Hélices de paso variable: ¿Por qué también son de velocidad constante?

Estoy estudiando para mi PPL , y después de pasar por perfiles aerodinámicos, sustentación, arrastre, relación L/D óptima, palas de hélice y similares, la necesidad de una hélice de paso variable es absolutamente clara para mí.

También me queda claro cómo funciona una hélice de paso variable, tanto desde el punto de vista operativo como mecánico.

Lo que realmente no entiendo es por qué . ¿Cuál es el razonamiento básico detrás de su implementación?

¿Por qué se debe desacoplar una hélice del cigüeñal en primer lugar? ¿Cómo pasamos de hablar del ángulo de una pala a preocuparnos por sus RPM? Si el problema era la eficiencia de la hoja debido a su AoA , ¿por qué estamos hablando de RPM?

¿Por qué no puedo tener mi perilla grande y simple con la que puedo controlar directamente el ángulo de inclinación de la hoja?

Controlar el paso de una pala por sus RPM y la presión múltiple, para mi mente muy inculta, suena como una forma muy contraria a la intuición de resolver un problema.

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Después de tropezar con el concepto de hélices de dos pasos , logré encontrar esta excelente página que describe claramente la evolución de la tecnología de hélices, desde el "Paso ajustable desde el suelo" hasta el "Paso de dos posiciones" y el "Paso controlable" ( que es básicamente lo que describí con mi ejemplo de perilla), hasta la "Velocidad constante" , que es una evolución de este último, por razones ya descritas exhaustivamente en algunas de las respuestas.

para una perspectiva ligeramente diferente: el control directo del paso de las palas es la función de un colectivo en un helicóptero. Por lo tanto, no es completamente desconocido, pero aún termina monitoreando RPM en su ciclo de retroalimentación por las mismas razones que Peter describe en su respuesta.
Claro, solo podría volar aviones con sistemas FADEC de autoridad total, solo volar con piloto automático y nunca necesitar saber nada sobre todo esto. Pero entonces, ¿qué sucede si el FADEC o el piloto automático fallan? (Respuesta, o te estrellas o aprendes a volar manualmente...)
Una analogía muy simple es que una hélice de paso fijo es como una transmisión de una sola velocidad, una hélice de paso variable es como una transmisión manual y una hélice de velocidad constante es como una transmisión automática.
@MikeSowsun sí, la pregunta era por qué tiene que ser una velocidad constante
Al igual que en una transmisión automática, las hélices de velocidad constante son más fáciles de usar y más eficientes que tener que ajustar constantemente una hélice de paso variable.
"¿Por qué no puedo tener mi perilla grande y simple con la que puedo controlar directamente el ángulo de inclinación de la hoja?" ¡Sí, es el azul!
Tenga en cuenta que las primeras hélices de paso variable no eran de velocidad constante. Esa fue una mejora posterior en la usabilidad, la eficiencia y la seguridad, por las razones que se dan en muchas de las respuestas a continuación.
La pregunta incrustada "¿por qué tiene que desacoplarse una hélice del cigüeñal en primer lugar?" sugiere que hay un malentendido acerca de cómo funcionan las hélices de velocidad constante; de ​​hecho, están rígidamente acopladas al eje de transmisión del motor, ya sea directamente o a través de una cadena de engranajes reductores de relación fija. Por lo tanto, la relación de RPM de la hélice/eje de transmisión es fija, y el gobernador de la hélice, al mantener un RPM fijo de la hélice, obliga al motor a funcionar a las RPM correspondientes variando la carga colocada en el motor.
@sdenham tienes razón, mis palabras fueron mal elegidas.
El Spitfire de A2A para Flight Simulator X tiene una hélice variable de tres palas y dos velocidades De Havilland. Técnicamente tiene 2 velocidades, pero puedes tener velocidades intermedias. Es muy interesante porque en este caso, controlas directamente el tono, no las RPM. Recomiendo encarecidamente jugar con esa simulación, le hará comprender claramente las limitaciones y molestias de dicho sistema. Básicamente, todo es posible, pero tienes que cuidar el terreno de juego cada cambio de velocidad cambia.
@Salomanuel: "... tú controlas directamente el tono, no las RPM". RPM es solo un subproducto del cambio de tono: si cambia el tono sin cambiar la potencia, cambiará las RPM. Parece que en su ejemplo, la hélice no se rige para mantener estas RPM con cambios de potencia, pero esa sería la única diferencia real.

Respuestas (8)

¿Cómo pasamos de hablar del ángulo de una pala a preocuparnos por sus RPM?

