Un turbohélice es un motor de turbina que impulsa la hélice de una aeronave . [1]
Un turbohélice consta de una entrada , una caja de reducción , un compresor , una cámara de combustión , una turbina y una tobera de propulsión . [2] El aire entra en la entrada y es comprimido por el compresor. Luego se agrega combustible al aire comprimido en la cámara de combustión, donde la mezcla de combustible y aire se quema . Los gases de combustión calientes se expanden a través de las etapas de la turbina, generando energía en el punto de escape. Parte de la energía generada por la turbina se utiliza para impulsar el compresor y el generador eléctrico . Luego, los gases se expulsan de la turbina. A diferencia de un turborreactor o un turbofán , los gases de escape del motor no proporcionan suficiente energía para crear un empuje significativo, ya que casi toda la potencia del motor se utiliza para impulsar la hélice. [3]
En un turbohélice, el empuje de escape se sacrifica en favor de la potencia del eje, que se obtiene extrayendo potencia adicional (más allá de la necesaria para accionar el compresor) de la expansión de la turbina. Debido a la expansión adicional en el sistema de turbina, la energía residual en el chorro de escape es baja. [4] [5] [6] En consecuencia, el chorro de escape produce aproximadamente el 10% del empuje total. [7] Una mayor proporción del empuje proviene de la hélice a bajas velocidades y menos a velocidades más altas. [8]
Los turbohélices tienen relaciones de derivación de 50 a 100, [9] [10] aunque el flujo de aire de propulsión está menos claramente definido para las hélices que para los ventiladores. [11] [12]
La hélice está acoplada a la turbina a través de un engranaje reductor que convierte la salida de RPM altas /par bajo en RPM bajas/par alto. Puede ser de dos diseños principales, turbina libre y fijo. Un turboeje de turbina libre se encuentra en el Pratt & Whitney Canada PT6 , donde el generador de gas no está conectado a la hélice. Esto permite que se produzca un golpe de la hélice o un daño similar sin dañar el generador de gas y permite que solo se retire y reemplace la sección de potencia (turbina y caja de cambios) en tal caso, y también permite menos estrés en el arranque durante los arranques en tierra del motor. Mientras que un eje fijo tiene la caja de cambios y el generador de gas conectados, como en el Honeywell TPE331 .
La hélice en sí es normalmente un tipo de hélice de velocidad constante (paso variable) similar a la que se usa con los motores alternativos de aeronaves más grandes , excepto que los requisitos de control de la hélice son muy diferentes. [13] Debido a la respuesta lenta del motor de turbina a las entradas de potencia, particularmente a bajas velocidades, la hélice tiene un mayor rango de recorrido seleccionado para hacer cambios rápidos de empuje, en particular para el rodaje, la marcha atrás y otras operaciones en tierra. [14] La hélice tiene 2 modos, Alfa y Beta. Alfa es el modo para todas las operaciones de vuelo, incluido el despegue. Beta, un modo que generalmente consiste en un empuje de cero a negativo, se usa para todas las operaciones en tierra además del despegue. [14] El modo Beta se divide en 2 modos adicionales, Beta para rodaje y Beta más potencia. Beta para rodaje, como su nombre lo indica, se usa para operaciones de rodaje y consta de todos los rangos de paso desde el paso de rango alfa más bajo, hasta el paso cero, produciendo muy poco o cero empuje y generalmente se accede moviendo la palanca de potencia a un beta para el rango de rodaje. La potencia beta plus es un rango inverso y produce un empuje negativo, que se utiliza a menudo para aterrizar en pistas cortas donde la aeronave necesitaría reducir rápidamente la velocidad, así como para operaciones de marcha atrás, y se accede a ella moviendo la palanca de potencia por debajo de la beta para el rango de rodaje. [14] Debido a que el piloto no puede ver por la parte trasera de la aeronave para dar marcha atrás y a la cantidad de escombros que levanta la marcha atrás, los fabricantes a menudo limitan las velocidades a las que se puede utilizar la potencia beta plus y restringen su uso en pistas no mejoradas. [14] El emplumado de estas hélices se realiza mediante la palanca de control de la hélice. [14]
La hélice de velocidad constante se distingue de la hélice de velocidad constante del motor alternativo por el sistema de control. El sistema de turbohélice consta de 3 reguladores de hélice , un regulador, un regulador de sobrevelocidad y un regulador de llenado de combustible. [14] El regulador funciona de la misma manera que funciona un regulador de hélice de motor alternativo, aunque un regulador de turbohélice puede incorporar una válvula de control beta o una varilla de elevación beta para el funcionamiento beta y normalmente se encuentra en la posición de las 12 en punto. [14] También hay otros reguladores que se incluyen además según el modelo, como un regulador de sobrevelocidad y de llenado de combustible en un Pratt & Whitney Canada PT6 y un regulador de subvelocidad en un Honeywell TPE331 . [14] El turbohélice también se distingue de otros tipos de motor de turbina en que la unidad de control de combustible está conectada al regulador para ayudar a dictar la potencia.
