Guia básica para hélices Multi-Wing

Guía básica para hélices axiales Índice 1. La curva característica de una hélice axial 2. Las leyes para hélices axiales 3. Acústica 4. Envolvente – Geometría óptima 5. Equilibrado de las hélices 6. Vibraciones por resonancia

7. Código de la hélice y tolerancias estándar 8. Materiales 9. Posición axial de la hélice 10. Obstáculos al flujo de aire 11. Efecto del huelgo 12. Alcance y propagación del aire

Multi-Wing Ibérica S.L.

Pol. Ind. Mata-Rocafonda, C./ Vapor Gordils, 7. E-08304 Mataró Tel: + 34 / 93 755 20 41 | Web: www.multi-wing.es E-mail: info@multi-wing.es

Versión 3 10/15

1. La curva caracterĂ­stica de una hĂŠlice axial A - Curva caracterĂ­stica B - Curva de resistencia del sistema C - Punto de trabajo D - Curva de potencia absorbida por la hĂŠlice E - Zona de turbulencia F - Ă ngulo de pala G - Zona de operaciĂłn Ăłptima H - Pico de presiĂłn I - PresiĂłn dinĂĄmica

PresiĂłn estĂĄtica (Pe )

D

Potencia (N)

A

B F 35Âş

MÊtodos para determinar la resistencia del sistema 1. Cålculo usando guías estimativas de resistencia. Pe =C ¡ pd 2. Teste en túnel de viento del conjunto completo 3. Midiendo el caudal de la hÊlice 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

Resistencia del sistema 2 Pe =C ¡ v C = constante v = velocidad del aire I 1 2 Pd= pv 2

H

E

C G

Caudal de aire(V)

2. Las leyes para hĂŠlices axiales Una vez conocida la curva caracterĂ­stica de una hĂŠlice axial podemos obtener sus equivalentes a diferente rotaciĂłn (n), temperatura (T en Kelvin) y diĂĄmetro (d), usando las leyes de la ventilaciĂłn: TĂŠrmino

FĂłrmula

Ejemplo Si doblamos la rotación (n2=2¡n1), con diåmetro de hÊlice constante (d2=d1), el caudal (V2) se doblarå.

Aumentando diĂĄmetro un 10% (d2=1,1d1), y manteniendo la rotaciĂłn y temperatura, la presiĂłn aumenta 21%.

��2 ��2 3 ��2 = ��1 ¡ ( ) ¡ ( ) ��1 ��1

V (caudal)

��2 2 ��2 2 ��1 ) ¡ ( ) ¡ ( ) ��1 ��1 ��2

P (presiĂłn estĂĄtica)

đ?‘ƒđ?‘ƒ2 = đ?‘ƒđ?‘ƒ1 ¡ (

N (potencia)

đ?‘ đ?‘ 2 = đ?‘ đ?‘ 1 ¡ (

Aumentando la temperatura de 20°C a 50°C, manteniendo la rotación y diåmetro, la potencia disminuye 9%

��2 3 ��2 5 ��1 ) ¡ ( ) ¡ ( ) ��1 ��1 ��2

3. AcĂşstica

El ruido de una hĂŠlice 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 edgeâ€?, desprendimiento de vĂłrtices y otros efectos de turbulencia. La grafica de abajo muestra el tĂ­pico espectro.

TĂŠrmino

FĂłrmula

Potencia acústica – medida absoluta de nivel sonoro.

Basada en energĂ­a irradiada por fuente de sonido N(Watt). Aunque la potencia acĂşstica no se puede medir directamente, se puede calcular midiendo la presiĂłn acĂşstica.

đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ??żđ??żđ??żđ??żđ?‘¤đ?‘¤đ?‘¤đ?‘¤ = 10 ¡ đ?‘™đ?‘™đ?‘™đ?‘™đ?‘™đ?‘™đ?‘™đ?‘™đ?‘™đ?‘™đ?‘™đ?‘™ ďż˝ ďż˝ [đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘] đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ 0 −12 đ?‘ đ?‘ đ?‘ đ?‘ 0 = 10 đ?‘Šđ?‘Šđ?‘Šđ?‘Š

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.

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

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

ConversiĂłn nivel de ruido en funciĂłn de rotaciĂłn hĂŠlice (n) y diĂĄmetro hĂŠlice (d).

F(Hz)

D

PropagaciĂłn

2 ¡ 10−6 10−6 ďż˝ = 10 log(2) + 10đ?‘™đ?‘™đ?‘™đ?‘™đ?‘™đ?‘™đ?‘™đ?‘™đ?‘™đ?‘™đ?‘™đ?‘™ ďż˝ −12 ďż˝ = 3đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘ + 60đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘ 10 đ?‘™đ?‘™đ?‘™đ?‘™đ?‘™đ?‘™đ?‘™đ?‘™đ?‘™đ?‘™đ?‘™đ?‘™ ďż˝ 10−12 10

Optimiser facilita valores de Lw.

