Hélice (aeronáutica)
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Las hélices de un avión de transporte militar C-130J Super Hercules

En aeronáutica, una hélice , también llamada hélice , [1] convierte el movimiento giratorio de un motor u otra fuente de energía en una corriente de remolino que empuja la hélice hacia adelante o hacia atrás. Comprende un cubo giratorio accionado por energía, al que se unen varias palas radiales de sección aerodinámica de modo que todo el conjunto gira alrededor de un eje longitudinal. El paso de la pala puede ser fijo, variable manualmente a unas pocas posiciones establecidas, o del tipo de velocidad constante variable automáticamente.

La hélice se conecta al eje de transmisión de la fuente de energía ya sea directamente o mediante un engranaje de reducción . Las hélices pueden estar hechas de madera, metal o materiales compuestos .

Las hélices son más adecuadas para su uso a velocidades subsónicas generalmente por debajo de aproximadamente 480 mph (770 km / h), aunque se lograron velocidades supersónicas en el avión experimental equipado con hélice McDonnell XF-88B . Las velocidades de punta supersónicas se utilizan en algunos aviones como el Tupolev Tu-95 , que puede alcanzar 575 mph (925 km / h). [ cita requerida ]

Historia

Ver también: Primeras máquinas voladoras
Un helicóptero de bambú taketombo japonés decorado

Las primeras referencias para el vuelo vertical provienen de China. Desde alrededor del año 400 a. C., [2] los niños chinos han jugado con juguetes voladores de bambú . [3] [4] [5] Este helicóptero de bambú se hace girar haciendo rodar un palo sujeto a un rotor entre las manos. El giro crea elevación y el juguete vuela cuando se suelta. [2] El libro taoísta del siglo IV d. C. Baopuzi de Ge Hong (抱朴子 "Maestro que abraza la simplicidad") describe algunas de las ideas inherentes a los aviones de ala giratoria. [6]

Diseños similares al helicóptero de juguete chino aparecieron en pinturas renacentistas y otras obras. [7]

Tornillo aéreo de Leonardo

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 realizó cualquier avance registrado hacia el vuelo vertical. Sus notas sugirieron que construyó pequeños modelos voladores, pero no había indicaciones de ninguna disposición para evitar que el rotor hiciera girar la nave. [8] [9] A medida que aumentaba el conocimiento científico y se hacía más aceptado, el hombre continuó persiguiendo la idea del vuelo vertical. Muchos de estos modelos y máquinas posteriores se asemejarían más a la antigua peonza de bambú con alas giratorias, en lugar del tornillo de Leonardo.

En julio de 1754, el ruso Mikhail Lomonosov había desarrollado un pequeño coaxial modelado a partir de la tapa china pero impulsado por un dispositivo de resorte enrollado [10] y lo demostró a la Academia de Ciencias de Rusia . Fue impulsado por un resorte y fue sugerido como un método para levantar instrumentos meteorológicos . En 1783, Christian de Launoy y su mecánico , Bienvenu, utilizaron una versión coaxial de la capota china en un modelo que consistía en plumas de vuelo de pavo contrarrotantes [10] como palas de rotor, y en 1784 lo demostraron a la Academia de Ciencias de Francia . Un dirigibleEl dirigible fue descrito por Jean Baptiste Marie Meusnier presentado en 1783. Los dibujos representan un sobre aerodinámico de 260 pies de largo (79 m) con ballonets internos que podrían usarse para regular la sustentación. La aeronave fue diseñada para ser impulsada por tres hélices. En 1784, Jean-Pierre Blanchard colocó una hélice manual en un globo, el primer medio de propulsión registrado que se transportaba en alto. [11] Sir George Cayley, influenciado por una 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 progresado en el uso de láminas de estaño para las palas del rotor y resortes para la energía. Sus escritos sobre sus experimentos y modelos influirán en los futuros pioneros de la aviación. [8]

