La hélice de la aeronave consta de dos o más palas y un cubo central al que se unen las palas. Cada hoja de una hélice de avión es esencialmente un ala giratoria. Como resultado de su construcción, las palas de la hélice son como perfiles aerodinámicos y producen fuerzas que crean el empuje para tirar o empujar al avión a través del aire. El motor proporciona la potencia necesaria para girar las palas de la hélice a través del aire a altas velocidades, y la hélice transforma la potencia rotativa del motor en empuje hacia adelante.
Una sección transversal de una pala de hélice típica se muestra en
comparable a una sección transversal de un ala de avión. Una superficie de la pala está inclinada o curvada, similar a la superficie superior de un ala de avión, mientras que la otra superficie es plana como la superficie inferior de un ala. La línea de acordes es una línea imaginaria que atraviesa la hoja desde su borde de ataque hasta su borde de salida. Como en un ala, el borde de ataque es el borde grueso de la pala que se encuentra con el aire a medida que gira la hélice.
El ángulo de la hoja, generalmente medido en grados, es el ángulo entre la cuerda de la hoja y el plano de rotación y se mide en un punto específico a lo largo de la longitud de la hoja. [Figure 4-36] Debido a que la mayoría de las hélices tienen una «cara» de hoja plana, la línea de cuerdas a menudo se dibuja a lo largo de la cara de la hoja de la hélice. El tono no es el ángulo de la hoja, pero debido a que el tono está determinado en gran medida por el ángulo de la pala, los dos términos se usan a menudo de manera intercambiable. Un aumento o disminución en uno generalmente se asocia con un aumento o disminución en el otro.
El tono de una hélice puede ser designado en pulgadas. Una hélice designada como «74-48» sería de 74 pulgadas de largo y tendría un paso efectivo de 48 pulgadas. El paso es la distancia en pulgadas, que la hélice atravesaría el aire en una revolución si no hubiera deslizamiento.
Al especificar una hélice de paso fijo para un nuevo tipo de aeronave, el fabricante suele seleccionar uno con un tono que opera de manera eficiente a la velocidad de crucero esperada de la aeronave. Cada hélice de paso fijo debe ser un compromiso porque puede ser eficiente solo con una combinación dada de velocidad aerodinámica y revoluciones por minuto (rpm). Los pilotos no pueden cambiar esta combinación en vuelo.
Cuando la aeronave está en reposo en el suelo con el motor en funcionamiento, o se mueve lentamente al comienzo del despegue, la eficiencia de la hélice es muy baja porque la hélice está restringida de avanzar con suficiente velocidad para permitir que sus palas de paso fijo alcancen su total eficiencia. En esta situación, cada pala de la hélice gira a través del aire en un AOA que produce relativamente poco empuje para la cantidad de potencia requerida para girarla.
Para comprender la acción de una hélice, considere primero su movimiento, que es tanto rotacional como hacia adelante. Como muestran los vectores de las fuerzas de la hélice en la Figura 4-36, cada sección de una pala de hélice se mueve hacia abajo y hacia adelante. El ángulo en el que este aire (viento relativo) golpea la pala de la hélice es su 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 así empuje.
La forma de la hoja también crea empuje porque está combada como la forma de perfil aerodinámico de un ala. A medida que el aire fluye más allá de la hélice, la presión en un lado es menor que la del otro. Como en un ala, se produce una fuerza de reacción en la dirección de la presión menor. El flujo de aire sobre el ala tiene menos presión y la fuerza (elevación) es hacia arriba. En el caso de la hélice, que se monta en una vertical en lugar de un plano horizontal, el área de disminución de la presión está frente a la hélice, y la fuerza (empuje) está en dirección de avance. Aerodinámicamente, el empuje es el resultado de la forma de la hélice y el AOA de la pala.
El empuje también puede considerarse en términos de la masa de aire manejada por la hélice. En estos términos, el empuje es igual a la masa de aire manejado multiplicado por la velocidad del flujo de la corriente menos la velocidad de la aeronave. La potencia gastada en la producción de empuje depende de la tasa de movimiento de la masa de aire. En promedio, el empuje constituye aproximadamente el 80 por ciento del par (caballo total absorbido por la hélice). El otro 20 por ciento se pierde en fricción y deslizamiento. Para cualquier velocidad de rotación, la potencia absorbida por la hélice equilibra los caballos de fuerza entregados por el motor. Para cualquier revolución única de la hélice, la cantidad de aire manipulado depende del ángulo de la pala, que determina qué tan grande toma una «mordida» de aire que toma la hélice. Por lo tanto, el ángulo de la pala es un excelente medio para ajustar la carga en la hélice para controlar las rpm del motor.