CĂĄlculo de propagaciĂłn en campo libre: đ?‘„đ?‘„đ?‘„đ?‘„ đ??żđ??żđ??żđ??żđ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘? = đ??żđ??żđ??żđ??żđ??żđ??żđ??żđ??ż − 10 ¡ đ?‘™đ?‘™đ?‘™đ?‘™đ?‘™đ?‘™đ?‘™đ?‘™đ?‘™đ?‘™đ?‘™đ?‘™ ďż˝ ďż˝ [đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘] 4đ?œ‹đ?œ‹đ?œ‹đ?œ‹ ¡ đ?‘&#x;đ?‘&#x;đ?‘&#x;đ?‘&#x; 2

đ?‘ƒđ?‘ƒđ?‘ƒđ?‘ƒ đ??żđ??żđ??żđ??żđ?‘?đ?‘?đ?‘?đ?‘? = 20 ¡ đ?‘™đ?‘™đ?‘™đ?‘™đ?‘™đ?‘™đ?‘™đ?‘™đ?‘™đ?‘™đ?‘™đ?‘™ ďż˝ ďż˝ [đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘đ?‘‘] đ?‘ƒđ?‘ƒđ?‘ƒđ?‘ƒ0 −5 đ?‘ƒđ?‘ƒđ?‘ƒđ?‘ƒ0 = 2 ¡ 10 đ?‘ƒđ?‘ƒđ?‘ƒđ?‘ƒđ?‘ƒđ?‘ƒđ?‘ƒđ?‘ƒ

63

125

250

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

500

1000

2000

Pond(A) -26,2 -16,1 -8,6 -3,2 0 1,2 El ruido de fondo influye en el anĂĄlisis de la fuente sonora: - Diferencia l<3dB â&#x20AC;&#x201C; anĂĄlisis acĂşstico no vĂĄlido.

- Diferencia l entre 3dB y 10dB â&#x20AC;&#x201C; aplicar correcciĂłn.

- Diferencial >10dB â&#x20AC;&#x201C; ruido de fondo insignificante.

Q = 1 (esfĂŠrico).

r

Lp

Si el ruido de fondo son 20dB y la mediciĂłn de la fuente analizada genera 60dB, el ruido de fondo no es revelante en el anĂĄlisis Diferencia = 60 â&#x20AC;&#x201C; 20 = 40 dB > 10 dB.

Q = 2 (1/2 esfĂŠrico).

Lp

Q = 1 (esfĂŠrico).

Se analiza que frecuencias el oĂ­do humano percibe mĂĄs intensamente.

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

đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x203A;2 đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;&#x2018;2 đ??żđ??żđ??żđ??żđ?&#x2018;&#x160;đ?&#x2018;&#x160;đ?&#x2018;&#x160;đ?&#x2018;&#x160;2 = đ??żđ??żđ??żđ??żđ?&#x2018;&#x160;đ?&#x2018;&#x160;đ?&#x2018;&#x160;đ?&#x2018;&#x160;1 + 50 ¡ đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x2122; ďż˝ ďż˝ + 70 ¡ đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x2122;đ?&#x2018;&#x2122; ďż˝ ďż˝ [đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;&#x2018;] đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x203A;1 đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;&#x2018;1

Q = 2 (1/2 esfĂŠrico).

LW

Ejemplo Suma de potencia acĂşstica es logarĂ­tmica.

2 fuentes de 60dB generan potencia de 63 dB:

Tonos puros como BPF

dB (A)

Lp

Q = 2 (1/2 esfĂŠrico).

Lw

Lp

Q = 4 (1/4 esfĂŠrico).

Lw

Q = 8 (1/8 esfĂŠrico).

Lp

Lp

Lp

Q = 8 (1/8 esfĂŠrico).

<2xD campo prĂłximo

>2xD campo libre

Lp

Lw

Q = 4 (1/4 esfĂŠrico).

Lp

Lw

Lp

Lp

Lw

Lw Lp

Lw Lw

Banda ancha

4X

Lp

Ordenes

8X

4. Envolvente â&#x20AC;&#x201C; GeometrĂ­a Ăłptima La envolvente es un elemento clave en la eficiencia del sistema ya que define el comportamiento del flujo del aire.

L

Vena contracta

La mejor geometrĂ­a es el tipo Bellmouth segĂşn esquemas laterales.