Por el motor. Un motor de pistón solo funcionará bien en un rango estrecho de RPM. Ir demasiado rápido significa

  • la lubricación puede romperse, lo que resulta en un desgaste excesivo,
  • llenado incompleto del cilindro y quema de combustible, lo que resulta en pérdida de potencia,
  • aumento de las cargas de inercia en el cigüeñal, las bielas y los pistones, lo que provoca grietas y la eventual destrucción del motor, y
  • Flotación de la válvula debido a fuerzas de resorte de válvula insuficientes, lo que provoca que el pistón se estrelle contra las cabezas de válvula.

Entonces, claramente, se debe respetar la línea roja del indicador de RPM.

Hacer funcionar el motor demasiado lento es igualmente indeseable:

  • Dado que la potencia es proporcional a las RPM, el motor produce menos potencia cuando funciona demasiado lento. Si intenta forzar más potencia de un motor lento, las presiones internas deben aumentar, con el riesgo de sobrecargar el motor.
  • Hay rangos de RPM que deben evitarse debido a la resonancia que eventualmente puede provocar daños mecánicos.

Por lo tanto, es mejor hacer funcionar el motor en su rango de RPM especificado (cerca de la línea roja si se necesita potencia total, un poco menos para potencia parcial) y ajustar el paso de la hélice de modo que la potencia consumida por la hélice sea igual a la potencia producida por el motor. ¡Cualquier diferencia entre ambos significa que el motor acelerará o disminuirá la velocidad!

me ganaste! -Niels
ah ok... así que es básicamente una limitación de ingeniería. Quiero decir, con mi perilla de tono hipotético, ¿podría hacer que el motor salte repentinamente fuera de su rango de RPM permitido? Entonces, en lugar de intentar ajustar manualmente para obtener un ángulo óptimo de la hoja, nos enfocamos en mantener bajo control las RPM del motor y la presión del múltiple cambiando el ángulo de inclinación. Si lo entendí bien.
Yo no lo llamaría "mantener bajo control", sino más bien "optimizar automáticamente la potencia del motor" (u "optimizar automáticamente el paso de la hélice" si prefiere pensar al revés). Si tuviera una perilla de tono separada, tendría que ajustar constantemente la potencia del motor para obtener lo mejor de ella. Tal vez compararlo con un CVT en un automóvil. Donde las rpm del motor deberían permanecer más o menos iguales porque eso está en su banda de potencia.
Entonces, para darle la vuelta, un motor con un rango de potencia de RPM realmente amplio (como un motor eléctrico) no necesitaría ningún control de paso de hélice, ¿solo cambiaría las RPM del motor por simplicidad?
@Criggie: Potencialmente, sí. Y por otro lado, la velocidad constante es aún más importante para los turbohélices que para los aviones de pistón, ya que la banda de potencia de una turbina de gas es incluso más estrecha que la de un motor de pistón.
@ontrack: si uno tuviera una perilla de control de paso de hélice, pero el acelerador del motor se controlara automáticamente para mantener RPM constantes, ¿en qué se diferenciaría de tener un acelerador manual y un paso de hélice automático? Supongo que hacer que la hélice ajuste el paso en función de las RPM fue más simple que tener un enlace mecánico para establecer el paso, pero de lo contrario, ¿habría mucha diferencia?
No pretendía decir que hay una diferencia, exactamente como dices: es básicamente lo mismo.

Porque las RPM del motor son la variable en el ciclo de retroalimentación.

Si tuviera una perilla grande y agradable para establecer directamente el ángulo de la cuchilla, ¿cómo sabría cuándo ajustarla, en qué configuración? Necesitaría tener una señal de retroalimentación, como IAS, y un gráfico que indique la configuración de la perilla. No hay manera de verificar si te has ajustado correctamente, y estarías muy absorto en el proceso sin poder escudriñar el horizonte.

Las RPM del motor son una buena señal de retroalimentación porque:

  • el piloto puede oírlo mientras sigue mirando fuera de la cabina;
  • pero lo que es más importante, un cambio en las RPM indica un cambio en el par motor, que es una indicación directa del AoA de la pala.

Por lo tanto, al usar las RPM del motor, es sencillo incorporar un circuito de retroalimentación automático: si las RPM aumentan, aumente el AoA de la hoja hasta que las RPM regresen al punto de ajuste original.

Gracias, sí, también pensé en eso, gracias por señalar el circuito de retroalimentación.

Controlar el paso de una pala por sus RPM y la presión del colector, para mi mente muy poco educada, suena como una forma muy contraria a la intuición de resolver un problema.

Depende del problema. Y aquí el problema es mantener las RPM y la presión del colector dentro del rango de diseño del motor.

Las RPM están limitadas porque la aceleración de los pistones es proporcional a las RPM y el motor solo está diseñado para manejar una cantidad limitada, y porque la hélice solo está diseñada para manejar una fuerza centrífuga limitada. En los motores de alta potencia, una hélice fuera de control (que se desinfló por completo a plena potencia) destruirá el motor en segundos.

