Hélice de paso variable (aeronáutica)

En aeronáutica, una hélice de paso variable es un tipo de hélice (hélice de aire) con palas que pueden rotar alrededor de su eje longitudinal para cambiar el paso de las palas. Una hélice de paso variable es aquella en la que el piloto controla manualmente el paso. Por otra parte, 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, de modo que la velocidad de rotación permanece constante. El dispositivo que controla el paso de la hélice y, por lo 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 configurar en valores negativos. Esto crea un empuje inverso para frenar o ir hacia atrás sin necesidad de cambiar el sentido de giro del eje.

Si bien algunas aeronaves tienen hélices ajustables desde el suelo, estas no se consideran de paso variable. Por lo general, se encuentran solo en aeronaves ligeras y ultraligeros.

Propósito

Cuando un avión está estacionado con la hélice girando (en aire tranquilo), el vector de viento relativo para cada hoja de hélice es del lado. Sin embargo, a medida que el avión comienza a avanzar, el vector de viento relativo viene cada vez más desde el frente. La hoja de hélice debe aumentarse para mantener un ángulo óptimo de ataque al viento relativo.

Las primeras hélices eran de paso fijo, pero no son eficientes en una amplia gama de condiciones. Si el ángulo de las palas de la hélice está configurado para ofrecer un buen rendimiento en el despegue y el ascenso, la hélice será ineficiente en vuelo de crucero porque las palas tendrán un ángulo de ataque demasiado bajo. Por el contrario, una hélice configurada para un buen rendimiento en vuelo de crucero puede entrar en pérdida a bajas velocidades, porque el ángulo de ataque es demasiado alto.

Una hélice con un 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 aerodinámicas.

Un ángulo de ataque más bajo requiere un par menor, pero las RPM más altas, porque la hélice no mueve mucho aire con cada revolución. Esto es similar a un automóvil que funciona en una marcha baja. Cuando el conductor alcanza la velocidad de crucero, reducirá la velocidad del motor cambiando a una marcha más alta, mientras sigue produciendo 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 lentamente mientras mueve un volumen de aire equivalente, manteniendo así la velocidad.

Otro uso de las hélices de paso variable es poner las palas en bandera para reducir la resistencia. Esto significa girar las palas de modo que sus bordes de ataque apunten directamente hacia adelante. En un avión multimotor, si falla un motor, se puede poner en bandera para reducir la resistencia y que el avión pueda seguir volando utilizando el otro motor. En un avión monomotor, si falla el motor, poner la hélice en bandera reducirá la resistencia y aumentará la distancia de planeo, lo que le dará al piloto más opciones para la ubicación de un aterrizaje forzoso.

Mecanismos

Se utilizan tres métodos para variar el paso: presión de aceite, pesos centrífugos o control electromecánico.

La presión del aceite del motor es el mecanismo habitual que se utiliza en los aviones comerciales de hélice y en los motores Continental y Lycoming que se montan en los aviones ligeros. En los aviones sin unidad de velocidad constante (CSU), el piloto controla el paso de las palas de la hélice manualmente, utilizando la presión del aceite.

Alternativamente, o adicionalmente, se pueden colocar pesos centrífugos directamente en la hélice, como en el Yakovlev Yak-52. Los primeros intentos de construir hélices de velocidad constante se denominaron hélices de contrapeso, que funcionaban mediante mecanismos que funcionaban con fuerza centrífuga. Su funcionamiento es idéntico al regulador centrífugo utilizado por James Watt para limitar la velocidad de las máquinas de vapor. Se colocaban pesos excéntricos cerca o dentro del cono, sujetos por un resorte. Cuando la hélice alcanzaba ciertas RPM, la fuerza centrífuga hacía que los pesos oscilaran hacia afuera, lo que impulsaba un mecanismo que giraba la hélice para que tuviera un paso más pronunciado. Cuando la hélice se desaceleraba, las RPM disminuían lo suficiente para que el resorte empujara los pesos hacia adentro, realineando la hélice al paso más suave.

