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Hélice (aeronáutica)

Las hélices de un avión de transporte militar C-130J Super Hercules En aeronáutica , una hélice de aeronave , también llamada tornillo sin fin , [ 1 ] [ 2 ] convierte el movimie...

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Las hélices de un avión de transporte militar C-130J Super Hercules

En aeronáutica , una hélice de aeronave , también llamada tornillo sin fin , [ 1 ] [ 2 ] convierte el movimiento rotatorio de un motor u otra fuente de energía en una corriente de aire que impulsa la hélice hacia adelante o hacia atrás. Consta de un cubo giratorio accionado por un motor, al que se fijan varias palas radiales con perfil aerodinámico , de modo que todo el conjunto gira alrededor de un eje longitudinal. El paso de las palas puede ser fijo, variable manualmente a unas pocas posiciones predefinidas o del tipo de velocidad constante, que es variable automáticamente.

La hélice se acopla al eje de transmisión de la fuente de energía directamente o mediante engranajes reductores . Las hélices pueden estar hechas de madera, metal o materiales compuestos .

Las hélices solo son útiles a velocidades subsónicas, generalmente por debajo de unos 480 mph (770 km/h) , aunque el avión experimental McDonnell XF-88B equipado con hélice alcanzó una velocidad de Mach 1,01 en picado, con una eficiencia de hélice del 78 %. [ 3 ]  

Historia

Primeros diseños

Primeros diseños de hélices. De arriba abajo, de izquierda a derecha: el helicóptero de bambú , un antiguo juguete de Asia Oriental (c. 400 a. C.); la hipotética hélice aérea de Leonardo da Vinci (década de 1490); la máquina aerodinámica de Mikhail Lomonosov (1754); la hélice del dirigible La France , la primera aeronave totalmente maniobrable del mundo (1884).

Las primeras referencias al vuelo vertical provienen de China. Desde alrededor del año 400 a. C., [ 4 ] los niños chinos han jugado con juguetes voladores de bambú . [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] Este helicóptero de bambú se hace girar haciendo rodar entre las manos un palo unido a un rotor. El giro crea sustentación y el juguete vuela al soltarlo. [ 4 ] Se dice que el libro taoísta Baopuzi de Ge Hong (抱朴子, "Maestro que abraza la simplicidad") , del siglo IV d. C. , describe algunas de las ideas inherentes a las aeronaves de ala rotatoria. [ 8 ]

Diseños similares al juguete chino del helicóptero aparecieron en pinturas del Renacimiento y otras obras. [ 9 ]

No fue hasta principios de la década de 1480, cuando Leonardo da Vinci creó un diseño para una máquina que podría describirse como un "tornillo aéreo" , que se registró algún avance hacia el vuelo vertical. Sus notas sugieren que construyó pequeños modelos voladores, pero no hay indicios de ningún mecanismo para detener el rotor y evitar que la aeronave girara. [ 10 ] [ 11 ] A medida que el conocimiento científico aumentaba y se aceptaba, el hombre continuó explorando la idea del vuelo vertical. Muchos de estos modelos y máquinas posteriores se asemejarían más a la antigua peonza de bambú con alas giratorias que al tornillo de Leonardo.

En julio de 1754, el ruso Mikhail Lomonosov desarrolló un pequeño coaxial inspirado en la peonza china , pero impulsado por un dispositivo de resorte [ 12 ] , y lo presentó a la Academia de Ciencias de Rusia . Funcionaba con un resorte y se sugirió como método para elevar instrumentos meteorológicos . En 1783, Christian de Launoy y su mecánico , Bienvenu, utilizaron una versión coaxial de la peonza china en un modelo que consistía en plumas de vuelo de pavo que giraban en sentido contrario [ 12 ] como aspas de rotor, y en 1784 lo presentaron a la Academia de Ciencias de Francia . Jean Baptiste Marie Meusnier describió un dirigible en 1783. Los dibujos muestran una envoltura aerodinámica de 79 m (260 pies) de largo con balones internos que podían usarse para regular la sustentación. El dirigible fue diseñado para ser impulsado por tres hélices. En 1784, Jean-Pierre Blanchard instaló una hélice manual en un globo, el primer medio de propulsión registrado que se elevó en el aire. [ 13 ] Sir George Cayley , influenciado por su fascinación infantil por la peonza china, desarrolló un modelo de plumas, similar al de Launoy y Bienvenu, pero impulsado por gomas elásticas. A finales de siglo, había avanzado hasta utilizar láminas de estaño para las palas del rotor y resortes para la propulsión. Sus escritos sobre sus experimentos y modelos influirían en futuros pioneros de la aviación. [ 10 ] 

