Hélices

Principios básicos

Las hélices pueden estar compuestas de dos o más palas. Cada pala funciona como un pequeño perfil que gira alrededor de un eje y genera tracción moviendo aire.

Para entender mejor el funcionamiento de las palas, debemos pensar en un perfil alar con la diferencia de que la sustentación se convierte en tracción. Una parte de la superficie de la pala tiene mayor curvatura que la otra parte y como ocurre en el ala, el borde de ataque es la parte gruesa de las palas que enfrenta en primera instancia el contacto con la masa de aire.

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La razón por la que la pala tiene diferente incidencia a lo largo de la misma es porque a medida que nos alejamos del centro la distancia recorrida varía. La parte de la pala que se encuentra en el extremo es la que recorre más distancia y así sucesivamente hasta acercarnos al centro. Si toda la pala tuviese la misma incidencia, las partes próximas al eje tendrían AOA negativo mientras que las de la punta estarían en pérdida. Es por este motivo que la torsión que tiene la pala es necesaria para poder mantener el AOA constante durante todas las condiciones de vuelo. Dicho esto podemos decir que la punta de la pala tiene menor ángulo de ataque (mayor velocidad) que la parte cercana al centro que tiene mayor ángulo de ataque (menor velocidad) y esto es debido a que para mantener la velocidad constante, el extremo de la pala tiene que recorrer mayor distancia que el centro.  

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Los ángulos de la pala se toman desde la línea de la cuerda y el eje de rotación de la hélice. Cuando hablamos de “paso” de hélice no es lo mismo que ángulo, pero como una modifica a la otra, es usual usar ambos términos bajo un mismo concepto, ya que con el paso de hélice estamos modificando el ángulo de las palas o viceversa.

Como se puede apreciar en el gráfico, cada sección de la hélice se mueve hacia abajo y adelante. El ángulo con que el viento relativo impacta a la pala es lo que define el AOA. Este ángulo causa que del lado de la aeronave la presión dinámica (movimiento) sea mayor que la atmosférica y de esa manera se produce la tracción.

Como en el caso del perfil alar en donde la diferencia de presiones entre intradós y extradós producía la succión que generaba sustentación, en el caso de las palas, la diferencia de presión que existe entre la parte delantera de la hélice y posterior genera un efecto de reacción en el área de menor presión, en este caso, el área de la pala que enfrenta el viento. Aerodinámicamente, el resultado de la tracción es producto de la forma de la pala y del ángulo de ataque porque dependiendo de estas variables será la cantidad de partículas de aire que cada pala pueda arrastrar.

En términos generales, del total de HP que produce el motor el 80% es el que va a producir tracción, ya que el 20% restante se pierde con la fricción y movimiento general del conjunto motor. En general, el rendimiento de las hélices rondan entre el n=50% y n=87% y esto depende del diseño y cuanto deslice la pala.

Cuando se habla de deslizamiento es la relación que existe entre el paso geométrico (distancia teórica en la que gira la hélice por revolución cuando no se considera deslizamiento) y el paso efectivo (distancia que realmente avanza la hélice por revolución considerando deslizamiento).

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Hélices de paso fijo vs variable:

El caso de las hélices de paso fijo es diferente a las de paso variable, porque como lo dice su término, no modifican su ángulo de pala. Al ser fijo, el AOA dependerá de la velocidad de vuelo de la aeronave. Pero este ángulo debe ajustarse para que la hélice sea eficiente en cualquier condición de vuelo. Generalmente, en los perfiles alares se habla de un AOA de +2/+4 para conseguir una buena relación sustentación-velocidad. En el caso de este tipo de palas, se deberá modificar la velocidad de la aeronave para volar en condiciones óptimas de eficiencia ya que el AOA deja de ser el óptimo a velocidades mayores o menores de las que está previsto que vuele el avión.