La presión del colector está limitada porque es proporcional a la presión dentro de los cilindros y los cilindros solo pueden soportar una cantidad determinada. Si lo supera, las culatas se romperán. Y los grandes motores sobrealimentados pueden superar la línea roja de MP en tierra a toda velocidad.

Así que controlar el motor por los dos principales parámetros limitantes parece la forma óptima de resolver el problema.

Y dado que la presión del múltiple es aproximadamente proporcional al par (bueno, si ignora la inclinación hacia afuera; la inclinación hacia afuera reduce la presión en los pistones y, por lo tanto, la potencia, pero no la presión del múltiple), y la potencia es el par multiplicado por la velocidad angular, estos dos parámetros también se acerque lo más posible a decirle la potencia del motor.

Gracias por tu respuesta, me ayudó.
¿Cómo se compara tener el acelerador de control piloto y un paso de pala de control de sistema mecánico automático con tener el paso de pala de control piloto y un acelerador de control de gobernador de velocidad mecánico?
@supercat El control directo del paso y el uso del gobernador para el acelerador se usan para rotores de helicópteros. Proporciona una respuesta de elevación inmediata a diferencia del acelerador/potencia que para los motores turbocargados y de turbina tiene un retraso notable, pero solo funciona de esa manera porque se almacena una cantidad significativa de energía en la rotación del rotor, por lo que la velocidad del rotor solo cambia un poco antes de que el motor se ponga al día. .
@JanHudec: No había pensado en el efecto de un turbocompresor, pero puedo ver cómo se podría crear un escenario desastroso en un avión controlado manualmente. Si agregar paso rápidamente hace que la velocidad de rotación caiga hasta el punto de que el turbocompresor pierda efectividad, es posible que el motor no pueda volver a la velocidad, incluso con el acelerador completamente abierto, a menos que o hasta que se vuelva a marcar el paso. Si uno agrega tono rápidamente debido a una necesidad repentina de energía, esto podría ser muy malo. El paso de la hélice controlado por velocidad de rotación se encargaría de ese escenario automáticamente.

Existe un rango de rpm bastante estrecho que es óptimo para una determinada fase de vuelo. Para mantener las rpm óptimas a medida que cambia la potencia del motor (por ejemplo, para que el avión vaya más rápido o más lento) es necesario que cambie el paso de las palas. Al agregar potencia/torque, la hoja aumentará su paso (AoA) para mantener las rpm establecidas/deseables. Lo contrario es cierto cuando se reduce la potencia/par.

Sin una hélice de velocidad constante, se reducen el rendimiento y la eficiencia.

Por cierto, la mayoría de los aviones de aviación general de hélice de velocidad constante tienen una perilla que permite al piloto controlar las rpm de la pala. (El mecanismo del regulador de hélice cambia el ángulo de paso de la pala para mantener las rpm seleccionadas).

¿Por qué no puedo tener mi perilla grande y simple con la que puedo controlar directamente el ángulo de inclinación de la hoja?

Para operar la aeronave, ¿cómo le ayudaría eso? ¿Qué paso le gustaría en cualquier fase de vuelo en particular?

Controlar el paso de una pala por sus RPM y la presión del colector, para mi mente muy poco educada, suena como una forma muy contraria a la intuición de resolver un problema.

¿Que problema estas tratando de resolver?

Para muchos vuelos, desea hacer funcionar el motor a una configuración de potencia conocida (especialmente durante el crucero) y a RPM eficientes. El control de apoyo permite marcar y mantener esto en una variedad de condiciones de vuelo. El ángulo de hoja específico que admite esos dos puede variar según las condiciones.

Entonces, si tuviera un control de "ángulo de hoja", necesitaría información adicional y más cálculos para encontrar el ángulo deseado, o necesitaría optimizar algunos otros parámetros para usarlo.

Por la misma razón que tu coche tiene marchas. ¿Por qué no puede simplemente poner su automóvil primero y conducir a 70 mph con su motor funcionando a 50,000 rpm? ¿O poner su automóvil en la marcha más alta y alejarse del estacionamiento?

En un coche, una caja de cambios automática hace eso por ti. Pero básicamente estás conduciendo una palanca de cambios aquí, por lo que debes hacerlo tú mismo. Solo que en lugar de 4 o 5 marchas fijas (y neutral) para elegir, puede marcarlo con mayor precisión.

