Turbohélice

GE T64 turboprop, con la hélice a la izquierda, la caja de cambios con accesorios en el centro, y el generador de gas (turbina) a la derecha

Un turbohélice es un motor de turbina que impulsa la hélice de un avión.

Un turbopropulsor consta de una admisión, una caja de cambios reductora, un compresor, una cámara de combustión, una turbina y una tobera propulsora. El aire entra en 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 aire y combustible. 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 accionar el compresor y el generador eléctrico. Luego, los gases se expulsan de la turbina. A diferencia de un turborreactor o un turboventilador, 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.

Aspectos tecnológicos

Diagrama esquemático que muestra el funcionamiento de un motor turboprop

Comparación de eficiencia propulsiva para varias configuraciones de motores de turbina de gas

El empuje de escape en un turbopropulsor 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 turbinas, la energía residual en el chorro de escape es baja. En consecuencia, el chorro de escape produce alrededor del 10 % del empuje total. Una mayor proporción del empuje proviene de la hélice a bajas velocidades y menos a velocidades más altas.

Los turbohélices tienen relaciones de derivación de 50 a 100, aunque el flujo de aire de propulsión está menos definido para las hélices que para los ventiladores.

La hélice está acoplada a la turbina a través de un engranaje reductor que convierte la salida de altas RPM/par bajo en bajas RPM/par alto. 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 aeronaves más grandes, excepto que los requisitos de control de la hélice son muy diferentes.

Para hacer que el motor sea más compacto, se puede utilizar el flujo de aire inverso. En un motor turbohélice de flujo inverso, la admisión del compresor está en la parte trasera del motor y el escape está situado en la parte delantera, lo que reduce la distancia entre la turbina y la hélice.

A diferencia de los ventiladores de pequeño diámetro que se utilizan en los motores turbofan, la hélice tiene un gran diámetro que le permite acelerar un gran volumen de aire. Esto permite una menor velocidad de la corriente de aire para una determinada cantidad 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, una carga de disco baja (empuje por unidad de área de disco) aumenta la eficiencia energética de la aeronave., y esto reduce el uso de combustible.

Las hélices funcionan bien hasta que la velocidad de vuelo de la aeronave 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 turbohélice no se utilizan en aeronaves que vuelan a más de 0,6 a 0,7 Mach. Sin embargo, los motores propfan, que son muy similares a los motores turbohélice, pueden navegar 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 (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 el caso de una falla del motor, la hélice se puede poner en bandera, minimizando así la resistencia de la hélice que no funciona.

Si bien la turbina de potencia puede ser integral con la sección del generador de gas, muchos turbopropulsores de hoy en día 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.

Historia

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 de gas producida por el motor para el empuje del chorro.

El primer turbohélice del mundo fue diseñado por el ingeniero mecánico húngaro György Jendrassik. 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). El Jendrassik Cs-1 más grande, con una potencia prevista de 1000 bhp, 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, cámara de combustión anular. Se ejecutó por primera vez en 1940, los problemas de combustión limitaron su potencia a 400 bhp. En 1941, el motor fue abandonado debido a la guerra y la fábrica pasó a la producción de motores convencionales.

Un Rolls-Royce RB.50 Trent en una plataforma de prueba en Hucknall, en marzo de 1945

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 era muy parecido a cómo sería el futuro Rolls-Royce Trent. El primer motor turbohélice británico fue el Rolls-Royce RB.50 Trent, un Derwent II convertido equipado con engranaje reductor y una hélice de cinco palas Rotol de 2,41 m (7 pies y 11 pulgadas). Se instalaron dos Trent en Gloster Meteor EE227: el único "Trent-Meteor" - que se convirtió así en el primer avión propulsado por turbohélice del mundo, aunque un banco de pruebas no destinado a la producción. 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, y el Dart, que se convirtió en uno de los más motores turbohélice confiables jamás construidos. La producción de dardos continuó durante más de cincuenta años. El Vickers Viscount propulsado por dardos fue el primer avión turbohélice de cualquier tipo que entró en producción y se vendió en grandes cantidades. También fue el primer turbohélice cuatrimotor. 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.

