¿Cuáles son los principios básicos de una hélice en un avión? (Basic propeller principles)

La hélice de una aeronave consta de dos o más palas y un cubo (hub) central al que se unen las palas. Cada hoja (blade) de una hélice de avión es básicamente un ala giratoria. Como resultado de su construcción, las palas de la hélice son como perfiles aerodinamicos y producen fuerzas que crean el empuje para empujar (thrust), el avión a través del aire. 

El motor proporciona la potencia necesaria para girar las palas de la hélice a través del aire a altas velocidades, y la hélice transforma la potencia rotativa del motor en empuje hacia adelante.

La sección o elemento de cuchilla de la hélice es una superficie aerodinámica es comparable con una sección transversal de un ala de avión. Una superficie de la hoja es curvada, similar a la superficie superior de un ala de avión, mientras que la otra superficie es plana como la superficie inferior de un ala. La chord line es una línea imaginaria dibujada a través de la hoja desde su borde de ataque hasta su borde de salida. Al igual que en un ala, el borde de ataque es el borde grueso de la hoja que se encuentra con el aire a medida que la hélice gira.

El ángulo de la hoja (blade) , medido generalmente en grados, es el ángulo entre el acorde de la hoja y el plano de rotación y se mide en un punto específico a lo largo de la longitud de la hoja. Debido a que la mayoría de las hélices tienen una hoja plana "mas conocido como cara", la chord line a menudo se dibuja a lo largo de la cara de la hoja de la hélice. 

Pitch no es el ángulo de la hoja, pero debido a que pitch está determinado en gran medida por el ángulo de la hoja, los dos términos a menudo se utilizan indistintamente. Un aumento o disminución en uno se asocia generalmente con un aumento o disminución en el otro. El paso de una hélice se puede designar en pulgadas. Una hélice designada como "74 - 48" tendría 74 pulgadas de longitud y un paso efectivo de 48 pulgadas. El pitch es la distancia en pulgadas, que la hélice atornillaría a través del aire en una revolución si no hubiera deslizamiento.

Al especificar una hélice de paso fijo para un nuevo tipo de aeronave, el fabricante generalmente selecciona una con un paso que funcione eficientemente a la velocidad de crucero esperada de la aeronave. Cada hélice de paso fijo debe ser un compromiso, ya que puede ser eficiente a sólo una combinación dada de la velocidad del aire y las revoluciones por minuto (rpm). Los pilotos no pueden cambiar esta combinación en vuelo.

Cuando la aeronave está en reposo en tierra con el motor en funcionamiento, o moviéndose lentamente al comienzo del despegue, la eficiencia de la hélice es muy baja porque la hélice se detiene de avanzar con la velocidad suficiente para permitir su fixed-pitch de lanzamiento para alcanzar su plena eficiencia. En esta situación, cada pala de la hélice está girando a través del aire a un AOA que produce relativamente poco empuje para la cantidad de energía necesaria para girarlo.

¿Cómo funciona una hélice de un avión?

Para entender la acción de una hélice, considere primero su movimiento, que es rotacional y hacia adelante. Como muestran los vectores de las fuerzas de la hélice en la imagen, cada sección de una hoja de la hélice se mueve hacia abajo y hacia adelante. El ángulo en el que este aire (viento relativo) golpea la hoja de la hélice es su AOA. La deflexión 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 empuje.

La forma de la hoja también crea empuje, ya que es combado o con curva como la forma de la superficie de un ala. A medida que el aire fluye más allá de la hélice, la presión en un lado es menor que en el otro. Al igual que en un ala, una fuerza de reacción se produce en la dirección de la presión menor. 

El flujo de aire sobre el ala tiene menos presión, y la fuerza (elevación) es hacia arriba. En el caso de la hélice, que está montada en un plano vertical en lugar de horizontal, el área de menor presión está delante de la hélice, y la fuerza (empuje) está en una dirección hacia adelante. Aerodinámicamente, el empuje es el resultado de la forma de la hélice y el AOA de la hoja.

El empuje se puede considerar 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 del torbellino (slipstream) menos la velocidad de la aeronave. La potencia consumida en la producción de empuje depende de la velocidad de movimiento de masa de aire. En promedio, el empuje constituye aproximadamente el 80 % de torque (potencia total absorbida por la hélice). El otro 20% se pierde en fricción y deslizamiento.

Para cualquier velocidad de rotación, la potencia absorbida por la hélice equilibra la potencia suministrada por el motor. Para cualquier revolución de la hélice, la cantidad de aire manejada depende del ángulo de la hoja, lo que determina el tamaño de una "porción pequeña" de aire que toma la hélice. Por lo tanto, el ángulo de la hoja (blade) es un medio excelente de ajustar la carga en la hélice para controlar las revoluciones del motor.

