lunes, 22 de agosto de 2016

Hélices IV: Tipos y eficiencia

Tipos de hélices

Se podrían distinguir "Fixed pitch" o paso fijo y paso variable (variable pitch) de las cuales se pueden encontrar tres tipos. Las llamadas ajustables solo en tierra, las que tienen dos posiciones y las que tienen múltiples posiciones. Dentro de estas últimas se encuentran las ajustables manualmente, las semi-automáticas y las automáticas. 



Las hélices de paso fijo no pueden ajustar la pala de la hélice para mantener un AoA constante. Este tipo de hélices son más propias de aviones ligeros y pequeños donde lo que cuenta es la economía. En estos casos se montan este tipo de hélices que son más sencillas, ligeras y menos costosas en terminos de adquisición y mantenimiento. Están diseñadas para operar al régimen de revoluciones (RPM) más frecuente en ese aeroplano en particular. Normalmente son aeroplanos de pocas prestaciones como las Cessna serie 150. Aún recuerdo mi Cessna 152 con la que me saqué el PPL en Fort Worth y tenía una velocidad de crucero de unos 80 nudos.


Una hélice de paso variable es un tipo de hélice cuyas palas pueden girar alrededor de su eje largo para cambiar su ángulo de ataque. Si dicho ángulo se puede situar en valores negativos, la hélice también puede crear una inversión de empuje para el frenado o la marcha atrás sin necesidad de cambiar la dirección de rotación del eje.Con respecto a las hélices de paso variable podemos distinguir tres tipos que se pueden encontrar en una gran diversidad de modelos dependiendo el mecanismo que se utilice para cambiar el ángulo de la pala. Las hélices de paso variable que montan mecanismos sencillos solo tienen dos posiciones. Las hélices más complejas pueden disponer de un rango más o menos amplio de ángulos de ,os cuales podemos escoger. La selección del paso en este último tipo de mecanismos puede ser:

  • manual, en la que el piloto hace todo el trabajo. 
  • Semi-automática en la que el piloto solo selecciona las posiciones básicas (por ejemplo el despegue, el ascenso o el aterrizaje a unas RPM determinadas) y el paso de la hélice varía de acuerdo con los valores prefijados para estas posiciones. Son hélices llamadas de velocidad constante, en las que se pueden ver tres controles de colores diferentes en la consola de control.
  • Totalmente automáticas, en las que solo existe una palanca de control y todo ocurre automática e independientemente del control del piloto. Suelen ser aviones de altas prestaciones.  

El control del piloto sobre el paso de la hélice se hace desde el cuadrante donde se encuentra la palanca azul. Esta palanca manda un sistema muy ingenioso llamado en inglés "gobernor" que podríamos traducir por regulador. A continuación se muestra un dibujo de como funciona este dispositivo.










Los contrapesos volantes miden la velocidad del motor. Si las RPM aumentan los contrapesos sufrirán la fuerza centrífuga, moviéndose hacia el exterior, pivotando y haciendo subir la válvula de control. En una situación de baja velocidad (underspeed) la válvula de control baja. El líquido oleaginoso sale del cubo de la hélice donde se encuentra el pistón. En una situación de sobrevelocidad ocurre lo contrario. En el pistón existe un muelle y un mecanismo para que las palas roten.






La eficiencia de una hélice

Teóricamente la hélice más eficiente sería aquella que tuviera un gran diámetro, girar de forma muy lenta y constara de una sola pala. Esto no es posible por las limitaciones físicas de la aeronave y por las vibraciones por desequilibrio que se crearían con una sola pala. Las bajas velocidades de giro de la hélice parece ser una idea muy extendida para obtener una buena eficiencia, pero no solo se trata de RPM's. La eficiencia de la hélice también está en función de el diámetro y de la velocidad verdadera del avión (la llamada TAS o True Airspeed).  


En el gráfico que sigue se puede ver la comparativa entre motores turboreactores puros, de bajo indice de derivación, de alto índice de derivación y por último los turbohélices. El rango de velocidades donde se alcanza la máxima eficiencia se sitúa muy por debajo de los demás: entre 250 y 450 millas por hora. En estas velocidades y en recorridos de menos de 900 km, los turbohélices tienen una ventaja económica enorme con respecto a los demás. Es por esta razón que las compañías todavía operan los ATR, los DASH y los SAAB, por poner solo algunos ejemplos. 






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" en inglés o empuje en español 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.  


La eficiencia de la hélice se representa por la letra griega η (Eta). Esta letra se utiliza en la ingeniería para indicar el rendimiento de motores y transformadores. Se puede medir la eficiencia de una hélice de muchas formas. Una de ellas es dividiendo el trabajo realizado por la hélice por el trabajo realizado por el motor. La potencia (power) es igual al trabajo (fuerza x distancia) efectuado por unidad de tiempo. Por otra parte sabemos que distancia/tiempo es igual a velocidad. Por lo tanto Power = F(thrust) x Velocidad.




Pongamos un ejemplo práctico: una hélice hace avanzar 300 pies de distancia a un avión de 1100 libras de peso en 1 segundo. El trabajo realizado por la hélice (Fuerza x distancia) es de 330.000 pies, libra por segundo. En este caso obtendríamos una eficiencia de un 80%.