El Kuznetsov NK-12 es el turboprop más poderoso para entrar en servicio

La Unión Soviética se basó en el trabajo de diseño preliminar del turbohélice alemán de la Segunda Guerra Mundial realizado por Junkers Motorenwerke, mientras que BMW, Heinkel-Hirth y Daimler-Benz también trabajaron en los diseños proyectados. Si bien la Unión Soviética tenía la tecnología para crear el fuselaje de un bombardero estratégico propulsado por chorro comparable al B-52 Stratofortress de Boeing, en su lugar produjeron el Tupolev Tu-95 Bear, propulsado con cuatro turbopropulsores Kuznetsov NK-12, acoplados a ocho hélices de rotación contraria (dos por góndola) con velocidades de punta supersónicas para lograr 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 a reacción para la mayoría de las misiones. El Bear serviría como su avión de vigilancia y combate de largo alcance más exitoso y símbolo de la proyección del poder soviético a lo largo del final del siglo XX. Los EE. UU. utilizaron motores turbohélice con hélices contrarrotantes, 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 de tiempo.

El primer motor turbohélice estadounidense fue el General Electric XT31, utilizado por primera vez en el Consolidated Vultee XP-81 experimental. El XP-81 voló por primera vez en diciembre de 1945, el primer avión en usar una combinación de turbohélice y turborreactor. La tecnología del diseño T38 anterior de Allison evolucionó hasta convertirse en el Allison T56, utilizado para impulsar 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 accionado por eje fue el Kaman K-225, un desarrollo del sincróptero K-125 de Charles Kaman, que utilizaba un motor turboeje Boeing T50 para propulsarlo el 11 de diciembre de 1951.

Uso

Se han construido más de 2.500 Hércules Lockheed C-130

A diferencia de los turboventiladores, 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 el escape) es relativamente baja. Los aviones turbohélice modernos operan casi a la misma velocidad que los pequeños aviones regionales, pero queman dos tercios del combustible por pasajero. Sin embargo, en comparación con un turborreactor (que puede volar a gran altura para mejorar la velocidad y la eficiencia del combustible), un avión de hélice tiene un techo más bajo.

The Beech King Air y Super King Air son los aviones de negocios turboprop más entregados, con 7.300 ejemplos combinados a partir de mayo de 2018

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 turbohélice como el Cessna Caravan y el Quest Kodiak se utilizan como aviones de caza.

Los motores turbohélice se utilizan generalmente en aviones subsónicos pequeños, pero el Tupolev Tu-114 puede alcanzar los 470 nudos (870 km/h, 541 mph). Los grandes aviones militares, como el Tupolev Tu-95, y los aviones civiles, como el Lockheed L-188 Electra, también eran propulsados por turbohélices. 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 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 Canadá DHC-6 Twin Otter (270), Saab 340 (225). Los aviones menos extendidos y más antiguos incluyen 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 turbopropulsores comerciales en la flota mundial.

Confiabilidad

Entre 2012 y 2016, la ATSB observó 417 eventos con aviones turbohélice, 83 por año, durante 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 monomotores Cessna 208 Caravans, cuatro vehículos de "riesgo medio" y 96% "riesgo bajo". Dos incidentes resultaron en lesiones leves por mal funcionamiento del motor y colisión con el terreno en aeronaves agrícolas y cinco accidentes involucraron trabajos aéreos: cuatro en agricultura y uno en una ambulancia aérea.

Motores actuales

Jane's All the World's Aircraft. 2005–2006.

