Hélices contrarrotativas

Aeronaves equipadas con hélices contrarrotativas, también denominadas CRP, hélices contrarrotativas coaxiales o de alta velocidad. hélices de alta velocidad, aplican la potencia máxima de un motor de un solo pistón o turbohélice para impulsar un par de hélices coaxiales en contrarrotación. Dos hélices están dispuestas una detrás de otra y la potencia se transmite desde el motor a través de un engranaje planetario o una transmisión de engranajes rectos. Las hélices contrarrotativas también se conocen como hélices contrarrotativas, aunque el término hélices contrarrotativas se usa mucho más ampliamente cuando se hace referencia a hélices en ejes separados no coaxiales que giran en direcciones opuestas.

Operación

Cuando la velocidad del aire es baja, la masa de aire que fluye a través del disco de la hélice (empuje) hace que las palas giratorias creen una cantidad significativa de flujo de aire tangencial o rotacional. La energía de este flujo de aire tangencial se desperdicia en un diseño de hélice única y causa problemas de manejo a baja velocidad cuando el aire golpea el estabilizador vertical, lo que hace que la aeronave se desvíe hacia la izquierda o hacia la derecha, dependiendo de la dirección de rotación de la hélice. Para aprovechar este esfuerzo desperdiciado, la colocación de una segunda hélice detrás de la primera aprovecha el flujo de aire perturbado.

Una hélice contrarrotante bien diseñada no tendrá flujo de aire rotacional, empujando una cantidad máxima de aire uniformemente a través del disco de la hélice, lo que resulta en un alto rendimiento y una baja pérdida de energía inducida. También sirve para contrarrestar el efecto de par asimétrico de una hélice convencional (ver factor P). Algunos sistemas contrarrotativos fueron diseñados para usarse en el despegue para obtener la máxima potencia y eficiencia en tales condiciones, y permitían desactivar una de las hélices durante el crucero para extender el tiempo de vuelo.

Ventajas y desventajas

El par de torsión del avión procedente de un par de hélices contrarrotativas se anula de forma efectiva.

Se ha descubierto que las hélices contrarrotativas son entre un 6% y un 16% más eficientes que las hélices normales.

Sin embargo, pueden ser muy ruidosos, con aumentos de ruido en la dirección axial (hacia adelante y hacia atrás) de hasta 30 dB, y tangencialmente 10 dB. La mayor parte de este ruido adicional se puede encontrar en las frecuencias más altas. Estos importantes problemas de ruido limitan las aplicaciones comerciales. Una posibilidad es encerrar las hélices contrarrotativas en una cubierta. También es útil si se reduce la velocidad de punta o la carga de las palas, si la hélice de popa tiene menos palas o un diámetro más pequeño que la hélice de proa, o si se aumenta el espacio entre las hélices de popa y de proa.

La eficiencia de una hélice contrarrotante se ve algo compensada por su complejidad mecánica y el peso añadido de este engranaje que hace que el avión sea más pesado, por lo que se sacrifica algo de rendimiento para transportarlo. No obstante, se han utilizado hélices y rotores coaxiales contrarrotativos en varios aviones militares, como el Tupolev Tu-95 "Bear".

También se están examinando su uso en aviones de pasajeros.

Uso en aviones

Aunque varios países experimentaron con hélices contrarrotativas en aviones, sólo el Reino Unido y la Unión Soviética las produjeron en grandes cantidades. El primer avión equipado con una hélice contrarrotante para volar fue en los EE. UU. cuando dos inventores de Ft Worth, Texas, probaron el concepto en un avión.

Reino Unido

F. W. Lanchester patentó una hélice contrarrotante en 1907.

Algunos de los aviones británicos con hélices contrarrotativas de mayor éxito son el Avro Shackleton, propulsado por el motor Rolls-Royce Griffon, y el Fairey Gannet, que utilizaba el motor Double Mamba Mk.101. En el Double Mamba, dos secciones de potencia separadas impulsaban una hélice cada una, lo que permitía apagar una sección de potencia (motor) en vuelo, aumentando la resistencia.

Otro avión naval, el Westland Wyvern, tenía hélices contrarrotativas. El avión de pruebas Martin-Baker MB 5 también utilizó este tipo de hélice.

Las variantes posteriores del Supermarine Spitfire y Seafire utilizaron el Griffon con accesorios contrarrotativos. En el caso del Spitfire/Seafire y Shackleton, la razón principal para usar hélices contrarrotativas fue aumentar el área de las palas de la hélice y, por lo tanto, absorber una mayor potencia del motor, dentro de un diámetro de hélice limitado por la altura del avión.;s tren de aterrizaje. El Short Sturgeon utilizó dos Merlin 140 con hélices contrarrotativas.

El prototipo de avión de pasajeros Bristol Brabazon utilizó ocho motores Bristol Centaurus que impulsaban cuatro pares de hélices contrarrotativas, cada motor impulsaba una sola hélice.

El prototipo de hidroavión de pasajeros SARO Princess de la posguerra también tenía ocho de sus diez motores accionando hélices contrarrotativas.

URSS, Rusia y Ucrania

En la década de 1950, la Oficina de Diseño Kuznetsov de la Unión Soviética desarrolló el turbohélice NK-12. Impulsa una hélice contrarrotante de ocho palas y, con 15.000 caballos de fuerza en el eje (11.000 kilovatios), es el turbohélice más potente en servicio. Cuatro motores NK-12 propulsan el Tupolev Tu-95 Bear, el único bombardero turbohélice que entra en servicio, así como uno de los aviones de hélice más rápidos. El Tu-114, un avión de pasajeros derivado del Tu-95, ostenta el récord mundial de velocidad para aviones de hélice. El Tu-95 fue también el primer bombardero soviético con alcance intercontinental. El avión Tu-126 AEW y el avión de patrulla marítima Tu-142 son dos diseños más propulsados por NK-12 derivados del Tu-95.

