La hélice del avión
La hélice del avión.
La hélice del avión es un perfil aerodinámico rotatorio, sujeto a la resistencia inducida, pérdidas, y otros principios aerodinámicos que se aplican a cualquier perfil. Provee el empuje necesario para tirar, o en algunos casos empujar, el avión en el aire. La potencia del motor se utiliza para girar la hélice, que a su vez genera empuje en una manera muy similar a como un ala produce sustentación. La cantidad de empuje producida depende de la forma del perfil, el ángulo de ataque de la pala de la hélice, y las revoluciones por minuto (rpm) del motor. La hélice se retuerce por lo que el ángulo de pala cambia desde el cubo hasta la punta. El mayor ángulo de incidencia, o el paso más alto, está en el cubo mientras que el menor ángulo de incidencia o menor paso está en la punta.
La razón de la torsión es para producir sustentación uniforme desde el cubo hasta la punta. A medida que la pala gira, hay una diferencia en la velocidad real en las diversas porciones de la pala. La punta de la pala se desplaza más rápidamente que la parte próxima al cubo, porque la punta se desplaza una distancia mayor que el cubo en el mismo período de tiempo.
Cambiando el ángulo de incidencia (paso) del cubo a la punta para que se corresponda con la velocidad produce sustentación uniforme en toda la longitud de la pala.
Una pala de la hélice diseñada con el mismo ángulo de incidencia en toda su longitud sería ineficiente porque a medida que aumenta la velocidad aerodinámica en vuelo, la porción cerca del cubo tendría un ángulo de ataque negativo, mientras que la punta de la pala estaría en pérdida.
Los aviones pequeños están equipados con uno de dos tipos de hélices. Uno es el de paso fijo, y el otro es de paso variable.
Hélice de paso fijo
Una hélice con ángulos de pala fijos es una hélice de paso fijo. El paso de esta hélice es establecido por el fabricante y no se puede cambiar. Dado que una hélice de paso fijo alcanza el mejor rendimiento sólo en una determinada combinación de velocidad y rpm, el ajuste del paso no es el ideal ni para crucero, ni para ascenso.
Así, la aeronave sufre un poco en cada categoría de rendimiento. La hélice de paso fijo se utiliza cuando son necesarios bajo peso, simplicidad y bajo costo.
Hay dos tipos de hélices de paso fijo: ascenso y crucero.
Que el avión tenga instalada una hélice de ascenso o de crucero depende del uso previsto.
La hélice de ascenso tiene un paso más bajo, por lo tanto menos resistencia. Menos resistencia resulta en altas rpm y una mayor capacidad de potencia, lo que aumenta el rendimiento durante los despegues y ascensos, pero disminuye el rendimiento durante el vuelo de crucero.
La hélice de crucero tiene un paso más alto, por lo tanto más resistencia. Más resistencia resulta en bajas rpm y menos capacidad de potencia, lo que disminuye el rendimiento durante los despegues y ascensos, pero aumenta la eficiencia en vuelo de crucero.
La hélice está generalmente montada sobre un eje, que puede ser una extensión del cigüeñal del motor. En este caso, las rpm de la hélice serían las mismas que las rpm del cigüeñal. En algunos motores, la hélice está montada sobre un eje engranado al cigüeñal del motor.
En este tipo, las rpm de la hélice son diferentes que las del motor.
En una hélice de paso fijo, el tacómetro es el indicador de potencia del motor.
Un tacómetro está calibrado en cientos de rpm y da una indicación directa de las rpm del motor y de la hélice. El instrumento está codificado en color, con un arco verde que denota el régimen máximo de funcionamiento continuo. Algunos tacómetros tienen marcas adicionales para reflejar limitaciones del motor y/o hélice. Las recomendaciones del fabricante deben ser utilizadas como una referencia para aclarar cualquier malentendido de las marcas del tacómetro.
Las rpm están reguladas por el acelerador, que controla el flujo de combustible/aire al motor. En una altitud dada, cuanto mayor es la lectura del tacómetro, mayor es la potencia de salida del motor.
Cuando la altitud operativa aumenta, el tacómetro no puede mostrar la potencia correcta del motor. Por ejemplo, 2.300 rpm a 5.000 pies produce menos potencia que 2.300 rpm a nivel del mar debido a que la potencia depende de la densidad del aire. La densidad del aire disminuye a medida que aumenta la altitud y una disminución en la densidad del aire (mayor altitud de densidad) disminuye la potencia del motor. Cuando cambia la altitud, la posición del acelerador se debe cambiar para mantener las mismas rpm. Cuando se incrementa la altitud, el acelerador debe abrirse más para indicar las mismas rpm que a menor altitud.
Hélice de paso ajustable
La hélice de paso ajustable fue el precursor de la hélice de velocidad constante. Es una hélice con palas cuyo paso se puede ajustar en tierra con el motor detenido, pero que no se puede ajustar en vuelo. También se conoce como una hélice ajustable en tierra. En la década de 1930, los inventores pioneros de la aviación sentaban las bases para los mecanismos de cambio automático de paso, por lo que el término a veces se refiere a las modernas hélices de velocidad constante que son ajustables en vuelo.
Los primeros sistemas de hélice de paso ajustable proporcionan sólo dos ajustes de paso: bajo y alto. Hoy en día, la mayoría de los sistemas de paso ajustable son capaces de una amplia gama de ajustes de paso.