Fabricantes	País	Designación	Peso seco (kg)	Nota de despegue (kW)	Aplicación
DEMC	República Popular China	WJ5E	720	2130	Harbin SH-5, Xi'an Y-7
Europrop International	Unión Europea	TP400-D6	1800	8203	Airbus A400M
General Electric	Estados Unidos	CT7-5A	365	1294
General Electric	Estados Unidos	CT7-9	365	1447	CASA/IPTN CN-235, Let L-610, Saab 340, Sukhoi Su-80
General Electric	Estados Unidos República Checa	Serie H80	200	550 a 625	Thrush Model 510, Let 410NG, Let L-410 Turbolet UVP-E, CAIGA Primus 150, Nextant G90XT
General Electric	Estados Unidos	T64-P4D	538	2535	Aeritalia G.222, de Havilland Canada DHC-5 Buffalo, Kawasaki P-2J
Cariño	Estados Unidos	Serie TPE331	150–275	478–1650	Aero/Rockwell Turbo Commander 680/690/840/960/1000, Antonov An-38, Ayres Thrush, BAe Jetstream 31/32, BAe Jetstream 41, CASA C-212 Aviocar, Cessna 441 Conquest II, Dornier 228, General Atomic Reaper MQ-9 Reaper, Grum Ge man, Mitsubishi MU-2, North American Rockwell OV-10 Broncoy
Cariño	Estados Unidos	LTP 101-700	147	522	Air Tractor AT-302, Piaggio P.166
KKBM	Rusia	NK-12MV	1900	11033	Antonov An-22, Tupolev Tu-95, Tupolev Tu-114
Progresos	Ucrania	TV3-117VMA-SB2	560	1864	Antonov An-140
Klimov	Rusia	TV7-117S	530	2100	Ilyushin Il-112, Ilyushin Il-114
Progresos	Ucrania	AI20M	1040	2940	Antonov An-12, Antonov An-32, Ilyushin Il-18
Progresos	Ucrania	AI24T	600	1880	Antonov An-24, Antonov An-26, Antonov An-30
LHTEC	Estados Unidos	LHTEC T800	517	2013	Ayres LM200 Cargador (no construido)
OMKB	Rusia	TVD-20	240	1081	Antonov An-3, Antonov An-38
Pratt " Whitney Canada	Canadá	Serie PT-6	149–260	430-1500	Air Tractor AT-502, Air Tractor AT-602, Air Tractor AT-802, Beechcraft Model 99, Beechcraft King Air, Beechcraft Super King Air, Beechcraft 1900, Beechcraft T-6 Texan II, Cessna 208 Caravan, Cessna 425 Corsair/Conquest I, de Havilland Canada DHC-6 Twin Otter, Harbin Y-1210
Pratt " Whitney Canada	Canadá	PW120	418	1491	ATR 42-300/320
Pratt " Whitney Canada	Canadá	PW121	425	1603	ATR 42-300/320, Bombardier Dash 8 Q100
Pratt " Whitney Canada	Canadá	PW123 C/D	450	1603	Bombardier Dash 8 Q300
Pratt " Whitney Canada	Canadá	PW126 C/D	450	1950	BAe ATP
Pratt " Whitney Canada	Canadá	PW127	481	2051	ATR 72
Pratt " Whitney Canada	Canadá	PW150A	717	3781	Bombardier Dash 8 Q400
PZL	Polonia	TWD-10B	230	754	PZL M28
RKBM	Rusia	TVD-1500S	240	1044	Sukhoi Su-80
Rolls-Royce	Reino Unido	Dart Mk 536	569	1700	Avro 748, Fokker F27, Vickers Viscount
Rolls-Royce	Reino Unido	Tyne 21	1085	4500	Aeritalia G.222, Breguet Atlantic, Transall C-160
Rolls-Royce	Reino Unido	250-B17	88.4	313	Fuji T-7, Britten-Norman Turbine Islander, O implicaN Cessna 210, Soloy Cessna 206, Propjet Bonanza
Rolls-Royce	Reino Unido	Allison T56	828 a 880	3424–3910	P-3 Orión, E-2 Hawkeye, C-2 Greyhound, C-130 Hércules
Rolls-Royce	Reino Unido	AE2100A	715.8	3095	Saab 2000
Rolls-Royce	Reino Unido	AE2100J	710	3424	ShinMaywa US-2
Rolls-Royce	Reino Unido	AE2100D2, D3	702	3424	Alenia C-27J Spartan, Lockheed Martin C-130J Super Hércules
Rybinsk	Rusia	TVD-1500V	220	1156
Saturno	Rusia	TAL-34-1	178	809
Turbomeca	Francia	Llegado 1D	111	313	Socata TB 31 Omega
Turbomeca	Francia	Llegado 2F	103	376
Walter	República Checa	Serie M601	200	560	Let L-410 Turbolet, Aerocomp Comp Air 10 XL, Aerocomp Comp Air 7, Ayres Thrush, Dornier Do 28, Lancair Propjet, Let Z-37T, Let L-420, Myasishchev M-101T, PAC FU-24 Fletcher, Progress Rysachok, PZL-106 Kruk, PZL-130 Orlik, SM-92T Turbo Finist
Walter	República Checa	M602A	570	1360	Let L-610
Walter	República Checa	M602B	480	1500