Sistema propulsor (Hélice)
La hélice (propeller) es un dispositivo constituido por un número variable de aspas o palas (2, 3, 4, etc.) idénticas, dispuestas radialmente alrededor de un eje de manera que, accionadas por un motor (de pistón o turbina), convierten con su giro la energía mecánica del motor en energía cinética, gracias a su perl aerodinámico que provoca un cambio en la presión y velocidad del aire.
Aunque en principio las hélices se construyeron de madera, actualmente se fabrican con materiales más ligeros y resistentes. El empleo de hélices como elemento motriz en aviación ha decaído por la progresiva utilización de la propulsión por turbinas de gas, cada vez más potentes, ligeras, y con consumos más ajustados. No obstante, aunque la impulsión por hélice es poco utilizada en aviación comercial, su uso está generalizado en aviones ligeros.
3.2.1 Aerodinámica de la hélice.
Simplicando, la hélice es un ala rotatoria dispuesta de forma vertical en la cual la fuerza de sustentación se ejerce de forma horizontal y recibe el nombre de empuje. Como perfil aerodinámico que es, obviamente está sujeta a las mismas leyes y principios que cualquier otro perfil aerodinámico (resistencia inducida, entrada en pérdida, etc.) e iguales reacciones, siendo igualmente válidos y aplicables los conceptos detallados en la aerodinámica del ala (viento relativo, ángulo de ataque, etc.).
Como veremos más adelante, las palas de la hélice no tienen un perfil único sino que están formadas por una sucesión de perles. Cada uno de ellos tiene un ángulo de ataque (b) respecto al viento relativo de la pala, que en este caso es cercano al plano de revolución de la hélice, y un paso (a) igual al ángulo de incidencia.
En un capítulo anterior se definía el ángulo de ataque (AoA) como el ángulo comprendido entre el viento relativo y la cuerda del ala. Suponiendo fijo el paso (a) de la pala en la figura 322, podemos deducir que el AoA (b) variará en la medida que lo haga el ángulo (c) del viento relativo. Este último depende a su vez de los vectores velocidad de avance (Va) y velocidad de rotación (Vr).
Si aumenta el vector Va el ángulo c aumentará también y el AoA b disminuirá; a la inversa, si disminuye dicho vector Va el ángulo c se hará menor y el AoA b se incrementará. Por tanto: “el ángulo de ataque AoA de la pala de la hélice es inversamente proporcional a la velocidad de avance de la misma”.
De la misma manera, aumentando la velocidad de rotación (r.p.m.) Vr el ángulo c se hará menor y por tanto el AoA b se incrementará; a la inversa, un decrecimiento de Vr supondrá un aumento de c y una disminución del AoA b. Tenemos por tanto que: “el ángulo de ataque AoA de la pala de la hélice es directamente proporcional a la velocidad de rotación (r.p.m.) de la misma”.
El rápido giro de la hélice acelera el ujo de aire hacia el borde de salida de cada perl a la vez que deecta este hacia atrás (lo mismo que sucede en un ala). Este proceso da lugar a la aceleración de una gran masa de aire y su consecuente diferencia de presiones a ambos lados de la hélice (ver Bernoulli) provocando una fuerza de reacción (Newton) perpendicular al plano de rotación de la hélice, fuerza que impulsa el avión hacia adelante.
La cantidad de empuje del aeroplano está directamente relacionada con el volumen de aire que mueve la hélice y la velocidad con que lo acelera; depende por tanto del tamaño de la hélice, su paso y su velocidad de giro, la cual depende a su vez de las r.p.m. del motor. Su diseño, forma, número de palas, diámetro, etc. debe ser el adecuado para la gama de velocidades en que puede operar el avión. Una hélice bien diseñada puede dar un rendimiento de hasta 0,9 sobre 1.
3.2.2 Estructura de la hélice.
Como se ha dicho, cada pala no tiene un perl único sino que está formada por un conjunto de perles aerodinámicos que van cambiando progresivamente su ángulo de incidencia (se retuercen) desde la raíz hasta el extremo (mayor ángulo en la raíz, menor en el extremo).
Debido a que el extremo de la hélice gira a mayor velocidad que la parte más cercana a su eje de rotación, dado que recorre mayor distancia en el mismo lapso de tiempo, es necesario compensar esta diferencia para producir una fuerza de forma uniforme.
