Principios básicos de las hélices cap-1

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Principios básicos de las hélices cap-1

On diciembre 14, 2019, Posted by , in Academia de aviación, tags , , With 2 Comments

helices-paso-automaticoPrincipios básicos de las hélices

La hélice de un avión consta de dos o más palas y un cubo central al cual se unen las palas.

Cada pala de la hélice es esencialmente un ala rotatoria.

Como resultado de su construcción, las palas son perfiles aerodinámicos y produce las fuerzas que crean el empuje para tirar, o empujar, el avión en el aire.

El motor suministra la potencia necesaria para hacer girar las palas de la hélice a través del aire a altas velocidades, y la hélice transforma la energía de rotación del motor en el empuje hacia adelante.

Una sección transversal típica de una pala de hélice se muestra en la siguiente figura.

Esta sección o elemento de pala es un perfil comparable a una sección transversal de un ala de avión. Una superficie de la pala es convexo o curva, similar al extradós de un ala de avión, mientras que la otra superficie es plana como el intradós del ala.

La línea de la cuerda es una línea imaginaria trazada a través de la hoja desde su borde de ataque a su borde fuga. Al igual que en un ala, el borde de ataque es el borde grueso de la hoja que se encuentra con el aire cuando rota la hélice.

El ángulo de pala, generalmente medido en grados, es el ángulo entre la cuerda de la pala y el plano de rotación y se mide en un punto específico a lo largo de la longitud de la pala.

Debido a que la mayoría de las hélices tienen una “cara” plana, la línea de la cuerda se suele dibujar a lo largo de dicha cara de la pala. El paso no es el ángulo de la pala, pero debido a que el paso es determinado en gran medida por el ángulo de la pala, los dos términos se usan indistintamente. Un aumento o disminución en uno se asocia generalmente con un aumento o disminución en el otro.

El paso de una hélice puede ser designado en pulgadas.

Una hélice designada como “74-48” sería de 74 pulgadas de largo y tiene un paso efectivo de 48 pulgadas. El paso es la distancia en pulgadas, que la hélice avanza a través del aire en una revolución si no hay deslizamiento.

Cuando se especifica una hélice de paso fijo para un nuevo tipo de aeronave, el fabricante por lo general selecciona uno con un paso que funciona de manera eficiente a la velocidad de crucero prevista de la aeronave. Cada hélice de paso fijo debe ser un compromiso porque sólo puede ser eficiente en una determinada combinación de velocidad y revoluciones por minuto (rpm). Los pilotos no pueden cambiar esta combinación en vuelo.

Cuando el avión está en reposo en el suelo con el motor funcionando, o moviéndose lentamente en el comienzo del despegue, la eficacia de la hélice es muy baja debido a que a la hélice se le impide avanzar con la velocidad suficiente para permitir a sus palas de paso fijo llegar a su completa eficacia. En esta situación, cada pala de la hélice está girando en el aire a un AOA

Resbale de la hélice que produce relativamente poco empuje para la cantidad de energía necesaria para hacerla girar. Para entender la acción de una hélice, considere en primer lugar su movimiento, que es de rotación y hacia delante. Como se muestra por los vectores de las fuerzas de la hélice en la figura, anterior cada sección de una pala de la hélice se mueve hacia abajo y hacia adelante.

El ángulo en el que el aire (viento relativo) golpea la pala de la hélice es el AOA. La desviación del
aire producida por este ángulo hace que la presión dinámica en el lado del motor de la pala de la hélice sea mayor que la presión atmosférica, creando así el empuje.

La forma de la pala también crea empuje debido a que es convexa como la forma aerodinámica de un ala. A medida que el aire fluye a través de la hélice, la presión en un lado es menor que en el otro. Al igual que en un ala, se produce una fuerza de reacción en la dirección de la menor presión. El flujo de aire sobre el ala tiene menos presión y la fuerza (sustentación) está hacia arriba. En el caso de la hélice, la cual está montada en posición vertical en lugar de un plano horizontal, el área de menor presión está en el frente de la hélice, y la fuerza (empuje) es en dirección hacia adelante.

