¿Por qué hay tantas formas diferentes de hélices?

El mejor diseño depende de cuál sea tu objetivo. Esto cambia con las condiciones de funcionamiento:

Mejor relación potencia/empuje

Para hélices con carga ligera, esto sería una pérdida inducida mínima. Estas son las hélices de aviones de propulsión humana, molinos de viento o planeadores de motor. La pérdida inducida mínima se logra distribuyendo la circulación elípticamente a través del disco de la hélice, y una consecuencia típica es una pequeña cuerda cerca de las puntas y un bajo número de palas de la hélice. Si desea investigar más sobre esto, le recomiendo que juegue con XRotor de Mark Drela (y tal vez lea esto ). Mark lo usó para diseñar el MLE (abajo, foto de la NASA EC87-0014-8) y la hélice Dedalus.

Empuje máximo a alta velocidad

Las hélices altamente cargadas, que se pueden encontrar en los grandes aviones turbohélice, están menos preocupadas por la pérdida inducida, pero necesitan generar el mayor empuje posible con un área de hélice limitada. El diámetro está restringido para limitar las velocidades de las puntas y, por lo general, las puntas son levemente supersónicas. Para limitar los picos de succión en las palas, el coeficiente de sustentación local debe ser bajo, lo que se logra aumentando la cuerda y el número de palas. Cada vez más, ahora también se usa el barrido de la punta, pero esto aumenta las cargas de torsión en las palas y conduce a la deformación en la operación. Un ejemplo extremo es la hélice P-27 en el turboeje D-27 del transporte An-70 (abajo, imagen de Marina Lystseva).

Hélices de barco

Operan en un medio que es 800 veces más denso que el aire, y la principal preocupación es evitar la cavitación . De nuevo, esto significa limitar los picos de succión y conduce a cuerdas de pala muy altas. Para limitar el calado, las hélices de los barcos deben tener diámetros extremadamente pequeños.

Hélices submarinas

Para submarinos, agregue la emisión mínima de ruido a los objetivos de diseño. El calado mínimo no es una preocupación, por lo que las palas de la hélice son menos rechonchas. Su barrido distribuye el corte a través de la estela de los timones a lo largo del tiempo, lo que ayuda mucho a reducir el ruido.

Las formas elegantes de algunos modelos de hélices de aviones tienen más que ver con el marketing o las creencias vudú no científicas de algunos aficionados. Generalmente, una forma recta funciona mejor.

Un par de puntos extra para aviones con motor de pistón:

El tamaño y la cantidad de palas de la hélice depende principalmente de la potencia de salida del motor. Un apoyo gigante en un motor diminuto no será bueno, porque consume demasiada energía solo para hacerlo girar. Por el contrario, una hélice pequeña en un motor grande desperdiciaría gran parte de la potencia del motor, ya que la hélice se aceleraría demasiado antes de que el motor alcanzara su máximo rendimiento.

Hacer coincidir el tamaño de la hélice con el motor es uno de los desafíos para los diseñadores. Como se mencionó en la respuesta anterior, depende de para qué se utilizará el avión.

Además, la mayoría de las hélices en realidad no mueven la aeronave "empujando" el aire detrás. Si ese fuera el caso, no tendría ningún sentido tenerlos en el borde de ataque del ala o en la nariz; debe colocarlos con aire limpio detrás. La hélice es en realidad un perfil aerodinámico, que produce sustentación utilizando el mismo principio que un ala. La presión negativa se crea en el lado "hacia arriba" de la hélice, por lo que la hélice "tira" del avión hacia adelante.