En aeronáutica , una hélice de paso variable es un tipo de hélice (tornillo de aire) con palas que pueden girar alrededor de su eje mayor para cambiar el paso de las palas . Una hélice de paso controlable es aquella en la que el piloto controla manualmente el paso. Alternativamente, una hélice de velocidad constante es aquella en la que el piloto establece la velocidad deseada del motor ( RPM ) y el paso de las palas se controla automáticamente sin la intervención del piloto para que la velocidad de rotación permanezca constante. El dispositivo que controla el paso de la hélice y, por tanto, la velocidad se denomina regulador de hélice o unidad de velocidad constante .
Las hélices reversibles son aquellas en las que el paso se puede ajustar a valores negativos. Esto crea un empuje inverso para frenar o retroceder sin la necesidad de cambiar la dirección de revolución del eje.
Algunos aviones tienen hélices ajustables desde tierra , sin embargo, no se consideran de paso variable. Por lo general, estos se encuentran sólo en aviones ligeros y ultraligeros .
Cuando una aeronave está parada con la hélice girando (en aire en calma), el vector de viento relativo para cada pala de la hélice es lateral. Sin embargo, a medida que el avión comienza a avanzar, el vector de viento relativo viene cada vez más desde el frente. El paso de las palas de la hélice debe aumentarse para mantener un ángulo de ataque óptimo con respecto al viento relativo.
Las primeras hélices eran de paso fijo, pero estas hélices no son eficientes en una variedad de condiciones. Si el ángulo de la pala de la hélice se ajusta para proporcionar un buen rendimiento de despegue y ascenso, la hélice será ineficiente en vuelo de crucero porque la pala tendrá un ángulo de ataque demasiado bajo. Por el contrario, una hélice preparada para un buen rendimiento de crucero puede detenerse a bajas velocidades porque el ángulo de ataque es demasiado alto.
Una hélice con ángulo de pala ajustable es más eficiente en una variedad de condiciones. Una hélice con paso variable puede tener una eficiencia casi constante en una variedad de velocidades. [1]
Un ángulo de ataque menor requiere el menor torque, pero las RPM más altas , porque la hélice no mueve mucho aire en cada revolución. Esto es similar a un automóvil que funciona en marcha baja . Cuando el automovilista alcanza la velocidad de crucero, reducirá la velocidad del motor cambiando a una marcha más alta, sin dejar de producir suficiente potencia para mantener el vehículo en movimiento. Esto se logra en un avión aumentando el ángulo de ataque de la hélice. Esto significa que la hélice mueve más aire por revolución y permite que el motor gire más lento mientras mueve un volumen equivalente de aire, manteniendo así la velocidad.
Otro uso de las hélices de paso variable es hacer flamear las palas de la hélice para reducir la resistencia. Esto significa girar las palas para que sus bordes de ataque miren directamente hacia adelante. En una aeronave multimotor, si un motor falla, se puede alinear para reducir la resistencia y que la aeronave pueda continuar volando usando los otros motores. En un avión monomotor, si el motor falla, alinear la hélice reducirá la resistencia y aumentará la distancia de planeo, brindando al piloto más opciones para la ubicación de un aterrizaje forzoso .
Se utilizan tres métodos para variar el paso: presión de aceite, pesas centrífugas o control electromecánico.
La presión del aceite del motor es el mecanismo habitual utilizado en los aviones comerciales de hélice y en los motores Continental y Lycoming instalados en los aviones ligeros. En aviones sin unidad de velocidad constante (CSU), el piloto controla el paso de las palas de la hélice manualmente, utilizando presión de aceite.
Alternativamente, o adicionalmente, se pueden unir pesos centrífugos directamente a la hélice como en el Yakovlev Yak-52 . Los primeros intentos de hélices de velocidad constante se denominaron hélices de contrapeso, que eran impulsadas por mecanismos que funcionaban con fuerza centrífuga . Su funcionamiento es idéntico al gobernador centrífugo utilizado por James Watt para limitar la velocidad de las máquinas de vapor . Se colocaron pesas excéntricas cerca o dentro de la ruleta, sostenidas por un resorte. Cuando la hélice alcanzaba determinadas RPM, la fuerza centrífuga hacía que los pesos oscilaran hacia afuera, lo que accionaba un mecanismo que giraba la hélice a un paso más pronunciado. Cuando la hélice desaceleraba, las RPM disminuirían lo suficiente como para que el resorte empujara los pesos hacia adentro, realineando la hélice al paso menos profundo.
Los motores pequeños y modernos con una unidad de velocidad constante (CSU), como el Rotax 912 , pueden utilizar el método hidráulico convencional o un mecanismo de control de paso eléctrico.