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 costoso y voluminoso para los ultraligeros. En su lugar, estos pueden utilizar hélices que se activan mecánica o eléctricamente.

Hélices de velocidad constante

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 un regulador de hélice, que cambia automáticamente el paso de las palas de la hélice.

La mayoría de los motores producen su máxima potencia en una banda de velocidad estrecha. La CSU permite que el motor funcione en su rango más económico de velocidades de rotación, independientemente de si el avión está despegando o volando. 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 esté volando por el aire. La CSU también permite a los diseñadores de motores de aeronaves mantener simple el sistema de encendido: el avance automático de la chispa que se ve en los motores de los vehículos de motor se simplifica, porque los motores de las aeronaves funcionan a unas RPM aproximadamente constantes.

Prácticamente todos los aviones de alto rendimiento propulsados por hélice tienen hélices de velocidad constante, ya que mejoran enormemente el rendimiento y la eficiencia del combustible, especialmente a gran altitud.

Los primeros intentos de fabricar hélices de velocidad constante se denominaron hélices de contrapeso y funcionaban mediante mecanismos que funcionaban con fuerza centrífuga. Su funcionamiento es idéntico al regulador centrífugo utilizado por James Watt para controlar la velocidad de las máquinas de vapor. Se colocaban pesos excéntricos cerca o dentro del cono, sujetos por un resorte. Cuando la hélice alcanzaba un determinado número de revoluciones por minuto (RPM), la fuerza centrífuga hacía que los pesos oscilaran hacia afuera, lo que impulsaba un mecanismo que giraba la hélice hasta un paso más pronunciado. Cuando la hélice se desaceleraba, las RPM disminuían lo suficiente para que el resorte empujara los pesos hacia adentro, realineando la hélice al paso más suave.

La mayoría de las unidades de control de la velocidad constante utilizan presión de aceite para controlar el paso de la hélice. Normalmente, las unidades de velocidad constante de un avión monomotor utilizan presión de aceite para aumentar el paso. Si la unidad de control de la velocidad constante falla, la hélice volverá automáticamente al paso fino, lo que permitirá que el avión funcione a velocidades más bajas. Por el contrario, en un avión multimotor, la unidad de control de la velocidad constante normalmente utilizará presión de aceite para reducir el paso. De esa manera, si la unidad de control de la velocidad constante falla, esa hélice se pondrá en bandera automáticamente, lo que reducirá la resistencia, mientras que el avión continúa volando con el motor en buen estado. Un "acumulador de desenbanderamiento" permitirá que dicha hélice vuelva al paso fino para un reinicio del motor en vuelo.

El funcionamiento de un avión monomotor alternativo es el siguiente: el regulador bombea aceite de 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 tipo engranaje, contrapesos y una válvula piloto. La bomba de tipo engranaje toma la presión del aceite del motor y la convierte a una presión más alta que, a su vez, está controlada dentro y fuera del cubo de la hélice por la válvula piloto, que está conectada a los contrapesos, y un resorte de siembra que presiona contra los contrapesos. La tensión del resorte la establece la palanca de control de la hélice, que establece las RPM. El regulador mantendrá ese ajuste de RPM hasta que exista una condición de exceso o falta de velocidad del motor. Cuando se produce 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 aerodinámica. 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, lo que disminuye las rpm del motor y aumenta el paso. Cuando se produce una condición de baja velocidad, como un ascenso con una pérdida de velocidad aerodinámica, ocurre lo contrario. La velocidad aerodinámica disminuye, lo que hace que la hélice disminuya su velocidad. Esto hará que los contrapesos se muevan hacia adentro debido a la falta de fuerza centrífuga y se liberará la tensión del resorte del acelerador, lo que hará que el aceite salga del cubo de la hélice, lo que disminuirá el paso y aumentará las rpm. Este proceso suele ocurrir con frecuencia durante el vuelo.

Los pilotos necesitan una formación adicional y, en la mayoría de las jurisdicciones, una autorización formal antes de poder volar en aeronaves equipadas con una unidad de suspensión centralizada. No está permitido instalar unidades de suspensión centralizada en aeronaves certificadas según las normas de aeronaves deportivas ligeras de los Estados Unidos.

