Un turbohélice es un motor de turbina que impulsa la hélice de un avión . [1]
Un turbohélice consta de una admisión , una caja de cambios reductora , un compresor , una cámara de combustión , una turbina y una boquilla propulsora . [2] El aire ingresa a la admisión y es comprimido por el compresor. Luego se agrega combustible al aire comprimido en la cámara de combustión, donde luego se quema la mezcla de combustible y aire . 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 son expulsados de la turbina. A diferencia de un turborreactor o un turbofan , los gases de escape del motor no proporcionan suficiente potencia para generar un empuje significativo, ya que casi toda la potencia del motor se utiliza para impulsar la hélice. [3]
El empuje de escape en un turbohélice 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 altas velocidades. [8]
Los turbohélices tienen relaciones de derivación de 50 a 100, [9] [10] aunque el flujo de aire de propulsión está menos 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 altas RPM /bajo par en bajas RPM/alto par. Puede ser de dos diseños principales, de turbina libre y fijo. Un turboeje de turbina libre que 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 hélice o daños similares sin dañar el generador de gas y permitiendo que solo se retire y reemplace la sección de potencia (turbina y caja de cambios) en tal caso, y también permite una menor tensión en el arranque durante los arranques en tierra del motor. . Mientras que un eje fijo tiene conectados la caja de cambios y el generador de gas, 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 motores alternativos de aviones más grandes , excepto que los requisitos de control de la hélice son muy diferentes. [13] Debido a la lenta respuesta del motor de turbina a las entradas de energía, particularmente a bajas velocidades, la hélice tiene un mayor rango de recorrido seleccionado para realizar cambios rápidos de empuje, especialmente para rodaje, marcha atrás y otras operaciones terrestres. [14] La hélice tiene 2 modos, Alfa y Beta. Alpha es el modo para todas las operaciones de vuelo, incluido el despegue. Beta, un modo que normalmente consiste en un empuje de cero a negativo, se utiliza para todas las operaciones en tierra excepto el despegue. [14] El modo Beta se divide a su vez en 2 modos adicionales, Beta para taxi y Beta plus power. Beta para taxi, como su nombre lo indica, se utiliza para operaciones de taxi y consta de todos los rangos de paso desde el rango alfa más bajo, hasta el paso cero, produciendo muy poco empuje hasta cero y generalmente se accede moviendo la palanca de potencia a una beta para rango de taxi. La potencia Beta plus es un rango inverso y produce empuje negativo, a menudo se usa para aterrizar en pistas cortas donde la aeronave necesitaría reducir la velocidad rápidamente, así como para operaciones de retroceso y se accede moviendo la palanca de potencia debajo de la beta para el rango de rodaje. [14] Debido a que el piloto no puede ver fuera de la parte trasera de la aeronave al retroceder y la cantidad de escombros que se levanta en reversa, los fabricantes a menudo limitan las velocidades que se pueden usar con potencia beta plus y restringen su uso en pistas no mejoradas. [14] El abanderamiento 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 turbohélice consta de 3 gobernadores de hélice , un gobernador, un regulador de sobrevelocidad y un gobernador de límite de combustible. [14] El gobernador funciona de la misma manera que funciona un gobernador de hélice de motor alternativo, aunque un gobernador de turbohélice puede incorporar una válvula de control beta o una varilla de elevación beta para la operación beta y generalmente está ubicado en la posición de las 12 en punto. [14] También hay otros gobernadores que se incluyen además según el modelo, como un gobernador de exceso de velocidad y límite de combustible en un Pratt & Whitney Canada PT6 , y un gobernador de baja velocidad en un Honeywell TPE331 . [14] El turbohélice también se distingue de otros tipos de motores de turbina en que la unidad de control de combustible está conectada al gobernador para ayudar a dictar la potencia.
