Manual: FAA-H-8083-32A, Aviation Maintenance Technician Handbook Powerplant, Volume 2, Pagina: 7-2

Aircraft Engine: Basic Propeller Principles

La hélice, la unidad que debe absorber la potencia de salida del motor, ha pasado por muchas etapas de desarrollo. Aunque la mayoría de las hélices son de dos palas, los grandes aumentos en la potencia de salida han resultado en el desarrollo de hélices de cuatro y seis palas de gran diámetro. 

Sin embargo, todas las aeronaves propulsadas por hélice están limitadas por las revoluciones por minuto (rpm) a las que se pueden girar las hélices.

Hay varias fuerzas que actúan sobre la hélice a medida que gira; una de las principales es la fuerza centrífuga. Esta fuerza a altas revoluciones tiende a sacar las palas del cubo, por lo que el peso de las palas es muy importante para el diseño de una hélice. 

La velocidad excesiva de la punta de la pala (girar la hélice demasiado rápido) puede resultar no solo en una eficiencia deficiente de la pala, sino también en aleteo y vibración. 

Dado que la velocidad de la hélice está limitada, la velocidad de la aeronave impulsada por hélice también está limitada a aproximadamente 400 millas por hora (mph). A medida que aumentaba la velocidad de los aviones, se utilizaron motores turbofan para aviones de mayor velocidad. 

Las aeronaves propulsadas por hélice tienen varias ventajas y se utilizan ampliamente para aplicaciones en instalaciones de turbohélices y motores alternativos. El despegue y el aterrizaje pueden ser más cortos y menos costosos. 

Los nuevos materiales de las palas y las técnicas de fabricación han aumentado la eficiencia de las hélices. Muchos aviones más pequeños seguirán utilizando hélices en el futuro.

La nomenclatura básica de las partes de una hélice se muestra en la Figura para una hélice de madera de dos palas de paso fijo simple. La sección transversal aerodinámica de un álabe en la Figura incluye terminología para describir ciertas áreas que se muestran. 

Los diferentes tipos de sistemas de hélices se han desarrollado para la instalación, la velocidad y la misión específicas de las aeronaves. El desarrollo de hélices ha fomentado muchos cambios a medida que evolucionan los sistemas de propulsión. 

Las primeras hélices eran palos cubiertos de tela hechos para forzar el aire en dirección hacia atrás. Las hélices comenzaron como simples hélices de madera de dos palas y han avanzado hasta los complejos sistemas de propulsión de los aviones turbohélice que involucran más que solo la hélice. 

Como consecuencia de la operación de hélices grandes y más complejas, se desarrolló un sistema de hélice reversible y de paso variable y velocidad constante. Este sistema permite variar ligeramente las rpm del motor durante las diferentes condiciones de vuelo y, por lo tanto, aumenta la eficiencia del vuelo. 

Un sistema básico de velocidad constante consta de una unidad reguladora equipada con contrapeso que controla el ángulo de inclinación de las palas para que la velocidad del motor permanezca constante. 

El gobernador se puede regular mediante controles en la cabina para que se pueda obtener cualquier ajuste de ángulo de pala y velocidad de operación del motor que se desee. Por ejemplo, se puede utilizar una configuración de tono bajo y altas revoluciones para el despegue. Luego, después de que la aeronave esté en el aire, se puede usar un ajuste de paso más alto y rpm más bajas. 

La figura muestra el movimiento normal de la hélice con las posiciones de paso bajo, paso alto, bandera (se usa si el motor se para para reducir la resistencia) y paso cero en paso negativo o paso inverso. 

El gobernador se puede regular mediante controles en la cabina para que se pueda obtener cualquier ajuste de ángulo de pala y velocidad de operación del motor que se desee. Por ejemplo, se puede utilizar una configuración de tono bajo y altas revoluciones para el despegue. 

Luego, después de que la aeronave esté en el aire, se puede usar un ajuste de paso más alto y rpm más bajas. La figura muestra el movimiento normal de la hélice con las posiciones de paso bajo, paso alto, bandera (se usa si el motor se para para reducir la resistencia) y paso cero en paso negativo o paso inverso. 

El gobernador se puede regular mediante controles en la cabina para que se pueda obtener cualquier ajuste de ángulo de pala y velocidad de operación del motor que se desee. Por ejemplo, se puede utilizar una configuración de tono bajo y altas revoluciones para el despegue. 