Prototipo creado por Mikhail Lomonosov , 1754

William Bland envió diseños para su "Aeronave Atmótica" 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. [12] [13] Alphonse Pénaud desarrolló juguetes de helicópteros en miniatura de rotor coaxial en 1870, también impulsados ​​por bandas de goma. En 1872 Dupuy de Lome lanzó un gran globo navegable, impulsado por una gran hélice impulsada por ocho hombres. [14] Hiram Maxim construyó una nave que pesaba 3,5 toneladas largas (3,6 t), con una envergadura de 110 pies (34 m) que funcionaba con dos motores de vapor de 360 CV (270 kW).impulsando dos hélices. En 1894, su máquina fue probada con rieles elevados para evitar que se elevara. La prueba mostró que tenía suficiente sustentación para despegar. [15] Uno de los juguetes de Pénaud, regalado por su padre , inspiró a los hermanos Wright a perseguir el sueño de volar. [16] La forma de perfil aerodinámico retorcido ( perfil aerodinámico) de una hélice de avión fue pionera en los hermanos Wright. Si bien algunos ingenieros anteriores habían intentado modelar hélices de aire en hélices marinas , los hermanos 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 en las alas, introduciendo un giro a lo largo de las palas. Esto era necesario para mantener un ángulo de ataque más uniforme de la hoja a lo largo de su longitud. [17] Sus palas de hélice originales tenían una eficiencia de aproximadamente el 82%, [18] en comparación con el 90% de una hélice de aviación general pequeña moderna (2010), la McCauley de 3 palas utilizada en un avión Beechcraft Bonanza . [19] Roper [20] cotiza el 90% para una hélice para un avión de propulsión humana.

La caoba fue la madera preferida para las hélices durante la Primera Guerra Mundial , pero la escasez de tiempos de guerra alentó el uso de nogal , roble , cerezo y fresno . [21] Alberto Santos Dumont fue otro pionero, habiendo diseñado hélices antes que los hermanos Wright [22] para sus aeronaves . Aplicó el conocimiento que obtuvo de sus experiencias con aeronaves 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 hoja de aluminio doblada para las palas, creando así una forma aerodinámica. Estaban muy subcambiados, y esto más la ausencia de torsión longitudinal los hizo menos eficientes que las hélices Wright. [23] Aun así, este fue quizás el primer uso de aluminio en la construcción de una hélice. Originalmente, un perfil aerodinámico giratorio detrás del avión, que lo empuja, se llamaba hélice, mientras que uno que tiraba de la parte delantera era un tractor . [24] Más tarde, el término "empujador" se adoptó para el dispositivo montado en la parte trasera en contraste con la configuración del tractor y ambos se denominaron "hélices" o "hélices de aire". La comprensión de la aerodinámica de la hélice de baja velocidad era bastante completa en la década de 1920, pero los requisitos posteriores para manejar más potencia en un diámetro más pequeño han hecho que el problema sea más complejo.

La investigación de hélices para el Comité Asesor Nacional de Aeronáutica (NACA) fue dirigida por William F. Durand desde 1916. Los parámetros medidos incluyeron 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 diferir. En el Laboratorio Aeronáutico Langley Memorial , EP Leslie utilizó Vought VE-7 con motores Wright E-4 para obtener datos en vuelo libre, mientras que Durand utilizó un tamaño reducido, con una forma similar, para los datos del túnel de viento. Sus resultados se publicaron en 1926 como informe NACA # 220. [25]

Teoría y diseño

Hélice ATR 72 en vuelo.

Lowry [26] cita una eficiencia de la hélice de alrededor del 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 velocidad constante. La eficiencia de la hélice está influenciada por el ángulo de ataque (α). Esto se define como α = Φ - θ, [27] donde θ es el ángulo de la hélice (el ángulo entre la velocidad relativa resultante y la dirección de rotación de la pala) y Φ es el paso de la palaángulo. Los ángulos de paso y de hélice muy pequeños dan un buen rendimiento contra la resistencia pero proporcionan poco empuje, mientras que los ángulos más grandes tienen el efecto contrario. El mejor ángulo de hélice es cuando la hoja actúa como un ala produciendo mucha más sustentación que resistencia. Sin embargo, 'levantar y arrastrar' es solo una forma de expresar la fuerza aerodinámica en las palas. Para explicar el rendimiento de la aeronave y el motor, la misma fuerza se expresa de forma ligeramente diferente en términos de empuje y par [28], ya que la potencia requerida de la hélice es el empuje. El empuje y el par son 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 [29]

Las hélices son similares en sección aerodinámica a un ala de bajo arrastre y, como tales, funcionan mal cuando se encuentran en un ángulo de ataque diferente al óptimo . Por lo tanto, la mayoría de las hélices utilizan un mecanismo de paso variable para alterar el ángulo de paso de las palas a medida que cambian la velocidad del motor y la velocidad de la aeronave.