Aerodinámicamente, el empuje es el resultado de la forma de la hélice y el AOA de la pala. El empuje puede ser considerado también en términos de la masa de aire manejada por la hélice. En estos términos, el empuje es igual a la masa de aire manejada multiplicada por la velocidad de la estela menos la velocidad de la aeronave. La potencia gastada en la producción de empuje depende de la masa de aire en movimiento. En promedio, el empuje constituye aproximadamente el 80 por ciento del par motor o torque (potencia total absorbida por la hélice). El otro 20 por ciento se pierde en fricción y deslizamiento.

Para cualquier velocidad de rotación, la potencia absorbida por la hélice balancea la potencia entregada por el motor. Para cada revolución de la hélice, la cantidad de aire movido depende del ángulo de la pala, lo que determina el tamaño de la “mordida” de aire que la hélice realiza. Por lo tanto, el ángulo de la pala es un excelente medio de ajustar la carga de la hélice para
controlar las rpm del motor.

El ángulo de la pala también es un excelente método de ajuste del AOA de la hélice. En hélices de velocidad constante, el ángulo de la pala debe ser ajustado para proporcionar el AOA más eficiente en todas las velocidades del motor y del avión. Las curvas de sustentación versus resistencia, que dibujadas para las hélices, así como las alas, indican que el AOA más eficiente es pequeño, variando de +2° a +4°. El ángulo de pala necesario para mantener este pequeño AOA varía con la velocidad de avance de la aeronave.

Las hélices de paso fijo y ajustable en tierra son diseñadas para la mejor eficiencia a una velocidad de giro y una velocidad de avance. Están diseñadas para una dada combinación de aeronave y motor. Una hélice se puede utilizar proporcionando la máxima eficacia para el despegue, ascenso, crucero, o el vuelo de alta velocidad. Cualquier cambio de estas condiciones resulta en la reducción de la eficacia tanto de la hélice como del motor. Dado que la eficacia de un motor es la relación entre la potencia útil y la potencia real, la eficacia de la hélice es la relación de la potencia de empuje y la potencia al freno. La eficacia de una hélice varía de 50 a 87 por ciento, dependiendo de cuanto “resbale” la hélice.

El deslizamiento de la hélice es la diferencia entre el paso geométrico de la hélice y su paso efectivo.

El paso geométrico es la distancia teórica que una hélice debe avanzar en una revolución; el paso efectivo es la distancia que avanza en realidad. De este modo, el paso geométrico o teórico se basa en ningún resbale, pero el paso real o efectivo incluye el resbale de la hélice en el aire.

La razón por la que una hélice es “retorcida” es que las partes exteriores de las palas de la hélice, como todas las cosas que giran alrededor de un punto central, viajan más rápido que las porciones cerca del cubo.

Si las palas tienen el mismo paso geométrico a lo largo de su longitud, las porciones cerca del centro podrían tener AOAs negativos, mientras que las puntas de la hélice estarían en pérdida a la velocidad de crucero. La torsión o variaciones del paso geométrico de las palas permite a la hélice operar con un AOA relativamente constante a lo largo de su longitud durante un vuelo de crucero.

Las palas de la hélice se retuercen para cambiar el ángulo de la pala en proporción a las diferencias en la velocidad de rotación a lo largo de la hélice, manteniendo el empuje más
igualado en todo el largo.

Por lo general, 1° a 4° ofrece una relación sustentación/resistencia más eficiente, pero en vuelo el AOA de una hélice de paso fijo, normalmente varía de 0° a 15°. Esta variación es causada por cambios en la corriente del viento relativo, que a su vez es resultado de cambios en la velocidad del avión. Por lo tanto, el AOA de la hélice es el producto de dos movimientos: la rotación de la hélice alrededor de su eje y su movimiento hacia adelante.

Una hélice de velocidad constante mantiene ajustado el ángulo de pala automáticamente para máxima eficiencia en la mayoría de las condiciones encontradas en vuelo.

Durante el despegue, cuando son necesarios la máxima potencia y empuje, la hélice de velocidad constante se encuentra en un ángulo de pala o paso bajo. El bajo ángulo de pala mantiene el AOA pequeño y eficiente con respecto al viento relativo. Al mismo tiempo, permite que la hélice maneje una pequeña masa de aire por cada revolución. Esta pequeña carga permite que el motor gire a altas revoluciones y convertir la máxima cantidad de combustible en energía térmica en un
momento dado. Las altas rpm también crean un empuje máximo porque, aunque la masa de aire manejada por revolución es pequeña, el número de revoluciones y la velocidad de la estela son altos, y con la baja velocidad de la aeronave, hay un empuje máximo.