El ángulo de la hoja es también un excelente método para ajustar el AOA de la hélice. En hélices de velocidad constante, el ángulo de la hoja debe ajustarse para proporcionar el AOA más eficiente a todas las velocidades de motor y avión. Las curvas de elevación versus resistencia, que se dibujan tanto para hélices como para alas, indican que el AOA más eficiente es pequeño, variando de +2° a +4°. El ángulo real de la hoja necesaria para mantener este pequeño AOA varía con la velocidad de avance de la aeronave.

Eficiencia de la hélice de un avión

Las hélices de paso fijo y ajustable (ground-adjustable propellers) están diseñadas para la mejor eficiencia en una rotación y velocidad de avance. Están diseñados para una determinada aeronave y combinación de motores. Se puede utilizar una hélice que proporcione la máxima eficiencia para el despegue, ascenso, crucero o vuelo de alta velocidad. Cualquier cambio en estas condiciones resulta en reducir la eficiencia tanto de la hélice como del motor. Dado que la eficiencia de cualquier máquina es la relación entre la potencia útil y la potencia real, la eficiencia de la hélice es la relación entre la potencia de empuje y la potencia de frenado.

La eficiencia de la hélice varía de 50 a 87 por ciento, dependiendo de cuánto "se desliza la hélice." Deslizamiento de la hélice es la diferencia entre el paso geométrico de la hélice y su paso efectivo. Geométrico paso es la distancia teórica que una hélice debe avanzar en una revolución; el tono efectivo es la distancia que realmente avances. Por lo tanto, el tono geométrico o teórico se basa en ningún deslizamiento, pero el paso real o efectivo incluye la hélice deslizamiento en el aire.

La razón por la que una hélice está "retorcida o twisted" 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 partes cercanas al cubo (hub). Si las palas tuvieran el mismo pitch geométrico a lo largo de sus longitudes, las porciones cerca del cubo podrían tener AOA's negativos mientras que las puntas de la hélice se estancarían a la velocidad de crucero. 

La torsión o variaciones en el pitch geométrico de las palas permite que la hélice opere con un AOA relativamente constante a lo largo de su longitud cuando está en vuelo de crucero. Las palas de la hélice están retorcidas para cambiar el ángulo de la pala en proporción a las diferencias en la velocidad de rotación a lo largo de la longitud de la hélice, manteniendo el empuje casi igualado a lo largo de esta longitud.

Generalmente 1° a 4° proporciona la relación elevación/resistencia (lift/drag ratio) más eficiente, pero en vuelo la hélice AOA de una hélice de paso fijo varía normalmente de 0° a 15°. Esta variación es causada por cambios en el flujo de aire relativo, que a su vez resulta de cambios en la velocidad de la aeronave. Así, la hélice AOA 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 automáticamente el ángulo de la hoja ajustado para la máxima eficiencia en la mayoría de las condiciones de vuelo. Durante el despegue, cuando se requiere la máxima potencia y empuje, la hélice de velocidad constante está en un ángulo o paso bajo de la hoja de la hélice. El ángulo bajo de la hoja mantiene el AOA pequeño y eficiente con respecto al viento relativo.

Al mismo tiempo, permite que la hélice maneje una masa de aire más pequeña por revolución. Esta carga ligera permite al motor girar a altas rpm y convertir la cantidad máxima de combustible en energía térmica en un tiempo dado. Las altas rpm también crean un empuje máximo porque, aunque la masa de aire manejada por revolución es pequeña, las rpm y la velocidad del torbellino (slipstream) son altas, y con la baja velocidad del avión, hay un empuje máximo. Después del despegue, a medida que aumenta la velocidad de la aeronave, la hélice de velocidad constante cambia automáticamente a un ángulo más alto (o cabeceo).

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

Después de que el ascenso de despegue se establece en una aeronave que tiene una hélice de paso controlado, el piloto reduce la potencia de salida del motor para subir la potencia, primero disminuyendo la presión del colector y luego aumentando el ángulo de la hoja para reducir las rpm.

A altitud de crucero, cuando la aeronave está en vuelo nivelado y se requiere menos potencia que la utilizada en despegue o ascenso, el piloto reduce de nuevo la potencia del motor al reducir la presión del colector y luego aumentar el ángulo de la hoja para disminuir las rpm. Una vez más, esto proporciona un requisito de par para que coincida con la potencia reducida del motor. Aunque la masa de aire manejada por revolución es mayor, es más que compensada por una disminución en la velocidad del torbellino y un aumento en la velocidad del aire. El AOA es todavía pequeño porque el ángulo de la hoja se ha aumentado con un aumento de la velocidad del aire.