La solución consiste en disminuir el ángulo de incidencia hacia los extremos de forma progresiva y así la menor velocidad pero mayor ángulo en la espiga de la hélice se va igualando con una mayor velocidad pero menor ángulo hacia los extremos. De esta forma, se produce una fuerza de forma uniforme a lo largo de toda la hélice, reduciendo las tensiones internas y las vibraciones.
Esta es la razón por la cual las hélices se fabrican con "torsión", cambiando el ángulo de incidencia de forma decreciente desde la espiga (mayor ángulo) hasta la punta (menor ángulo).
Un punto crítico en el diseño radica en la velocidad con que giran los extremos, porque si está próxima a la del sonido, se produce una disminución crítica en el rendimiento. Este hecho pone límites al diámetro y las r.p.m. de las hélices, y es por lo que en algunos aviones se intercala un mecanismo reductor basado en engranajes o poleas, entre el eje de salida del motor y la hélice.
3.2.3 Montaje y disposición de las hélices.
En cuanto a disposición de motores y hélices se dan dos configuraciones: configuración tractora, que es la más generalizada, en la cual motor y hélice se sitúan en la parte delantera del aeroplano “tirando” del mismo, y configuración propulsora, muy poco habitual, que mantiene motor y hélice en la parte trasera del avión de forma que
“empujan” al mismo hacia adelante; algunos aeroplanos cuentan con una configuración mixta.
En aviones monomotores, la hélice gira habitualmente en el sentido de las agujas del reloj vista desde el asiento del piloto, (dextrógira) aunque también hay aeroplanos con hélices girando en sentido contrario (levógira). Para contrarrestar la guiñada adversa producida por la hélice, en algunos aviones con más de un motor, las hélices de un ala giran en un sentido y las de la otra en sentido contrario.
Un caso especial es el montaje de hélices contra rotatorias; sobre una misma planta motriz se monta una hélice que gira en un sentido y el aire expulsado hacia atrás es recogido por otro conjunto que gira en sentido contrario aprovechando de esa manera la energía que de otro modo se pierde. Técnicamente, el eje del motor se conecta a una caja de engranajes que a su vez trasmite el movimiento a dos ejes concéntricos que giran en sentidos opuestos; cada uno de estos ejes mueve una de las hélices. Una ventaja añadida con esta disposición es que el efecto “torque” de la guiñada adversa queda anulado.
En aviones equipados con motores de poca potencia, la hélice suele ser de diámetro reducido y está fijada directamente como una prolongación del cigüeñal del motor; las r.p.m. de la hélice son las mismas que las del motor. Con motores más potentes, la hélice es más grande para poder absorber la fuerza desarrollada por el motor; en este caso entre la salida del motor (pistón o turbina) y la hélice se suele interponer un mecanismo reductor y las r.p.m. de la hélice dieren de las r.p.m. del motor.
Para un aeroplano lo ideal es acelerar la mayor cantidad de aire posible para así lograr la mayor cantidad de empuje y esto puede conseguirse de distintas maneras: aumentar el diámetro de las hélices, incrementar el tamaño de las palas, aumentar el número de palas, aumentar las r.p.m. del motor, etc. pero hay inconvenientes a resolver a la hora de diseñar y elegir la hélice que montará un aeroplano.
El diámetro de la hélice está condicionado por la velocidad de las puntas de las palas, que no pueden exceder el número de mach crítico so pena de provocar ondas de choque por ujo supersónico; aumentar su tamaño supone mayor resistencia inducida y exige un mayor esfuerzo del motor y por último, aumentar el número de palas de la hélice implica la necesidad de aumentar la potencia del motor que las ha de mover. Debido a estas circunstancias el diámetro, tamaño y número de palas de las hélices de un aeroplano será un compromiso de todos estos factores, contando además con que la sencillez o sosticación de la solución acordada tendrá repercusión en el coste del aparato y su mantenimiento.
3.2.4 Paso de una hélice.
Aunque se ha mencionado anteriormente, dada su importancia conviene insistir en que se denomina paso de la hélice o paso a secas, aunque también se usa la denominación ángulo de la pala al ángulo que forma la cuerda de los perles de las palas con el plano de rotación de la hélice.
