¿Cómo funciona una hélice de velocidad constante?

Antes de comenzar, debo mencionar que las hélices de velocidad constante más básicas fueron impulsadas por el equilibrio de la presión del aire y la fuerza centrífuga. Las palas tenían una forma tal, o estaban equipadas con un contrapeso que haría que la pala se moviera intrínsecamente a un paso poco profundo. Sin embargo, cuando el aire se movía sobre la pala, comenzaba a dominar el contrapeso y empujaba la pala a un paso más alto. Es un diseño bastante ingenioso que significaba que la hélice estaría automáticamente a altas RPM cuando el avión se movía lentamente (despegue, aterrizaje, ascensos) y automáticamente se movería a un tono más alto cuando el avión acelerara para el crucero. Incluso hay una hélice de una sola pala que utilizó este diseño de manera muy eficiente para aviones ligeros. El problema es que este tipo de hélice no es regulable por piloto,

En la primera imagen, observe que la válvula piloto está apoyada directamente sobre los contrapesos (separados por un cojinete). La segunda imagen representa mejor el sistema de válvulas. Entonces vemos que el resorte del acelerador está empujando hacia abajo la parte superior del eje de la válvula piloto, que a su vez descansa sobre los contrapesos.

En primer lugar, el cigüeñal gira los contrapesos, por lo que cualquier cambio en las RPM del motor reacciona inmediatamente.

Hay algunas formas en que la hélice está unida al pistón, y un sistema de engranajes de piñón y cremallera es común y fácil de imaginar. La cremallera está fijada al pistón de modo que cuando se mueve, el piñón de la pala de apoyo gira y, por lo tanto, gira la pala. Otro tipo común usa una clavija que está desplazada desde el centro de la base circular de la hoja. Cuando el pistón se mueve, empuja o tira de la espiga y, debido a que la espiga está desplazada, hace que la hoja se tuerza.

Exceso de velocidad: cuando aumenta la velocidad del aire.

Cuando aumentan las RPM, la fuerza centrífuga hace que los pesos mosca quieran separarse para conservar el impulso. Debido a que tienen forma de L y tienen una bisagra en la esquina, esto hace que la parte inferior se levante, tirando de la válvula piloto hacia arriba y comprimiendo el resorte del acelerador. Cuando se levanta la válvula piloto, se permite que el aceite presurizado de la bomba fluya hacia el cubo de la hélice a través de un tubo que pasa por el centro del pistón del cubo. El aceite llena una cavidad frente al pistón, empujándolo hacia atrás. La pala de apoyo se gira a un paso más alto (más cerca de la bandera) lo que reduce las RPM del motor. Cuando se reducen las RPM, los contrapesos estarán bajo una fuerza centrífuga menor, y el resorte del acelerador los empujará nuevamente al equilibrio (velocidad activada), empujando la válvula piloto hacia abajo para bloquear el tubo de aceite del cubo para que no gane o pierda aceite.

Subvelocidad: cuando la velocidad del aire disminuye.

Cuando las RPM disminuyen, hay menos fuerza centrífuga actuando sobre los contrapesos. Debido a su forma descrita anteriormente, ya no pueden empujar hacia arriba el resorte del acelerador con la misma fuerza que antes, por lo que el resorte comprimido comenzará a expandirse. Esto trae la parte superior de los pesos mosca hacia adentro y la parte inferior hacia abajo. Cuando sus fondos se mueven hacia abajo, la válvula piloto también se mueve hacia abajo y desbloquea el tubo de aceite del cubo. La presión de aceite positiva en la maza y la tendencia incorporada de las palas a querer moverse a un paso bajo empujan el aceite fuera de la maza y de regreso al sistema de aceite. El pistón se mueve hacia adelante y las palas giran a una condición de paso bajo. Los contrapesos no vuelven necesariamente al equilibrio, especialmente si ajustas manualmente el resorte a la máxima compresión con la palanca de apoyo: quieres que el apoyo se mantenga en el paso mínimo pase lo que pase.

Pérdida de presión de aceite:

La presión del aceite empuja constantemente contra la parte inferior de la válvula piloto, tratando de forzarla hacia arriba. El resorte del acelerador está resistiendo, y mientras los contrapesos están en velocidad, todo el sistema está en equilibrio con la válvula bloqueando el tubo del cubo. Cuando pierde presión de aceite, esa presión ya no mantiene la válvula hacia arriba y el resorte del acelerador ganará, empujando la válvula hacia abajo y permitiendo que el aceite fluya fuera del cubo. Esto restablece la hélice a la configuración de ascenso de paso bajo, lo que nos brinda la máxima potencia porque es más útil que la velocidad máxima en la situación de emergencia que probablemente esté a punto de ocurrir.

entonces por qué hacemos esto?

Todas las hélices están colocadas en un paso. Teóricamente, una hélice se inclina para avanzar una cierta distancia en cada revolución, al igual que un tornillo que se mueve a través de la madera. Pero a diferencia de la madera, el aire es fluido y difícil de agarrar. Si imagina atornillar un tornillo en una tabla, la única forma de hacerlo más rápido es girarlo más rápido. Esto se debe a que el paso del tornillo es fijo. Si pudiera espaciar los peldaños del tornillo (aumentar el paso), el tornillo se movería más rápido a través de la madera, pero sería mucho más difícil girarlo.