Para que el motor sea más compacto, se puede utilizar un flujo de aire inverso. En un motor turbohélice de flujo inverso, la entrada del compresor se encuentra en la parte trasera del motor y el escape se sitúa en la parte delantera, lo que reduce la distancia entre la turbina y la hélice. [15]
A diferencia de los ventiladores de diámetro pequeño que se utilizan en los motores de turbofán , la hélice tiene un diámetro grande que le permite acelerar un gran volumen de aire. Esto permite una velocidad de corriente de aire más baja para una cantidad dada de empuje. Dado que es más eficiente a bajas velocidades acelerar una gran cantidad de aire en un grado pequeño que una pequeña cantidad de aire en un grado grande, [16] [17] una carga baja del disco (empuje por unidad de área del disco) aumenta la eficiencia energética de la aeronave , y esto reduce el uso de combustible. [18] [19]
Las hélices funcionan bien hasta que la velocidad de vuelo del avión es lo suficientemente alta como para que el flujo de aire que pasa por las puntas de las palas alcance la velocidad del sonido. Más allá de esa velocidad, la proporción de la potencia que impulsa la hélice que se convierte en empuje de la hélice cae drásticamente. Por esta razón, los motores de turbohélice no se utilizan comúnmente en aviones [4] [5] [6] que vuelan más rápido que 0,6-0,7 Mach , [7] con algunas excepciones como el Tupolev Tu-95 . Sin embargo, los motores propfan , que son muy similares a los motores de turbohélice, pueden volar a velocidades de vuelo cercanas a 0,75 Mach. Para mantener la eficiencia de la hélice en una amplia gama de velocidades aerodinámicas, los turbohélices utilizan hélices de velocidad constante (de paso variable). Las palas de una hélice de velocidad constante aumentan su paso a medida que aumenta la velocidad del avión. Otro beneficio de este tipo de hélice es que también se puede utilizar para generar empuje inverso para reducir la distancia de frenado en la pista. Además, en caso de fallo del motor, la hélice se puede poner en bandera , minimizando así la resistencia de la hélice que no funciona. [20]
Si bien la turbina de potencia puede estar integrada en la sección del generador de gas, muchos turbohélices actuales cuentan con una turbina de potencia libre en un eje coaxial separado. Esto permite que la hélice gire libremente, independientemente de la velocidad del compresor. [21]
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Alan Arnold Griffith había publicado un artículo sobre el diseño de compresores en 1926. Trabajos posteriores en el Royal Aircraft Establishment investigaron diseños basados en compresores axiales que impulsarían una hélice. A partir de 1929, Frank Whittle comenzó a trabajar en diseños basados en compresores centrífugos que utilizarían toda la potencia de gas producida por el motor para el empuje del jet. [22]
El primer turbohélice del mundo fue diseñado por el ingeniero mecánico húngaro György Jendrassik . [23] Jendrassik publicó una idea de turbohélice en 1928, y el 12 de marzo de 1929 patentó su invento. En 1938, construyó una turbina de gas experimental a pequeña escala (100 Hp; 74,6 kW). [24] El Jendrassik Cs-1 más grande , con una potencia prevista de 1.000 bhp, se produjo y probó en las Obras Ganz en Budapest entre 1937 y 1941. Era de diseño de flujo axial con 15 etapas de compresor y 7 de turbina, cámara de combustión anular. En su primera prueba en 1940, los problemas de combustión limitaron su potencia a 400 bhp. Dos Jendrassik Cs-1 fueron los motores del primer avión turbohélice del mundo: el Varga RMI-1 X/H . Se trataba de un cazabombardero húngaro de la Segunda Guerra Mundial , del que se completó un modelo, pero antes de su primer vuelo fue destruido en un bombardeo. [25] [26] En 1941, el motor fue abandonado debido a la guerra y la fábrica se convirtió en producción de motores convencionales.