En la fase de despegue y ascenso, por ejemplo, cuando se necesita la máxima potencia, la hélice de paso fijo se encuentra con un alto AOA y de esta manera la pala maneja una porción de masa de aire menor por revolución y puede emplear toda la potencia disponible del motor para convertirla en tracción. Luego del despegue, a medida que la velocidad del avión aumenta, el ángulo de ataque de la pala se va modificando de acuerdo al impacto del viento relativo y de esta manera aumenta la eficiencia de la hélice. Al igual que en un avión, en donde a mayor velocidad, menor ángulo de ataque y podíamos decir que menor es la resistencia inducida (Di), con la pala ocurre lo mismo. Al llegar a la velocidad de vuelo de crucero, se consigue que el ángulo de ataque de la pala sea el óptimo y de esa manera se alcance la máxima eficiencia de la hélice. Ahora bien, si se excede la velocidad crucero y se traspasan ciertos límites, el ángulo de ataque se hace negativo y baja considerablemente la eficiencia de la hélice. Igualmente el fabricante establece un ángulo de pala que es el adecuado para volar en toda la envolvente del avión.

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En cambio, en el caso de las hélices de paso variable luego del despegue, el piloto modifica el paso reduciendo la potencia y ajustando las RPM a través de los comandos. Este procedimiento se mantendrá en diferentes fases de vuelo, por ejemplo en vuelo crucero cuando se acelere a la velocidad deseada de navegación el piloto debe ajustar nuevamente la potencia y RPM y de esta manera se vuelve a modificar el ángulo de pala. Tanto para operaciones de baja velocidad o alta velocidad, el AOA siempre se mantendrá bajo porque a pesar de haber aumentado o reducido el paso de hélice también lo ha hecho la velocidad de vuelo. A diferencia de las hélices de paso fijo, con las de paso variable se pueden obtener un rendimiento con una envolvente de operación mayor.

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Se puede apreciar, que la clave es que se puede mantener el AOA óptimo para todo el rango de velocidades variando muy poco la eficiencia de la hélice. La eficiencia de la hélice (n) puede determinarse a través de:

T = [Power (shaft) x n] / V  

Torque y factor “P”

La fuerza generada por la hélice causa una tendencia a guiñar hacia la izquierda que puede ser ocasionada:

  • Torque generado por el motor y la hélice
  • Efecto sacacorchos de la masa de aire
  • Acción giroscópica de la hélice
  • Carga asimétrica de la hélice (factor “P”)

Torque: partiendo de la tercera ley de Newton de acción-reacción en donde se consigna que toda fuerza aplicada a un cuerpo tiene una reacción en sentido contrario, podemos decir que tanto el motor como la hélice están girando en un sentido y una fuerza igual está tratando de hacer girar al avión en sentido contrario. En tierra esta tendencia implica un guiñada hacia la izquierda (la hélice gira en sentido horario desde la vista del piloto) y en vuelo un rolido en el eje longitudinal.

En tierra la fuerza agrega mayor carga y presión en el lado izquierdo y de esta manera se aplicará más peso al tren principal izquierdo resultando en mayor fricción o resistencia que aumentarán la tendencia a guiñar hacia la izquierda. Este desvío se debe corregir con los pedales. La magnitud de la fuerza puede ser producto:

  • Potencia del motor
  • Tamaño de la hélice
  • Tamaño de la aeronave
  • Condición de la superficie de la pista
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Efecto sacacorchos: la masa de aire que circula a través de la hélice, circula alrededor del avión y genera la circulación del flujo de aire sobre el empenaje vertical produciendo una guiñada hacia la derecha que es mayor cuando la energía del avión o velocidad es menor. Esto se compensa a medida que el avión acelera. Si bien el efecto del toque es hacia la izquierda y en este caso la fuerza compensaría al torque, por lo general, la fuerza del torque es mayor y la tendencia de guiñada hacia la izquierda a baja velocidad es la que predomina.