Recibe la denominación de paso geométrico a la distancia horizontal teórica que avanza la hélice en una revolución completa. Pero como el aire no es un uido perfecto, la hélice "resbala" y avanza algo menos. Este avance real se conoce como paso efectivo y la diferencia entre ambos se denomina resbalamiento o “resbale” de la hélice que viene a ser aproximadamente 1/3 del paso geométrico.
Según que el ángulo de la pala de una hélice sea mayor o menor, su paso geométrico también será mayor o menor respectivamente, es decir la hélice avanzará más o menos. Atendiendo a este hecho las hélices se clasifican en hélices de paso corto y hélices de paso largo.
Paso corto. También llamado paso bajo, este paso implica un menor ángulo de ataque de la pala y por tanto menor resistencia inducida, por lo que la hélice puede girar más libre y rápidamente, permitiendo el rápido desarrollo de la potencia del motor. Esto le hace el paso idóneo para maniobras en las que se requiere máxima potencia: despegue y ascenso, aunque no es un paso adecuado para régimen de crucero.
Este paso es como una marcha corta (1ª, 2ª) de la caja de cambios de un automóvil, que se emplean para arrancar o subir cuestas empinadas pero no son ecientes para viajar por carretera o autopista. Con estas marchas el motor de un automóvil alcanza rápidamente su máximo de r.p.m., lo mismo que el motor de un avión con paso corto en la hélice.
Paso largo. También llamado paso alto, este otro paso supone mayor ángulo de ataque y por ello mayor resistencia inducida, lo que conlleva menos r.p.m. en la hélice y más lento desarrollo de la potencia del motor, pero a cambio se mueve mayor cantidad de aire. Con este paso, decrece el rendimiento en despegue y ascenso, pero sin embargo se incrementa la eficiencia en régimen de crucero.
Recurriendo de nuevo al símil de la caja de cambios de un automóvil, este paso es como una marcha larga (4ª, 5ª), son las más adecuadas para viajar por carrera pero no para arrancar o subir una cuesta empinada. Con estas marchas largas, el motor del automóvil no desarrolla sus máximas r.p.m., pero se obtiene mejor velocidad con un consumo más económico, exactamente lo mismo que un avión con la hélice puesta en paso largo.
En algunos manuales, se identica el paso corto con velocidades pequeñas del avión debido a que las maniobras en las cuales está indicado este paso (despegue, ascenso, ...) implican baja velocidad en el avión. Por la misma razón se identica el paso largo con altas velocidades (crucero, ...).
Con independencia del número de palas, tamaño, diámetro, etc., ateniéndonos al paso de las hélices estas se clasican básicamente en hélices de paso jo y hélices de paso variable.
3.2.5 Hélice de paso fijo.
En este tipo de hélice, el paso de las palas está impuesto por el mejor criterio del diseñador del aeroplano y no es modificable por el piloto. Este paso es único para todos los regímenes de vuelo, lo cual restringe y limita su eficacia; una buena hélice para despegues o ascensos no es tan buena para velocidad de crucero, y viceversa; es como una caja de cambios con una única velocidad pero compensa su relativa falta de eficacia con una gran sencillez de funcionamiento.
Están diseñadas para adaptarse a un rango específico de condiciones relativas a la velocidad de rotación del motor y a la velocidad de avance del avión; cualquier cambio en estas condiciones reduce la eficiencia tanto de la hélice como del motor. En la figura 32a podemos observar como a partir de la situación de la imagen de la izquierda, cambiando en una hélice de paso fijo la velocidad de avance o la de rotación se produce una variación en el ángulo de ataque AoA afectando con ello a la eficiencia de la hélice.
Con estas hélices, se da al piloto la posibilidad de establecer una velocidad de rotación de la hélice acorde con la necesidad de máxima eciencia aprovechando así ecazmente la potencia del motor para cualquier régimen de vuelo. Un regulador varía automáticamente el paso de las palas según sea necesario y mantiene la velocidad de rotación establecida. En la mayoría de las aeronaves, este sistema es hidráulico, con aceite de motor que sirve como fluido. Sin embargo, las hélices controladas eléctricamente se desarrollaron durante la Segunda Guerra Mundial y tuvieron un uso extenso en aviones militares, y recientemente han visto un renacimiento en el uso en aviones construidos por particulares (kits).