La primera mención de los motores turbohélice en la prensa generalista fue en la edición de febrero de 1944 de la publicación de aviación británica Flight , que incluía un dibujo detallado de cómo podría ser un posible futuro motor turbohélice. El dibujo era muy parecido a cómo sería el futuro Rolls-Royce Trent. [27] El primer motor turbohélice británico fue el Rolls-Royce RB.50 Trent , un Derwent II reconvertido equipado con un engranaje reductor y una hélice Rotol de cinco palas de 2,41 m (7 pies 11 pulgadas). Se instalaron dos Trent en el Gloster Meteor EE227 , el único "Trent-Meteor", que se convirtió así en el primer avión propulsado por turbohélice del mundo en volar, aunque como banco de pruebas, no destinado a la producción. [28] [29] Voló por primera vez el 20 de septiembre de 1945. A partir de su experiencia con el Trent, Rolls-Royce desarrolló el Rolls-Royce Clyde , el primer motor turbohélice en recibir un certificado de tipo para uso militar y civil, [30] y el Dart , que se convirtió en uno de los motores turbohélice más fiables jamás construidos. La producción del Dart continuó durante más de cincuenta años. El Vickers Viscount con motor Dart fue el primer avión turbohélice de cualquier tipo en entrar en producción y se vendió en grandes cantidades. [31] También fue el primer turbohélice de cuatro motores. Su primer vuelo fue el 16 de julio de 1948. El primer avión turbohélice monomotor del mundo fue el Boulton Paul Balliol con motor Armstrong Siddeley Mamba , que voló por primera vez el 24 de marzo de 1948. [32]
La Unión Soviética se basó en el trabajo preliminar de diseño de turbohélice alemán de la Segunda Guerra Mundial realizado por Junkers Motorenwerke, mientras que BMW, Heinkel-Hirth y Daimler-Benz también trabajaron en diseños proyectados. [33] Si bien la Unión Soviética tenía la tecnología para crear la estructura de un bombardero estratégico a reacción comparable al B-52 Stratofortress de Boeing , en su lugar produjo el Tupolev Tu-95 Bear, propulsado por cuatro turbohélices Kuznetsov NK-12 , acoplados a ocho hélices contrarrotativas (dos por góndola) con velocidades de punta supersónicas para alcanzar velocidades de crucero máximas superiores a 575 mph, más rápido que muchos de los primeros aviones a reacción y comparable a las velocidades de crucero de los aviones a reacción para la mayoría de las misiones. El Bear serviría como su avión de combate y vigilancia de largo alcance más exitoso y símbolo de la proyección del poder soviético hasta fines del siglo XX. Estados Unidos utilizó motores turbohélice con hélices contrarrotativas, como el Allison T40 , en algunos aviones experimentales durante la década de 1950. El hidroavión Convair R3Y Tradewind con motor T40 fue operado por la Armada de los Estados Unidos durante un corto tiempo.
