Hélice de paso variable (aeronáutica)

En aeronáutica , una hélice de paso variable es un tipo de hélice (hélice de aire) cuyas palas pueden girar sobre su eje longitudinal para modificar su paso . Una hélice de paso controlable es aquella cuyo paso es controlado manualmente por el piloto. Por otro lado, una hélice de velocidad constante es aquella en la que el piloto establece la velocidad del motor deseada ( RPM ), y el paso de las palas se controla automáticamente sin su intervención, 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 cuyo paso puede ajustarse a valores negativos. Esto genera empuje inverso para frenar o retroceder sin necesidad de cambiar el sentido de giro del eje.

Si bien algunas aeronaves cuentan con hélices ajustables en tierra , estas no se consideran de paso variable. Por lo general, solo se encuentran en aeronaves ligeras y ultraligeros .

Cuando una aeronave está parada con la hélice girando (en aire en calma), el vector de viento relativo para cada pala incide lateralmente. Sin embargo, a medida que la aeronave comienza a moverse hacia adelante, el vector de viento relativo proviene cada vez más de frente. El paso de las palas de la hélice debe aumentarse para mantener un ángulo de ataque óptimo con respecto al viento relativo.

Las primeras hélices eran de paso fijo, pero no son eficientes en diversas condiciones. Si el ángulo de las palas se ajusta para optimizar el despegue y el ascenso, la hélice será ineficiente en vuelo de crucero debido a que el ángulo de ataque será demasiado bajo. Por el contrario, una hélice ajustada para un buen rendimiento en crucero puede entrar en pérdida a bajas velocidades, ya que el ángulo de ataque es demasiado alto.

Una hélice con ángulo de pala ajustable es más eficiente en diversas condiciones. Una hélice con paso variable puede tener una eficiencia casi constante en un rango de velocidades del aire. ^{[ 1 ]}

Un ángulo de ataque menor requiere menos torque, pero mayores revoluciones por minuto (RPM) , ya que la hélice no mueve mucho aire con cada revolución. Esto es similar a un automóvil que circula en primera marcha . Cuando el conductor alcanza la velocidad de crucero, reduce la velocidad del motor cambiando a una marcha superior, manteniendo la potencia suficiente para que el vehículo siga en movimiento. En un avión, esto se logra 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 despacio moviendo 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 aerodinámica. Esto significa girar las palas de manera que sus bordes de ataque apunten directamente hacia adelante. En una aeronave multimotor, si falla un motor, se puede poner en bandera para reducir la resistencia y permitir que la aeronave continúe volando con los demás motores. En una aeronave monomotor, si falla el motor, poner la hélice en bandera reducirá la resistencia y aumentará la distancia de planeo, lo que le brinda al piloto más opciones para un aterrizaje forzoso .

Para variar el paso de las palas se utilizan tres métodos: presión de aceite, contrapesos centrífugos o control electromecánico.

La presión del aceite del motor es el mecanismo habitual en los aviones comerciales de hélice y en los motores Continental y Lycoming de las aeronaves ligeras. En los aviones que no disponen de una unidad de velocidad constante (CSU), el piloto controla manualmente el paso de las palas de la hélice mediante la presión del aceite.

Como alternativa o complemento, se pueden acoplar contrapesos centrífugos directamente a la hélice, como en el Yakovlev Yak-52 . Los primeros intentos de hélices de velocidad constante se denominaron hélices de contrapeso, impulsadas por mecanismos que funcionaban mediante la fuerza centrífuga . Su funcionamiento es idéntico al del regulador centrífugo utilizado por James Watt para limitar la velocidad de las máquinas de vapor . Se colocaban contrapesos excéntricos cerca del cono de la hélice o dentro de él, sujetos por un resorte. Cuando la hélice alcanzaba ciertas RPM, la fuerza centrífuga hacía que los contrapesos se desplazaran hacia afuera, lo que impulsaba un mecanismo que hacía girar la hélice para lograr un paso más pronunciado. Cuando la hélice disminuía su velocidad, las RPM bajaban lo suficiente como para que el resorte empujara los contrapesos hacia adentro, realineando la hélice a un 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 caro 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 un tipo de hélice de paso variable diseñada para cambiar automáticamente el paso de sus palas manteniendo una velocidad de rotación fija, independientemente de las condiciones operativas de la aeronave. Esto se logra mediante una unidad de velocidad constante (CSU) o regulador de hélice integrado en el buje de la hélice.