En realidad, controlar directamente el tono sería como cambiar de marcha: acelerar aumenta las RPM del motor y tienes que volver a ajustarlo cambiando de marcha. La hélice de velocidad constante es el equivalente aeronáutico de un impulsor de velocidad variable automático perfecto. Y la palanca de propulsión es básicamente equivalente a la palanca que cambia el modo deportivo o económico: mantenga las RPM más altas para obtener más potencia en el modo deportivo, o las RPM más bajas para una mejor economía de combustible. Algunos aviones modernos como el PC-12 ni siquiera tienen RPM suaves, solo las dos configuraciones para potencia máxima y crucero económico.
En mi opinión, la respuesta más precisa. Y agregaría que los autos de carrera tienen un poco más de marchas que los autos comunes porque están más optimizados.
Esta respuesta aborda la necesidad de una hélice de paso variable, pero no explica por qué también debe ser de velocidad constante, es decir, por qué debe hacerse usando RPM y presión del colector y no cambiando directamente el AoA como una hélice de "Paso controlable".
@ user815129: no entiende la respuesta, dice que las rpm son constantes por las mismas razones que el motor de un automóvil funciona en un rango muy estrecho de rpm. La causa principal es que los motores tienen curvas de par y potencia máximas y, por lo tanto, se utilizan a estas rpm específicas; de lo contrario, quemaría mucho más combustible y no podría obtener la potencia/par máxima. Eso es cierto para un automóvil y cierto para un avión. Puedes leer más aquí .

El AoA de las palas de una hélice depende tanto de su paso como de las RPM de la hélice, en relación con la velocidad aerodinámica real. Estás tallando un tornillo a través del aire un poco más rápido de lo que realmente va el avión.

Cuando dices "¿por qué estamos hablando de RPM", supongo que te refieres a por qué estamos hablando de mantenerlo casi constante? ¿O construir un circuito de retroalimentación para que eso suceda?

Si no se mantuviera casi constante, definitivamente tendríamos que hablar de ello, en relación con los ajustes apropiados para el cabeceo de la hélice, para mantener un buen AoA para las palas en varios ajustes de potencia y velocidad verdadera. (Donde la potencia necesaria varía a medida que asciende o desciende, y con la resistencia, que depende significativamente de la velocidad aerodinámica indicada ).

Y eso, por supuesto, suponiendo que tuviéramos un motor que pudiera producir la potencia deseada en un rango de RPM, o el peso extra de una transmisión de varias velocidades o variable continua como la que necesita en un automóvil donde la velocidad constante de las ruedas no es una opción. No tenemos eso con los motores de combustión interna, como explican otras respuestas.

Por lo que vale:

Recuerdo el Piper Cherokee Six D 300 de mi padre. Tenía una hélice de velocidad constante; el cuadrante del acelerador tenía tres controles: acelerador, mezcla y RPM.

Durante el arranque, el rodaje, el despegue y el ascenso inicial, la palanca de RPM siempre se colocó completamente hacia adelante (RPM máx.). La hélice, en su mayor parte, iría y permanecería en su límite de paso fino porque la operación en tierra nunca requería suficiente potencia como para que la hélice necesitara aumentar el paso para cargar el motor. Las excepciones fueron durante las verificaciones preliminares cuando un elemento de la lista de verificación era hacer girar la palanca de RPM (ciclando la hélice en un paso grueso) y parecía durante el despegue cuando el avance a la aceleración máxima estuvo acompañado por la aceleración del motor a un RPM que , una vez logrado, no cambió con el aumento de la velocidad aerodinámica o la actitud de cabeceo.

Después del ascenso, cuando se redujo la potencia del motor, la palanca de RPM también se retiró para lograr RPM de crucero o de ascenso de crucero.

A medida que se reducía la potencia para el descenso, la palanca de RPM generalmente se colocaba completamente hacia adelante nuevamente. Esto fue principalmente para simplificar la administración de energía, de la misma manera que el control de mezcla generalmente se configuraba enriquecido cuando no estaba en crucero.

Esto debería ilustrar algunos puntos clave:

  1. En configuraciones de baja potencia, con la hélice en su parada "fina", el motor básicamente sigue una curva de potencia/RPM como lo haría si girara una hélice de paso fijo, y eso está bien porque no hay una gran demanda en él, y el el empuje que genera es todo lo que necesita para rodar.
  2. A toda velocidad, hay un RPM óptimo al que debe funcionar el motor (como se explica en otra respuesta). Dado que estas son las RPM máximas a las que debe funcionar el motor, la hélice debe calibrarse para estas RPM en su parada delantera.
  3. En crucero, el acelerador se reduce, por lo que las RPM también deberían reducirse (nuevamente, hay un óptimo). Dado que la aeronave se mueve por el aire a gran velocidad, es necesario aumentar el paso de la hélice para que la potencia del motor seleccionada se aplique a esas RPM reducidas.
Hélices de paso variable: ¿Por qué también son de velocidad constante?
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