Fundamentos de las hélices de los aviones

9 de julio de 2020

El propósito de la hélice es proporcionar un método de propulsión para que la aeronave pueda avanzar por el aire. La hélice propiamente dicha consta de dos o más palas conectadas entre sí por un cubo central que une las palas al eje del motor. Las palas de la hélice tienen una forma muy parecida a la de las alas de un avión, y utilizando la potencia de rotación de un motor, las palas de la hélice producen sustentación (esta sustentación se denomina empuje) que hace avanzar al avión.

Cómo funcionan las hélices

Los fundamentos del funcionamiento de las hélices están relacionados con las teorías físicas del movimiento desarrolladas hace más de doscientos años por Sir Isaac Newton. Más concretamente, su tercera ley, es decir, que para cada acción hay una reacción igual y opuesta (Sir Isaac Newton, 1687).

Teniendo en cuenta esta teoría, la hélice de un avión se utiliza para transformar la potencia de rotación de un motor en empuje hacia delante. La hélice funciona desplazando el aire que arrastra detrás de sí (la acción), este movimiento de aire hace que el avión sea empujado hacia delante por la diferencia de presión resultante (la reacción opuesta). Cuanto más aire se arrastre detrás de la hélice, mayor será el empuje o la propulsión hacia delante.

Las hélices pueden estar formadas por una sola pala o por seis o más palas, de acuerdo con las necesidades de eficiencia de las distintas aeronaves. Los requisitos de rendimiento de la aeronave y la potencia del motor son los principales factores que determinan el número de palas de la hélice. A medida que aumenta la potencia del motor, se necesitan más palas para aprovechar eficazmente el aumento de potencia. El ángulo de las palas de una hélice y su tamaño y forma generales (junto con la potencia del motor) afectan a la cantidad de empuje generada.

Teoría de la hélice – Fuerzas que actúan sobre una hélice

Las palas de la hélice están construidas de forma similar a las de un ala, por lo que están sujetas a algunas de las mismas fuerzas aerodinámicas, como la resistencia y la sustentación (en el caso de las alas se trata de la sustentación, mientras que en la hélice se denomina empuje). La diferencia es que una hélice tiene las fuerzas adicionales de la velocidad de rotación y el impulso que actúa hacia adelante.

• Fuerzas centrífugas. La fuerza centrífuga es la fuerza que experimentan las palas de la hélice cuando giran a velocidad. Esta fuerza las aleja efectivamente de la aeronave.
• Torsión centrífuga y aerodinámica. Cualquier objeto asimétrico que gira genera una fuerza centrífuga de torsión, la hélice no es diferente con la fuerza de su acción de giro que tuerce las palas a un paso fino.
• Vibración. La vibración de las palas de la hélice es causada por la perturbación es la aerodinámica de la hélice a su paso por el aire, y cerca de las alas y el fuselaje, así como las variaciones del motor.
• Torque Bending. Las fuerzas de flexión de par son la resistencia natural del aire que produce resistencia contra las palas al girar y la propensión resultante de las palas de la hélice a querer doblarse en la dirección opuesta a la rotación.
• Flexión de empuje. La fuerza de la hélice que empuja el aire hacia atrás se llama empuje, esto pone las palas de la hélice bajo presión y dobla las palas hacia adelante.

Diseño de las hélices de los aviones

La ingeniería básica en la que se basa el funcionamiento de las palas de las hélices no ha cambiado mucho a lo largo de los años, sin embargo, ha habido una serie de modificaciones significativas en los materiales utilizados para construir las hélices y modificaciones en su uso en consonancia con las ganancias en la potencia de los motores y la tecnología que ha llevado a una mayor eficiencia.