La hélice de un avión funciona de la misma manera. Cuando despegamos por primera vez, necesitamos impartir la máxima potencia en el aire y no importa si no avanzamos mucho en cada revolución, porque de todos modos no vamos muy rápido. Solo queremos mover la mayor cantidad de aire posible. Pero llegaremos a un cierto punto en el que la única forma de acelerar es aumentar el número de revoluciones de la hélice, y eso no es práctico con nuestros motores. La única alternativa es cambiar el paso de la pala. Lo cambiamos a un paso que nos permite avanzar una mayor distancia con cada revolución, a cambio de que se imparta menos potencia al aire en cada revolución. Afortunadamente, no necesitamos bombear tanta energía, solo la suficiente para evitar que disminuyamos la velocidad.

Si le gustan los números, imagine que tenemos un motor y una hélice que teóricamente (con una eficiencia perfecta) avanza 1 pie por cada revolución, y puede hacer 1 revolución por segundo, dando una velocidad máxima de avance de 1 pie por segundo. Eso está perfectamente bien cuando estamos despegando: podríamos estar avanzando a 0,5 fps, y tenemos algo de aire que sopla hacia atrás a 0,5 fps. Cuando nos nivelamos en el crucero, estamos atascados en 1 fps. Pero queremos ir a 3 fps y sabemos que nuestro fuselaje puede manejarlo. La opción más fácil es hacer girar el motor tres veces más rápido, pero desafortunadamente eso haría que algunos pistones salieran volando de la cubierta. Así que tenemos que cambiar el paso de la hélice a uno que avance 3 pies por cada revolución, de esa manera sigue girando al mismo ritmo, pero nos hará avanzar tres veces más. O más probablemente nosotros ¡Sigue yendo a 1 fps pero solo 1/3 RPM y quemando 1/3 del combustible! Es aquí donde puede ver el problema: si estamos quemando 1/3 del combustible, solo estamos impartiendo 1/3 de la energía al aire a través de la hélice, y no hay forma de que podamos escalar o acelerar rápidamente (si en todos) en ese ajuste.

Una última forma de pensar en ello es como los engranajes de un automóvil. Su transmisión le permite, a 1500 RPM, ir 10 mph o 60 mph o cualquier velocidad intermedia. El problema es que si intenta acelerar de 10 mph a 60 mph mientras mantiene 1500 RPM, tomará mucho más tiempo que si tuviera que subirlo a 2500 RPM. Las marchas altas son excelentes para navegar y mantener la velocidad, pero no son excelentes para acelerar. Le permiten mantener sus RPM bajas, su torque bajo y su consumo de combustible bajo, porque no necesita esa energía adicional. Un tono de apoyo alto es exactamente lo mismo.

Una nota sobre los aviones multimotor:

Son justo lo contrario de los solteros. Donde los sencillos requieren una presión de aceite positiva para aumentar el paso de las palas, los multis requieren una presión positiva para disminuirlo. Esto se debe a que, en un multi, desea que la hélice se coloque en bandera automáticamente si pierde presión de aceite (debido a una falla del motor). Esto elimina una cantidad significativa de resistencia de ese lado de la aeronave.

Están equipados con un resorte o una carga de nitrógeno en el cubo que está presurizado, empujando el pistón del cubo hacia atrás a la posición de bandera. El gobernador de la hélice funciona de la misma manera, pero la válvula piloto dirige el aceite para empujar contra la parte posterior del pistón, moviéndolo hacia adelante y comprimiendo el resorte/nitrógeno, moviendo la hélice a un paso más bajo.

Algunos también están equipados con un acumulador de desplumado. Se trata de una botella con un pitón en la parte superior (también cargada de nitrógeno) que se llena de aceite cuando el motor está en marcha. Cuando saca la hélice de altas RPM, la botella se sella del resto del sistema. Si pierde presión de aceite, la hélice se pondrá en bandera como se supone que debe hacerlo, pero aún habrá aceite presurizado en el acumulador. De esa manera, si logra solucionar los problemas de su motor, puede empujar la palanca de propulsión hacia adelante, abrir la válvula del acumulador y el nitrógeno presurizado forzará la salida del aceite de la botella para poner todo el sistema bajo presión positiva. durante unos segundos. Esta presión positiva mueve el pistón del cubo hacia adelante y despliega la hélice.

Ahora podrías pensar: "Si los multis empluman cuando pierden presión de aceite, ¿por qué todos esos gemelos en la rampa están sentados allí con accesorios de tono bajo?" Bueno, tienen pasadores de bloqueo centrífugos que desaparecen cuando las RPM del motor son lo suficientemente altas. Si baja, volverán a caer en una ranura alrededor del pistón del cubo o su eje y lo bloquearán en un estado de paso bajo. Sin embargo, este no es un sistema infalible, porque se sabe que los pasadores se pegan y se sabe que hay personas que apagan el motor con la palanca de propulsión a menos de su posición total hacia adelante. En ese caso, debe contratar a algunos tipos fuertes para girar manualmente la hélice hacia atrás, o debe desperdiciar una parte de la preciosa vida de su motor de arranque girando el motor para crear presión de aceite para desvanecer la hélice.

En turbohélices:

Aunque puede variar de un motor a otro, los turbohélices utilizan sistemas similares a los de los aviones multimotor, pero a presiones mucho más altas y con la capacidad de entrar en modo beta (paso inverso). Eso presenta problemas principalmente porque el motor se sobreacelerará muy rápidamente con el paso de las palas en 0 y la hélice no generará empuje/carga. No voy a intentar explicarlo porque nunca he trabajado con uno. Sin embargo, este tipo parece hacer un buen trabajo.