Hélices II: Teoría y disposiciones poco usuales

Una hélice es una herramienta que crea empuje al transformar la energía del combustible en movimiento rotatorio. Las palas de la hélice no son planas, sino que tienen una forma curva, sobresaliendo del plano en el que giran. El perfil de una pala de hélice es muy parecido al de un ala, por lo que cuando esta rota se obtiene en cada lado de la pala una diferencia de velocidades entre el fluido de una cara y de la otra. Según el principio de Bernoulli esta diferencia de velocidades conlleva una diferencia de presiones, y por lo tanto aparece una fuerza perpendicular al plano de rotación de las palas hacia la zona de menos presión. Esta fuerza es la que se conoce como fuerza propulsora de una aeronave. La diferencia en la propulsión entre un motor a reacción y uno a hélice es la cantidad de aire que se mueve y la velocidad de este. Un avión a reacción mueve relativamente poco aire pero a una gran velocidad. La propulsión con hélice mueve una gran cantidad de aire, pero a una velocidad menor.

Las hélices generan un gran volumen de aire en movimiento. Esto depende del plano o disco de rotación. El plano o disco de rotación es tanto más grande cuanto mayor es la longitud de las palas de la hélice. Al final lo que cuenta a la hora de crear empuje (Thrust) es la velocidad y la masa. Esto es lo que se llama momento o impulso. El momento delante del disco de la hélice (momento 1) es el producto de la masa de aire por su velocidad. Una vez que el aire es recogido por las palas de la hélice en rotación este es acelerado. La velocidad del aire detrás del disco multiplicada por la masa de aire movida nos dará el momento 2. Cuanto mayor sea la diferencia de momentos mayor será la reacción y por tanto el empuje.

Thrust o empuje es pues una fuerza de reacción. Exactamente lo que nos dice la tercera Ley de Newton. Para crear esta fuerza se debe de transformar la energía que contienen los enlaces químicos del combustible. Mediante el proceso de combustión en el interior de un motor se crea gran presión en la cámara de combustión. La presión se libera moviendo un eje o cigüeñal. En el caso de los motores de pistones el movimiento rectilíneo se convierte en el cigüeñal en movimiento giratorio. Al girar la hélice cambia movimiento rotatorio por empuje.  

Cuanto mayor es la hélice más aire desplaza. Cuanto mayor es su velocidad más aire desplaza. Con el fin de generar un gran volumen de aire las hélices se hicieron con el tiempo cada vez más grandes y más rápidas. Pronto se llegó a alcanzar un límite. Este límite venía impuesto por la velocidad del sonido. En efecto la eficiencia de la hélice aumenta considerablemente cuando las puntas de las palas se acercan a la velocidad del sonido, pero sobrepasar esta velocidad implica muchos efectos adversos. La punta de la hélice siempre viaja a una mayor velocidad que el interior de esta. En el dibujo que sigue se puede ver como diferentes diámetros de hélice producen diferentes velocidades aunque mantengamos las revoluciones constantes. En este caso 2.500 RPM.

Como se puede ver, una pala de medio metro de diámetro (20 pulgadas) tendría una velocidad de punta de pala de 239 km/h.  La velocidad del sonido en el aire (a una temperatura de 20 ºC) es de 340 m/s (1224 km/h). Con un diámetro de 60 pulgadas y 2.500 RPM la velocidad de punta de pala sería de 720,4 km/h. Para poder medir cual es la velocidad máxima o el diámetro de una hélice se puede emplear la fórmula que sigue:

Donde D es el diámetro dela hélice.

Algunos modelos de aviones que emplean turbinas para mover las hélices deben de hacer uso de desmultiplicadores para que las RPM no sean elevadas y así mantener a las puntas de la hélice dentro de los márgenes adecuados. Otra solución es la de recortar las puntas y hacerlas cuadradas. Existen muchas opciones de diseño llegándose incluso a los perfiles de pala supersónicos. En esta página Web se puede hacer el cálculo de la máxima velocidad de giro  para evitar los problemas relacionados con la barrera del sonido en las puntas de las palas: http://www.warpdriveprops.com/propspd2.html

La disposición de las hélices es un tema muy interesante, pero existen cientos de soluciones distintas. Aquí vamos a mencionar solo alguna de ellas. El Cessna Skymaster es un avión civil bimotor utilitario construido en una configuración mixta tracción-empuje. En lugar de montar los motores en las alas, uno va montado en el morro y otro en la parte trasera del fuselaje. Una solución ingeniosa para que en caso de fallo de motor no exista par o guiñada adversa. 

La idea no era nueva en absoluto, ya el Dornier Do 335 Pfeil (‘flecha’ en alemán), también apodado Ameisenbär (‘oso hormiguero’), fue un caza pesado de la Segunda Guerra Mundial diseñado por la compañía alemana Dornier.