La mayoría de los motores desarrollan su máxima potencia en un rango de velocidad estrecho. La unidad de control de velocidad (CSU) permite que el motor funcione en su rango de velocidad de rotación más económico , independientemente de si la aeronave está despegando o en vuelo de crucero. Se puede decir que la CSU es para una aeronave lo que la transmisión continuamente variable es para un automóvil: el motor puede mantenerse funcionando a su velocidad óptima, sin importar la velocidad a la que la aeronave vuele. La CSU también permite a los diseñadores de motores de aeronaves mantener el sistema de encendido simple: el avance automático de chispa que se observa en los motores de automóviles se simplifica, ya que los motores de aeronaves funcionan a un régimen de revoluciones por minuto (RPM) prácticamente constante.

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

Los primeros intentos de hélices de velocidad constante se denominaron hélices de contrapeso, impulsadas por mecanismos que funcionaban mediante la fuerza centrífuga . Su funcionamiento es idéntico al del regulador centrífugo utilizado por James Watt para controlar la velocidad de las máquinas de vapor . Se colocaban contrapesos excéntricos cerca del cono de la hélice o dentro de él, sujetos por un resorte. Cuando la hélice alcanzaba ciertas revoluciones por minuto (RPM), la fuerza centrífuga hacía que los contrapesos se desplazaran hacia afuera, lo que impulsaba un mecanismo que hacía girar la hélice para aumentar su paso. Cuando la hélice disminuía su velocidad, las RPM bajaban lo suficiente como para que el resorte empujara los contrapesos hacia adentro, realineando la hélice a su paso original.

La mayoría de las CSU utilizan la presión del aceite para controlar el paso de la hélice. Normalmente, las unidades de velocidad constante en una aeronave monomotor utilizan la presión del aceite para aumentar el paso. Si la CSU falla, la hélice volverá automáticamente al paso fino, lo que permite que la aeronave opere a velocidades más bajas. Por el contrario, en una aeronave multimotor, la CSU normalmente utilizará la presión del aceite para disminuir el paso. De esta manera, si la CSU falla, esa hélice se pondrá automáticamente en bandera, reduciendo la resistencia, mientras la aeronave continúa volando con el motor en buen estado. ^{[ 2 ]} Un " acumulador de desempapelado " permitirá que dicha hélice vuelva al paso fino para un reinicio del motor en vuelo.

El funcionamiento de una aeronave monomotor de hélices recíprocas es el siguiente: El regulador bombea aceite del motor a través del eje de la hélice para empujar un pistón que acciona el mecanismo de cambio de paso. El flujo de aceite y el paso se controlan mediante un regulador, que consta de una bomba de engranajes, un resorte de aceleración, contrapesos y una válvula piloto . La bomba de engranajes toma la presión del aceite del motor y la eleva a una presión mayor, la cual, a su vez, es controlada por la válvula piloto, conectada a los contrapesos, y un resorte de ajuste que presiona contra estos. La tensión del resorte se ajusta mediante la palanca de control de la hélice, que a su vez ajusta las RPM. El regulador mantendrá este ajuste de RPM hasta que se produzca una condición de sobrevelocidad o baja velocidad del motor. Cuando se produce una condición de sobrevelocidad, 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. Las pesas centrífugas comienzan a tirar hacia afuera debido a la fuerza centrífuga, lo que comprime aún más el resorte del acelerador. Este, a su vez, dirige el aceite hacia el cubo de la hélice, reduciendo las RPM y aumentando el paso. Cuando se produce una baja velocidad, como durante un ascenso con pérdida de velocidad, ocurre lo contrario. La velocidad disminuye, lo que provoca que la hélice se ralentice. Esto hace que las pesas centrífugas se muevan hacia adentro debido a la falta de fuerza centrífuga, y la tensión del resorte del acelerador se libera, expulsando el aceite del cubo de la hélice, reduciendo el paso y aumentando las RPM. Este proceso suele ocurrir con frecuencia durante el vuelo.

Un piloto requiere formación adicional y, en la mayoría de las jurisdicciones, una autorización formal antes de poder volar aeronaves equipadas con una unidad de control de crucero (CSU). En Estados Unidos, no está permitido instalar CSU en aeronaves certificadas bajo la normativa para aeronaves deportivas ligeras .

