Hélices III: más teoría para pilotos (o sea en plan sencillo)

Teoría de la hélice

La hélice es una herramienta que crea empuje al transformar la energía del combustible en movimiento rotatorio. 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.

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.

La sección transversal de una hélice es un perfil aerodinámico. Existen diversas velocidades y terminología que cualquier piloto debe de conocer. En la imagen de abajo se muestra la velocidad debida a la rotación y a la del avance del avión. La mayoría de las hélices suelen rotar en sentido de las agujas del reloj cuando se miran de atrás a delante (desde el cockpit). 

• El viento relativo, a veces llamado viento absoluto, impacta en el perfil de la pala y es debido al avance del avión (TAS o velocidad verdadera del avión) y al velocidad rotacional (debida a las revoluciones del eje o RPM). Es la resultante del sistema de vectores que se puede ver en la imagen de abajo (vector azul con tres puntas de flecha). 
• El ángulo de ataque del perfil es el existente entre la línea de la cuerda del perfil y el viento relativo. 
• El ángulo de la hélice (helix angle) es el formado por el vector rotacional (velocidad debida a la rotación y que es paralela al plano de rotación) y el viento relativo.
• El ángulo de la pala (pitch angle) es el formado por el plano de rotación y la línea de cuerda del perfil.

En la imagen que sigue se puede ver un diagrama lateral en Español con la terminología básica. Aquí se puede ver el ángulo de la pala formado por el plano de rotación y la cuerda de la pala. En algunos manuales la cuerda de la pala se hace coincidir con la parte baja de esta (la cara de la pala), ello es debido a que en muchas palas no existe un gran combado (camber):

...y para todos aquellos a los que les interese el inglés aquí está la terminología en ese idioma:

La terminología de la sección de la pala es muy similar a la del ala del avión

...y también en iglés

En resumen: cada pala de la hélice es como si fuera un ala rotatoria que produce fuerzas aerodinámicas (sustentación y resistencia al avance) exactamente igual que las alas de un aeroplano. En la imagen se puede apreciar como la sección transversal de la pala cambia a lo largo de esta teniendo menos paso las puntas de pala que la parte central de esta, Ello es debido a que las puntas viajan más deprisa que la parte central. Si mantuviéramos pasos constantes, se producirían ángulos de ataque diferentes produciendo fuerzas muy diferentes. Lo que se intenta es que la fuerza aerodinámica que se crea sea uniforme a lo largo de la pala, por ello esta se retuerce y adopta pasos cada vez más pequeños según se va hacia la punta de la pala. Usualmente la uniformidad total no es posible y siempre existen partes de la pala que generan más fuerza aerodinámica que otras. En la imagen que sigue se puede ver la distribución de fuerzas y presiones. El punto donde se encuentra la fuerza resultante suele ser el punto que se toma siempre como referencia. La sección transversal de la pala en este punto es la que se toma siempre para explicar las fuerzas en la hélice.   

Como cualquier perfil aerodinámico, la pala de la hélice puede generar turbulencias si el ángulo de ataque de la pala es excesivo. Cuando se trata de un ala decimos que el ala entra en pérdida. con las hélices pasa salgo muy parecido. En el dibujo que se ve a la izquierda se puede apreciar una sección transversal de la pala de una hélice de paso fijo a bajas revoluciones. En el reverso de la pala (la parte que sería el equivalente al extradós del ala), se puede ver que el flujo de aire que transcurre de forma continua o laminar (sin turbulencias). el ángulo de ataque es el formado por la velocidad relativa del aire y la cuerda de la pala. A su vez la velocidad relativa del aire es resultado vectorial de sumar las rotaciones de la pala (RPM's) y el avance del avión en el aire (flujo axial o velocidad del avión). La pala se encuentra en un régimen de velocidades óptimo, pero si aplicáramos potencia a nuestro motor y aumentáramos las RPM, podríamos estar corriendo el riesgo de aumentar excesivamente el ángulo de ataque. Esto e lo que se muestra en el dibujo de abajo, donde se compara el régimen de RPM óptimo a la izquierda con un exceso de RPM a la derecha. Como se puede apreciar, al incrementar las RPM, el vector se alarga y aunque el paso de la hélice permanece constante, el vector del viento relativo resultante se ve afectado causando un ángulo de ataque excesivo y creando flujo turbulento en la pala de la hélice. En este caso la hélice no es eficiente. 

