Turbohélice

Un turbohélice es un motor de turbina de gas que impulsa la hélice de una aeronave . ^{[ 1 ]}

Un turbopropulsor consta de una toma de aire , una caja reductora , un compresor , una cámara de combustión , una turbina y una tobera de propulsión . ^{[ 2 ]} El aire entra por la toma de aire y es comprimido por el compresor. A continuación, se añade combustible para reactores al aire comprimido en la cámara de combustión, donde la mezcla de combustible y aire se quema . Los gases calientes de la combustión se expanden a través de las etapas de la turbina, generando energía en el punto de escape. Parte de la energía generada por la turbina se utiliza para accionar el compresor y el generador eléctrico . Los gases se expulsan posteriormente de la turbina. A diferencia de un turborreactor o un turbofán , los gases de escape del motor no proporcionan suficiente energía para generar una parte importante del empuje total, ya que casi toda la potencia del motor se utiliza para accionar la hélice. ^{[ 3 ]}

El empuje de escape en una turbina se sacrifica en favor de la potencia del eje, que se obtiene extrayendo potencia adicional (más allá de la necesaria para accionar el compresor) de la expansión de la turbina. Debido a la expansión adicional en el sistema de turbina, la energía residual en el chorro de escape es baja. ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]} En consecuencia, el chorro de escape produce aproximadamente el 10 % del empuje total. ^{[ 7 ]} Una mayor proporción del empuje proviene de la hélice a bajas velocidades y menor a velocidades más altas. ^{[ 8 ]}

Los turbohélices tienen relaciones de derivación de 50–100, ^{[ 9 ] [ 10 ]} aunque el flujo de aire de propulsión está menos claramente definido para las hélices que para los ventiladores. ^{[ 11 ] [ 12 ]}

La hélice está acoplada a la turbina mediante un engranaje reductor que convierte la salida de alta RPM /bajo par a baja RPM/alto par. Esto puede ser de dos diseños principales: turbina libre y eje fijo. Un turboeje de turbina libre se encuentra en el Pratt & Whitney Canada PT6 , donde solo la turbina está conectada a la hélice mientras que el resto del generador de gas (compresor y cámara de combustión) giran de forma independiente. Esto permite que se produzca un impacto de la hélice o un daño similar sin dañar el generador de gas y permite que solo se retire y reemplace la sección de potencia (turbina y caja de engranajes) en tal caso, y también permite que haya menos tensión en el arranque durante los arranques del motor en tierra. Por el contrario, un motor de eje fijo tiene la caja de engranajes, la turbina y el generador de gas conectados en un eje compartido, como en el Honeywell TPE331 .

La hélice en sí es normalmente de velocidad constante (paso variable) tipo hélice similar a la utilizada en los motores alternativos de aeronaves más grandes , excepto que los requisitos de control de la hélice son muy diferentes. ^{[ 13 ]} Debido a la lenta respuesta del motor de turbina a las entradas de potencia, particularmente a bajas velocidades, la hélice tiene un mayor rango de recorrido seleccionado para realizar cambios rápidos de empuje, especialmente para el rodaje, la marcha atrás y otras operaciones en tierra. ^{[ 14 ]} La hélice tiene 2 modos, Alfa y Beta. Alfa es el modo para todas las operaciones de vuelo, incluido el despegue. Beta, un modo que generalmente consiste en empuje cero a negativo, se utiliza para todas las operaciones en tierra excepto el despegue. ^{[ 14 ]} El modo Beta se divide a su vez en 2 modos adicionales, Beta para rodaje y Beta más potencia. Beta para rodaje, como su nombre lo indica, se utiliza para operaciones de rodaje y consiste en todos los rangos de paso desde el paso más bajo del rango alfa, hasta paso cero, produciendo muy poco o ningún empuje y normalmente se accede moviendo la palanca de potencia a un rango beta para rodaje. La potencia Beta Plus es un rango inverso y produce empuje negativo, a menudo utilizado para aterrizar en pistas cortas donde la aeronave necesita desacelerar rápidamente, así como para operaciones de marcha atrás y se accede moviendo la palanca de potencia por debajo de la Beta para el rango de rodaje. ^{[ 14 ]} Debido a que el piloto no puede ver por la parte trasera de la aeronave para la marcha atrás y a la cantidad de escombros que levanta la marcha atrás, los fabricantes suelen limitar las velocidades a las que se puede usar la potencia Beta Plus y restringen su uso en pistas no pavimentadas. ^{[ 14 ]} El embanderamiento de estas hélices se realiza mediante la palanca de control de la hélice. ^{[ 14 ]}