William Bland envió diseños para su "Dirigible Atmosférico" a la Gran Exposición celebrada en Londres en 1851, donde se exhibió un modelo. Este era un globo alargado con una máquina de vapor que impulsaba hélices gemelas suspendidas debajo. [ 14 ] [ 15 ] Alphonse Pénaud desarrolló juguetes de helicópteros modelo de rotor coaxial en 1870, también impulsados ​​por bandas elásticas. En 1872 Dupuy de Lome lanzó un gran globo navegable, que era impulsado por una gran hélice girada por ocho hombres. [ 16 ] Hiram Maxim construyó una aeronave que pesaba 3,5 toneladas largas (3,6 t) , con una envergadura de 110 pies (34 m) que era impulsada por dos máquinas de vapor de 360 ​​hp (270 kW) que impulsaban dos hélices. En 1894, su máquina fue probada con rieles superiores para evitar que se elevara. La prueba demostró que tenía suficiente sustentación para despegar. [ 17 ] Uno de los juguetes de Pénaud, un regalo de su padre , inspiró a los hermanos Wright a perseguir el sueño de volar. [ 18 ]     

Primeras hélices modernas

Hélice del avión militar Wright (1909)

La forma de perfil aerodinámico retorcido (perfil aerodinámico) de una hélice de avión fue ideada por los hermanos Wright. Si bien algunos ingenieros anteriores habían intentado modelar hélices de avión a partir de hélices marinas , los Wright se dieron cuenta de que una hélice es esencialmente lo mismo que un ala , y pudieron usar datos de sus experimentos anteriores en el túnel de viento con alas, introduciendo una torsión a lo largo de las palas. Esto fue necesario para mantener un ángulo de ataque más uniforme de la pala a lo largo de su longitud. [ 19 ] Sus palas de hélice originales tenían una eficiencia de aproximadamente el 82%, [ 20 ] en comparación con el 90% de una hélice moderna (2010) de aviación general pequeña, la McCauley de 3 palas utilizada en un avión Beechcraft Bonanza . [ 21 ] Roper [ 22 ] cita el 90% para una hélice para una aeronave de propulsión humana.

La caoba fue la madera preferida para las hélices durante la Primera Guerra Mundial , pero la escasez de la época de guerra fomentó el uso de nogal , roble , cerezo y fresno . [ 23 ] Alberto Santos Dumont fue otro pionero temprano, habiendo diseñado hélices antes que los hermanos Wright [ 24 ] para sus dirigibles . Aplicó el conocimiento que obtuvo de las experiencias con dirigibles para hacer una hélice con un eje de acero y palas de aluminio para su biplano 14 bis en 1906. Algunos de sus diseños usaban una lámina de aluminio doblada para las palas, creando así una forma de perfil aerodinámico. Tenían una curvatura inferior pronunciada , y esto más la ausencia de torsión longitudinal las hacía menos eficientes que las hélices de los Wright. [ 25 ] Aun así, este fue quizás el primer uso del aluminio en la construcción de una hélice. Originalmente, un perfil aerodinámico giratorio detrás de la aeronave, que la empuja, se llamaba hélice, mientras que uno que tiraba desde el frente era un tractor . [ 26 ] Posteriormente, se adoptó el término «propulsor» para referirse al dispositivo montado en la parte trasera, en contraste con la configuración de tractor, y ambos pasaron a denominarse «hélices» o «tornillos de aire». La comprensión de la aerodinámica de las hélices de baja velocidad era bastante completa en la década de 1920, pero los requisitos posteriores para manejar más potencia en un diámetro menor han hecho que el problema sea más complejo.

Un trabajador fabricando hélices durante la  Primera Guerra Mundial.