El primer motor turbohélice estadounidense fue el General Electric XT31 , utilizado por primera vez en el Consolidated Vultee XP-81 experimental . [34] El XP-81 voló por primera vez en diciembre de 1945, siendo el primer avión en utilizar una combinación de turbohélice y turborreactor . La tecnología del diseño anterior T38 de Allison evolucionó hasta convertirse en el Allison T56 , utilizado para propulsar el avión de pasajeros Lockheed Electra , su derivado de patrulla marítima militar, el P-3 Orion , y el avión de transporte militar C-130 Hercules .
El primer helicóptero propulsado por turbina y eje fue el Kaman K-225 , un desarrollo del sincróptero K-125 de Charles Kaman , que utilizó un motor turboeje Boeing T50 para impulsarlo el 11 de diciembre de 1951. [35]
En diciembre de 1963 se produjo la primera entrega del motor turbohélice PT6 de Pratt & Whitney Canada para el entonces Beechcraft 87, que pronto se convertiría en Beechcraft King Air . [36]
En 1964 se produjeron las primeras entregas del Garrett AiResearch TPE331 (ahora propiedad de Honeywell Aerospace ) en el Mitsubishi MU-2 , convirtiéndolo en el avión turbohélice más rápido de ese año. [37]
A diferencia de los turbofán , los turbohélices son más eficientes a velocidades de vuelo inferiores a 725 km/h (450 mph; 390 nudos) porque la velocidad del chorro de la hélice (y del escape) es relativamente baja. [ cita requerida ] Los aviones de pasajeros turbohélice modernos operan casi a la misma velocidad que los pequeños aviones de pasajeros regionales , pero queman dos tercios del combustible por pasajero. [38]
En comparación con los motores de pistón, su mayor relación potencia-peso (que permite despegues más cortos) y su fiabilidad pueden compensar su mayor coste inicial, mantenimiento y consumo de combustible. Como el combustible para aviones puede ser más fácil de conseguir que el gas de aviación en zonas remotas, los aviones con turbohélice como el Cessna Caravan y el Quest Kodiak se utilizan como aviones de monte .
Los motores turbohélice se utilizan generalmente en aviones subsónicos pequeños, pero el Tupolev Tu-114 puede alcanzar los 470 nudos (870 km/h; 540 mph). Los grandes aviones militares , como el Tupolev Tu-95 , y los aviones civiles , como el Lockheed L-188 Electra , también estaban propulsados por turbohélice. El Airbus A400M está propulsado por cuatro motores Europrop TP400 , que son los segundos motores turbohélice más potentes jamás fabricados, después del Kuznetsov NK-12 de 11 MW (15.000 hp) .
En 2017, los aviones turbohélice más extendidos en servicio fueron el ATR 42/72 (950 aviones), Bombardier Q400 (506), De Havilland Canada Dash 8 -100/200/300 (374), Beechcraft 1900 (328), de Havilland Canada DHC-6 Twin Otter (270), Saab 340 (225). [40] Los aviones de pasajeros menos extendidos y más antiguos incluyen el BAe Jetstream 31 , Embraer EMB 120 Brasilia , Fairchild Swearingen Metroliner , Dornier 328 , Saab 2000 , Xian MA60 , MA600 y MA700 , Fokker 27 y 50 .
Los aviones comerciales con turbohélice incluyen el Piper Meridian , el Socata TBM , el Pilatus PC-12 , el Piaggio P.180 Avanti , el Beechcraft King Air y el Super King Air . En abril de 2017, había 14.311 turbohélices comerciales en la flota mundial. [41]
Entre 2012 y 2016, la ATSB observó 417 incidentes con aeronaves turbohélice, 83 por año, durante 1,4 millones de horas de vuelo: 2,2 por cada 10 000 horas. Tres fueron de "alto riesgo" que implicaron mal funcionamiento del motor y aterrizaje no planificado en Cessna 208 Caravans monomotor , cuatro de "riesgo medio" y el 96 % de "riesgo bajo". Dos incidentes resultaron en lesiones menores debido a mal funcionamiento del motor y colisión con el terreno en aeronaves agrícolas y cinco accidentes involucraron trabajo aéreo: cuatro en agricultura y uno en una ambulancia aérea . [42]
Todos los aviones del mundo de Jane . 2005–2006.
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