Mejores soluciones a estas disposiciones de tracción-empuje fueron las famosas hélices contra-rotatorias. De las muchas configuraciones que las hélices pueden tener, destaca la disposición en la que dos hélices están montadas de forma coaxial (en el mismo eje), pero girando en sentidos contrarios. Los aviones equipados con este tipo de hélices las mueven generalmente con motores de pistones o turbohélice. El nombre en inglés de esta disposición es el de contra-rotating propellers, también conocido por sus siglas CRP. Las hélices se encuentran montadas una detrás de la otra y son generalmente movidas por sistemas de engranajes de tipo planetario. En español se suele decir también que dos hélices son contra-rotatorias cuando estas giran en sentidos opuestos, aunque se encuentren en distintos ejes. En inglés existe esta distinción y se les llama Counter-rotating propellers en vez de contra-rotating propellers.

Aviones con hélices counter-rotating fueron los Gotha Go 244 y el Lockheed P-38 Lightning de la II GM. En muchas escuelas de vuelo se ha usado la venerables avionetas Seneca (PA-34) precisamente por tener este tipo de hélices y así evitar el famoso "motor crítico".

El caso de las hélices coaxiales es diferente. Cuando la velocidad es baja, el flujo de aire que pasa a través de la hélice se ve desplazado tangencialmente debido al movimiento rotatorio de las palas de la hélice. La energía de esta masa de aire rotacional o tangencial es desaprovechada cuando se trata de hélices sencillas. Para aprovechar esta energía creada con la hélice se suele poner otra detrás, de forma que esta segunda hélice pueda recoger el flujo de aire turbulento creado por la primera. De esta manera se puede eliminar el flujo de aire rotacional o tangencial, que tan perjudicial es para el avión cuando vuela a velocidades bajas, toda vez que este flujo de aire golpea al estabilizador vertical causando un efecto de guiñada que debe de ser compensado. Con el montaje de una segunda hélice se evita este efecto.

El famoso Avro Shackleton (basado en el bombardero Avro Lincoln) fue un avión de patrulla marítima sobresaliente en la RAF hasta que fue reemplazado por el Nimrod 

Algunos mecanismos para poder obtener movimientos coaxiales diferentes:

Este es el motor Allison V-3420, que procede de la unión de dos V-1710 de 12 cilindros dispuestos en V con 30°. Dos ejes (cada uno movido por un motor y girando en el mismo sentido) salían del bloque donde estaban los cilindros. En el morro del avión un sistema desmultiplicador de engranajes hacía que los ejes coaxiales pudieran girar en sentido opuesto. Todo un logro de 1937. Este motor llegó a equipar a los Douglas XB-19, los Boeing XB-39 y al p-75 Eagle. 

Existen muchos otros mecanismos para poder realizar la misma operación. Uno de los más conocidos es el sistema llamado planetario (planet gear). Un engranaje planetario o engranaje epicicloidal es un sistema de engranajes (o tren de engranajes) consistente en uno o más engranajes externos o planetas que rotan sobre un engranaje central o sol. Típicamente, los planetas se montan sobre un brazo móvil o portaplanetas que a su vez puede rotar en relación al sol. Los sistemas de engranajes planetarios pueden incorporar también el uso de un engranaje anular externo o corona, que engrana con los planetas. Otra terminología extendida y equivalente es la que considera el eje central el planeta, siendo los engranajes a su alrededor satélites acoplados por tanto a un portasatélites.

Las hélices son sistemas complejos que sufren de efectos giroscópicos. Estos efectos y otros derivados de la geometría de la hélice pueden dar lugar a muchas complicaciones a la hora de pilotar. El P-factor o efecto de guiñada si no se cuenta con hélices contra-rotatorias puede llegar a ser muy importante.

Factor P, también conocido como efecto de la pala asimétrica o efecto del disco asimétrico, es un fenómeno aerodinámico experimentado por una hélice en movimiento, que es responsable de la guiñada o tendencia a volar de forma asimétrica, sobre todo cuando falla el llamado motor crítico.

Ver post dedicado a ello:
https://greatbustardsflight.blogspot.co.at/2015/02/mi-motor-critico.html

El efecto de la guiñada puede ser hacia la izda o la dcha, dependiendo de la rotación de la hélice. Si la doble hélice coaxial está bien diseñada, el efecto final es que no existirá un flujo rotacional a través de los discos de las hélices, propulsando a la aeronave con máxima eficiencia en un flujo de aire de gran uniformidad. Esto permite unas prestaciones mucho mejores y una pérdida menor de energía a un mismo fuselaje. Esta es la razón por la cual se desarrolló la verdión MkXIX del Spitfire o la versión propulsada por el RR-Griffon del P-51 Mustang. Existieron diseños en los cuales se utilizaba toda la potencia y eficiencia de un despegue con doble hélice para luego pasar a un vuelo con hélice única en fase de crucero y así maximizar la economía o aumentar el tiempo en vuelo de la aeronave.