El ángulo de la pala también es un excelente método para ajustar el AOA de la hélice. En las hélices de velocidad constante, el ángulo de la pala debe ajustarse para proporcionar el AOA más eficiente en todas las velocidades del motor y de la aeronave. Las curvas de elevación versus arrastre, que se dibujan para hélices, así como alas, indican que el AOA más eficiente es pequeño, que varía de +2° a +4°. El ángulo de pala real necesario para mantener este pequeño AOA varía con la velocidad de avance de la aeronave.
Las hélices de paso fijo y ajustables al suelo están diseñadas para una mayor eficiencia en una rotación y velocidad de avance. Están diseñados para una determinada combinación de aeronaves y motores. Se puede usar una hélice que proporcione la máxima eficiencia para el despegue, la escalada, el crucero o el vuelo de alta velocidad. Cualquier cambio en estas condiciones resulta en la reducción de la eficiencia tanto de la hélice como del motor. Dado que la eficiencia de cualquier máquina es la relación entre la potencia de salida útil y la entrada de potencia real, la eficiencia de la hélice es la relación entre la potencia de empuje y la potencia del freno. La eficiencia de la hélice varía del 50 al 87 por ciento, dependiendo de cuánto «deslice» la hélice.
El deslizamiento de la hélice es la diferencia entre el tono geométrico de la hélice y su tono efectivo. [Figure 4-37] El tono geométrico es la distancia teórica que una hélice debe avanzar en una revolución; El tono efectivo es la distancia que realmente avanza. Por lo tanto, el tono geométrico o teórico se basa en ningún deslizamiento, pero el tono real o efectivo incluye el deslizamiento de la hélice en el aire.
La razón por la que una hélice está «torcida» es que las partes exteriores de las palas de la hélice, como todas las cosas que giran en un punto central, viajan más rápido que las partes cercanas al cubo. [Figure 4-38] Si las palas tuvieran el mismo paso geométrico en sus longitudes, las partes cerca del cubo podrían tener AOAs negativos mientras que las puntas de la hélice se paralizarían a la velocidad de crucero. La torsión o las variaciones en el paso geométrico de las palas permite que la hélice opere con un AOA relativamente constante a lo largo de su longitud cuando esté en vuelo de crucero. Las palas de la hélice se tuercen para cambiar el ángulo de la pala en proporción a las diferencias de velocidad de rotación a lo largo de la longitud de la hélice, manteniendo el empuje casi igualado a lo largo de esta longitud.
Por lo general, de 1° a 4° proporciona la relación de elevación/arrastre más eficiente, pero en vuelo, el AOA de la hélice de una hélice de paso fijo varía, normalmente de 0° a 15°. Esta variación es causada por cambios en la corriente de aire relativa, que a su vez resulta de cambios en la velocidad de la aeronave. Por lo tanto, la hélice AOA es el producto de dos movimientos: la rotación de la hélice alrededor de su eje y su movimiento hacia adelante.
Una hélice de velocidad constante mantiene automáticamente el ángulo de la pala ajustado para lograr la máxima eficiencia en la mayoría de las condiciones encontradas en vuelo. Durante el despegue, cuando se requiere la máxima potencia y empuje, la hélice de velocidad constante está en un ángulo o paso de pala de hélice bajo. El ángulo bajo de la pala mantiene el AOA pequeño y eficiente con respecto al viento relativo. Al mismo tiempo, permite a la hélice manejar una masa de aire más pequeña por revolución. Esta carga ligera permite que el motor gire a altas revoluciones y convierta la cantidad máxima de combustible en energía térmica en un tiempo determinado. La alta RPM también crea el máximo empuje porque, aunque la masa de aire manipulada por revolución es pequeña, las rpm y la velocidad del zapato son altas, y con la baja velocidad de la aeronave, hay un empuje máximo.
Después de despegar, a medida que aumenta la velocidad de la aeronave, la hélice de velocidad constante cambia automáticamente a un ángulo (o tono más alto). Una vez más, el ángulo más alto de la pala mantiene el AOA pequeño y eficiente con respecto al viento relativo. El mayor ángulo de la hoja aumenta la masa de aire manipulado por revolución. Esto disminuye las revoluciones del motor, reduciendo el consumo de combustible y el desgaste del motor, y mantiene el empuje al máximo.
Después de que se establezca la escalada de despegue en una aeronave que tiene una hélice de paso controlable, el piloto reduce la potencia de salida del motor para subir la potencia al disminuir primero la presión del colector y luego aumentar el ángulo de la pala para bajar las rpm.
En la altitud de crucero, cuando la aeronave está en vuelo nivelado y se requiere menos potencia de la que se usa en el despegue o ascenso, el piloto reduce nuevamente la potencia del motor al reducir la presión del colector y luego aumentar el ángulo de la pala para disminuir las rpm. Nuevamente, esto proporciona un requisito de torque para que coincida con la potencia reducida del motor. Aunque la masa de aire manipulada por revolución es mayor, está más que compensada por una disminución en la velocidad de la corriente y un aumento en la velocidad del aire. El AOA sigue siendo pequeño porque el ángulo de la pala se ha incrementado con un aumento en la velocidad del aire.
