencionais devem usar uma área maior da pá e girar mais rápido para atingir as mesmas forças propulsivas e perder mais energia para o arrasto da pá. É então evidente que um ciclotor é muito mais eficiente em termos de energia do que qualquer outra hélice.
Os ciclomotores reais contornam esse problema aumentando rapidamente e, em seguida, diminuindo o ângulo de ataque da lâmina, o que retarda temporariamente o estol e atinge um alto coeficiente de sustentação. Esta elevação instável torna os ciclomotores mais eficientes em pequenas escalas, baixas velocidades e grandes altitudes do que as hélices tradicionais. Por outro lado, é evidente que muitos seres vivos, como pássaros e alguns insetos, ainda são muito mais eficientes, porque podem alterar não apenas o tom, mas também a forma de suas asas, ou podem alterar a propriedade da camada limite, como como pele de tubarão .
Algumas pesquisas procuram adquirir o mesmo nível de eficiência dos exemplos naturais de asas ou superfícies. Uma direção é introduzir conceitos de asas transformadas. Outro está relacionado à introdução de mecanismos de controle da camada limite, como a descarga da barreira dielétrica.
Ruído
Durante a avaliação experimental, os ciclomotores produziram pouco ruído aerodinâmico. Isso provavelmente se deve às velocidades mais baixas da ponta da lâmina, que produzem turbulência de menor intensidade após as lâminas.
Eficiência de empuxo flutuante
Em testes de pequena escala, os ciclomotores alcançaram uma carga de energia mais alta do que os rotores tradicionais de escala comparável com a mesma carga de disco . Isso é atribuído à utilização de levantamento instável e condições aerodinâmicas consistentes da lâmina. O componente rotacional da velocidade nas hélices aumenta da raiz à ponta e requer corda da pá, torção, aerofólio, etc., para variar ao longo da pá. Uma vez que a amplitude da pá do ciclotor é paralela ao eixo de rotação, cada seção da pá ao spanwise opera em velocidades semelhantes e toda a pá pode ser otimizada.
Considerações estruturais
As pás do ciclotor requerem estrutura de suporte para seu posicionamento paralelo ao eixo de rotação do rotor. Essa estrutura, às vezes chamada de "raios", aumenta a resistência do parasita e o peso do rotor. As pás do ciclotor também são carregadas centrifugamente na flexão (em oposição à carga axial nas hélices), o que requer pás com uma relação resistência / peso extremamente alta ou raios intermediários de suporte das pás. Os ciclomotores do início do século 20 apresentavam vãos curtos das pás ou estrutura de suporte adicional para contornar esse problema.
Considerações sobre o passo da lâmina
Os ciclomotores requerem passo da lâmina continuamente atuado. O ângulo de fluxo relativo experimentado pelas pás conforme elas giram em torno do rotor varia substancialmente com a razão de avanço e empuxo do rotor. Para operar de forma mais eficiente, um mecanismo de inclinação da lâmina deve se ajustar a esses diversos ângulos de fluxo. As altas velocidades de rotação tornam difícil implementar um mecanismo baseado em atuador, que exige uma trilha de forma fixa ou variável para controle de inclinação, montada paralelamente à trajetória da lâmina, na qual são colocados seguidores da lâmina, como rolos ou almofadas de ar - a forma da trilha de controle de inclinação de forma confiável determina o passo da lâmina ao longo da órbita, independentemente do RPM da lâmina. Embora os movimentos de inclinação usados em pairar não sejam otimizados para vôo para a frente, na avaliação experimental eles foram encontrados para fornecer vôo eficiente até uma proporção de avanço próxima a um.
Formulários
Turbinas eólicas
As turbinas eólicas são uma aplicação potencial dos ciclomotores. Eles são nomeados neste caso turbinas eólicas de eixo vertical de passo variável , com grandes benefícios em relação aos VAWTs tradicionais. Este tipo de turbina é declarado para superar a maioria das limitações tradicionais dos VAWTs Darrieus tradicionais.
Propulsão e controle do navio
A aplicação mais difundida de ciclomotores é para propulsão e controle de navios. Nos navios, o ciclotor é montado com o eixo de rotação vertical de forma que o empuxo pode ser vetorado rapidamente em qualquer direção paralela ao plano da superfície da água. Em 1922, Kurt Kirsten instalou um par de ciclomotores em um barco de 32 pés em Washington, o que eliminou a necessidade de um leme e proporcionou extrema capacidade de manobra. Enquanto a ideia fracassou nos Estados Unidos depois que a Kirsten-Boeing Propeller Company perdeu uma bolsa de pesquisa da Marinha dos EUA, a empresa de hélice Voith-Schneider empregou comercialmente a hélice com sucesso. Esta hélice Voith-Schneider foi instalada em mais de 100 navios antes do início da Segunda Guerra Mundial. Hoje, a mesma empresa vende a mesma hélice para embarcações altamente manobráveis. É aplicado em navios de perfuração offshore, rebocadores e balsas.
Aeronave
Ciclogiro
Um ciclogiro é uma aeronave de decolagem e aterrissagem vertical que usa um ciclotor como asa de rotor para elevação e freqüentemente também para propulsão e controle. Os avanços na aerodinâmica do ciclotor possibilitaram o primeiro voo em ciclogiro sem amarras em 2011 no Instituto Politécnico do Noroeste da China. Desde então, universidades e empresas voaram com sucesso em ciclogiros de pequena escala em várias configurações.
O desempenho dos rotores tradicionais é severamente deteriorado em números Reynolds baixos devido ao estol da lâmina no ângulo de ataque baixo. Os MAVs atuais com capacidade de pairar podem permanecer no ar por apenas alguns minutos. Os MAVs de ciclomotor (ciclogiros de escala muito pequena) podem utilizar elevação instável para estender a resistência. O menor ciclogiro voado até hoje pesa apenas 29 gramas e foi desenvolvido pelo avançado laboratório de voo vertical da Universidade A&M do Texas.
Ciclogiro comerciais UAVs estão sendo desenvolvidos pela D-Daelus e pela Pitch Aeronautics.
Propulsão e controle de dirigível
Uma grande área exposta torna os dirigíveis suscetíveis a rajadas e difíceis de decolar, pousar ou atracar em condições de vento. A propulsão de dirigíveis com ciclomotores pode permitir o vôo em condições atmosféricas mais severas, compensando rajadas com vetorização de empuxo rápido. Seguindo essa ideia, a Marinha dos Estados Unidos considerou seriamente a instalação de seis ciclomotores Kirsten-Boeing primitivos no dirigível USS Shenandoah . O Shenandoah caiu durante o trânsito em uma linha de tempestade em 3 de setembro de 1925, antes de qualquer instalação e teste possível. Nenhum teste em grande escala foi tentado desde então, mas um dirigível ciclomotor de 20 m (66 pés) demonstrou um desempenho melhorado em relação a uma configuração de dirigível tradicional em um teste.
Veja também
- Ciclóide - Curva traçada por um ponto em um círculo rolante
- Ciclogiro - configuração de aeronave que usa um ciclotor de eixo horizontal como asa do rotor
- Rotor de helicóptero - componente de aeronave