¿Por qué las velocidades máximas de los motores a reacción son más altas que las de las hélices?

El empuje de una hélice es proporcional a la inversa de la velocidad aerodinámica, mientras que el empuje de un turborreactor puro es aproximadamente constante sobre la velocidad aerodinámica en la región subsónica. Esto significa que dos aviones con el mismo empuje estático, uno propulsado por hélice y otro propulsado por chorro, alcanzarán velocidades máximas muy diferentes.

Y, no , los motores de pistón son más eficientes .

Un motor de pistón produce un par constante $\tau$, independiente de la velocidad. Este par impulsa la hélice que produce trabajo.$W$por unidad de tiempo en el aire que lo atraviesa. Este trabajo por unidad de tiempo es potencia.$P$y proporcional al producto del par y la velocidad de la hélice$\omega$, que es de nuevo constante sobre la velocidad aerodinámica$v$. La potencia para impulsar la aeronave es el producto del empuje y la velocidad aerodinámica y es igual a la potencia del motor por la eficiencia de la hélice.$\eta_{Prop}$. Cuando la velocidad aerodinámica aumenta, el empuje debe disminuir proporcionalmente para que la potencia se mantenga constante.

Los turborreactores, por otro lado, se benefician de la velocidad de vuelo porque la admisión comprime previamente el aire cuando se desacelera delante y dentro de la admisión. Esta compresión previa eleva el nivel de presión de todo el motor, por lo que ve un mayor flujo de masa con el aumento de la velocidad, lo que produce un mayor empuje. Este efecto por sí solo aumentaría el empuje en proporción al cuadrado de la velocidad de vuelo, pero el mismo efecto que reduce el empuje de una hélice actúa también sobre un turborreactor. Este efecto, sin embargo, es menos pronunciado porque el chorro acelera menos aire a una mayor velocidad , y ambos se cancelan entre sí, más o menos.

Los turboventiladores son más similares a los motores de hélice, por lo que aquí el empuje disminuye con la velocidad del aire, y más aún para relaciones de derivación más altas . Los turbopropulsores están aún más cerca de las hélices de pistón, por lo que su empuje disminuye aún más al aumentar la velocidad. Esto significa que la velocidad a la que la resistencia es igual al empuje cae cuando se pasa de turborreactores a turboventiladores, y luego a turbopropulsores, y es más baja para los aviones de hélice de pistón.

Me gustaría ilustrar visualmente por qué las hélices no son adecuadas para vuelos de alta velocidad.

Primero, consideremos una hélice de paso variable montada en un motor capaz .

Si estudia los dos bocetos que dibujé arriba, notará que a medida que aumenta la velocidad horizontal (imagen de la derecha), la dirección de empuje se aleja del avance, a pesar del aumento del flujo de aire y la elevación local en la pala.

Esto es lo que muchos libros de texto llaman erróneamente "dar un mordisco más grande", pero como puedes ver, es el mismo mordisco (ángulo de ataque).

^{Figura 11-8, Manual de conocimientos aeronáuticos para pilotos de la FAA}

Entonces, cuanto más rápido vuele una hélice, menor será el empuje hacia adelante que obtendrá, lo que le impedirá ir más rápido. El gráfico anterior muestra T _A (empuje disponible) para una hélice que disminuye cuanto más rápido vuela el avión.

Otro factor es que cuando vuela tan rápido como la velocidad máxima de la hélice, digamos Mach 0,75 (un Boeing 737 Classic en crucero), el perfil aerodinámico de cada pala volará mucho más rápido que su velocidad de avance (compare la hipotenusa con los lados vertical/horizontal en la imagen superior).

El flujo de aire alrededor del perfil aerodinámico será supersónico. Las alas rectas (y las palas) no funcionan bien en velocidades supersónicas (demasiado arrastre desagradable).

Para una hélice de paso fijo, digamos que soltamos un avión con una hélice de paso fijo desde una nave nodriza a alta velocidad, el flujo de aire golpeará la superficie superior del disco de la hélice, creando un empuje hacia atrás, lo que efectivamente impulsará el avión hacia atrás.

Es mejor cuando la velocidad de avance del avión evita que el disco de la hélice se acerque a la barrera del sonido y no hace que el empuje se aleje demasiado de la parte delantera.

Para un turbohélice, el factor limitante hasta cierto punto es la eficiencia de la hélice, no el motor. Ha habido un montón de intentos de propulsores turbo muy rápidos a lo largo de los años, siendo el más rápido probablemente el XF-84H Thunderscreach , pero en todos los casos la hélice se convierte en el factor limitante.

En primer lugar, para avanzar en el rango de velocidad que menciona con una hélice de tamaño utilizable, sus puntas se volverán supersónicas, lo que presenta problemas en sí mismo. El XF-84H sufrió esto y puede leer por qué fue un problema de ruido.

Además del problema del ruido, simplemente se vuelve más eficiente usar un avión a esas velocidades , por lo que en la práctica es la planta de energía preferida. Muchos de los turbohélices de preformado más importantes de la actualidad invaden fácilmente la velocidad de los aviones ligeros.