4.8.1 Par y factor P #
Para el piloto, «torque» (la tendencia de giro a la izquierda del avión) se compone de cuatro elementos que provocan o producen un movimiento de giro o rotación alrededor de al menos uno de los aviones de tres ejes. Estos cuatro elementos son: reacción de torque desde el motor y la hélice, efecto destornillador de la corriente, acción giroscópica de la hélice y carga asimétrica de la hélice (factor P).
4.8.2 Reacción de par #
La reacción de torque involucra la tercera ley de la física de Newton: para cada acción, hay una reacción igual y opuesta. Aplicado a la aeronave, esto significa que, a medida que las partes internas del motor y la hélice giran en una dirección, una fuerza igual intenta girar la aeronave en la dirección opuesta. [Figure 4-39]
Cuando la aeronave está en el aire, esta fuerza actúa alrededor del eje longitudinal, tiende a hacer rodar la aeronave. Para compensar la tendencia a rodar, algunos de los aviones más antiguos se manipulan de una manera para crear más elevación en el ala que se está forzando hacia abajo. Los aviones más modernos están diseñados con el motor compensado para contrarrestar este efecto de torque.
Nota: La mayoría de los motores de aeronaves construidos en Estados Unidos giran la hélice en el sentido de las agujas del reloj, como se ve desde el asiento de los pilotos. La discusión aquí es con referencia a esos motores.
Generalmente, los factores de compensación se establecen de forma permanente para que compensen esta fuerza a la velocidad de crucero, ya que la mayor parte de las aeronaves que operan la sustentación se encuentran a esa velocidad. Sin embargo, las pestañas de ajuste de alerón permiten un mayor ajuste para otras velocidades.
Cuando las ruedas de las aeronaves están en el suelo durante el despegue, un momento de giro adicional alrededor del eje vertical es inducido por la reacción de torque. A medida que el lado izquierdo de la aeronave está siendo forzado hacia abajo por la reacción de torque, se está colocando más peso en el tren de aterrizaje principal izquierdo. Esto resulta en más fricción en el suelo, o arrastre, en el neumático izquierdo que en el derecho, lo que provoca un momento de giro más hacia la izquierda. La magnitud de este momento depende de muchas variables. Algunas de estas variables son: tamaño y caballos de fuerza del motor, tamaño de hélice y las rpm, tamaño de la aeronave y estado de la superficie del suelo.
Este momento de guiñada en el rollo de despegue es corregido por los pilotos con el uso adecuado del timón o el timón.
4.8.3 Efecto de sacacorchos #
La rotación de alta velocidad de una hélice de aeronave da un sacacorchos o una rotación en espiral al estela. A altas velocidades de hélice y baja velocidad de avance (como en los despegues y aproximaciones a los puestos de encendido), esta rotación en espiral es muy compacta y ejerce una fuerte fuerza lateral en la superficie de la cola vertical de los aviones. [Figure 4-40]
Cuando esta corriente en espiral golpea la aleta vertical, provoca un momento de giro sobre el eje vertical de la aeronave. Cuanto más compacta es la espiral, más prominente es esta fuerza. Sin embargo, a medida que aumenta la velocidad de avance, la espiral se alarga y se vuelve menos efectiva. El flujo de sacacorchos de la corriente de deslizamiento también provoca un momento de balanceo alrededor del eje longitudinal.
Tenga en cuenta que este momento de balanceo causado por el flujo de sacacorchos de la corriente de deslizamiento está a la derecha, mientras que el momento de balanceo causado por la reacción de torque es hacia la izquierda; en efecto, uno puede estar contrarrestando al otro. Sin embargo, estas fuerzas varían mucho y es responsabilidad de los pilotos aplicar una acción correctiva adecuada mediante el uso de los controles de vuelo en todo momento. Estas fuerzas deben contrarrestarse independientemente de cuál sea la más prominente en ese momento.
4.8.4 Acción giroscópica #
Antes de que se puedan entender los efectos giroscópicos de la hélice, es necesario comprender el principio básico de un giroscopio. Todas las aplicaciones prácticas del giroscopio se basan en dos propiedades fundamentales de la acción giroscópica: la rigidez en el espacio y la precesión. El de interés para esta discusión es la precesión.
La precesión es la acción resultante, o desviación, de un rotor giratorio cuando se aplica una fuerza de desviación a su borde. Como puede verse en la Figura 4-41, cuando se aplica una fuerza, la fuerza resultante se hace 90° antes y en la dirección de rotación.