Lo mismo ocurriría si el vector velocidad (axial flow) del avión disminuye mucho y las RPM se mantienen iguales. Cuando se instala una hélice de paso fijo en un avión se tiene que hacer un compromiso, ya que la hélice no podrá variar su paso y solo será eficiente a una determinada velocidad del avión y a un determinado número de revoluciones. El piloto no puede cambiar esta combinación durante el vuelo. Lo que se intenta es que la hélice sea más efectiva en la fase de vuelo que más tiempo ha de permanecer la aeronave. Usualmente se diseñan para que esta sea más efectiva en la fase de crucero. Cuando una avioneta dotada de una hélice de paso fijo está en el suelo dispuesta para el despegue, la hélice no es muy eficiente ya que la poca velocidad que tiene la avioneta en ese momento hace que el viento relativo que impacta con la pala produzca un ángulo de ataque inadecuado. Lo que está ocurriendo es que se está aplicando mucha potencia para obtener poca efectividad. Las palas de la hélice son generalmente más eficientes en terminos de L/D (relación entre la sustentación L y la resistencia o drag D) cuando se obtienen ángulos de ataque de entre 1° y 4°. Al no poder variar el paso estas hélices varían sus ángulos entre los 0° y los 15°.

La eficiencia de una hélice de paso fijo varía entre 50% y 87% dependiendo de cuanta cantidad de aire sea la hélice capaz de mover. Una hélice que "resbala" (slip en inglés), aunque gire muy rápido no es capaz de mover mucho aire. El término "Propeller slip" es la diferencia entre el paso geométrico de la hélice y su paso efectivo. el paso geométrico es la distancia teórica que una hélice debe avanzar en una revolución; paso efectivo es la distancia que en realidad avanza. Por lo tanto, el paso geométrico o teórico se basa en un deslizamiento (slip) nulo, pero un ángulo o pitch real o efectivo incluye el deslizamiento de la hélice en el aire.

El paso variable

Para evitar estos problemas y aumentar la eficiencia de las hélices se desarrolló el cambio de paso (pitch). Las hélices de paso variable son un avance en cuanto a la eficiencia en todas las fases de vuelo. Cambiando la inclinación de la pala (pitch), se puede llegar a conseguir un alto índice de eficiencia de alrededor del 80% desde el despegue al aterrizaje, pasando por el ascenso, crucero y descenso. En la imagen que se puede ver una hélice de paso variable en tres posiciones diferentes. La última posición es lo que se llama abanderamiento y se utiliza para que en caso de fallo de motor, las palas de la hélice no ofrezcan resistencia al avance empeorando la situación. Con las hélices de paso variable (también llamadas de velocidad constante) se puede mantener el ángulo de ataque óptimo aunque se incremente la velocidad del avión. En el diagrama que se puede ver a continuación se muestra precisamente un incremento de la velocidad del avión (mayor TAS) con un régimen de revoluciones constante. Al aumentar el paso de la hélice, el ángulo de ataque permanece constante. El paso corto de la hélice se denomina en inglés "fine pitch" y el paso largo de la hélice se denomina "coarse pitch". En este tipo de hélice se mantienen las revoluciones constantes y se juega con la potencia y el paso de la hélice.

En una hélice de velocidad constante (paso variable) se ajusta el ángulo de ataque para mantener su eficiencia en todas las fases de vuelo. Durante el despegue, donde se requiere máxima potencia, se selecciona un paso con un ángulo muy pequeño (fine pitch). Este paso pequeño mantiene el AoA (ángulo de ataque) de la pala relativamente pequeño (entre 1 y 4 grados) con respecto al viento relativo. Esto da como consecuencia una gran eficiencia. A la vez, esta combinación permite a la hélice mover una masa de aire más pequeña por cada revolución. El motor d e esta manera se ve más aliviado y puede girar más deprisa convirtiendo una mayor cantidad de combustible en energía calorífica. Al mismo tiempo se crea más empuje, porque aunque la masa de aire que se mueve por cada revolución es menor, las RPM y la velocidad de la corriente creada detrás del disco de la hélice son más elevadas. En la imagen que sigue se puede ver como el aumento de potencia (manteniendo los otros dos controles en la misma posición) ajusta el paso de la hélice.