Un marinero comprueba la hélice de un aerodeslizador de cojín de aire de Landing Craft

Una consideración adicional es el número y la forma de las hojas utilizadas. El aumento de 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 aspecto alto puede resultar en un diámetro de hélice excesivo. Un equilibrio adicional es que el uso de un número menor de palas reduce los efectos de interferencia entre las palas, pero tener suficiente área de palas para transmitir la potencia disponible dentro de un diámetro establecido significa que se necesita un compromiso. Aumentar el número de palas también disminuye la cantidad de trabajo que debe realizar cada pala, lo que limita el número de Mach local , un límite de rendimiento significativo en las hélices. El rendimiento de una hélice sufre cuando transonicEl flujo aparece primero en las puntas de las palas. Como la velocidad relativa del aire en cualquier sección de una hélice es una 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 hoja alcanza su velocidad crítica , la resistencia al arrastre y al torque aumentan rápidamente y se forman ondas de choque que crean un fuerte aumento en el ruido. Las aeronaves con hélices convencionales, por lo tanto, no suelen volar más rápido que Mach 0,6. Ha habido aviones de hélice que alcanzaron el rango de Mach 0.8, pero la baja eficiencia de la hélice a esta velocidad hace que tales aplicaciones sean raras.

Giro de la hoja

La punta de la pala de una hélice viaja más rápido que el eje. Por lo tanto, es necesario que la hoja esté torcida para mantener un ángulo de ataque uniforme en toda la hoja.

Alta velocidad

Se han realizado esfuerzos para desarrollar hélices y propfans para aeronaves a altas velocidades subsónicas. [30] La 'corrección' es similar a la del diseño del ala transónica . Se utilizan secciones delgadas de palas y las palas se mueven hacia atrás en forma de cimitarra ( hélice de cimitarra ) de una manera similar al movimiento de las alas, para retrasar la aparición de ondas de choque a medida que 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 ángulos de hélice grandes. Se utiliza una gran cantidad de hojas para reducir el trabajo por hoja y, por lo tanto, la fuerza de circulación. Hélices contrarrotantesson usados. Las hélices diseñadas son más eficientes que los turboventiladores y su velocidad de crucero (Mach 0,7-0,85) es adecuada para aviones de pasajeros, pero el ruido generado es tremendo (consulte el Antonov An-70 y el Tupolev Tu-95 para ver ejemplos de este diseño). .

Física

Las fuerzas que actúan sobre las palas de la hélice de un avión incluyen las siguientes. Algunas de estas fuerzas pueden disponerse para contrarrestarse entre sí, reduciendo las tensiones mecánicas generales impuestas. [31] [1]

Flexión de empuje
Las cargas de empuje sobre las palas, en reacción a la fuerza que empuja el aire hacia atrás, actúan para doblar las palas hacia adelante. Por lo tanto, las cuchillas a menudo se inclinan hacia adelante, de modo que la fuerza centrífuga de rotación hacia afuera actúa para doblarlas hacia atrás, equilibrando así los efectos de flexión.
Torsión centrífuga y aerodinámica
Cualquier objeto giratorio asimétrico experimenta una fuerza de torsión centrífuga. En la hélice actúa para girar las palas a un paso fino. Por lo tanto, el centro de presión aerodinámico generalmente está dispuesto para estar ligeramente por delante de su línea central mecánica, creando un momento de torsión hacia un paso grueso y contrarrestando el momento centrífugo. Sin embargo, en una inmersión a alta velocidad, la fuerza aerodinámica puede cambiar significativamente y los momentos pueden desequilibrarse.
Centrífugo
La fuerza que sienten las cuchillas que actúan para alejarlas del cubo al girar. Puede disponerse para ayudar a contrarrestar la fuerza de flexión de empuje, como se describe anteriormente.
Torque de flexión
La resistencia del aire que actúa contra las palas, combinada con los efectos de inercia , hace que las palas de la hélice se doblen en dirección opuesta a la dirección de rotación.
Vibratorio
Muchos tipos de perturbaciones establecen fuerzas vibratorias en las palas. Estos incluyen excitación aerodinámica cuando las palas pasan cerca del ala y el fuselaje. Los motores de pistón introducen impulsos de par que pueden excitar los modos vibratorios de las palas y provocar fallas por fatiga. [32] Los impulsos de par no están presentes cuando son impulsados ​​por un motor de turbina de gas.

Paso variable

Artículo principal: Hélice de paso variable (aeronáutica)

El propósito de variar el ángulo de paso es mantener un ángulo de ataque óptimo para las palas de la hélice, brindando la máxima eficiencia durante todo el régimen de vuelo. Esto reduce el uso de combustible. Solo maximizando la eficiencia de la hélice a altas velocidades se puede lograr la velocidad más alta posible. [33] El ángulo de ataque efectivo disminuye a medida que aumenta la velocidad aerodinámica, por lo que se requiere un paso más grueso a velocidades aerodinámicas altas.