El piloto selecciona en cabina la potencia de motor deseada mediante el mando o varilla de gases (throttle) y las r.p.m. de motor y hélice (palanca o varilla). El regulador (governor propeller) se encargará de contrarrestar cualquier situación tendente a variar esas r.p.m. y mantenerlas constantes (de ahí el nombre de velocidad constante) variando el paso de las palas de la hélice en un sentido u otro. Por ejemplo: si la potencia del motor se incrementa el governor automáticamente incrementaría el ángulo de las palas para mantener las r.p.m.
En general, al variar el empuje varía también la resistencia aerodinámica y con ello la resistencia que opone la hélice al giro del motor; una mayor velocidad del aeroplano implica menor AoA de las palas y menor resistencia por lo que las r.p.m. tenderán a incrementarse. Por el contrario, una menor velocidad supone mayores AoA y resistencia por lo que las r.p.m. tenderán a reducirse. Es tarea del governor aumentar o disminuir respectivamente el paso de las palas para mantener las r.p.m. seleccionadas por el piloto.
El regulador consta básicamente de un mecanismo que se activa y mueve las palas como consecuencia del equilibrio de dos fuerzas que actúan sobre una válvula selectora: por un lado la fuerza centrífuga ejercida por unos contrapesos que giran proporcionalmente a las r.p.m. del motor y por otro la presión de un muelle opuesto a dichos contrapesos. La presión de este muelle se ja con el mando selector del paso en cabina (azul), de forma que a cada régimen de revoluciones seleccionado le corresponde una tensión de dicho muelle. Cualquier diferencia entre las r.p.m. seleccionadas y las reales de giro, se traducirá en un desequilibrio de fuerzas entre el muelle y los contrapesos de forma que la válvula selectora del governor dejará pasar presión de aceite o la descargará, moviendo con ello las hélices y variando su paso para restablecer el equilibrio y así mantener las r.p.m.
El governor tiene unos límites superior e inferior de variación en el paso de las palas; si no puede aumentar más el paso puede producirse “overspeed” o “underspeed” cuando no puede seguir disminuyéndolo.
Las hélices modernas, sobre todo aquellas que equipan a aviones bimotores o comerciales, tienen un mecanismo que en caso de fallo de motor permite ponerlas "en bandera", es decir, presentando al viento el perfil de la hélice que ofrece menor resistencia para evitar que en caso de fallo de motor la hélice arrastre a este y empeore la situación. En algunos aeroplanos equipados con motores muy potentes, es posible invertir el paso de la hélice para ayudar en la frenada y hacer más corta la carrera de aterrizaje; lógicamente, tienen un mecanismo que impide que se haga en vuelo.
Un detalle: en los tres capítulos, anterior, este y el siguiente, empleo a menudo la palabra propulsión para describir el acto general de impulsar una aeronave hacia adelante, sin entrar en disquisiciones semánticas y con independencia de donde estén colocadas las hélices en un aeroplano.
Notas:
La densidad del aire es un factor que interviene en el rendimiento tanto de la hélice como del motor: a mayor densidad mayor rendimiento. Puesto que la densidad disminuye con la altura, a mayor altura menor será el rendimiento de ambos.
La hélice necesita unos cuidados básicos para que no pierda efectividad: mantenerla libre de suciedad, melladuras, grietas, etc. Cuando se rueda en terrenos no asfaltados, debe hacerse con precaución para evitar que las piedras levantadas por el aire de la hélice la golpeen, pudiendo producirle melladuras o fisuras. Por la misma razón, si la pista es asfaltada pero no así sus accesos o calles de rodaje, conviene realizar la prueba de motores si es posible sobre la pista.
Para un detalle más amplio sobre las hélices puede ser interesante echar un vistazo a estos vídeos.
Sumario:
La hélice está formada por un número variable de palas iguales y concéntricas que giran alrededor de un eje produciendo una fuerza de empuje.
Cada pala es un conjunto de perfiles aerodinámicos que cambian progresivamente su ángulo de incidencia desde la raíz hasta el extremo de la hélice.
Estos perles están sujetos a las mismas leyes y principios que otros perles aerodinámicos, tal como el ala.