Debajo se pueden ver los tres controles principales de un sistema de hélice de paso variable (velocidad constante) de ajuste manual. La palanca gris es la potencia (el equivalente al acelerador de nuestro coche). La palanca azul es la que controla el paso de la hélice. La palanca roja es la mezcla aire/combustible del motor.

Con la palanca azul en una posición avanzada, el paso de la hélice es corto (fine pitch). el paso corto implica una menor resistencia de la pala de la hélice en el aire. También significa un AoA pequeño, pero por el contrario la hélice puede girar más deprisa permitiendo entregar toda la potencia de la que el motor es capaz. Es la posición que se emplea en todos los casos donde prime la potencia, como en el despegue y el ascenso. Esto es el equivalente a ir en unas marchas cortas en nuestro coche. Para el régimen de crucero se requiere  un paso mayor, al igual que ocurre con nuestro coche cuando circula por la autopista en marchas largas. La primera imagen del dibujo superior muestra precisamente un área de paso de la hélice donde se alcanza el régimen ideal o más económico. La pala ofrece una mayor resistencia al avance y la resistencia implica un menor número de revoluciones, pero por contra la hélice es capaz de mover una gran cantidad de aire haciendo la hélice más eficiente. La última imagen del diagrama de arriba muestra la reversa de la hélice. Con la reversa se puede invertir el flujo de aire mandando el aire hacia adelante. Esto es muy conveniente para cuando se quiere ayudar a parar una avión después del aterrizaje. También puede tener otras utilidades, como la que comento a continuación.

Recuerdo que hace años (allá por 1998) en unas maniobras militares en Nevada (USA), nuestro Hercules C-130 no era capaz de arrancar uno de sus motores. Los mecánicos querían arrancar el motor utilizando una corriente de aire. Esto es lo que se conoce como molinillo o "windmilling" en inglés. Aprovechamos que un C-130 Hercules de la USAF pasaba en ese momento por el parking y les llamamos para que nos hicieran el favor de soplar nuestra hélice. Así fue como conseguimos arrancar nuestro motor.

Algunos efectos adversos

Los efectos que más notan los pilotos son los relativo al efecto giroscópico y los debido al efecto del torque o par en cierto tipo de maniobras. La hélice es una masa en movimiento y como tal experimenta los efectos propios de un giróscopo. Esto es, la rigidez en el espacio y la precesión (ver post dedicado a esto). La rigidez en espacio es la tendencia a mantener la posición y la precesión es el movimiento del giróscopo, pero en una forma que no resulta del todo intuitiva. En la imagen que sigue se puede ver esto. 

La fuerza que se aplica desde a bajo al eje de rotación es transferida al rotor (hélice) y desde ahí se siente a 90° en la dirección del giro. Esto es lo que suele ocurrir en un despegue cuando se intenta llevar el morro arriba en la rotación de la aeronave. El piloto siente una tendencia a guiñar que debe de ser compensada. Aparte de esto existe un efecto geométrico que incrementa la guiñada. En la imagen que sigue se puede ver una avioneta con una hélice de paso fijo que rota para el despegue. Por pura geometría de la hélice con respecto al viento relativo, la pala que sube tiene menos AoA que la que baja. Esto da lugar a empujes diferentes en sitios diferentes. El efecto de guiñada producido por esta descompensación puede ser grande.

El efecto de par o torque hace que la avioneta tienda a girar en dirección opuesta a la hélice (acción y reacción)

El efecto de guiñada junto con la corriente de aire que crea la propia hélice hace que esta impacte en el lateral de la aeronave incrementando el efecto.