Aparte de la cancelación del efecto torque, se sabe que una hélice cotra-rotatoria coaxial puede proporcionar entre un 6% y un 16% más de eficiencia si se compara con el mismo fuselaje dotado de una hélice sencilla. Esto representa una gran ventaja, pero por otra parte este tipo de montajes tiene también alguna desventaja. Aparte de tener un mantenimiento más alto, este tipo de disposición produce una gran cantidad de ruido. Un incremento de unos 30dB en el eje longitudinal del avión y unos 10 dB en el eje transversal del avión. La mayor parte de este incremento sonoro ocurre además en frecuencias altas (tono agudo), por ello los vuelos de estas aeronaves limita las operaciones a vuelos no comerciales. 

Existen soluciones para intentar cancelar el ruido. La mayoría pasan por encapsular las hélices dentro de un tubo. Para elo se necesita que las dos hélices tengan diferente número de palas, cuatro delante y cinco detrás, por poner un ejemplo.

El caso del malogrado Bugatti Modelo 100 con hélices contra-rotatorias

El Modelo 100 Bugatti siempre llamó mi atención desde muy pequeño. Quizás fuesen sus líneas tan atractivas o porque estaba diseñado por uno de los mejores constructores de coches del mundo.

Era un avión especialmente diseñado para competir en la copa Deutsch de la Meurthe en el año 1939. La aeronave no se completó en el plazo previsto y no pudo competir. En previsión de que los alemanes pudieran invadir Francia, el aparato fue puesto a buen recaudo, escondido en un almacén. Ettore Bugatti comenzó a trabajar en este diseño en 1938. Debía de ser un avión muy rápido, capaz de ganar a los mejores de la época.  Bugatti utilizó una disposición muy poco habitual a la hora de motorizar este avión con los famosos motores de automóvil que llevan su nombre.

El Gobierno francés se interesó por este modelo para utilizar la tecnología de la aeronave de carreras y desarrollar una variante de combate en previsión de la guerra que se avencinaba. La aeronave fue tan innovadora que estableció cinco patentes modernas, como los motores en línea, la cola en V a 120° con función de elevador y dirección y el sistema de flaps automático.

El modelo 100 tenía una inusual disposición interior de la planta motríz Los dos motores iban dispuestos dentro del casco y rotaban las hélices girando en sentidos opuestos a través de sendos ejes de transmisión con juntas cardan. El avión también contaba con una disposición de cola en V a 120 grados y tren de aterrizaje retráctil. La construcción era principalmente de madera, con capas intercaladas de madera de balsa y maderas duras, incluyendo largueros Tulipwood cubiertos con tela especial.

Con el estallido de la Segunda Guerra Mundial y la caída inminente de París, Bugatti escondió la aeronave desmontada en su finca. Bugatti murió en 1947 y ya nunca volvió a trabajar en ella. El avión se mantuvo almacenado durante la Segunda Guerra Mundial. Fue vendido varias veces, y sus dos motores Bugatti 50P fueron retirados como joyas de automoción restauradas. En 1971 se inició un esfuerzo para poder hacer una restauración de este bello aparato.

El 4 de julio, 2015, la compañía Blue Dream, que había trabajado en la construcción de una réplica exacta, rodó con este aparato en Tulsa. El 19 de agosto 2015, con toda la potencia de sus dos motores Suzuki Hayabusa el avión logró levantar el vuelo. Sus características de manejo eran "como se esperaba" Desgraciadamente, El 6 de agosto, de 2016 el avión se estrelló durante su tercer vuelo de prueba cerca de Clinton-Sherman en Oklahoma, matando al piloto Scotty Wilson

El avión más rápido propulsado con hélice

Un buen número de aeronaves han afirmado ser el avión más rápido propulsado con hélice. No está muy claro cual de ellos es realmente el más rápido porque hasta ahora no se han realizado pruebas en condiciones comparables por varios jueces independientes las pruebas no han sido nunca debidamente certificadas.

Ya los pilotos durante la Segunda Guerra Mundial a veces afirmaron haber alcanzado velocidades supersónicas en cazas de hélice durante picados de emergencia, pero estas velocidades no se incluyen tampoco como registros válidos o como prueba de haber sido los más rápidos.

Uno de los más rápidos que se conocen fue el Republic XF-84H "Thunderscreech". Un avión turbohélice experimental derivado de la F-84F Thunderstreak. Impulsado por un motor de turbina que fue acoplado a una hélice supersónica, el XF-84H tenía el potencial de establecer el récord de velocidad en vuelo (no oficial para aviones de hélice), pero (aparte de su ruido ensordecedor y mareante) fue incapaz de superar problemas relativos a deficiencias aerodinámicas y el programa fue cancelado. No obstante este aparato figura en el libro Guinness de los récords de 1997, como el más rápido en esta categoría con una velocidad de 1.002 km/h (623 mph, Mach 0,83). Muy rápido, pero totalmente inútil para los propósitos de la US NAVY, que era el cliente que lo necesitaba.

El registro oficial de velocidad para un avión de pistón está en manos de un  Grumman F8F modificado, con una velocidad de 850,24 kmh (528,31 mph). Esta marca se realizó el 21 de agosto de 1989 en Las Vegas.