Luego, después de que la aeronave esté en el aire, se puede usar un ajuste de paso más alto y rpm más bajas. La figura muestra el movimiento normal de la hélice con las posiciones de paso bajo, paso alto, bandera (se usa si el motor se para para reducir la resistencia) y paso cero en paso negativo o paso inverso. 

Principios básicos de la hélice - Basic Propeller Principles 

La hélice del avión consta de dos o más palas y un eje central al que se unen las palas. Cada pala de la hélice de un avión es esencialmente un ala giratoria. Como resultado de su construcción, las palas de la hélice producen fuerzas que crean empuje para tirar o empujar el avión por el aire. La potencia necesaria para hacer girar las palas de la hélice la proporciona el motor. 

La hélice está montada en un eje, que puede ser una extensión del cigüeñal en motores de baja potencia; en los motores de alta potencia, está montado en un eje de transmisión que está acoplado al cigüeñal del motor. En cualquier caso, el motor hace girar las superficies aerodinámicas de las palas a través del aire a altas velocidades, y la hélice transforma la potencia rotatoria del motor en empuje.

Proceso aerodinámico de hélice - Propeller Aerodynamic Process  

Un avión que se mueve por el aire crea una fuerza de arrastre que se opone a su movimiento hacia adelante. Si un avión va a volar en una trayectoria nivelada, se le debe aplicar una fuerza que sea igual a la resistencia pero que actúe hacia adelante. Esta fuerza se llama empuje. 

El trabajo realizado por el empuje es igual al empuje por la distancia que recorre el avión. 

Trabajo = Empuje × Distancia. 

La potencia consumida por el empuje es igual al empuje multiplicado por la velocidad a la que mueve el avión. 

Potencia = Empuje × Velocidad.  

Si la potencia se mide en unidades de caballos de fuerza, la potencia consumida por el empuje se denomina potencia de empuje.

El motor proporciona potencia al freno a través de un eje giratorio y la hélice la convierte en potencia de empuje. En esta conversión, se desperdicia algo de energía. Para lograr la máxima eficiencia, la hélice debe estar diseñada para mantener este desperdicio lo más pequeño posible. 

Dado que la eficiencia de cualquier máquina es la relación entre la potencia de salida útil y la potencia de entrada, la eficiencia de la hélice es la relación entre la potencia de empuje y la potencia de frenado. El símbolo habitual para la eficiencia de la hélice es la letra griega η (eta). La eficiencia de la hélice varía del 50 al 87 por ciento, dependiendo de cuánto se deslice la hélice.

El paso no es lo mismo que el ángulo de la pala, pero debido a que el paso está determinado en gran medida por el ángulo de la pala, los dos términos a menudo se usan indistintamente. Un aumento o disminución en uno generalmente se asocia con un aumento o disminución en el otro. 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 que debe avanzar una hélice en una revolución sin deslizamiento; el paso efectivo es la distancia que realmente avanza. Por lo tanto, el paso geométrico o teórico se basa en la ausencia de deslizamiento. El paso real o efectivo reconoce el deslizamiento de la hélice en el aire. La relación se puede mostrar como:  

paso geométrico – paso efectivo = deslizamiento. 

El paso geométrico generalmente se expresa en pulgadas de paso y se calcula utilizando la siguiente fórmula:  

GP = 2 × π R × tangente del ángulo de la pala en el 75 por ciento de la estación. 

Aunque el ángulo de la pala y el paso de la hélice están estrechamente relacionados, el ángulo de la pala es el ángulo entre la cara o la cuerda de una sección de la pala y el plano en el que gira la hélice. El ángulo de la pala, generalmente medido en grados, es el ángulo entre la línea de cuerda de la pala y el plano de rotación. La línea de cuerda de la pala de la hélice se determina aproximadamente de la misma manera que la línea de cuerda de un perfil aerodinámico. 

De hecho, se puede considerar que una pala de hélice está compuesta por un número infinito de elementos de pala delgada, cada uno de los cuales es una sección de perfil aerodinámico en miniatura cuya cuerda es el ancho de la pala de hélice en esa sección. Debido a que la mayoría de las hélices tienen una cara de pala plana, la línea de cuerda a menudo se dibuja a lo largo de la cara de la pala de la hélice.

La pala típica de una hélice se puede describir como un perfil aerodinámico torcido de forma irregular. En la figura se muestran dos vistas de una pala de hélice. Para fines de análisis, una pala se puede dividir en segmentos que se ubican por números de estación en pulgadas desde el centro del eje de la pala. 