La investigación sobre hélices para el Comité Asesor Nacional de Aeronáutica (NACA) fue dirigida por William F. Durand a partir de 1916. Los parámetros medidos incluían la eficiencia de la hélice, el empuje desarrollado y la potencia absorbida. Si bien una hélice puede probarse en un túnel de viento , su rendimiento en vuelo libre puede variar. En el Laboratorio Aeronáutico Memorial Langley , E.P. Leslie utilizó Vought VE-7 con motores Wright E-4 para obtener datos sobre vuelo libre, mientras que Durand utilizó hélices de tamaño reducido, con forma similar, para los datos del túnel de viento. Sus resultados se publicaron en 1926 como el informe NACA n.° 220. [ 27 ]

Teoría y diseño

Una hélice Hamilton Standard 568F de 6 palas , girando a 1200 rpm, en un avión de pasajeros de corto alcance ATR 72. La velocidad de su turbina motriz es de 20 000 rpm. [ 28 ]

Lowry [ 29 ] cita una eficiencia de hélice de aproximadamente 73,5% en crucero para un Cessna 172. Esto se deriva de su "enfoque Bootstrap" para analizar el rendimiento de aeronaves ligeras de aviación general que utilizan hélices de paso fijo o de velocidad constante. La eficiencia de la hélice está influenciada por el ángulo de ataque (α). Este se define como α = Φ - θ, [ 30 ] donde θ es el ángulo de hélice (el ángulo entre la velocidad relativa resultante y la dirección de rotación de la pala) y Φ es el ángulo de paso de la pala . Los ángulos de paso y hélice muy pequeños dan un buen rendimiento contra la resistencia pero proporcionan poco empuje, mientras que los ángulos mayores tienen el efecto contrario. El mejor ángulo de hélice es cuando la pala actúa como un ala produciendo mucha más sustentación que resistencia. Sin embargo, "sustentación y resistencia" es solo una forma de expresar la fuerza aerodinámica sobre las palas. Para explicar el rendimiento de las aeronaves y los motores, la misma fuerza se expresa de forma ligeramente diferente en términos de empuje y par [ 31 ] , ya que la potencia requerida de la hélice es el empuje. El empuje y el par constituyen la base de la definición de la eficiencia de la hélice, como se muestra a continuación. La relación de avance de una hélice es similar al ángulo de ataque de un ala.

La eficiencia de una hélice está determinada por [ 32 ]

η=potencia propulsora de salidapotencia del eje en=empuje⋅velocidad axialpar de resistencia⋅velocidad de rotación.{\displaystyle \eta ={\frac {\hbox{potencia propulsora de salida}}{\hbox{potencia del eje de entrada}}}={\frac {{\hbox{empuje}}\cdot {\hbox{velocidad axial}}}{{\hbox{par de resistencia}}\cdot {\hbox{velocidad de rotación}}}}.}

Las hélices tienen una sección aerodinámica similar a la de un ala de baja resistencia y, por lo tanto, su rendimiento es deficiente cuando no operan a su ángulo de ataque óptimo . En consecuencia, la mayoría de las hélices utilizan un mecanismo de paso variable para modificar el ángulo de paso de las palas en función de la velocidad del motor y de la velocidad de la aeronave.

Un marinero revisa la hélice de un aerodeslizador de colchón de aire Landing Craft.

Otro aspecto a considerar es el número y la forma de las palas utilizadas. Aumentar la relación de aspecto de las palas reduce la resistencia, pero la cantidad de empuje producido depende del área de la pala, por lo que el uso de palas de alto aspecto puede resultar en un diámetro excesivo de la hélice. Otro equilibrio es que usar un menor número de palas reduce los efectos de interferencia entre ellas, pero para tener un área de pala suficiente para transmitir la potencia disponible dentro de un diámetro determinado, es necesario un compromiso. Aumentar el número de palas también disminuye la cantidad de trabajo que cada pala debe realizar, lo que limita el número de Mach local , un límite de rendimiento significativo para las hélices. El rendimiento de una hélice se ve afectado cuando el flujo transónico aparece por primera vez en las puntas de las palas. Como la velocidad relativa del aire en cualquier sección de una hélice es la suma vectorial de la velocidad de la aeronave y la velocidad tangencial debida a la rotación, el flujo sobre la punta de la pala alcanzará la velocidad transónica mucho antes que la aeronave. Cuando el flujo de aire sobre la punta de la pala alcanza su velocidad crítica , la resistencia y el par aumentan rápidamente y se forman ondas de choque que crean un fuerte aumento del ruido. Por lo tanto, los aviones con hélices convencionales no suelen volar a más de Mach 0,6. Ha habido aviones de hélice que han alcanzado velocidades de hasta Mach 0,8, pero la baja eficiencia de la hélice a esta velocidad hace que tales aplicaciones sean poco comunes.