La hélice giratoria de un avión hace un muy buen giroscopio y, por lo tanto, tiene propiedades similares. Cada vez que se aplica una fuerza para desviar la hélice fuera de su plano de rotación, la fuerza resultante está 90° por delante y en la dirección de rotación y en la dirección de aplicación, provocando un momento de lanzamiento, un momento de guiñada o una combinación de los dos dependiendo del punto en el que se aplicó la fuerza.
Este elemento del efecto de torque siempre se ha asociado y se considera más prominente en los aviones de tipo rueda de cola, y ocurre con mayor frecuencia cuando se levanta la cola durante el rollo de despegue. [Figure 4-42] Este cambio de actitud de tono tiene el mismo efecto que aplicar una fuerza a la parte superior del plano de rotación de las hélices. La fuerza resultante que actúa 90° por delante provoca un momento de guiñada hacia la izquierda alrededor del eje vertical. La magnitud de este momento depende de varias variables, una de las cuales es la abrupción con la que se levanta la cola (cantidad de fuerza aplicada). Sin embargo, la precesión, o acción giroscópica, ocurre cuando se aplica una fuerza a cualquier punto del borde del plano de rotación de las hélices; La fuerza resultante seguirá siendo de 90° desde el punto de aplicación en el sentido de rotación. Dependiendo de dónde se aplique la fuerza, se hace que el avión se guiña hacia la izquierda o hacia la derecha, que se lance hacia arriba o hacia abajo, o una combinación de cabeceo y guiñada.
Se puede decir que, como resultado de la acción giroscópica, cualquier guiñado alrededor del eje vertical da como resultado un momento de cabeceo, y cualquier cabeceo alrededor del eje lateral da como resultado un momento de guiñada. Para corregir el efecto de la acción giroscópica, es necesario que el piloto use correctamente el elevador y el timón para evitar el lanzamiento y el guiñado no deseados.
4.8.5 Carga asimétrica (factor P) #
Cuando un avión vuela con un AOA alto, la «mordida» de la hoja en movimiento hacia abajo es mayor que la «mordida» de la hoja en movimiento hacia arriba. Esto mueve el centro de empuje hacia la derecha del área del disco de apoyo, provocando un momento de guiñada hacia la izquierda alrededor del eje vertical. Para probar que esta explicación es compleja porque sería necesario trabajar los problemas del vector de viento en cada pala considerando tanto el AOA de la aeronave como el AOA de cada pala.
Esta carga asimétrica es causada por la velocidad resultante, que es generada por la combinación de la velocidad de la pala de la hélice en su plano de rotación y la velocidad del aire que pasa horizontalmente a través del disco de la hélice. Con la aeronave volando en AOAs positivas, la pala derecha (vista desde atrás) o descendente, pasa a través de un área de velocidad resultante que es mayor que la que afecta a la hoja izquierda o al oscilante. Dado que la pala de la hélice es un perfil aerodinámico, el aumento de la velocidad significa una mayor elevación. La cuchilla descendente tiene más elevación y tiende a tirar (guiñado) de la punta de la aeronave hacia la izquierda.
Cuando la aeronave está volando a un AOA alto, la hoja en movimiento hacia abajo tiene una velocidad resultante más alta, creando más elevación que la hoja en movimiento hacia arriba. [Figure 4-43] Esto podría ser más fácil de visualizar si el eje de la hélice se montó perpendicular al suelo (como un helicóptero). Si no hubiera movimiento de aire en absoluto, excepto el generado por el
La propia hélice, las secciones idénticas de cada pala tendrían la misma velocidad aerodinámica. Con el aire moviéndose horizontalmente a través de esta hélice montada verticalmente, la pala que avanza hacia el flujo de aire tiene una velocidad más alta que la pala que se retira con el flujo de aire. Por lo tanto, la hoja que avanza hacia el flujo de aire horizontal está creando más elevación, o empuje, moviendo el centro de empuje hacia esa hoja. Visualice la rotación del eje de la hélice montado verticalmente a ángulos menos profundos en relación con el aire en movimiento (como en un avión). Este empuje desequilibrado se vuelve proporcionalmente más pequeño y continúa cada vez más pequeño hasta que alcanza el valor de cero cuando el eje de la hélice es exactamente horizontal en relación con el aire en movimiento.
Los efectos de cada uno de estos cuatro elementos de par varían en valor con cambios en situaciones de vuelo. En una fase de vuelo, uno de estos elementos puede ser más prominente que otro. En otra fase de vuelo, otro elemento puede ser más prominente. La relación de estos valores entre sí varía según las diferentes aeronaves, dependiendo de las combinaciones de fuselaje, motor y hélice, así como otras características de diseño. Para mantener el control positivo de la aeronave en todas las condiciones de vuelo, el piloto debe aplicar los controles de vuelo según sea necesario para compensar estos valores variables.