Historia

Varios pioneros de la aviación, entre ellos A. V. Roe y Louis Breguet, utilizaron hélices que podían ajustarse mientras el avión estaba en tierra. Esto también ocurrió durante la Primera Guerra Mundial con un ejemplar de prueba, el "R.30/16", del bombardero pesado alemán de cuatro motores Zeppelin-Staaken R.VI.

En 1919, L. E. Baynes patentó la primera hélice de paso variable automática. Wallace Rupert Turnbull, de Saint John, New Brunswick, Canadá, es reconocido en Canadá por crear la primera hélice de paso variable en 1918.

La firma francesa de aviones Levasseur exhibió una hélice de paso variable en el Salón Aeronáutico de París de 1921. La firma afirmó que el gobierno francés había probado el dispositivo durante diez horas y que podía cambiar el paso a cualquier RPM del motor.

El Dr. Henry Selby Hele-Shaw y T.E. Beacham patentaron una hélice de paso variable operada hidráulicamente (basada en una bomba de carrera variable) en 1924 y presentaron un artículo sobre el tema ante la Royal Aeronautical Society en 1928; su utilidad fue objeto de escepticismo. La hélice había sido desarrollada con Gloster Aircraft Company como la hélice de paso variable Gloster Hele-Shaw Beacham y se demostró en un Gloster Grebe, donde se utilizó para mantener unas RPM casi constantes.

La firma francesa Ratier produjo hélices de paso variable de varios diseños a partir de 1928, que se basaban en una rampa helicoidal especial con cojinetes de bolas en la base de las palas para facilitar su manejo. La patente de Walter S. Hoover para una hélice de paso variable se presentó en la Oficina de Patentes de los Estados Unidos en 1934.

Se probaron varios diseños, incluyendo una pequeña cámara de aire presurizado en el eje de la hélice que proporcionaba la fuerza necesaria para resistir un resorte que impulsaría las palas desde un paso fino (despegue) a un paso grueso (navegación horizontal). A una velocidad adecuada, un disco en la parte delantera del cono presionaría lo suficiente sobre la válvula de liberación de aire de la cámara 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 larga distancia de 1934 y en el Caudron C.460 ganador de las carreras aéreas nacionales de 1936, pilotado por Michel Détroyat [fr]. El uso de estas hélices neumáticas requería ajustar la hélice a un paso fino antes del despegue. Esto se hacía presurizando la vejiga con una bomba de bicicleta, de ahí el apodo caprichoso de "Gonfleurs d'hélices" (chicos infladores de hélices) que se les dio a los mecánicos de tierra de los aviones en Francia hasta el día de hoy.

En la Exposición Aeronáutica Internacional de 1929 en Olympia se exhibió una hélice hidráulica Gloster Hele-Shaw. El estadounidense Tom Hamilton, de la Hamilton Aero Manufacturing Company, la vio y, al regresar a casa, la patentó allí. Como Hamilton Standard Division de la United Aircraft Company, el ingeniero Frank W. Caldwell desarrolló un diseño hidráulico, que condujo a la concesión del Trofeo Collier de 1933. 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 los Estados Unidos también desarrollaron hélices de paso variable. Wiley Post (1898-1935) utilizó hélices Smith en algunos de sus vuelos.

Otro mecanismo operado eléctricamente fue desarrollado por Wallace Turnbull y perfeccionado por la Corporación Curtiss-Wright. Este mecanismo fue probado 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 de la Segunda Guerra Mundial (1939-1945) lo favorecieron, porque incluso cuando el motor ya no estaba en funcionamiento, la hélice podía ponerse en bandera. En las hélices operadas hidráulicamente, la puesta en bandera tenía que ocurrir antes de la pérdida de presión hidráulica en el motor, a menos que se instalara una bomba de puesta en bandera eléctrica dedicada para proporcionar la presión de aceite necesaria para poner en bandera la hélice.