Giro de la hoja

Cambios en el ángulo de las palas de la hélice desde el buje hasta la punta.

La punta de una pala de hélice se mueve más rápido que el buje. Por lo tanto, es necesario que la pala esté torsionada para disminuir gradualmente su ángulo de ataque y, así, producir una sustentación uniforme desde el buje hasta la punta. El mayor ángulo de incidencia, o paso máximo, se encuentra en el buje, mientras que el menor ángulo de incidencia, o paso mínimo, se encuentra en la punta. Una pala de hélice diseñada con el mismo ángulo de incidencia en toda su longitud sería ineficiente, ya que, a medida que aumenta la velocidad del aire durante el vuelo, la porción cercana al buje tendría un ángulo de ataque negativo, mientras que la punta de la pala entraría en pérdida. [ 33 ]

Alta velocidad

Se han realizado esfuerzos para desarrollar hélices y turbofanes para aeronaves a altas velocidades subsónicas. [ 34 ] La "solución" es similar a la del diseño de alas transónicas . Se utilizan secciones de pala delgadas y las palas se inclinan hacia atrás en forma de cimitarra ( hélice de cimitarra ) de manera similar a la inclinación de las alas, para retrasar la aparición de ondas de choque cuando las puntas de las palas se acercan a la velocidad del sonido. La velocidad relativa máxima se mantiene lo más baja posible mediante un control cuidadoso del paso para permitir que las palas tengan grandes ángulos de hélice. Se utilizan más palas para reducir el trabajo por pala y, por lo tanto, la fuerza de circulación. Se utilizan hélices contrarrotatorias . Las hélices diseñadas son más eficientes que los turbofanes y su velocidad de crucero (Mach 0,7–0,85) es adecuada para aviones comerciales, pero el ruido generado es extremadamente alto (véanse el Antonov An-70 y el Tupolev Tu-95 como ejemplos de este diseño).

Física

Las fuerzas que actúan sobre las palas de una hélice de aeronave incluyen las siguientes. Algunas de estas fuerzas pueden disponerse para contrarrestarse entre sí, reduciendo así las tensiones mecánicas generales impuestas. [ 35 ] [ 1 ]

Flexión por empuje
Las cargas de empuje sobre las palas, en reacción a la fuerza que empuja el aire hacia atrás, tienden a doblarlas hacia adelante. Por lo tanto, las palas suelen estar inclinadas hacia adelante, de modo que la fuerza centrífuga de rotación hacia afuera las dobla hacia atrás, compensando así los efectos de flexión.
Torsión centrífuga y aerodinámica
Todo objeto giratorio asimétrico experimenta una fuerza de torsión centrífuga. En la hélice, esta fuerza tiende a torcer las palas para lograr un paso fino. Por lo tanto, el centro de presión aerodinámico suele estar situado ligeramente por delante de su eje mecánico, lo que genera un momento de torsión hacia un paso grueso y contrarresta el momento centrífugo. Sin embargo, en un picado a alta velocidad, la fuerza aerodinámica puede variar significativamente y los momentos pueden desequilibrarse.
Centrífugo
La fuerza que sienten las palas al girar las separa del eje. Puede estar dispuesta para contrarrestar la fuerza de flexión del empuje, como se describió anteriormente.
Flexión por torsión
La resistencia del aire que actúa contra las palas, combinada con los efectos de la inercia, provoca que las palas de la hélice se doblen en sentido contrario a la dirección de rotación.
Vibratorio
Diversos tipos de perturbaciones generan fuerzas vibratorias en las palas. Entre ellas se incluye la excitación aerodinámica cuando las palas pasan cerca del ala y el fuselaje. Los motores de pistón introducen impulsos de torsión que pueden excitar modos vibratorios en las palas y provocar fallos por fatiga. [ 36 ] Los impulsos de torsión no están presentes cuando se utiliza un motor de turbina de gas.

paso variable

El objetivo de variar el ángulo de paso es mantener un ángulo de ataque óptimo para las palas de la hélice, lo que proporciona la máxima eficiencia durante todo el régimen de vuelo. Esto reduce el consumo de combustible. Solo maximizando la eficiencia de la hélice a altas velocidades se puede alcanzar la velocidad máxima posible. [ 37 ] El ángulo de ataque efectivo disminuye a medida que aumenta la velocidad del aire, por lo que se requiere un paso más grueso a altas velocidades.