La hélice de velocidad constante se distingue de la hélice de velocidad constante del motor alternativo por el sistema de control. El sistema turbohélice consta de 3 reguladores de hélice : un regulador, un regulador de sobrevelocidad y un regulador de llenado de combustible. ^{[ 14 ]} El regulador funciona de manera muy similar a como funciona un regulador de hélice de motor alternativo, aunque un regulador turbohélice puede incorporar una válvula de control beta o una varilla de elevación beta para operación beta y generalmente se encuentra en la posición de las 12 en punto. ^{[ 14 ]} También hay otros reguladores que se incluyen adicionalmente dependiendo del modelo, como un regulador de sobrevelocidad y llenado de combustible en un Pratt & Whitney Canada PT6 , y un regulador de baja velocidad en un Honeywell TPE331 . ^{[ 14 ]} El turbohélice también se distingue de otros tipos de motor de turbina en que la unidad de control de combustible está conectada al regulador para ayudar a dictar la potencia.

Para hacer el motor más compacto, se puede utilizar el flujo de aire inverso. En un motor turbohélice de flujo inverso, la entrada del compresor está en la parte trasera del motor y el escape se sitúa en la parte delantera, lo que reduce la distancia entre la turbina y la hélice. ^{[ 15 ]}

A diferencia de los ventiladores de pequeño diámetro utilizados en los motores turbofán , la hélice tiene un gran diámetro que le permite acelerar un gran volumen de aire. Esto permite una menor velocidad del flujo de aire para una cantidad de empuje dada. Dado que a bajas velocidades es más eficiente acelerar una gran cantidad de aire en un grado pequeño que una pequeña cantidad de aire en un grado grande, ^{[ 16 ] [ 17 ]} una baja carga del disco (empuje por unidad de área del disco) aumenta la eficiencia energética de la aeronave y esto reduce el consumo de combustible. ^{[ 18 ] [ 19 ]}

Las hélices funcionan bien hasta que la velocidad de vuelo de la aeronave es lo suficientemente alta como para que el flujo de aire que pasa por las puntas de las palas alcance la velocidad del sonido. Más allá de esa velocidad, la proporción de la potencia que impulsa la hélice y que se convierte en empuje de la hélice disminuye drásticamente. Por esta razón, los motores turbohélice no se utilizan comúnmente en aeronaves ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]} que vuelan más rápido de 0,6–0,7 Mach , ^{[ 7 ]} con algunas excepciones como el Tupolev Tu-95 . Sin embargo, los motores de hélice propulsora , que son muy similares a los motores turbohélice, pueden volar a velocidades cercanas a 0,75 Mach. Para mantener la eficiencia de la hélice en un amplio rango de velocidades aéreas, los turbohélices utilizan hélices de velocidad constante (paso variable). Las palas de una hélice de velocidad constante aumentan su paso a medida que aumenta la velocidad de la aeronave. Otra ventaja de este tipo de hélice es que también se puede utilizar para generar empuje inverso y reducir la distancia de frenado en la pista. Además, en caso de fallo del motor, la hélice puede ponerse en bandera , minimizando así la resistencia de la hélice que no funciona. ^{[ 20 ]}

Aunque la turbina de potencia puede estar integrada en la sección del generador de gas, muchos turbohélices actuales cuentan con una turbina de potencia independiente en un eje coaxial separado. Esto permite que la hélice gire libremente, independientemente de la velocidad del compresor. ^{[ 21 ]}

Alan Arnold Griffith publicó un artículo sobre el diseño de compresores en 1926. Posteriormente, en el Royal Aircraft Establishment se investigaron diseños basados ​​en compresores axiales que impulsarían una hélice. A partir de 1929, Frank Whittle comenzó a trabajar en diseños basados ​​en compresores centrífugos que utilizarían toda la energía del gas producida por el motor para generar empuje a reacción. ^{[ 22 ]}