Otra forma de medir la eficiencia de una hélice es medir la relación del avance, esto es medir cuanto avanza el avión por cada revolución de la hélice. Se representa por la letra J y es función de la velocidad (V) de avance o velocidad verdadera del avión, dividida por las revoluciones del motor (n) y el diámetro de la hélice (D). 


J es un parámetro adimensional. Esto quiere decir que no tiene unidades. Es algo parecido a lo que ocurre con el coeficiente de sustentación en aerodinámica, que simplemente es un número que aumenta o disminuye con respecto al AoA. En este caso J utiliza para los cálculos las revoluciones o vueltas de la hélice, pero estas no son una magnitud física. El resto de las magnitudes se cancelan matemáticamente tal como se puede ver a continuación. 


Se puede adoptar cualquier sistema de unidades. Si multiplicamos los nudos (KTAS) por 0,514 obtendremos metros/seg, si dividimos RPM por 60 obtendremos vueltas por segundo y si usamos D en metros no habrá más que substituir en la fórmula.


O lo que es lo mismo, con una hélice de 1.23 metros a 2500 RPM se obtendría J = 1 a 100 nudos de velocidad. Este número 1 podría ser nuestro punto de diseño para una hélice de paso fijo. Esto es, el punto donde alcanzamos la máxima eficiencia (alrededor de un 85%). Un gráfico típico para una de estas hélices podría ser el que se muestra a continuación: 


Como se puede apreciar, el ángulo de ataque deja de ser óptimo en velocidades mayores y menores de las que está previsto el vuelo de este avión (100 nudos). Si por el contrario usáramos una hélice de paso variable podríamos obtener una curva como la que se muestra a continuación.


Dentro de la curva morada se ha representado la equivalente a la de la hélice de paso fijo en azul. Como se puede apreciar la eficiencia de una hélice de paso variable es mucho mayor. La clave está en conservar el AoA óptimo para la mayor parte del rango de velocidades. Conociéndose la eficiencia de una hélice de esta manera entonces se puede hacer una predicción del empuje o "thrust" aplicando esta fórmula.


El futuro de la hélice en aviación 

Hace ya más de un siglo, que se montaron las primeras hélices en las aeronaves. Los avances que se vieron durante la I GM dejaron claro que este tipo de propulsión había alcanzado unas cotas muy altas de fiabilidad. En el periodo entre guerras se alcanzó la madurez de este tipo de transporte, sin embargo, tras la Segunda Guerra Mundial, los fabricantes se centraron en desarrollar la nueva planta de potencia a reacción dejando de lado el desarrollo de nuevas hélices. Los aviones a reacción eran la nueva estrella ya que proporcionaban velocidades mucho más rápidas. Hasta hoy en día parece que esa era la tendencia, pero debido al encarecimiento de los combustibles y a la demanda del corto recorrido por parte de los viajeros, las líneas aéreas y la industria aeronáutica en general se está replanteando el papel de la hélice en el transporte del siglo XXI.


Hoy en día las aeronaves impulsadas por turbohélices son casi la mitad de los aviones de pasajeros de entre 20 y 99 asientos que se entregan a las compañías aéreas. Esto es algo que no ocurría desde hacía mucho tiempo. La industria aeronáutica sabe muy bien que para vuelos de menos de 900 kilómetros, los motores turbohélice aprovechan mucho mejor el combustible que los turboventiladores, los cuales solo alcanzan su máxima eficiencia en altitudes de crucero de unos 11 km de altura (la tropopausa). El problema principal de los turbohélices reside en una menor velocidad de crucero y un ruido y vibraciones que a veces pueden resultar incómodos para los pasajeros. Esto es algo que las aerolíneas, deben de tener muy en cuenta, ya que no solos e trata de competir en precio sino también en confort. Las aerolíneas también tienen que tener en cuenta la imagen, ya que la hélice es percibida por muchos viajeros como algo anticuado y menos seguro que los aviones turboventiladores.  

Los estudios de  ingeniería de hoy en día se están centrando en el empleo de nuevas herramientas informáticas con gran potencia de cálculo para el estudio de las complejas interacciones entre la hélice, la góndola del motor y las alas de la aeronave. Empleando sofisticados programas informáticos se puede analizar el comportamiento de cada pala por separado. Con un conocimiento en profundidad de la dinámica de fluidos ahora los ingenieros pueden centrarse en el diseño de palas cuya forma incrementa la eficiencia por medio de disposiciones poco usuales.

Una de estas disposiciones contempla montar hélices de ocho palas espaciadas de forma que algunas de ellas queden dispuestas de forma desigual alrededor del cubo de la hélice; otra etapa con el resto se escalona siguiendo un eje por detrás de las primeras. Con estas disposiciones se modifican las frecuencias audibles que se generan durante el vuelo. Ya se han llevado a cabo varios ensayos con voluntarios para evaluar el ruido que se produce en la cabina y poder decidir cuáles son preferibles desde el punto de vista del confort.

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