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Acción giroscópica: cuando hablamos de giróscopos hablamos de dos propiedades básicas, rigidez espacial y precesión. En este caso lo que nos interesa es la precesión que es la deflexión resultante generada por una fuerza aplicada en el sentido de giro del rotor o giróscopo.

La fuerza resultante tiene efecto 90° por delante de la fuerza efectiva y en la misma dirección en la que se aplicó la fuerza. Cada vez que se aplica una fuerza a la hélice fuera del plano de rotación causará un momento de guiñada, cabeceo/picada o combinación de ambas que dependerá del lugar en donde se aplicó la fuerza y su efecto posterior 90° por delante y en el mismo plano de giro. Como norma general, cualquier fuerza aplicada en el eje vertical causará un efecto de picada o cabreada y en el caso del eje lateral ocasionará una guiñada; recordemos que el efecto de la fuerza se hace presente con 90° de retraso (precesión).

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Factor “P”: cuando un avión vuela con grandes ángulos de ataque, la pala que baja tiende a mover más masa de aire que la que sube y eso hace que el centro de tracción se desplace hacia la derecha causando una guiñada hacia la izquierda. Esta diferencia existe por una combinación entre la velocidad de rotación de la pala y la velocidad del aire de impacto. Como el principio de las palas es igual al de un perfil alar, cuando mayor masa de aire pase por una de ellas implicará mayor fuerza de sustentación; en este caso la pala que está pasando por abajo hace más fuerza que la de arriba ocasionando una tendencia a guiñar hacia la izquierda. A medida que el AOA disminuye esta tendencia es cada vez más pequeña y desaparecerá cuando el eje de la hélice este perfectamente horizontal respecto el aire en movimiento.

Esto aplica cuando se realice vuelo lento, por ejemplo y la tendencia es mayor a medida que se incrementa la potencia (mayor velocidad de giro de la hélice).

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Todos estos efectos se presentan combinados. Algunos tendrán más influencia que otros dependiendo del diseño de la aeronave, motor, hélices, tipo de timón de cola, etc., y también dependerá de la fase de vuelo. Por este motivo, para mantener el control de la aeronave, el piloto deberá emplear los comandos en forma coordinada de manera de evitar grandes cambios en la trayectoria de vuelo de la aeronave, incluso alguna situación que pueda presentarse peligrosa como puede ser volar con grandes ángulos de ataque a baja velocidad y aplicar potencia máxima repentinamente lo que ocasionará una guiñada hacia la derecha que si no es contrarrestada en esa condición de vuelo, puede llevar al avión a una condición de fuera de control (gran ángulo de ataque más derrapaje en el eje vertical). 

Reflexiones finales

  • El principio de funcionamiento de la hélice es análogo al de un perfil alar. La diferencia radica en que las hélices generan sustentación y mueven grandes porciones de masa de aire para generar tracción.
  • El rendimiento de las hélices se ve afectado por el funcionamiento de todos los componentes del motor que ocasionan un desgaste alrededor del 20%. Por este motivo cuando hablamos de eficiencia es difícil llegar al 100% siendo común valores del orden de n=80%.
  • La principal diferencia entre las hélices de paso fijo y variable es su eficiencia. Las primeras necesitan que la aeronave vuele a una velocidad determinada para alcanzar el ángulo de ataque óptimo y de esa manera lograr la máxima eficiencia (n). En cambio, las hélices de paso variable modifican constantemente el ángulo de pala para mantener el valor de AOA fijo (entre 2 y 4 unidades) logrando valores de eficiencia de la hélice prácticamente para todas las fases de vuelo. Estos cambios se logran a través del comando de potencia y RPM del motor.
  • Cuando operamos aeronaves traccionadas por hélices monomotores debemos considerar que todos los efectos de acuerdo a ACCIÓN-REACCIÓN (3era ley de Newton) generan una tendencia de guiñada hacia la izquierda (hélices que giren en sentido horario, vista desde el piloto). El piloto deberá estar preparado para contrarrestar estos efectos máximo en condiciones de baja velocidad y alta potencia.
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