¿Qué es torque o factor P?

El torque (la tendencia de giro izquierdo del avión) se compone de cuatro elementos que causan o producen un movimiento de torsión o rotación alrededor de al menos uno de los tres ejes del avión. Estos cuatro elementos son:

1. Reacción de torque del motor y la hélice 

2. Efecto Corkscrewing de la estela 

3. Acción giroscópica de la hélice 

4. Carga asimétrica de la hélice (factor P)

¿Qué es reacción de torque?

Involucra la Tercera Ley de Física de Newton "para cada acción, hay una reacción igual y opuesta". Como se aplica a la aeronave, esto significa que como las partes internas del motor y la hélice giran en una dirección, una fuerza igual está tratando de girar la aeronave en la dirección opuesta.

Cuando la aeronave está en el aire, esta fuerza está actuando alrededor del eje longitudinal, tendiendo a hacer que la aeronave ruede. Para compensar la tendencia al giro, algunos de los aviones más antiguos están equipados de una manera que crea más elevación en el ala que se está forzando hacia abajo. Los aviones más modernos están diseñados con el desplazamiento del motor para contrarrestar este efecto de torque.

Para tener en cuenta: La mayoría de los motores de aviones de los Estados Unidos giran la hélice en el sentido de las agujas del reloj, como se ve desde el asiento del piloto.

En general, los factores de compensación se establecen de forma permanente de manera que compensen esta fuerza a velocidad de crucero, ya que la mayor parte del tiempo de funcionamiento de la aeronave es a esa velocidad. Sin embargo, las pestañas de ajuste del alerón permiten un ajuste adicional para otras velocidades. Cuando las ruedas de la aeronave están en el suelo durante el rollo de despegue, un momento de giro adicional alrededor del eje vertical es inducido por la reacción de par. 

A medida que el lado izquierdo del avión se ve obligado a bajar por la reacción de par, se coloca más peso en el tren de aterrizaje principal izquierdo. Esto resulta en más fricción del suelo, o arrastre, en el neumático izquierdo que en el derecho, causando un momento de giro más a la izquierda. La magnitud de este momento depende de muchas variables. Algunas de estas variables son:

1. Tamaño y potencia del motor 

2. Tamaño de la hélice y las RPM 

3. Tamaño de la aeronave 

4. Estado de la superficie del suelo

Este momento de guiñada (yaw) en roll de despegue es corregido por el uso apropiado del piloto del rudder o rudder trim.

¿Que es el efecto corkscrew?

La rotación de alta velocidad de una hélice de avión da un corkscrew o rotación en espiral torbellino o slipstream. A altas velocidades de hélice y baja velocidad de avance (como en los despegues y aproximaciones a los power-on stalls), esta rotación en espiral es muy compacta y ejerce una fuerte fuerza lateral sobre la superficie vertical de la cola del avión.

Cuando este torbellino o slipstream en espiral golpea la aleta vertical, provoca un momento de guiño sobre el eje vertical de la aeronave. Cuanto más compacta es la espiral, más prominente es esta fuerza. Sin embargo, a medida que aumenta la velocidad de avance, la espiral se alarga y se vuelve menos efectiva. El flujo del corkscrew del torbellino también provoca un momento roll alrededor del eje longitudinal.

Tenga en cuenta que este momento de roll causado por el flujo corkscrew del torbellino está a la derecha, mientras que el momento de guiñada causada por la reacción de par es a la izquierda en efecto uno puede contrarrestar el otro. Sin embargo, estas fuerzas varían mucho y es responsabilidad del piloto aplicar medidas correctivas adecuadas mediante el uso de los controles de vuelo en todo momento. Estas fuerzas deben ser contrarrestadas independientemente de cuál sea la más prominente en ese momento.

¿Qué es la acción giroscópica? 

Todas las aplicaciones prácticas del giroscopio se basan en dos propiedades fundamentales de la acción giroscópica: la rigidez en el espacio y la precesión. La cuestión de interés para este debate es la precesión.