Las hélices son movidas por motores de pistón o turbina. El acoplamiento de la hélice al motor puede ser directo o bien mediante mecanismos reductores.
La "torsión" dada a la hélice tiene como principal objetivo producir de forma uniforme la fuerza que acelera la masa de aire.
Las puntas de la hélice tienen mayor velocidad que la parte central.
La proximidad a la velocidad del sonido en el giro de la hélice produce una gran disminución en su rendimiento. Esto limita su diámetro y la velocidad de rotación.
El ángulo de ataque de las palas de una hélice es inversamente proporcional a la velocidad de avance de la mismo y directamente proporcional a su velocidad de rotación.
La cantidad de empuje del aeroplano depende del tamaño de la hélice, su paso y su velocidad de giro, la cual depende a su vez de las r.p.m. del motor.
Según que la hélice se sitúe en la parte delantera “tirando” del aeroplano o en la trasera “empujando” al mismo reciben el nombre de “tractora” o “propulsora” respectivamente; algunos aeroplanos cuentan con una conguración mixta.
La hélice puede girar en el sentido de las agujas del reloj o en el contrario; en aviones monomotores es habitual el primer caso. En un bimotor suele darse una hélice girando en un sentido y la otra en el contrario para contrarrestar el torque.
Se llama ángulo de la pala, paso de la hélice o más habitualmente paso a secas, al ángulo que forma la cuerda de los perles de las palas con el plano de rotación de la hélice.
El avance que proporciona una hélice en un giro completo se denomina paso geométrico; paso efectivo es el realmente producido y resbalamiento (debido a la naturaleza del aire) la diferencia entre ambos.
Las hélices se clasifican básicamente en hélices de paso fijo y hélices de paso variable.
Como su propio nombre indica, una hélice de paso fijo es aquella cuyo paso es único para todos los regímenes de vuelo; no es modificable por el piloto. Este tipo de hélice compensa su falta de ecacia con una gran sencillez de funcionamiento.
Una hélice de paso variable posibilita al piloto ajustar el paso de la hélice a las distintas condiciones de vuelo.
El ajuste se realiza con una palanca que puede ser: de dos posiciones paso corto y paso largo, a veces con una posición intermedia más, y lo que es más habitual cualquier paso dentro de un rango mínimo y máximo.
El paso corto provoca menos resistencia y permite el mejor desarrollo de la potencia del motor, más r.p.m. Este paso incrementa el rendimiento en despegue y ascenso, pero no es adecuado para régimen de crucero.
El paso largo implica mayor resistencia y menor desarrollo de la potencia del motor, menos r.p.m., pero mueve una masa de aire mayor. Es el utilizado en régimen de crucero y no es ecaz en despegue y ascenso.
Los pasos de la hélice son como las marchas de la caja de cambios de un automóvil: marchas cortas (paso corto) para arrancar y subir cuestas empinadas; marchas largas (paso largo) para autopistas.
Una hélice de velocidad constante, es una hélice de paso variable que mantiene su velocidad constante con independencia de los cambios de potencia del motor.
Esta última posibilita al piloto establecer una velocidad de rotación de la hélice para obtener la máxima eficiencia y mejor aprovechamiento de la potencia del motor. Un regulador (governor) varía automáticamente el paso de las palas para mantener la velocidad de rotación establecida con independencia de los cambios de potencia o carga de la hélice.
El governor tiene unos límites superior e inferior de variación en el paso de las palas; si no puede aumentar más el paso puede producirse “overspeed” o “underspeed” cuando no puede seguir disminuyéndolo.
Algunas hélices pueden ponerse en “bandera” para que en caso de avería del motor no arrastren a este y agranden el problema.
También algunas pueden ponerse en “reversa” de forma que invierten el flujo de la hélice para ayudar a frenar el aeroplano. Por seguridad solo se puede hacer con el avión en tierra.
Un factor muy importante en el rendimiento del motor y de la hélice es la densidad del aire: a mayor densidad mayor rendimiento. Como la densidad disminuye con la altura a mayor altura menor rendimiento de la hélice y del motor.