Las secciones transversales de cada segmento de pala de 6 pulgadas se muestran como superficies aerodinámicas en el lado derecho de la figura. 

También se identifican en la Figura el vástago de la hoja y la culata de la hoja. El vástago de la pala es la parte gruesa y redondeada de la pala de la hélice cerca del cubo y está diseñado para dar fuerza a la pala. 

El extremo de la pala, también llamado base o raíz de la pala, es el extremo de la pala que encaja en el cubo de la hélice. La punta de la pala es la parte de la pala de la hélice más alejada del cubo, generalmente definida como las últimas 6 pulgadas de la pala.

En la figura se muestra una sección transversal de una pala de hélice típica. Esta sección o elemento de pala es una superficie aerodinámica comparable a una sección transversal del ala de un avión. El dorso de la pala es el lado combado o curvo de la pala, similar a la superficie superior del ala de un avión. 

La cara de la pala es el lado plano de la pala de la hélice. La línea de cuerda es una línea imaginaria trazada a través de la pala desde el borde de ataque hasta el borde de salida. El borde de ataque es el borde grueso de la pala que se encuentra con el aire a medida que gira la hélice.

Una hélice giratoria recibe la acción de torsión centrífuga, torsión aerodinámica, torsión de flexión y fuerzas de flexión de empuje. Las fuerzas principales que actúan sobre una hélice giratoria se ilustran en la figura.

La fuerza centrífuga es una fuerza física que tiende a alejar las palas de la hélice giratoria del cubo. Esta es la fuerza más dominante en la hélice. La fuerza de flexión del par, en forma de resistencia del aire, tiende a doblar las palas de la hélice en la dirección opuesta a la de rotación. 

La fuerza de flexión de empuje es la carga de empuje que tiende a doblar las palas de la hélice hacia adelante a medida que la aeronave es empujada por el aire. La fuerza de torsión aerodinámica tiende a girar las palas a un ángulo de pala elevado. La fuerza de torsión centrífuga, al ser mayor que la fuerza de torsión aerodinámica, tiende a forzar las palas hacia un ángulo de pala bajo.

Al menos dos de estas fuerzas que actúan sobre las palas de las hélices se utilizan para mover las palas en una hélice de paso controlable. La fuerza de torsión centrífuga a veces se usa para mover las palas a la posición de paso bajo, mientras que la fuerza de torsión aerodinámica se usa para mover las palas a un paso alto. Estas fuerzas pueden ser las fuerzas primarias o secundarias que mueven las palas a la nueva posición de paso.

Una hélice debe ser capaz de soportar esfuerzos severos, que son mayores cerca del cubo, causados ​​por la fuerza centrífuga y el empuje. Las tensiones aumentan en proporción a las rpm. La cara de la hoja también está sujeta a tensión por la fuerza centrífuga y tensión adicional por la flexión. 

Por estas razones, las muescas o rayones en la cuchilla pueden tener consecuencias muy graves. Estos pueden provocar grietas y fallas en la cuchilla y se abordan en la sección de reparación más adelante en este capítulo.

Una hélice también debe ser lo suficientemente rígida para evitar el aleteo, un tipo de vibración en la que los extremos de las palas giran de un lado a otro a alta frecuencia alrededor de un eje perpendicular al cigüeñal del motor. 

El aleteo va acompañado de un ruido distintivo, que a menudo se confunde con el ruido del escape. La vibración constante tiende a debilitar la cuchilla y eventualmente provoca fallas.

Factores aerodinámicos - Aerodynamic Factors  

Para comprender la acción de una hélice, considere primero su movimiento, que es tanto de rotación como de avance. Por lo tanto, como lo muestran los vectores de fuerzas de la hélice en la figura, una sección de la pala de una hélice se mueve hacia abajo y hacia adelante. 

En lo que respecta a las fuerzas, el resultado es el mismo que si la pala estuviera estacionaria y el aire viniera hacia ella desde una dirección opuesta a su trayectoria. 

El ángulo en el que este aire (viento relativo) golpea la pala de la hélice se denomina ángulo de ataque (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 empuje.

La forma de la hoja también crea empuje porque tiene forma de ala. A medida que el aire pasa por la hélice, la presión en un lado es menor que en el otro. Como en un ala, esta diferencia de presión produce una fuerza de reacción en la dirección de la menor presión. 

El área sobre un ala tiene menos presión y la fuerza (ascensor) es hacia arriba. El área de disminución de la presión está frente a una hélice que está montada en posición vertical en lugar de horizontal, y la fuerza (empuje) está en dirección hacia adelante. Aerodinámicamente, el empuje es el resultado de la forma de la hélice y el AOA de la pala.

