Hélices

Hélice, propulsor mecánico que produce una fuerza, o empuje, a lo largo del eje de rotación cuando gira en un fluido (gas o líquido). Las hélices pueden funcionar tanto en aire como en agua, aunque un propulsor diseñado para un funcionamiento eficiente en uno de los dos medios sería muy poco eficiente en el otro. Casi todos los barcos están equipados con hélices, y hasta el desarrollo de la propulsión a chorro, todos los aviones (excepto los planeadores) tenían también el mismo tipo de propulsión. Incluso hoy, los turboventiladores utilizan un tipo especial de hélice, instalada en un conducto. Cuando una hélice está situada en una corriente de aire funciona como un molino.

La hélice es en esencia un tornillo que, al girar, se impulsa a sí mismo a través del aire o del agua de la misma forma que un perno se inserta en una tuerca. Las hélices normales suelen consistir en dos, tres o cuatro hojas, que tienen la forma geométrica de la rosca de un tornillo. La distancia que una hélice o una de sus hojas se desplaza hacia adelante por cada vuelta completa que realiza el eje del propulsor, si no hay ninguna pérdida de transmisión, se denomina avance geométrico; esto correspondería al paso, o distancia entre roscas adyacentes, de un tornillo simple. La distancia que la hélice desplaza a través del aire o del agua en una rotación se llama avance eficiente, y la diferencia entre el avance geométrico y el avance eficiente, pérdida de transmisión. En general, un propulsor eficiente tiene pérdidas de transmisión muy pequeñas y el avance eficiente, cuando opera en condiciones de diseño, equivale casi al avance geométrico; sin embargo, el propulsor eficiente mantiene la relación entre la energía de propulsión producida y la energía consumida al rotar el eje del propulsor. Los propulsores aéreos tienen a menudo una efectividad cercana al 90%, pero en los marinos este porcentaje disminuye.

HÉLICES AÉREAS

El aspa de una hélice aérea tiene una sección en cruz similar a la de un ala desde el punto de vista aerodinámico y, al impulsarse en el aire, produce un movimiento de ascenso y arrastre, perpendicular y paralelo a la velocidad del aire relativa a la sección del aspa (véase Aerodinámica; Avión). Las fuerzas debidas al movimiento de la hélice tienen dos componentes. Uno, de empuje, en la dirección del vuelo; el otro componente, en el plano de rotación, representa la fuerza que debe superar el par motor, o fuerza de giro, del motor de impulso. El movimiento completo de un aspa de la hélice combina el impulso hacia adelante, representado por la velocidad de vuelo, y el impulso centrífugo debido a la rotación del aspa.

Los ingenieros aeronáuticos han perfeccionado mucho en los últimos años el sencillo concepto de elemento de aspa. Otro método de análisis de la acción del propulsor se basa en los cambios del momento del flujo al pasar a través del disco de propulsión. Esta aproximación la utilizaron en primer lugar ingenieros británicos y el arquitecto naval William Froude, pero en general no es tan comprensible como la teoría del elemento de hoja de hélice.

Para una velocidad de rotación dada, la velocidad resultante de una hoja de hélice aumenta en proporción a la velocidad de avance, al mismo tiempo que aumenta el ángulo del vector velocidad resultante con el plano de rotación. De este modo, si la hoja tiene un avance fijo, terminará por alcanzarse una condición en la cual el aspa producirá poco o ningún empuje. Por otro lado, si disminuye la velocidad de avance, el ángulo entre el vector velocidad y la hoja se hará tan grande que provocará que la hélice se pare, con la caída de rendimiento consecuente.

Para adaptar una hélice a un avión con diferentes características de vuelo, se suelen utilizar propulsores de avance ajustable, en los cuales la pala rota en el eje de forma que puede alterar el avance efectivo. Con un propulsor de avance variable, el avance o el paso de la pala es controlable durante el vuelo para mantener las condiciones de operatividad lo más cerca posible de las condiciones óptimas. Los propulsores de este tipo suelen funcionar a velocidades de rotación constantes mediante un mecanismo de control hidráulico o eléctrico. Los propulsores de paso modificable pueden variar el ángulo de incidencia de la pala (lo que se conoce como 'poner en bandera' una hélice), es decir, el ángulo de la pala varía para quedar paralelo a la dirección de vuelo, de forma que se evite el propio giro por la acción del viento en caso de fallo del motor. La posibilidad de establecer un paso negativo en la pala de la hélice también se incluye a veces en el diseño para proporcionar empuje invertido y frenado aerodinámico durante los aterrizajes.

Las palas de las hélices modernas se fabrican en aleaciones de aluminio sólido, de acero hueco o de materiales plásticos reforzados. Pueden asimismo estar equipadas con dispositivos antihielo. El propulsor debe estar equilibrado con mucha precisión, tanto estática como dinámicamente. Si, por ejemplo, se añadieran 57 g en el centro de una de las dos palas de una hélice de propulsión, y la mitad de estos gramos en el extremo de la otra pala, el propulsor estaría en equilibrio estático, pero no dinámico, y vibraría si rotara a gran velocidad.

El rotor de un autogiro o helicóptero es en esencia similar a un propulsor aéreo ordinario, ya que consta de varias hojas o palas, cada una de ellas con forma aerodinámica en sección transversal, y produce elevación. Las palas no están siempre entrelazadas, aunque, como en el caso de las palas de una hélice normal de avión, su paso puede ser variable.

Algunos aviones experimentales han utilizado propulsores con ventiladores sin conducto, que tienen forma parecida a los propulsores marinos.

HÉLICES MARINAS

Hélice de barco

Este soldador que realiza reparaciones en un dique seco resulta minúsculo en comparación con la inmensa hélice situada justo detrás de él. La introducción de las hélices y los avances en los motores a lo largo de la última parte del siglo XIX pusieron fin a la era de los grandes barcos de vela.

Una hélice marina funciona casi de la misma forma que una aérea. En los propulsores marinos, sin embargo, cada pala es de gran anchura (desde el borde anterior al posterior) y de pequeño grosor. Las palas se fabrican en aleaciones de cobre para resistir la corrosión. La velocidad del sonido en el agua es mucho más alta que en el aire, y debido a la alta resistencia por fricción del agua, la velocidad punta nunca alcanza la velocidad del sonido. Aunque se han llegado a alcanzar efectividades de hasta un 77% con propulsores experimentales, la mayoría de los propulsores marinos funcionan con rendimientos próximos al 56%. El espacio libre es un problema menor en los propulsores marinos, aunque su diámetro y su posición estén limitados por la pérdida de eficiencia si las palas se acercan a la superficie del agua. El principal problema de diseño y de funcionamiento de las hélices marinas es la cavitación, la formación de vacío a lo largo de las secciones de las palas del propulsor, que conlleva un desplazamiento excesivo, pérdida de eficiencia y deterioro del material. También provoca un ruido excesivo bajo el agua, lo que constituye una seria desventaja en los submarinos.