La necesidad de variación de paso se evidencia en el rendimiento de la hélice durante la competición del Trofeo Schneider en 1931. La hélice de paso fijo de Fairey Aviation Company utilizada entró parcialmente en pérdida durante el despegue y alcanzó hasta 260 km/h (160 mph ) en su ascenso hasta una velocidad máxima de 655,8 km/h (407,5 mph ) . [ 38 ] El amplio rango de velocidad se logró porque no se aplicaban algunos de los requisitos habituales de rendimiento de las aeronaves. No se comprometió la eficiencia de la velocidad máxima, la distancia de despegue no se limitó a la longitud de pista disponible y no hubo requisitos de ascenso. [ 39 ]    

Las palas de paso variable utilizadas en el Tupolev Tu-95 lo impulsan a una velocidad que supera la máxima que se consideraba posible para una aeronave de hélice [ 40 ] utilizando un paso excepcionalmente grueso. [ 41 ]

Mecanismos

Vista en sección de una hélice Hamilton Standard . Este tipo de hélice de velocidad constante se utilizó en muchos aviones de combate, bombarderos y aviones de transporte estadounidenses de la Segunda Guerra Mundial.

Los primeros ajustes de control de paso se operaban mediante piloto, ya sea con un pequeño número de posiciones preestablecidas o de forma continuamente variable. [ 1 ]

El mecanismo más sencillo es la hélice de paso variable en tierra , que se puede ajustar en tierra, pero que en el aire se convierte en una hélice de paso fijo. La hélice VP de dos velocidades, accionada por resorte, se ajusta a paso fino para el despegue y luego se activa a paso grueso una vez en vuelo de crucero, permaneciendo en paso grueso durante el resto del vuelo.

Tras la Primera Guerra Mundial , se desarrollaron hélices automáticas para mantener un ángulo de ataque óptimo. Esto se lograba equilibrando el momento de torsión centrípeto sobre las palas y un conjunto de contrapesos frente a un resorte y las fuerzas aerodinámicas sobre la pala. Las hélices automáticas tenían la ventaja de ser sencillas, ligeras y no requerir control externo, pero el rendimiento de una hélice en particular era difícil de igualar al del motor de la aeronave.

La hélice de paso variable más común es la de velocidad constante . Esta se controla mediante una unidad hidráulica de velocidad constante (CSU). Ajusta automáticamente el paso de las palas para mantener una velocidad constante del motor para cualquier ajuste de control de potencia dado. [ 1 ] Las hélices de velocidad constante permiten al piloto establecer una velocidad de rotación según la necesidad de máxima potencia o máxima eficiencia del motor, y un regulador de hélice actúa como un controlador de lazo cerrado para variar el ángulo de paso de la hélice según sea necesario para mantener la velocidad del motor seleccionada. [ 42 ] En la mayoría de las aeronaves, este sistema es hidráulico, con aceite de motor como fluido hidráulico. Sin embargo, las hélices controladas eléctricamente se desarrollaron durante la Segunda Guerra Mundial y tuvieron un uso extensivo en aeronaves militares, y recientemente han experimentado un resurgimiento en su uso en aeronaves de construcción casera.

Otro diseño es el V-Prop , que es autoalimentado y autogobernado.

Emplumado

Hélice en posición de bandera en el turbohélice exterior TP400 de un Airbus A400M.