Otra forma de considerar el empuje es en términos de la masa de aire manejada. En estos términos, el empuje es igual a la masa de aire manejada multiplicada por la velocidad de la estela menos la velocidad del avión. 

Así, la potencia gastada en producir empuje depende de la masa de aire movida por segundo. En promedio, el empuje constituye aproximadamente el 80 por ciento del torque (caballos de fuerza totales absorbidos por la hélice). 

El otro 20 por ciento se pierde en la fricción y el deslizamiento. Para cualquier velocidad de rotación, la potencia absorbida por la hélice equilibra la potencia entregada por el motor. Para cualquier revolución individual de la hélice, la cantidad de aire desplazado (movido) depende del ángulo de la pala, que determina la cantidad o la cantidad de masa de aire que mueve la hélice. 

Por lo tanto, el ángulo de la pala es un medio excelente para ajustar la carga en la hélice para controlar las rpm del motor. Si se aumenta el ángulo de las palas, se coloca más carga en el motor, lo que tiende a reducir su velocidad a menos que se aplique más potencia. Cuando una superficie aerodinámica se mueve por el aire, produce dos fuerzas: sustentación y arrastre. 

El aumento del ángulo de la pala de la hélice aumenta el AOA y produce más sustentación y resistencia; esta acción aumenta la potencia necesaria para hacer girar la hélice a unas rpm determinadas. Dado que el motor sigue produciendo los mismos caballos de fuerza, la hélice se ralentiza. Si se reduce el ángulo de las palas, la hélice se acelera. Por lo tanto, las rpm del motor se pueden controlar aumentando o disminuyendo el ángulo de las palas. 

Cuando una superficie aerodinámica se mueve por el aire, produce dos fuerzas: sustentación y arrastre. El aumento del ángulo de la pala de la hélice aumenta el AOA y produce más sustentación y resistencia; esta acción aumenta la potencia necesaria para hacer girar la hélice a unas rpm determinadas. Dado que el motor sigue produciendo los mismos caballos de fuerza, la hélice se ralentiza. Si se reduce el ángulo de las palas, la hélice se acelera. 

Por lo tanto, las rpm del motor se pueden controlar aumentando o disminuyendo el ángulo de las palas. Cuando una superficie aerodinámica se mueve por el aire, produce dos fuerzas: sustentación y arrastre. El aumento del ángulo de la pala de la hélice aumenta el AOA y produce más sustentación y resistencia; esta acción aumenta la potencia necesaria para hacer girar la hélice a unas rpm determinadas. 

Dado que el motor sigue produciendo los mismos caballos de fuerza, la hélice se ralentiza. Si se reduce el ángulo de las palas, la hélice se acelera. Por lo tanto, las rpm del motor se pueden controlar aumentando o disminuyendo el ángulo de las palas.

El ángulo de pala también es un método excelente para ajustar el AOA de la hélice. En hélices de velocidad constante, el ángulo de las palas debe ajustarse para proporcionar el AOA más eficiente en todas las velocidades del motor y del avión. Las curvas de sustentación versus resistencia, que se dibujan tanto para las hélices como para las alas, indican que el AOA más eficiente es uno pequeño que varía de 2° a 4° positivo. 

El ángulo de pala real necesario para mantener este pequeño AOA varía con la velocidad de avance del avión. Esto se debe a un cambio en la dirección relativa del viento, que varía con la velocidad del avión.

Las hélices de paso fijo y ajustables desde el suelo están diseñadas para obtener la mejor eficiencia en una rotación y velocidad de avance. En otras palabras, están diseñados para adaptarse a una determinada combinación de avión y motor. Se puede usar una hélice que proporcione la máxima eficiencia de la hélice para despegue, ascenso, crucero o altas velocidades. 

Cualquier cambio en estas condiciones da como resultado una disminución de la eficiencia tanto de la hélice como del motor. Sin embargo, una hélice de velocidad constante mantiene el ángulo de las palas ajustado para lograr la máxima eficiencia en la mayoría de las condiciones encontradas en vuelo. Durante el despegue, cuando se requiere potencia y empuje máximos, la hélice de velocidad constante se encuentra en un ángulo o paso de pala bajo. 

El ángulo de pala bajo 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 que el motor gire a altas revoluciones y convierta la máxima cantidad de combustible en energía térmica en un tiempo determinado. 