Varios pioneros de la aviación, entre ellos AV Roe y Louis Breguet , utilizaron hélices que podían ajustarse con la aeronave en tierra . ^{[ 3 ]} Este también fue el caso durante la Primera Guerra Mundial con un prototipo, el "R.30/16" , del bombardero pesado alemán de cuatro motores Zeppelin-Staaken R.VI. ^{[ 4 ]}

En 1919, L.E. Baynes patentó la primera hélice de paso variable automática. En Canadá, se le atribuye a Wallace Rupert Turnbull, de Saint John, Nuevo Brunswick, Canadá, la creación de la primera hélice de paso variable en 1918. ^{[ 5 ]}

La empresa aeronáutica francesa Levasseur exhibió una hélice de paso variable en el Salón Aeronáutico de París de 1921. La empresa afirmó que el gobierno francés había probado el dispositivo en un vuelo de diez horas y que podía cambiar el paso a cualquier régimen de revoluciones del motor. ^{[ 6 ]}

El Dr. Henry Selby Hele-Shaw y T.E. Beacham patentaron una hélice de paso variable accionada hidráulicamente (basada en una bomba de carrera variable) en 1924 y presentaron un trabajo sobre el tema ante la Royal Aeronautical Society en 1928; su utilidad fue recibida con escepticismo. ^{[ 7 ]} 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. ^{[ 8 ]}

La empresa francesa Ratier fabricó hélices de paso variable de diversos diseños a partir de 1928, utilizando una rampa helicoidal especial con rodamientos de bolas en la base de las palas para facilitar su funcionamiento. 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 vejiga de aire presurizado en el cubo de la hélice que proporcionaba la fuerza necesaria para resistir un resorte que impulsaba las palas desde paso fino (despegue) a paso grueso (crucero nivelado). A una velocidad aerodinámica adecuada, un disco en la parte delantera del cono presionaba lo suficiente la válvula de liberación de aire de la vejiga para aliviar la presión y permitir que el resorte impulsara la hélice a paso grueso. Estas hélices "neumáticas" se instalaron en el avión de Havilland DH.88 Comet , ganador de la famosa carrera aérea de larga distancia MacRobertson de 1934, y en el Caudron C.460, ganador de las Carreras Aéreas Nacionales de 1936 , pilotado por Michel Détroyat . El uso de estas hélices neumáticas requería preajustar la hélice a paso fino antes del despegue. Esto se hacía presurizando la vejiga con una bomba de bicicleta, de ahí el apodo peculiar de Gonfleurs d'hélices (chicos infladores de hélices) que se les daba a los mecánicos de tierra de aviones en Francia hasta el día de hoy. ^{[ 9 ]}

Una hélice hidráulica Gloster Hele-Shaw se mostró en la Exposición Aeronáutica Internacional de Olympia de 1929. El estadounidense Tom Hamilton, de la Hamilton Aero Manufacturing Company, la vio y, al regresar a casa, la patentó allí. ^{[ 10 ]} Como la División Hamilton Standard de la United Aircraft Company , el ingeniero Frank W. Caldwell desarrolló un diseño hidráulico, que llevó a la concesión del Trofeo Collier de 1933. ^{[ 11 ]} 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 de 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 de accionamiento eléctrico fue desarrollado por Wallace Turnbull y perfeccionado por la Corporación Curtiss-Wright . ^{[ 12 ]} Este 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 en la Segunda Guerra Mundial (1939-1945) lo preferían, porque incluso cuando el motor ya no estaba funcionando, la hélice podía ponerse en bandera . En las hélices de accionamiento hidráulico, 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 de accionamiento eléctrico dedicada para proporcionar la presión de aceite necesaria para poner en bandera la hélice.

• Hélice de paso variable (marina)
• Hélice (aeronáutica)
• Bomba de engranajes
• Gobernador (dispositivo)
• Hélice en V

• Descripción del regulador de hélice externo. Archivado el 22 de abril de 2021 en Wayback Machine.
• Dibujo en sección transversal de 1941 del funcionamiento de la hélice de paso variable Hydromatic en el bombardero B-24
• Análisis contemporáneo de las ventajas de las hélices de paso variable en la revista Flight, 1935.
• HÉLICES DE PASO CONTROLABLE explicadas en Flight del 2 de mayo de 1935 y del 9 de mayo de 1935.