En la mayoría de las hélices de paso variable, las palas pueden girar paralelas al flujo de aire para detener la rotación de la hélice y reducir la resistencia cuando el motor falla o se apaga deliberadamente. Esto se denomina "empuje de las palas" , término tomado del remo . En aeronaves monomotor, ya sean planeadores motorizados o aeronaves con turbina, el efecto es aumentar la distancia de planeo. En aeronaves multimotor, el empuje de la hélice cuando el motor está inactivo reduce la resistencia y ayuda a la aeronave a mantener la velocidad y la altitud con los motores en funcionamiento. El empuje también evita el giro inercial , que es el giro de los componentes del motor debido a la rotación de la hélice forzada por la corriente de aire; este giro inercial puede dañar el motor, provocar un incendio o causar daños estructurales a la aeronave.

La mayoría de los sistemas de paso variable para motores de pistón detectan una caída en la presión del aceite y mueven las palas hacia la posición de paso variable, y requieren que el piloto tire de la palanca de control de la hélice para liberar los topes de paso alto antes de que el motor alcance las RPM de ralentí . Los sistemas de control de turbohélice suelen usar un sensor de par negativo en la caja reductora, que mueve las palas hacia la posición de paso variable cuando el motor deja de suministrar potencia a la hélice. Según el diseño, el piloto puede tener que pulsar un botón para anular los topes de paso alto y completar el proceso de paso variable, o bien este proceso puede ser automático.

El borrado accidental de las alas es peligroso y puede provocar una pérdida aerodinámica ; como se vio, por ejemplo, con el vuelo 691 de Yeti Airlines , que se estrelló durante la aproximación debido a un borrado accidental de las alas. [ 43 ]

tono inverso

Las hélices de algunas aeronaves pueden operar con un ángulo de paso negativo, invirtiendo así el empuje. Esto se conoce como paso beta. El empuje inverso se utiliza para ayudar a frenar la aeronave tras el aterrizaje y resulta especialmente ventajoso al aterrizar en una pista mojada, ya que la eficacia del frenado de las ruedas se ve reducida. En algunos casos, el paso inverso permite que la aeronave ruede marcha atrás, lo cual es particularmente útil para sacar hidroaviones de muelles estrechos.

Contrarrotación

Hélices contrarrotatorias

Las hélices contrarrotatorias se utilizan a veces en aeronaves bimotores y multimotores con motores montados en las alas. Estas hélices giran en sentido contrario a su homóloga en la otra ala para equilibrar los efectos del par motor y del factor P. A veces se las denomina hélices "de mano", ya que existen versiones para giro a la izquierda y a la derecha de cada tipo de hélice.

Generalmente, las hélices de ambos motores de la mayoría de los aviones bimotores convencionales giran en el sentido de las agujas del reloj (vistas desde la parte trasera del avión). Para eliminar el problema crítico del motor , las hélices de contrarrotación suelen girar "hacia adentro" hacia el fuselaje: en el sentido de las agujas del reloj en el motor izquierdo y en el sentido contrario en el derecho. Sin embargo, existen excepciones (especialmente durante la Segunda Guerra Mundial ), como el P-38 Lightning , cuyas hélices giraban "hacia afuera" (en el sentido contrario a las agujas del reloj en el motor izquierdo y en el sentido de las agujas del reloj en el derecho) alejándose del fuselaje desde los años de la Segunda Guerra Mundial, y el Airbus A400, cuyas hélices internas y externas giran en direcciones opuestas incluso en la misma ala. [ 44 ]

Contrarrotación

Una hélice contrarrotatoria, o hélice de rotación contraria, coloca dos hélices que giran en sentido contrario en ejes de transmisión concéntricos, de manera que una se sitúa inmediatamente después de la otra. Esto proporciona las ventajas de las hélices contrarrotatorias para un solo motor. La hélice delantera proporciona la mayor parte del empuje, mientras que la trasera recupera la energía perdida en el remolino del aire generado por la estela de la hélice. La rotación contraria también aumenta la capacidad de una hélice para absorber potencia de un motor determinado, sin aumentar su diámetro. Sin embargo, el coste, la complejidad, el peso y el ruido adicionales del sistema rara vez justifican su uso, y solo se emplea en motores de alto rendimiento donde el máximo rendimiento es más importante que la eficiencia.

Véase también

Referencias

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  • Hélices de aeronaves experimentales
  • Sitio web del Museo Nacional del Aire y el Espacio Smithsonian: Cómo vuelan las cosas
  • Explicación de la hélice