Con el tipo Bellmouth obtendremos una entrada suave de aire y evitaremos las zonas de contacto que causan una pĂŠrdida de eficiencia de entre el 15 y 20% al crear perturbaciones en las puntas de pala.

Dimensiones recomendadas para â&#x20AC;&#x153;Bellmouthâ&#x20AC;?: R = 0,1 x D L = 0,1 x D EstimaciĂłn de pĂŠrdida de presiĂłn comparado con la de â&#x20AC;&#x153;Bellmouthâ&#x20AC;&#x153; en porcentaje de presiĂłn dinĂĄmica. (Perfil Airfoil)

D Bellmouth

R

Ideal 0

Sharp duct

Regular 50

Orifice plate

Menos Indicado 70

5. Equilibrado de hélices Término Definición de desequilíbrio Norma de equilíbrio habitual Cuando equilibrar em 1 plano (Equilibrado estático)

950 = 15 ,83 60 (habitual equilibrio de Multi-Wing) = 950

=

Ejemplo Objetos rotativos como hélices axiales.

-

Profundidad de la hélice < 0,2 x Diámetro de la hélice.

Caso de las hélices Multi-Wing.

= 6,3 y ( ) ( ∙ −1

= 2,5 desequilibrio permisible.á ∙ ) Donde m= masa de la hélice (g) y = ) 2∙ ∙ ( n= rotaciones por segundo ( − 1 ) 6,3 ∙ ( ) = 0,0633 ∙ ( ∙ ) 2 ∙ ∙ ( − 1) Donde m=masa de la hélice (g) y n=rotaciones por segundo

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

6,3

Fórmula Eje de giro ≠ Eje desalineamiento de gravedad ISO 1940/1.

−1

−1

Signos de desequilibrio.

Causas de vibraciones no relacionadas con el desequilibrio.

Cómo determinar si el problema de vibraciones es debido a desequilibrio.

Equilibramos según el grado deseado por el cliente Si la hélice pesa 500g el máximo desequilibrio Es decir que el es máximo desequilíbrio en un radio de 75 mm 32 es de = 0,4 75

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

Los analisis de vibraciones pueden mostrar la causa.

Determinar espectro de vibraciones, equilibrar “In -situ” y evaluar el resultado.

Vibraciones y ruido.

Las amplitudes de las vibraciones se muestran a la frequencia de 1xRPM Resonancia, desalineamiento de ejes en el conjunto, ejes doblados, rodamiento defectuoso y holguras.

Análisis “in-situ” de vibraciones.

6. Vibraciones por resonancia Pregunta

Respuesta 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] RPM [Hz] - BPF = Número de palas ∙

¿Cuándo puede haber resonancia?

60

- OPF = Número de soportes ∙ ¿Cómo evitar problemas de resonancia? ¿Cómo determinar si hay problemas de resonancia en la aplicaxión? ¿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.

RPM 60

[Hz]

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) 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.

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

6∙ 1500 60

= 150

, OPF =

4∙ 1500 60

= 100

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) Interpretación del espectro de frecuencias de vibración

Hz

Modo 1: 75Hz Modo 2: 93Hz

Campbell

RMS mm/s

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

M2

200 150

BPF

100

4N

M1

50 0 0

1100

1200

1300

1400

1500

BPF = Blade Pass Frequency

3N 2N N 1600 RPM

OPF = Obstruction Pass Frequency LÍMITE MOTORES COMBUSTIÓN: 30-35mm/s ISO10816-6 LÍMITE MOTORES ELÉCTRICOS: 4-5mm/s ISO10816-3

1x

2x

3x

4x

5x

6x

7x

8x

9x

10 1 0x 10x

11x

12x

Órdenes X=RPM

5,78x

7. Código de la hélice y tolerancias estándar Código hélice para buje

Código hélice para brida

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

750/9-9/30º/PPG/4ZR/24/8/52/A (H14)* Diámetro de la hélice

Dirección de flujo de aire Longitud de buje Ancho de chaveta ***(Js9) Agujero central del buje **(H7/G7) Sentido de giro * Tolerancias Perfil de pala

Nº de palas Nº de posiciones de palas Ángulo de palas Material de palas

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.

PPG: polipropileno reforzado con fibra de vidrio PAG: poliamida reforzado con fibra de vidrio AL: aluminio PAGAS: PAG antiestático L - Anti-horario

Sentido de Giro

R - Horario

Dirección de flujo del aire B - Aspirante

Dirección de flujo del aire

Diámetro máximo entre el centro de agujeros de fijación.