Una hélice de velocidad constante es una hélice de paso variable cuyo paso es variado automáticamente en vuelo por un governor que mantiene las rpm constantes a pesar de las cargas de aire variables. Es el tipo más común de hélice de paso ajustable. La principal ventaja de una hélice de velocidad constante es que convierte un alto porcentaje de potencia al freno (BHP) en caballos de fuerza de empuje (THP) sobre un amplio rango de combinaciones de rpm y velocidades.
Una hélice de velocidad constante es más eficiente que otras hélices, ya que permite la selección de las rpm del motor más eficiente para las condiciones dadas.
Una aeronave con hélice de velocidad constante tiene dos controles: el acelerador y el control de la hélice. El acelerador controla la potencia y el control de la hélice regula las rpm del motor. Esto a su vez regula las rpm de la hélice que son registradas en el tacómetro.
Una vez que se selecciona un determinado número de rpm, un governor ajusta automáticamente el ángulo de pala de la hélice según sea necesario para mantener las rpm seleccionadas. Por ejemplo, después de establecer las rpm deseadas durante el vuelo de crucero, un aumento de la velocidad o disminución de la carga de la hélice hará que el ángulo de pala de la hélice aumente lo necesario para mantener las rpm seleccionadas. Una reducción en la velocidad o aumento de la carga de la hélice hará que el ángulo de pala disminuya.
El rango de velocidad constante de la hélice, definido por los limitadores (stops) de paso alto y bajo, es el rango de ángulos de pala posibles para una hélice de velocidad constante. Mientras el ángulo de las palas esté dentro del intervalo de velocidad constante y no contra cualquiera de los stops de paso, se mantienen unas rpm de motor constantes. Si las palas de la hélice hacen contacto con un stop de paso, las rpm del motor aumentarán o disminuirán según el caso, con cambios en la velocidad y la carga de la hélice. Por ejemplo, una vez que han sido seleccionadas unas determinadas rpm, si la velocidad del avión disminuye lo suficiente para hacer girar las palas hasta que entran en contacto con el stop de paso bajo, cualquier disminución adicional de la velocidad hará que las rpm del motor disminuyan de la misma manera que si se instalara una hélice de paso fijo. Lo mismo ocurre cuando una aeronave equipada con una hélice de velocidad constante se acelera a una velocidad más rápida. A medida que la aeronave acelera, el ángulo de pala aumenta para mantener las rpm seleccionadas hasta que se alcanza el stop de paso alto. Una vez que ocurre esto, el ángulo de pala no puede aumentar y se incrementan las rpm del motor.
En un avión equipado con hélice de velocidad constante, la potencia es controlada por el acelerador y se indica por un medidor de presión del múltiple de admisión. El instrumento mide la presión absoluta de la mezcla combustible/aire dentro del múltiple y es más correcto una medida de presión absoluta de múltiple (MAP; Manifold Absolute Pressure). A unas rpm y altitud constantes, la cantidad de potencia producida está directamente relacionada con el flujo de combustible/aire entregado a la cámara de combustión.
Al incrementar la posición del acelerador, fluye más combustible y aire al motor y la MAP aumenta. Cuando el motor no está funcionando, el indicador de presión del múltiple indica la presión del aire ambiente, es decir, 29.92 pulgadas de mercurio (29.92 “Hg). Cuando se arranca el motor, la indicación de presión del múltiple disminuirá a un valor menor que la presión ambiente (es decir, en ralentí a 12 “Hg). Un fallo de motor o pérdida de potencia está indicada en el medidor como un aumento de la presión del múltiple a un valor correspondiente a la presión ambiente a la altitud donde se produjo el fallo.
El medidor de presión en múltiple está codificado con color para indicar el rango de funcionamiento del motor. La esfera del instrumento tiene un arco verde para mostrar el rango de operación normal, y una línea roja radial para indicar el límite superior de presión del múltiple.
Para cualquier rpm dada, hay una presión del colector que no debe superarse. Si la presión del múltiple de admisión es excesiva para una rpm dada, la presión dentro de los cilindros puede ser excedida, poniendo tensión indebida en los cilindros. Si se repite con frecuencia, esta tensión puede debilitar los componentes del cilindro y, eventualmente, causar falla del motor.
Como regla general, la presión del múltiple (en pulgadas) debe ser menor que las rpm.
Un piloto puede evitar las condiciones que sobreexigen los cilindros estando constantemente al tanto de las rpm, sobre todo cuando aumenta la presión del múltiple. Siga las recomendaciones del fabricante para la configuración de potencia de un motor en particular para mantener la relación adecuada entre la presión del múltiple y las rpm. Cuando necesita cambiar tanto la presión de admisión como las rpm, evite sobreexigir el motor haciendo los ajustes de potencia en el orden correcto:
- Cuando reduce la potencia, reduzca la presión de admisión antes de reducir las rpm. Si las rpm se reducen antes que la presión, esta última aumentará de forma automática, posiblemente superando las tolerancias del fabricante.
- Cuando incrementa la potencia, invierta el orden, primero aumente las rpm, y luego la presión de admisión.
- Para evitar daños a los motores radiales, minimice el tiempo de operación a máximas rpm y presión de admisión, y evite el funcionamiento a máximas rpm y baja presión de admisión.
Las recomendaciones del fabricante del motor y/o del fuselaje se deben seguir para evitar el desgaste severo, la fatiga, y daños a motores alternativos de alto rendimiento.
Para saber más:
Bibliografía.
U.S. Department of Transportation
Federal Aviation Administration