Las altas rpm también crean un empuje máximo. Aunque la masa de aire manejada por revolución es pequeña, las rpm del motor son altas, la velocidad de la estela (aire que sale de la hélice) es alta y, con la baja velocidad del avión, el empuje es máximo.

Después del despegue, a medida que aumenta la velocidad del avión, la hélice de velocidad constante cambia a un ángulo (o paso) mayor. Nuevamente, el ángulo de pala más alto mantiene el AOA pequeño y eficiente con respecto al viento relativo. 

El ángulo de pala más alto aumenta la masa de aire manejado por revolución. Esto reduce las rpm del motor, lo que reduce el consumo de combustible y el desgaste del motor, y mantiene el empuje al máximo.

Para el ascenso después del despegue, la potencia de salida del motor se reduce a potencia de ascenso al disminuir la presión del colector y aumentar el ángulo de las palas para reducir las rpm. Por lo tanto, el par (caballos de fuerza absorbidos por la hélice) se reduce para igualar la potencia reducida del motor. 

El AOA nuevamente se mantiene pequeño por el aumento en el ángulo de la hoja. La mayor masa de aire manejada por segundo, en este caso, es más que compensada por la menor velocidad de la estela y el aumento de la velocidad del aire.

En altitud de crucero, cuando el avión está en vuelo nivelado y se requiere menos potencia de la que se usa en el despegue o el ascenso, la potencia del motor se reduce nuevamente al disminuir la presión del colector y aumentar el ángulo de las palas para disminuir las rpm. 

Nuevamente, esto reduce el par para igualar la potencia reducida del motor; porque, aunque la masa de aire manejada por revolución es mayor, está más que compensada por una disminución en la velocidad de la estela y un aumento en la velocidad del aire. 

El AOA sigue siendo pequeño porque el ángulo de las palas se ha incrementado con el aumento de la velocidad aerodinámica. La distribución de paso es el giro en la hoja desde el vástago hasta la punta de la hoja, debido a la variación en las velocidades a las que se desplaza cada sección de la hoja. La punta de la hoja se desplaza mucho más rápido que la parte interna de la hoja.

Controles e instrumentos de la hélice - Propeller Controls and Instruments  

Las hélices de paso fijo no tienen controles y no requieren ajustes en vuelo. La hélice de velocidad constante tiene un control de hélice en el pedestal central entre el acelerador y el control de mezcla. Las dos posiciones para el control son aumentar las rpm (totalmente hacia adelante) y disminuir las rpm (retirar hacia atrás). 

Este control está directamente conectado al gobernador de la hélice y, al mover el control, ajusta la tensión en el resorte del acelerador del gobernador. 

Este control también se puede utilizar para poner en bandera la hélice en algunas aeronaves moviendo el control a la posición de reducción total de rpm. Los dos instrumentos principales que se utilizan con la hélice de velocidad constante son el tacómetro del motor y el manómetro del múltiple. Las rotaciones por minuto (rpm) se controlan mediante el control de la hélice y la presión del colector se ajusta mediante el acelerador.

Ubicación de la hélice - Propeller Location  

Hélice tractor - Tractor Propeller  

Las hélices "tractores" son aquellas montadas en el extremo aguas arriba de un eje de transmisión frente a la estructura de soporte. La mayoría de los aviones están equipados con este tipo de hélice. 

El tipo de tractor de hélice viene en todos los tipos de hélices. Una de las principales ventajas de la hélice del tractor es que se inducen menores tensiones en la hélice a medida que gira en un aire relativamente tranquilo.

Hélices de empuje - Pusher Propellers  

Las hélices de empuje son aquellas montadas en el extremo aguas abajo de un eje de transmisión detrás de la estructura de soporte. Las hélices de empuje se construyen como hélices de paso fijo o variable. 

Los hidroaviones y los aviones anfibios han utilizado un mayor porcentaje de hélices de empuje que otros tipos de aviones. En aviones terrestres, donde la distancia entre la hélice y el suelo suele ser menor que la distancia entre la hélice y el agua de las embarcaciones, las hélices de empuje están sujetas a más daños que las hélices de los tractores. 

Las rocas, la grava y los objetos pequeños desalojados por las ruedas a menudo son arrojados o arrastrados hacia una hélice de empuje. De manera similar, los aviones con hélices propulsoras pueden sufrir daños en las hélices debido al rocío de agua arrojado por el casco durante el aterrizaje o la velocidad de despegue. En consecuencia, la hélice de empuje se monta encima y detrás de las alas para evitar tales daños.