El funcionamiento hidráulico puede resultar demasiado caro y voluminoso para los ultraligeros . En su lugar, estos pueden utilizar hélices que se activan mecánica o eléctricamente.
Una hélice de velocidad constante es una hélice de paso variable que cambia automáticamente el paso de sus palas para mantener una velocidad de rotación elegida, independientemente de las condiciones operativas de la aeronave. Esto se logra mediante el uso de una unidad de velocidad constante (CSU) o regulador de hélice , que cambia automáticamente el paso de las palas de la hélice .
La mayoría de los motores producen su potencia máxima en una banda de velocidades estrecha. La CSU permite que el motor funcione en su rango de velocidades de rotación más económico , independientemente de si la aeronave está despegando o navegando. Se puede decir que la CSU es para un avión lo que la transmisión continuamente variable es para un automóvil: el motor puede mantenerse funcionando a su velocidad óptima, independientemente de la velocidad a la que el avión vuela en el aire. La CSU también permite a los diseñadores de motores de aviones mantener el sistema de encendido simple: el avance automático de la chispa que se observa en los motores de vehículos de motor se simplifica, porque los motores de los aviones funcionan a unas RPM aproximadamente constantes.
Prácticamente todos los aviones propulsados por hélices de alto rendimiento tienen hélices de velocidad constante, ya que mejoran enormemente la eficiencia del combustible y el rendimiento, especialmente a gran altitud.
Los primeros intentos de hélices de velocidad constante se denominaron hélices de contrapeso, que eran impulsadas por mecanismos que funcionaban con fuerza centrífuga . Su funcionamiento es idéntico al gobernador centrífugo utilizado por James Watt para controlar la velocidad de las máquinas de vapor . Se colocaron pesas excéntricas cerca o dentro de la ruleta, sostenidas por un resorte. Cuando la hélice alcanzaba determinadas RPM, la fuerza centrífuga hacía que los pesos oscilaran hacia afuera, lo que accionaba un mecanismo que giraba la hélice a un paso más pronunciado. Cuando la hélice desaceleraba, las RPM disminuirían lo suficiente como para que el resorte empujara los pesos hacia adentro, realineando la hélice al paso menos profundo.
La mayoría de las CSU utilizan presión de aceite para controlar el paso de la hélice. Normalmente, las unidades de velocidad constante en un avión monomotor utilizan presión de aceite para aumentar el cabeceo. Si la CSU falla, la hélice volverá automáticamente al paso fino, lo que permitirá operar la aeronave a velocidades más bajas. Por el contrario, en un avión multimotor, la CSU normalmente utilizará presión de aceite para disminuir el cabeceo. De esa manera, si la CSU falla, la hélice se alineará automáticamente, reduciendo la resistencia, mientras la aeronave continúa volando con el motor en buen estado. [2] Un " acumulador desenganchado " permitirá que dicha hélice vuelva al paso fino para reiniciar el motor en vuelo.
La operación en un avión alternativo de un solo motor es la siguiente: el gobernador bombea aceite del motor a través del eje de la hélice para empujar un pistón que impulsa el mecanismo para cambiar el paso. El flujo de aceite y el paso están controlados por un regulador, que consta de un resorte acelerador de bomba de engranajes , contrapesos y una válvula piloto . La bomba de engranajes toma la presión del aceite del motor y la eleva a una presión más alta que a su vez es controlada dentro y fuera del cubo de la hélice por la válvula piloto, que está conectada a los contrapesos, y un resorte sembrador que presiona contra los contrapesos. La tensión del resorte la establece la palanca de control de la hélice, que establece las RPM. El gobernador mantendrá ese ajuste de RPM hasta que exista una condición de exceso o baja velocidad del motor. Cuando ocurre una condición de exceso de velocidad, la hélice comienza a girar más rápido que el ajuste de RPM deseado. Esto ocurriría a medida que el avión desciende y aumenta la velocidad del aire. Los contrapesos comienzan a tirar hacia afuera debido a la fuerza centrífuga que comprime aún más el resorte del acelerador, que a su vez envía aceite al cubo de regreso al motor, disminuyendo las rpm del motor y aumentando el paso. Cuando ocurre una condición de baja velocidad, como una subida con pérdida de velocidad. velocidad del aire, ocurre lo contrario. La velocidad del aire disminuye, lo que hace que la hélice disminuya la velocidad. Esto hará que los contrapesos se muevan hacia adentro debido a la falta de fuerza centrífuga, y la tensión se liberará del resorte del acelerador, sacando aceite del cubo de la hélice, disminuyendo el paso y aumentando las rpm. Este proceso suele tener lugar con frecuencia durante el vuelo.
Un piloto requiere capacitación adicional y, en la mayoría de las jurisdicciones, una aprobación formal antes de que se le permita volar una aeronave equipada con una CSU. No se permite instalar CSU en aeronaves certificadas según las regulaciones de aeronaves deportivas ligeras en los Estados Unidos.