El requisito de variación de paso se muestra en el rendimiento de la hélice durante la competencia del Trofeo Schneider en 1931. La hélice de paso fijo de Fairey Aviation Company utilizada se detuvo parcialmente en el despegue y hasta 160 mph (260 km / h) en su camino hacia arriba. a una velocidad máxima de 407,5 mph (655,8 km / h). [34] La gama de velocidades muy amplia se logró porque no se aplicaron algunos de los requisitos habituales para el rendimiento de las aeronaves. No hubo compromiso en la eficiencia de la velocidad máxima, la distancia de despegue no se restringió a la longitud de pista disponible y no hubo requisitos de ascenso. [35]

Las palas de paso variable utilizadas en el Tupolev Tu-95 lo impulsan a una velocidad que excede el máximo que alguna vez se consideró posible para una aeronave propulsada por hélice [36] utilizando un paso excepcionalmente grueso. [37]

Mecanismos

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

Los primeros ajustes de control de tono fueron operados por piloto, ya sea con un pequeño número de posiciones preestablecidas o continuamente variable. [1]

El mecanismo más simple es la hélice ajustable desde el suelo , que puede ajustarse en el suelo, pero es efectivamente una hélice de paso fijo una vez en el aire. La hélice VP de "dos velocidades" cargada por resorte se establece en fina para el despegue, y luego se activa para basarse una vez en crucero, la hélice permanece basta durante el resto del vuelo.

Después de la Primera Guerra Mundial , se desarrollaron hélices automáticas para mantener un ángulo de ataque óptimo. Esto se hizo equilibrando el momento de torsión centrípeto en las palas y un conjunto de contrapesos contra un resorte y las fuerzas aerodinámicas en la pala. Los puntales automáticos tenían la ventaja de ser simples, livianos y no requerir control externo, pero el desempeño de una hélice en particular era difícil de igualar con el de la planta de energía de la aeronave.

La hélice de paso variable más común es la hélice de velocidad constante . Esto está controlado por una unidad hidráulica de velocidad constante (CSU). Ajusta automáticamente el paso de la hoja para mantener una velocidad constante del motor para cualquier ajuste de control de potencia dado. [1] Las hélices de velocidad constante permiten que el piloto establezca una velocidad de rotación de acuerdo con la necesidad de máxima potencia del motor o máxima eficiencia, y un gobernador de hélice actúa como un controlador de circuito cerrado para variar el ángulo de paso de la hélice según sea necesario para mantener el motor seleccionado. velocidad. En la mayoría de las aeronaves, este sistema es hidráulico y el aceite del motor actúa como fluido hidráulico. Sin embargo, las hélices controladas eléctricamente se desarrollaron durante la Segunda Guerra Mundial.y vio un uso extensivo en aviones militares, y recientemente se ha visto un resurgimiento en su uso en aviones construidos en casa. [ cita requerida ]

Otro diseño es el V-Prop , que es autónomo y autónomo.

Plumando

Hélice emplumada en el turbohélice TP400 fuera de borda de un Airbus A400M

En la mayoría de las hélices de paso variable, las palas se pueden girar en paralelo 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 llama emplumar , un término tomado del remo . En aviones monomotores, ya sea un planeador motorizado o un avión propulsado por turbina, el efecto es aumentar la distancia de planeo. En una aeronave multimotor, poner la hélice en un motor inoperativo reduce la resistencia y ayuda a la aeronave a mantener la velocidad y la altitud con los motores operativos.

La mayoría de los sistemas de pluma para motores alternativos detectan una caída en la presión del aceite y mueven las palas hacia la posición de pluma, y ​​requieren que el piloto tire del control de la hélice hacia atrás para desenganchar los pasadores de tope de paso alto antes de que el motor alcance las RPM en vacío . Los sistemas de control de turbohélice suelen utilizar un sensor de par negativo en la caja de cambios de reducción que mueve las palas hacia la pluma cuando el motor ya no proporciona potencia a la hélice. Dependiendo del diseño, es posible que el piloto tenga que presionar un botón para anular las paradas de tono alto y completar el proceso de desvanecimiento, o el proceso de desvanecimiento puede ser totalmente automático.

Paso inverso

Artículo principal: inversión de empuje

Las hélices de algunas aeronaves pueden operar con un ángulo de paso de pala negativo y, por lo tanto, invertir el empuje de la hélice. Esto se conoce como Beta Pitch. El empuje inverso se utiliza para ayudar a reducir la velocidad de la aeronave después del aterrizaje y es particularmente ventajoso cuando se aterriza en una pista mojada, ya que el frenado de las ruedas sufre una eficacia reducida. En algunos casos, el paso inverso permite que la aeronave ruede en reversa; esto es particularmente útil para sacar hidroaviones de muelles confinados.