Diámetro de agujeros de fijación Nº de agujeros de fijación Agujero centrador de brida ****(H8)

Dirección de flujo del aire

A - Soprante

8. Materiales Factores para determinar material de la pala: â&#x20AC;˘ Velocidad de rotaciĂłn de la hĂŠlice

Nomenclatura Multi-Wing

â&#x20AC;˘ Temperatura

ComposiciĂłn

â&#x20AC;˘ Sustancias quĂ­micas

Rango de trabajo

â&#x20AC;˘ Condiciones climĂĄticas â&#x20AC;˘ Vibraciones

Resistencia a tracciĂłn MĂłdulo de flexiĂłn

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

Resistencia quĂ­mica Tratamiento

PPG

PAG

Polipropileno reforzado con fibra de vidrio (25%)

Poliamida reforzada con fibra de vidrio (25%)

-10°C a +90°C

Al EN AC-AL SI12Cu1(Fe) -60°C a +245°C permanente +400°C durante 2h

-40°C a + 120°C

85MPa

165MPa

240MPa

6.0GPa

8.2GPa

70GPa

Alta

Media

-

-

-

Baja

-

Pintura Epoxi

9. PosiciĂłn axial de la hĂŠlice La posiciĂłn axial de la hĂŠlice depende del tipo de envolvente, formato de la pala y punto de trabajo. Usamos el termino FOOS (Fan Out of Schroud) para definir la posiciĂłn axial. FOOS es el porcentaje de punta de la pala que sobresale del envolvente en el sentido del flujo.

Abajo algunas recomendaciones de FOOS, segĂşn 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 Orifice plate Sickle blade FOOS = 0%

Airflow

Airflow

Bellmouth Airfoil blade FOOS = 30%

Sharp Increasing arc FOOS = 30%

10. ObstĂĄculos al flujo de aire Los obstĂĄculos (soporte del motor, poleas, etc) deben estar a una distancia de las palas de como mĂ­nimo el 15% del diĂĄmetro de la hĂŠlice. Para intercambiadores de calor o radiadores, la distancia depende de la aplicaciĂłn (flujo aspirante o soplante).

Flujo aire

Distancia min. radiador - palas

Soprante

HĂŠlice -> Radiador

50%

Aspirante

Radiador -> HĂŠlice

25%

Tipo de aplicaciĂłn

0,25 x D

>0,15 x D

>0,15 x D y >W=ancho de la pala

0,50 x D

Airflow

D

Airflow

D

Airflow

Otras reglas recomendadas: NĂşmero de soportes â&#x2030; NĂşmero de palas DiĂĄmetro de nĂşcleo 2 â&#x2030;Ľ DiĂĄmetro de motor

Huelgo 0,5% x D

Huelgo 0,5% x D

11. Efecto del huelgo DefiniciĂłn de huelgo: es la distancia entre la punta de la pala y la pared interior Como reducir el efecto del huelgo: de la envolvente.

- Mejorando las tolerancias del ventilador (envolvente y soporte).

Efecto del huelgo: su aumento reduce la presiĂłn por tanto tambien el caudal.

- Utilizando aspas con menos sensibilidad al huelgo como estĂĄ indicado en la figura.

Huelgo ideal: entre 0,5% y 1% de diĂĄmetro de hĂŠlice segĂşn la tabla de abajo.

- Utilizando la aplicaciĂłn del sistema 0-Tip en caso de un huelgo elevado.

En este grafico se ve el efecto del huelgo en la presiĂłn de una hĂŠlice.

(Referencia: pala airfoil con 0,5% de huelgo = 100% presiĂłn).

Pico de presiĂłn (%)

100% 94% 84% 71%

Huelgo (%) 0,5% 990 mm

1% 980 mm

2% 962 mm

4% 926 mm

DiĂĄmetro de la hĂŠlice (mm)

El diĂĄmetro de la hĂŠlice Multi-Wing cumple con la tolerancia h14.

12. Alcance y propagaciĂłn del aire El alcance depende de los obstĂĄculos como suelos y paredes. Recomendamos una simulaciĂłn CFD para determinar el alcance. Las siguientes fĂłrmulas son buenas aproximaciones.

Vmed(m/s) 10,2Âş

FĂłrmulas

đ?&#x2018;&#x2026;đ?&#x2018;&#x2026; = 6970 (

Vmax(m/s)

2

đ?&#x2018;&#x201E;đ?&#x2018;&#x201E;(đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x161;3 â &#x201E;â&#x201E;&#x17D;) ) đ??ˇđ??ˇ (đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;&#x161;)

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Es importante reducir Q (mÂł/h) teniendo en cuenta la resistencia del sistema como soportes y huelgo elevado.