La precesión es la acción resultante, o deflexión, de un rotor giratorio cuando se aplica una fuerza de desviación a su borde. cuando se aplica una fuerza, la fuerza resultante tiene efecto 90° por delante y en la dirección de rotación. La hélice giratoria de un avión hace un giroscopio muy bueno y por lo tanto tiene propiedades similares. Cada vez que se aplica una fuerza para desviar la hélice fuera de su plano de rotación, la fuerza resultante es de 90° por delante y en la dirección de rotación y en la dirección de aplicación, causando un momento de lanzamiento, un momento de guiñada, o una combinación de los dos dependiendo del punto en el que se aplicó la fuerza.

Este elemento de efecto de torque siempre ha sido asociado y considerado más prominente en aeronaves de tipo rueda de cola y más a menudo ocurre cuando la cola se está levantando durante el roll de despegue. Este cambio en la actitud de cabeceo o pitch tiene el mismo efecto que aplicar una fuerza a la parte superior del plano de rotación de la hélice. La fuerza resultante que actúa 90° adelante causa un momento de guiñada a la izquierda alrededor del eje vertical.

La magnitud de este momento depende de varias variables, una de las cuales es la brusquedad con la que se eleva la cola (cantidad de fuerza aplicada). Sin embargo, la precesión, o acción giroscópica, ocurre cuando una fuerza se aplica a cualquier punto en el borde del plano de rotación de la hélice; la fuerza resultante será todavía 90° desde el punto de aplicación en la dirección de rotación. Dependiendo de dónde se aplica la fuerza, el avión se hace girar a la izquierda o a la derecha, para cabecear hacia arriba o hacia abajo, o una combinación de cabeceo y guiñada.

¿Qué es carga asimétrica (factor P)?

Cuando un avión está volando con un AOA alto, la sección de la hoja en movimiento hacia abajo es mayor que la sección de la hoja en movimiento hacia arriba. Esto mueve el centro del empuje hacia la derecha del área del disco de la hélice, causando un momento de guiñada hacia la izquierda alrededor del eje vertical. Probar esta explicación es complejo porque sería necesario trabajar los problemas del vector del viento en cada hoja mientras se considera tanto el AOA del avión como el AOA de cada hoja o blade.

Esta carga asimétrica es causada por la velocidad resultante, que es generada por la combinación de la velocidad de la pala de la hélice en su plano de rotación y la velocidad del aire que pasa horizontalmente a través del disco de la hélice. 

Con la aeronave volando en AOA's positivos, la hoja derecha (vista desde atrás) o descendente, está pasando a través de un área de velocidad resultante, que es mayor que la que afecta a la izquierda o la hoja ascendente. Dado que la hoja de la hélice es una superficie aerodinámica, el aumento de la velocidad significa un aumento de la elevación. La hoja descendente tiene más elevación y tiende a tirar (guiñada) de la nariz del avión a la izquierda.

Cuando el avión está volando a un AOA alto, la hoja en movimiento hacia abajo tiene una velocidad resultante más alta, creando más elevación que la hoja en movimiento hacia arriba. Esto podría ser más fácil de visualizar si el eje de la hélice estaba montado perpendicular al suelo (como un helicóptero). Si no hubiera movimiento de aire, excepto el generado por la propia hélice, secciones idénticas de cada pala tendrían la misma velocidad.

Con el aire moviéndose horizontalmente a través de esta hélice montada verticalmente, la pala avanzando hacia el flujo de aire tiene una velocidad aérea más alta que la pala retrocediendo con el flujo de aire. Por lo tanto, la hoja que avanza hacia el flujo de aire horizontal está creando más elevación, o empuje, moviendo el centro de empuje hacia esa hoja. 

Visualice la rotación del eje de la hélice montado verticalmente a ángulos más bajos en relación con el aire en movimiento (como en una aeronave). Este empuje desequilibrado entonces se vuelve proporcionalmente más pequeño y continúa haciéndose más pequeño hasta que alcanza el valor de cero cuando el eje de la hélice es exactamente horizontal en relación con el aire en movimiento.

Los efectos de cada uno de estos cuatro elementos de torque varían en valor con cambios en situaciones de vuelo. En una fase del vuelo, uno de estos elementos puede ser más prominente que otro. En otra fase del vuelo, otro elemento puede ser más prominente. La relación de estos valores entre sí varía con las diferentes aeronaves dependiendo de la estructura de la aeronave, el motor y las combinaciones de hélices, así como otras características de diseño.

Para mantener un control positivo de la aeronave en todas las condiciones de vuelo, el piloto deberá aplicar los controles de vuelo necesarios para compensar estos valores variables.

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Fuente: La información (texto e imágenes) utilizado para este artículo está basado en el manual de la FAA (Pilot’s Handbook of Aeronautical Knowledge - FAA-H-8083-25B) y manuales de instrucción de centros académicos aeronáuticos.