El primer turbohélice del mundo fue diseñado por el ingeniero mecánico húngaro György Jendrassik . ^{[ 23 ]} Jendrassik publicó una idea de turbohélice en 1928, y el 12 de marzo de 1929 patentó su invención. En 1938, construyó una turbina de gas experimental a pequeña escala (100 Hp; 74,6 kW). ^{[ 24 ]} El Jendrassik Cs-1 , de mayor tamaño, con una potencia prevista de 1000 bhp, fue producido y probado en la fábrica Ganz de Budapest entre 1937 y 1941. Era de diseño de flujo axial con 15 etapas de compresor y 7 de turbina, y cámara de combustión anular. En su primera prueba en 1940, los problemas de combustión limitaron su potencia a 400 bhp. Dos Jendrassik Cs-1 fueron los motores del primer avión turbohélice del mundo: el Varga RMI-1 X/H . Este fue un cazabombardero húngaro de la Segunda Guerra Mundial del que se completó un modelo, pero antes de su primer vuelo fue destruido en un bombardeo. ^{[ 25 ] [ 26 ]} En 1941, el motor fue abandonado debido a la guerra y la fábrica se reconvirtió a la producción de motores convencionales.  

La primera mención de los motores turbohélice en la prensa general apareció en el número de febrero de 1944 de la publicación británica de aviación Flight , que incluía un dibujo detallado en sección transversal de cómo podría ser un posible futuro motor turbohélice. El dibujo era muy similar a cómo se vería el futuro Rolls-Royce Trent. ^{[ 27 ]} El primer motor turbohélice británico fue el Rolls-Royce RB.50 Trent , un Derwent II modificado equipado con engranaje reductor y una hélice Rotol de cinco palas de 2,41 m ( 7 pies 11 pulgadas) . Dos Trents fueron instalados en el Gloster Meteor EE227 —el único "Trent-Meteor"— que se convirtió así en el primer avión propulsado por turbohélice del mundo en volar, aunque como banco de pruebas y no destinado a la producción. ^{[ 28 ] [ 29 ]} Voló por primera vez el 20 de septiembre de 1945. A partir de su experiencia con el Trent, Rolls-Royce desarrolló el Rolls-Royce Clyde , el primer motor turbohélice en recibir un certificado de tipo para uso militar y civil, ^{[ 30 ]} y el Dart , que se convirtió en uno de los motores turbohélice más fiables jamás construidos. La producción del Dart continuó durante más de cincuenta años. El Vickers Viscount propulsado por el Dart fue el primer avión turbohélice de cualquier tipo en entrar en producción y se vendió en grandes cantidades. ^{[ 31 ]} También fue el primer turbohélice de cuatro motores. Su primer vuelo fue el 16 de julio de 1948. El primer avión turbohélice monomotor del mundo fue el Boulton Paul Balliol propulsado por el Armstrong Siddeley Mamba , que voló por primera vez el 24 de marzo de 1948. ^{[ 32 ]}   

La Unión Soviética se basó en el trabajo preliminar de diseño de turbohélices alemanas de la Segunda Guerra Mundial realizado por Junkers Motorenwerke, mientras que BMW, Heinkel-Hirth y Daimler-Benz también trabajaron en diseños proyectados. ^{[ 33 ]} Si bien la Unión Soviética tenía la tecnología para crear la estructura de un bombardero estratégico a reacción comparable al B-52 Stratofortress de Boeing , en su lugar produjo el Tupolev Tu-95 Bear, propulsado por cuatro turbohélices Kuznetsov NK-12 , acopladas a ocho hélices contrarrotatorias (dos por góndola) con velocidades de punta supersónicas para lograr velocidades de crucero máximas superiores a 575  mph, más rápidas que muchos de los primeros aviones a reacción y comparables a las velocidades de crucero de los reactores para la mayoría de las misiones. El Bear se convertiría en su avión de combate y vigilancia de largo alcance más exitoso y en un símbolo de la proyección del poder soviético hasta finales del siglo XX. Estados Unidos utilizó motores turbohélice con hélices contrarrotatorias, como el Allison T40 , en algunos aviones experimentales durante la década de 1950. El hidroavión Convair R3Y Tradewind , propulsado por un motor T40, fue operado por la Armada de los Estados Unidos durante un breve período.

El primer motor turbohélice estadounidense fue el General Electric XT31 , utilizado por primera vez en el experimental Consolidated Vultee XP-81 . ^{[ 34 ]} El XP-81 realizó su primer vuelo en diciembre de 1945, siendo el primer avión en utilizar una combinación de propulsión turbohélice y turborreactor . La tecnología del diseño anterior T38 de Allison evolucionó hasta convertirse en el Allison T56 , utilizado para propulsar el avión de pasajeros Lockheed Electra , su derivado de patrulla marítima militar, el P-3 Orion , y el avión de transporte militar C-130 Hercules .