Contrarrotación

Artículo principal: hélices contrarrotantes
Hélices contrarrotantes

Las hélices contrarrotantes se utilizan a veces en aviones bimotores y multimotores con motores montados en alas. Estas hélices giran en direcciones opuestas a su contraparte en el otro ala para equilibrar los efectos de par y factor p . A veces se les conoce como hélices "manuales", ya que existen versiones para la mano izquierda y la derecha de cada accesorio.

Generalmente, las hélices de ambos motores de la mayoría de los aviones bimotores convencionales giran en el sentido de las agujas del reloj (como se ve desde la parte trasera del avión). Para eliminar el problema crítico del motor , las hélices que giran en sentido contrario generalmente giran "hacia adentro" hacia el fuselaje, en el sentido de las agujas del reloj en el motor izquierdo y en el sentido contrario a las agujas del reloj en el derecho, pero hay excepciones (especialmente durante la Segunda Guerra Mundial ) como el P-38. Rayos que giraron "hacia afuera" lejos del fuselaje de los años de la Segunda Guerra Mundial, y el Airbus A400 cuyos motores internos y externos giran en direcciones opuestas incluso en la misma ala.

Contrarrotación

Artículo principal: hélices contrarrotantes

Una hélice o contra-hélice que gira en sentido contrario coloca dos hélices que giran en sentido contrario en ejes de transmisión concéntricos para que una se asiente inmediatamente "aguas abajo" de la otra hélice. Esto proporciona los beneficios de las hélices contrarrotantes para un solo motor. La hélice delantera proporciona la mayor parte del empuje, mientras que la hélice trasera también recupera la energía perdida en el movimiento giratorio del aire en la corriente de deslizamiento de la hélice. La contrarrotación también aumenta la capacidad de una hélice para absorber potencia de un motor determinado, sin aumentar el diámetro de la hélice. Sin embargo, el costo adicional, la complejidad, el peso y el ruido del sistema rara vez hacen que valga la pena y solo se usa en tipos de alto rendimiento donde el rendimiento final es más importante que la eficiencia.

Ventiladores de aviones

Artículos principales: Ventilador de propfan y conductos

Un ventilador es una hélice con una gran cantidad de palas. Por lo tanto, un ventilador produce mucho empuje para un diámetro dado, pero la cercanía de las palas significa que cada una afecta fuertemente el flujo alrededor de las otras. Si el flujo es supersónico, esta interferencia puede ser beneficiosa si el flujo se puede comprimir a través de una serie de ondas de choque en lugar de una. Colocando el ventilador dentro de un conducto con forma, se pueden crear patrones de flujo específicos dependiendo de la velocidad de vuelo y el rendimiento del motor. A medida que el aire ingresa al conducto, su velocidad se reduce mientras que su presión y temperatura aumentan. Si la aeronave está a una velocidad subsónica alta, esto crea dos ventajas: el aire ingresa al ventilador a una velocidad Mach menor; y la temperatura más alta aumenta la velocidad local del sonido. Si bien hay una pérdida de eficiencia a medida que el ventilador está absorbiendo un área más pequeña de la corriente libre y, por lo tanto, usa menos aire, esto se equilibra con la eficiencia de retención del ventilador con conductos a velocidades más altas donde la eficiencia de la hélice convencional sería baja. Un ventilador con conductos o una hélice también tiene ciertos beneficios a velocidades más bajas, pero el conducto debe tener una forma diferente a la de uno para vuelos de mayor velocidad.Se toma más aire y, por lo tanto, el ventilador funciona con una eficiencia equivalente a una hélice sin conductos más grande. Los conductos también reducen el ruido y, si se desprende una cuchilla, el conducto ayudaría a contener el daño. Sin embargo, el conducto agrega peso, costo, complejidad y (hasta cierto punto) resistencia.

Ver también

  • Ratio de avance
  • Diseño de ventilador axial
  • Rotor de helicóptero
  • Lista de fabricantes de hélices de aviones
  • Charles M. Olmsted , primer diseñador estadounidense de hélices de "alta eficiencia" (1909)
  • Turbohélice
  • Rotores de elevación radial

Referencias

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  36. ^ "Todos los aviones del mundo de Jane 1982-1983, Jane's Publishing Company Limited, ISBN 0 7106-0748-2 , p.228 
  37. ^ El desarrollo de motores de turbina y jet ", cuarta edición, Bill Gunston 2006, Patrick Stephens Limited, ISBN 0 7509 4477 3 , p.66 

enlaces externos

  • Hélices de aviones experimentales
  • Sitio web How Things Fly del Smithsonian National Air and Space Museum
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