El motor NK-12 impulsa otro conocido avión soviético, el Antonov An-22 Antheus, un avión de carga pesada. En el momento de su introducción, el An-22 era el avión más grande del mundo y sigue siendo, con diferencia, el avión propulsado por turbohélice más grande del mundo. Desde la década de 1960 hasta la de 1970, estableció varios récords mundiales en las categorías de relación carga útil máxima-altura y carga útil máxima elevada a altitud.

De menor importancia es el uso del motor NK-12 en el A-90 Orlyonok, un ekranoplano soviético de tamaño mediano. El A-90 utiliza un motor NK-12 montado en la parte superior de su cola en T, junto con dos turbofan instalados en el morro.

En la década de 1980, Kuznetsov continuó desarrollando potentes motores contrarrotativos. El NK-110, que fue probado a finales de la década de 1980, tenía una configuración de hélice contrarrotante con cuatro palas delante y cuatro detrás, como el NK-12. Su diámetro de hélice de 190 pulgadas (4,7 metros) era más pequeño que el diámetro de 220 a 240 pulgadas (5,6 a 6,2 m) del NK-12, pero producía una potencia de 21 007 hp (15 665 kW), entregando una empuje de despegue de 40.000 libras de fuerza (177 kilonewtons). Aún más poderoso fue el NK-62, que estuvo en desarrollo durante la mayor parte de la década. El NK-62 tenía un diámetro de hélice y una configuración de palas idénticos a los del NK-110, pero ofrecía un mayor empuje de despegue de 55.000 lbf (245 kN). El NK-62M asociado tenía un empuje de despegue de 64.100 lbf (285,2 kN) y podía entregar 70.700 lbf (314,7 kN) de empuje de emergencia. Sin embargo, a diferencia del NK-12, estos motores posteriores no fueron adoptados por ninguna de las oficinas de diseño de aviones.

En 1994, Antonov produjo el An-70, un avión de transporte pesado. Está propulsado por cuatro motores propfan Progress D-27 que accionan hélices contrarrotativas. Las características del motor D-27 y su hélice lo convierten en un propfan, un híbrido entre un motor turbofan y un motor turbohélice.

Estados Unidos

Estados Unidos trabajó con varios prototipos, entre ellos el Northrop XB-35, XB-42 Mixmaster, el Douglas XTB2D Skypirate, el Curtiss XBTC, el A2J Super Savage, el Boeing XF8B, el XP-56 Black Bullet, el Fisher P-75 Eagle y el Convair XFY "Pogo" y Lockheed XFV "Salmón" Cazas VTOL y el avión de reconocimiento Hughes XF-11. El hidroavión Convair R3Y Tradewind entró en servicio con hélices contrarrotativas. Sin embargo, tanto los aviones con motor de pistón como los propulsados por turbohélice y propulsados por hélice estaban alcanzando su cenit y los nuevos desarrollos tecnológicos, como la llegada de los motores turborreactores puros y turbofan, ambos sin hélices, significaron que los diseños fueron rápidamente eclipsados.

El fabricante de hélices estadounidense, Hamilton Standard, compró un Fairey Gannet en 1983 para estudiar los efectos de la contrarrotación sobre el ruido de la hélice y las tensiones vibratorias de las palas. El Gannet era especialmente adecuado porque las hélices de accionamiento independiente proporcionaban una comparación entre rotación contraria y simple.

Aplicaciones ultraligeras

Una empresa austriaca, Sun Flightcraft, distribuye una caja de cambios contrarrotante para su uso en motores Rotax 503 y 582 en aviones ultraligeros y ultraligeros. El Coax-P fue desarrollado por Hans Neudorfer de NeuraJet y permite que los parapentes y alas delta motorizados desarrollen entre un 15 y un 20 por ciento más de potencia y, al mismo tiempo, reduzcan los momentos de torsión. El fabricante también informa niveles reducidos de ruido debido a las hélices contrarrotativas duales que utilizan la caja de cambios Coax-P.

Uso en agua

Los torpedos como el torpedo Bliss-Leavitt suelen utilizar hélices contrarrotativas para dar la máxima velocidad posible dentro de un diámetro limitado, así como para contrarrestar el par que de otro modo tendería a hacer que el torpedo girara alrededor de su propio eje longitudinal.

Náutica recreativa: en 1982, Volvo Penta introdujo una hélice para embarcaciones contrarrotante de la marca DuoProp. El dispositivo patentado se comercializa desde entonces. Después de que se agotaron las patentes de Volvo Penta, Mercury también produjo un producto correspondiente, MerCruiser Bravo 3.

Barcos comerciales: en la disposición de maquinaria tradicional, las hélices contrarrotativas son raras, debido al costo y la complejidad.

En 2004, ABB produjo un producto para instalaciones de gran potencia: la hélice delantera está en una línea de eje tradicional, mientras que la hélice trasera está en un Azipod de ABB.

A niveles de potencia más bajos, los propulsores azimutales mecánicos contrarrotativos son una posibilidad, conveniente para CRP debido a su construcción inherente de engranajes cónicos. Rolls-Royce y Steerprop han ofrecido versiones CRP de sus productos.