El primer helicóptero propulsado por turbina y con transmisión por eje fue el Kaman K-225 , un desarrollo del sincropter K-125 de Charles Kaman , que utilizaba un motor turboeje Boeing T50 para impulsarlo el 11 de diciembre de 1951. ^{[ 35 ]}

En diciembre de 1963 se realizó la primera entrega del motor turbohélice PT6 de Pratt & Whitney Canada para el entonces Beechcraft 87, que pronto se convertiría en el Beechcraft King Air . ^{[ 36 ]}

En 1964 se realizaron las primeras entregas del Garrett AiResearch TPE331 (ahora propiedad de Honeywell Aerospace ) en el Mitsubishi MU-2 , convirtiéndolo en el avión turbohélice más rápido de ese año. ^{[ 37 ]}

A diferencia de los turbofanes , los turbohélices son más eficientes a velocidades de vuelo inferiores a 725  km/h (450  mph; 390 nudos) debido a que la velocidad del chorro de la hélice (y del escape) es relativamente baja. Los modernos aviones de pasajeros turbohélice operan a casi la misma velocidad que los pequeños aviones regionales a reacción , pero consumen dos tercios del combustible por pasajero. ^{[ 38 ]}

En comparación con los motores de pistón, su mayor relación potencia-peso (que permite despegues más cortos) y su fiabilidad compensan su mayor coste inicial, mantenimiento y consumo de combustible. Dado que el combustible para reactores es más fácil de conseguir que la gasolina de aviación en zonas remotas, las aeronaves con motor turbohélice, como la Cessna Caravan y la Quest Kodiak , se utilizan como aviones para zonas remotas .

Los motores turbohélice se utilizan generalmente en aeronaves subsónicas pequeñas, pero el Tupolev Tu-114 puede alcanzar los 470 nudos (870 km/h; 540 mph) . Grandes aeronaves militares , como el Tupolev Tu-95 , y aeronaves civiles , como el Lockheed L-188 Electra , también estaban propulsadas por turbohélice. El Airbus A400M está propulsado por cuatro motores Europrop TP400 , los segundos motores turbohélice más potentes jamás producidos, después del Kuznetsov NK-12 de 11 MW (15 000 hp) .     

En 2017, los aviones de pasajeros turbohélice más extendidos en servicio fueron el ATR 42 / 72 (950 aeronaves), Bombardier Q400 (506), De Havilland Canada Dash 8 -100/200/300 (374), Beechcraft 1900 (328), de Havilland Canada DHC-6 Twin Otter (270), Saab 340 (225). ^{[ 40 ]} Los aviones de pasajeros menos extendidos y más antiguos incluyen el BAe Jetstream 31 , Embraer EMB 120 Brasilia , Fairchild Swearingen Metroliner , Dornier 328 , Saab 2000 , Xian MA60 , MA600 y MA700 , Fokker 27 y 50 .

Entre los aviones de negocios turbohélice se incluyen el Piper Meridian , el Socata TBM , el Pilatus PC-12 , el Piaggio P.180 Avanti , el Beechcraft King Air y el Super King Air . En abril de 2017, había 14.311 turbohélices de negocios en la flota mundial. ^{[ 41 ]}

Todos los aviones del mundo de Jane . 2005–2006.

• arrastre de momento de admisión
• Motor a reacción
• Lancha rápida
• Hélice de cimitarra
• Sobrealimentador
• Rotor basculante
• Turbocompresor
• Smith XP-99 Prop-Jet
• Motorjet

• Van Sickle, Neil D .; et  al. (1999). «Motores turbohélice» . Van Sickle's modern airmanship . McGraw-Hill Professional. pág.  205. ISBN 978-0-07-069633-4.

• Aviones con turbina de reacción. Archivado el 6 de octubre de 2012 en Wayback Machine por el teniente coronel Silsbee de la USAAF. Popular Science, diciembre de 1945, primer artículo impreso sobre turbohélices.
• Wikilibros: Propulsión a chorro
• "Desarrollo del turbohélice" : un artículo de la revista Flight de 1950 sobre motores turbohélice británicos y estadounidenses.