• Palas de madera. La madera era el principal material utilizado para fabricar hélices para aviones antes de la Segunda Guerra Mundial. En la actualidad, sólo suelen verse en aviones de aficionados o de época, en consonancia con la época de la restauración. El proceso de construcción de las hélices de madera consiste en varias capas (5-9) de madera pegadas entre sí para hacerlas más fuertes, más resistentes y menos propensas a deformarse. Los tipos de madera más utilizados son el abedul amarillo, el cerezo negro, el arce de azúcar y el nogal negro
• Palas de aleación de aluminio. La introducción de motores de avión más potentes ha hecho que el uso de hélices de madera quede prácticamente obsoleto en los aviones más grandes. Las palas de aleación de aluminio son más resistentes, más ligeras y más fáciles de reparar, además de tener una mayor velocidad de rotación, lo que las convierte en una opción más popular.
• Palas de material compuesto. Las palas de las hélices de material compuesto están hechas de fibra de carbono y ofrecen un peso reducido, menos ruido y menos vibraciones, además de ser más duraderas y fáciles de reparar que otros tipos de hélices.

Tipos de hélices para aviones

Hay tres tipos básicos de hélices para aviones, cada uno con sus propias variaciones: la hélice de paso fijo, la hélice de velocidad constante o la hélice ajustable en el suelo.

• Hélice de paso fijo. Estas hélices se fabrican con el ángulo (paso) incorporado en la hélice, no se puede cambiar. Están diseñadas para un funcionamiento óptimo en condiciones óptimas, lo que significa que el rendimiento de la aeronave se verá afectado en condiciones variables. Las hélices de paso fijo se ven a menudo en aviones monomotores que vuelan a bajas velocidades, con alcance o altitud limitados.
• Hélices de velocidad constante. A veces denominadas hélices de paso controlable, estas hélices están diseñadas con un paso (ángulo) variable que puede modificarse en vuelo mientras la hélice está girando. Esto significa que la hélice puede ajustarse durante el vuelo para adaptarse mejor a las condiciones cambiantes.
• Hélices ajustables en tierra. Como su nombre indica, estas hélices sólo pueden ajustarse en tierra cuando la hélice no está en uso. El ángulo o el paso de la pala se modifica manualmente, estas hélices no se ven a menudo en las aeronaves modernas de hoy en día.

Básicos de las hélices

Aunque ha habido muchos ajustes en el diseño de las hélices durante el último siglo, los fundamentos de esta parte relativamente simple de una aeronave permanecen en gran medida sin cambios. Estos son los términos básicos asociados al funcionamiento de las hélices de los aviones.

• Línea de cuerda. La línea de cuerda de una hélice es una línea imaginaria trazada a través del centro de la pala desde su borde de ataque (en el buje) hasta su borde de salida (punta).
• Paso. Las palas de una hélice no son rectas, sino que tienen un ángulo similar al de un tornillo. El paso es una medida de la distancia que la hélice puede avanzar en una revolución. El paso se utiliza para controlar la velocidad del aire que sale por la parte trasera de la hélice. El paso de una hélice cambia a medida que se desplaza por su superficie de un extremo a otro. Es más pronunciado o corto en el buje central y más superficial en el extremo exterior. El paso se calcula mediante la fórmula: paso = 2,36 diámetro altura/anchura.
• Ángulo de la pala. Es el ángulo entre la línea de cuerda y el plano de rotación y se mide (en grados) en un punto específico de la longitud de la pala. Aunque los términos paso y ángulo se utilizan a menudo indistintamente, el paso no es técnicamente el ángulo de la pala de la hélice. Sin embargo, el paso está determinado en gran medida por el ángulo de la pala, por lo que los dos términos suelen utilizarse indistintamente. Un aumento o disminución de uno de ellos suele ir asociado a un aumento o disminución del otro.
• Ángulo de ataque. Se define como el ángulo con el que el aire incide en la pala de la hélice. En términos sencillos, el ángulo de ataque puede describirse como la diferencia entre el lugar al que apunta un ala y el lugar al que se dirige. El aumento del ángulo de ataque produce un incremento tanto de la sustentación como de la resistencia inducida, hasta el punto de entrar en pérdida. El giro de una pala de hélice se utiliza para mantener un ángulo de ataque más constante a lo largo de la longitud de la pala para contrarrestar las diferencias de velocidad de la pala en el buje y en la punta de la hélice.

Para obtener más información sobre las fuerzas aerodinámicas durante el vuelo, aprender a volar en Nueva Zelanda, los efectos del viento en un avión o muchos otros temas relacionados con el vuelo, consulte el blog Southern Wings.