Para hacer el motor más compacto, se puede utilizar el flujo de aire inverso. En un motor turbohélice de flujo inverso, la entrada del compresor está en la parte trasera del motor y el escape está situado hacia adelante, lo que reduce la distancia entre la turbina y la hélice. [15]
A diferencia de los ventiladores de pequeño diámetro utilizados en los motores turbofan , 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 determinada 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 capacidad del avión. eficiencia energética , 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 hélice cae dramáticamente. Por esta razón, los motores 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 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, los turbohélices utilizan hélices de velocidad constante (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 parada en la pista. Además, en caso de falla del motor, la hélice se puede abanderar , minimizando así la resistencia de la hélice que no funciona. [20]
Si bien la turbina de potencia puede ser integral con la sección del generador de gas, hoy en día muchos turbohélices 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. El trabajo posterior en el Royal Aircraft Establishment investigó 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 del 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 CV, fue producido y probado en Ganz Works en Budapest entre 1937 y 1941. Tenía un diseño de flujo axial con 15 compresores y 7 etapas de turbina, combustión anular. cámara. Ejecutado por primera vez en 1940, los problemas de combustión limitaron su potencia a 400 CV. 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 a la producción de motores convencionales.
La primera mención de los motores turbohélice en la prensa pública en general fue en la edición de febrero de 1944 de la publicación de aviación británica Flight , que incluía un dibujo en corte detallado de cómo podría ser un posible futuro motor turbohélice. El dibujo se acercaba mucho 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 engranaje reductor y una hélice de cinco palas Rotol de 7 pies 11 pulgadas (2,41 m). 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 y 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 de dardos continuó durante más de cincuenta años. El Vickers Viscount propulsado por Dart fue el primer avión turbohélice de cualquier tipo que entró 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 , propulsado por Armstrong Siddeley Mamba , que voló por primera vez el 24 de marzo de 1948. [32]
La Unión Soviética se basó en el trabajo de diseño preliminar 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 del avión para 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 punta supersónicas para alcanzar velocidades de crucero máximas superiores a 575 mph, más rápidas que muchos de los primeros aviones a reacción y comparables a las velocidades de crucero a reacción para la mayoría de las misiones. El Bear sería su avión de vigilancia y combate de largo alcance de mayor éxito y símbolo de la proyección del poder soviético a lo largo del final 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 Marina de los EE. UU. durante un breve período.
El primer motor turbohélice estadounidense fue el General Electric XT31 , utilizado por primera vez en el experimental Consolidated Vultee XP-81 . [34] El XP-81 voló por primera vez en diciembre de 1945, el primer avión que utilizó una combinación de turbohélice y turborreactor . La tecnología del diseño anterior del 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 propulsarlo el 11 de diciembre de 1951. [35]
En diciembre de 1963 se produjo la primera entrega del motor turbohélice Pt6 de Pratt & Whitney Canadá para el entonces Beechcraft 87, que pronto se convertiría en Beechcraft King Air . [36]
1964 vio 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 turbofan , 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 necesaria ] Los aviones turbohélice modernos operan casi a la misma velocidad que los pequeños aviones 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 confiabilidad pueden compensar su mayor costo inicial, mantenimiento y consumo de combustible. Como el combustible para aviones puede ser más fácil de obtener que el avgas en áreas remotas, los aviones propulsados por turbohélice como el Cessna Caravan y el Quest Kodiak se utilizan como aviones de caza .
Los motores turbohélice se utilizan generalmente en pequeños aviones subsónicos, pero el Tupolev Tu-114 puede alcanzar 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 eran propulsados por turbohélice. El Airbus A400M está propulsado por cuatro motores Europrop TP400 , que son los segundos motores turbohélice más potentes jamás producidos, después del Kuznetsov NK-12 de 11 MW (15.000 hp) .
En 2017, los aviones de pasajeros con turbohélice en servicio más extendidos fueron el ATR 42 / 72 (950 aviones), Bombardier Q400 (506), De Havilland Canada Dash 8 -100/200/300 (374), Beechcraft 1900 (328), de Havilland Canadá 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 turbohélice incluyen Piper Meridian , Socata TBM , Pilatus PC-12 , Piaggio P.180 Avanti , Beechcraft King Air y 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 sucesos con aviones turbohélice, 83 por año, en 1,4 millones de horas de vuelo: 2,2 por 10.000 horas. Tres eran de "alto riesgo" por mal funcionamiento del motor y aterrizaje no planificado en Cessna 208 Caravans monomotor , cuatro de "riesgo medio" y el 96% de "riesgo bajo". Dos accidentes provocaron lesiones leves por mal funcionamiento del motor y colisión con el terreno en aviones agrícolas y cinco accidentes involucraron trabajos aéreos: cuatro en agricultura y uno en una ambulancia aérea . [42]
Todos los aviones del mundo de Jane . 2005-2006.
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