Existen dos tipos de hélice de este tipo: hélice de ascenso y de crucero; que el aeroplano equipe una u otra dependerá del uso que se vaya a hacer del mismo. La hélice de ascenso tiene un paso bajo lo que implica mejor rendimiento durante despegues y ascensos pero peor rendimiento en régimen de crucero. Por el contrario, la hélice de crucero tiene un paso alto que supone un peor rendimiento en despegues y ascensos pero sin embargo una mayor eficiencia en vuelo de crucero.
Un tipo especial de hélice de paso jo es aquella que admite una cierta regulación del paso de las palas: en tierra, con el motor parado y mediante herramientas especiales se puede variar el paso de las palas dentro de unos ciertos límites: las palas llevan una marca que se hace coincidir con una de las marcas graduadas que tiene el cono para de esta manera regular el paso que será invariable durante toda la duración del vuelo. Este tipo de hélice está en desuso pues aporta pocas ventajas respecto a la hélice de paso jo exigiendo además un esfuerzo no compensado por los mínimos beneficios que aporta.
3.2.6 Hélice de paso variable.
Para entender cómo funciona el paso variable, partimos de: (1) La mayoría de los motores de combustión interna obtienen su máxima potencia en un punto cercano al máximo de r.p.m. (2) La potencia requerida para volar de forma económica a velocidad de crucero es usualmente menor a la potencia máxima.
Este tipo de hélices, como su nombre indica aunque también reciben el nombre de hélices de paso controlable, permite al piloto ajustar el paso de las palas en vuelo y acomodar la hélice a las diferentes fases del mismo, con lo cual obtiene un mejor rendimiento. Aunque son más eficientes que las hélice de paso fijo a cambio exigen un mayor coste de construcción y de mantenimiento.
Volviendo al símil automovilístico es como tener un automóvil con una caja de cambios de varias velocidades.
Básicamente se dan tres tipos de hélice de este tipo: una antigua que admite dos posiciones de selección de paso de las palas, paso corto (menor ángulo de las palas) y paso largo (mayor ángulo de las palas) aunque existen modelos que admiten un paso intermedio; otra menos antigua y algo más avanzada en la que el paso es seleccionable por el piloto dentro de los límites corto-largo, y por último una relativamente más moderna, que modifica el paso de las palas automáticamente (hélice de velocidad constante). Esta última es la más común hoy en día.
Con la hélice de solo dos posiciones, el piloto seleccionará un paso u otro dependiendo de la fase de vuelo; en despegue y ascenso paso corto y en crucero paso largo. Esto supone una pequeña ventaja sobre la hélice de paso fijo pues amplía algo la capacidad de rendimiento de la hélice; el segundo tipo de hélice mejora a la anterior pero obliga al piloto a estar pendiente de las r.p.m. del sistema motriz y ajustar el ángulo de las palas casi de continuo para obtener un buen rendimiento. El tercer tipo, hélice de velocidad constante, es la que se describe a continuación.
3.2.7 Hélice de velocidad constante.
Es una hélice de paso variable, cuyo paso de las palas se regula de forma automática para mantener fija y de manera constante la velocidad de giro de la hélice establecida por el piloto, con independencia de los cambios de potencia en el motor. Representa una mejora sustancial respecto a los otros tipos de hélice pero a cambio, requiere de un mecanismo de control del paso algo más complejo.
El objetivo de una hélice debe ser acelerar la mayor cantidad de aire y a la mayor velocidad posible con el n de conseguir la máxima fuerza de empuje aunque con el menor esfuerzo, lo que conocemos como eficiencia, entendida esta como la capacidad de transformar la potencia del motor en empuje. Este objetivo se consigue en un rango de AoA limitado en el cual se obtiene la mayor fuerza de empuje con la menor resistencia posible; según unas fuentes de entre 4º y 6º y según otras entre 1º y 4º.
Como hemos visto a lo largo del capítulo, el AoA de la hélice está determinado por el ángulo de su viento relativo y este a su vez depende de la velocidad de rotación (Vr) y de la velocidad de avance (Va). Si fijamos la velocidad de rotación, el ángulo del viento relativo (y a su vez el ángulo de ataque AoA) estará determinado por la velocidad de avance y cambiará en la medida que esta cambie variando la eficiencia de la hélice. Ahora bien, si cuando cambia de magnitud el ángulo del viento relativo cambia en la misma forma el ángulo de la pala, el AoA se mantendrá dando lugar a una eficiencia de la hélice casi constante (Fig32b).