Después del despegue, a medida que aumenta la velocidad del avión, la hélice de velocidad constante cambia automáticamente a un ángulo (o paso) más alto.

Una vez más, el mayor ángulo de pala mantiene pequeño el AOA y eficiente con respecto al viento
relativo. El ángulo de pala mayor aumenta la masa de aire manejada por revolución. Esto disminuye las rpm del motor, reduciendo el consumo de combustible y el desgaste del motor, y mantiene el empuje al máximo.

Después que se ha establecido el ascenso en una aeronave con hélice de paso variable, el piloto reduce la potencia del motor a potencia de ascenso, disminuyendo en primer lugar la presión en el colector y luego aumentando el ángulo de pala para reducir las revoluciones.

A altitud de crucero, cuando el avión está en vuelo nivelado y se requiere menos potencia que la utilizada en el despegue o el ascenso, el piloto de nuevo reduce la potencia del motor reduciendo la presión en el colector y luego aumentando el ángulo de pala para reducir las revoluciones. Una vez más, esto proporciona un par que iguale la potencia reducida del motor.

Aunque la masa de aire manejada por revolución es mayor, está más que compensado por una disminución en la velocidad de estela y un aumento en la velocidad.

El AOA es todavía pequeño debido a que el ángulo de pala se ha incrementado con el aumento de la velocidad.

Para saber más:

Principios básicos de las hélices cap-2

Hélice aérea 12 capítulos

Bibliografía.

U.S. Department of Transportation

Federal Aviation Administration

2 Comments so far:

  1. Oliver Irrazabal dice:

    ¿Cuál es la principal limitación que tienen las hélices?

    • Redacción dice:

      Estimado amigo:El principio físico por el que una hélice permite dar empuje a un avión, en lo que respecta a velocidad, tiene un límite de prestaciones a partir del cual no puede obtenerse mayor rendimiento, pues no se ha conseguido diseñar motores de hélice que permitan superar los 725 km/h., y esta limitación resulta físicamente insalvable. Pero durante la guerra se desarrollaron los motores de reacción con el objetivo de aumentar la máxima velocidad disponible y se consiguió superando desde el principio los 800 km/h. Los motores de hélice, que hasta ahora usaban tecnología de pistones, se aprovecharon de la nueva técnica y se crearon los motores turbohélice, que son los que perduran hoy en día.
      En cualquier caso la limitación de los motores con palas está en que su eficiencia se detiene cuando estas alcanzan la velocidad del sonido. Aunque aún es posible mejorar un poco las prestaciones usando palas contrarrotatorias, donde se colocan dos hélices una tras otras y se hacen girar en sentido opuesto entre sí. De esta manera se consigue aumentar la eficiencia un 15%. Con dicha técnica, el avión ruso Tupolev Tu-95 es el que ostenta el récord de velocidad en aviones impulsados a hélice con 920km/h.
      A pesar de esta restricción, los motores de hélice siguen teniendo algunas ventajas sobre los turbofan para algunos usos y por eso siguen empleándose hoy en día. Por ejemplo, permiten obtener gran potencia desde el inicio del despegue haciendo viable usar pistas más cortas, esto los lo hace ideales para aviones militares. Su consumo de combustible es menor para distancias cortas, ya que el turbofan empieza a ser más eficiente cuando puede alcanzar mayor altura y velocidad.
      La inmensa mayoría de los aviones tienen entre 1 y 4 motores. Mayor cantidad resulta extraño, pues a mayor número suele aumentar el consumo. Las hélices a su vez pueden ser de un número variable de palas, 2, 3, 4, 5, 6 u 8 normalmente. Los motores las suelen hacer girar en el mismo sentido, el dextrógiro, pero también hay aparatos con motores que giran en sentidos opuestos, como el A400M, consiguiendo mayor eficiencia a costa de aumentar considerablemente la complejidad técnica.
      Saludos

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