Varios de los primeros pioneros de la aviación, incluidos AV Roe y Louis Breguet , utilizaron hélices que podían ajustarse mientras el avión estaba en tierra . [3] Este también fue el caso durante la Primera Guerra Mundial con un ejemplo de banco de pruebas, "R.30/16" , del bombardero pesado cuatrimotor alemán Zeppelin-Staaken R.VI. [4]
En 1919, LE Baynes patentó la primera hélice automática de paso variable. A Wallace Rupert Turnbull de Saint John, New Brunswick, Canadá se le atribuye en Canadá la creación de la primera hélice de paso variable en 1918. [5]
La firma aeronáutica francesa Levasseur exhibió una hélice de paso variable en el Salón Aeronáutico de París de 1921 . La empresa afirmó que el gobierno francés había probado el dispositivo durante diez horas y que podía cambiar el paso a cualquier RPM del motor. [6]
El Dr. Henry Selby Hele-Shaw y TE Beacham patentaron una hélice de paso variable accionada hidráulicamente (basada en una bomba de carrera variable) en 1924 y presentaron un artículo sobre el tema ante la Royal Aeronautical Society en 1928; fue recibido con escepticismo en cuanto a su utilidad. [7] La hélice había sido desarrollada con Gloster Aircraft Company como hélice de paso variable Gloster Hele-Shaw Beacham y se demostró en un Gloster Grebe , donde se utilizó para mantener unas RPM casi constantes. [8]
¿ Quién introdujo la primera hélice práctica de paso controlable para aviones ? ] en 1932. [9] La firma francesa Ratier produjo hélices de paso variable de varios diseños a partir de 1928, basándose en una rampa helicoidal especial con rodamiento de bolas en la raíz de las palas para facilitar su operación. La patente de Walter S. Hoover para una hélice de paso variable se presentó en la Oficina de Patentes de Estados Unidos en 1934.
Se probaron varios diseños, incluida una pequeña vejiga de aire presurizado en el cubo de la hélice que proporcionaba la fuerza necesaria para resistir un resorte que impulsaría las palas desde un paso fino (despegue) hasta un paso grueso (crucero nivelado). A una velocidad adecuada, un disco en la parte delantera del rotor presionaría lo suficiente la válvula de liberación de aire de la vejiga para aliviar la presión y permitir que el resorte impulsara la hélice a un paso grueso. Estas hélices "neumáticas" se instalaron en el avión de Havilland DH.88 Comet , ganador de la famosa carrera aérea MacRobertson de 1934 de larga distancia y en el Caudron C.460 ganador de las carreras aéreas nacionales de 1936 , pilotado por Michel Détroyat . El uso de estas hélices neumáticas requería preestablecer la hélice en un paso fino antes del despegue. Esto se hacía presurizando la vejiga con una bomba de bicicleta, de ahí el caprichoso apodo de Gonfleurs d'hélices (muchachos infladores de hélices) que se les da a los mecánicos de tierra de los aviones en Francia hasta el día de hoy. [10]
Una hélice hidráulica Gloster Hele-Shaw se mostró en la Exposición Aeronáutica Internacional de 1929 en Olimpia. El estadounidense Tom Hamilton, de Hamilton Aero Manufacturing Company, lo vio y, al regresar a casa, lo patentó allí. [11] Como división Hamilton Standard de la United Aircraft Company , el ingeniero Frank W. Caldwell desarrolló un diseño hidráulico que condujo a la concesión del Trofeo Collier de 1933. [12] Posteriormente , de Havilland compró los derechos para producir hélices Hamilton. en el Reino Unido, mientras que Rolls-Royce y Bristol Engines formaron la empresa británica Rotol en 1937 para producir sus propios diseños. La empresa francesa Pierre Levasseur y Smith Engineering Co. en Estados Unidos también desarrollaron hélices de paso controlable. Wiley Post (1898-1935) utilizó hélices Smith en algunos de sus vuelos.
Wallace Turnbull desarrolló otro mecanismo operado eléctricamente y perfeccionado por Curtiss-Wright Corporation . [13] Esto se probó por primera vez el 6 de junio de 1927 en Camp Borden, Ontario, Canadá y recibió una patente en 1929 ( patente estadounidense 1.828.348 ). Algunos pilotos en la Segunda Guerra Mundial (1939-1945) lo favorecieron, porque incluso cuando el motor ya no estaba en marcha, la hélice podía aletearse . En las hélices operadas hidráulicamente, el abanderamiento tenía que ocurrir antes de la pérdida de presión hidráulica en el motor, a menos que se instalara una bomba de abanderamiento operada eléctricamente para proporcionar la presión de aceite necesaria para abanderar la hélice.