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Hélices

Introducción

na hélice es un elemento giratorio de propulsión, habitualmente accionado por un motor. Consiste en una serie de palas equidistantes, dispuestas radialmente y acopladas al eje de un motor que gira a una velocidad uniforme. Se acopla normalmente a una aeronave o embarcación marítima.

Una hélice, al girar, crea un cambio en la presión y velocidad del fluido (aire o agua), y su reacción produce una fuerza de empuje de la nave en la dirección del eje geométrico o de rotación. Pero, una hélice diseñada para una aeronave dista mucho de ser eficaz en un barco y viceversa: mientras que en éste se utilizan hélices con palas anchas y cortas, en un avión tienen que ser estrechas, largas y ligeras.

No obstante, en las aeronaves las hélices tienen una limitación física de difícil solución, relacionada con la máxima velocidad que pueden conseguir, por eso se han desarrollado los motores de reacción, y dentro de éstos una variante: el turboventilador o turbofan, que acopla un tipo especial de hélice ubicada dentro del propio conducto del motor. Por su parte, aunque existen barcos que utilizan propulsión a reacción, la mayoría están equipados con hélices; los reactores marinos están limitados a embarcaciones pequeñas o de baja velocidad.

Dinámica de la hélice

Una hélice funciona de forma similar a como lo hace un tornillo, que al girar se da impulso a sí mismo. Cuando la hélice gira dentro de un fluido (aire o agua) ésta se impulsa a través de él produciéndose un avance.

Las palas que acopla una hélice normal suelen ser de dos a cuatro, todas con la misma forma geométrica: la de una rosca de tornillo. La superficie es similar a la de un ala, y de hecho al girar la hélice se produce un efecto aerodinámico similar, ya que la pala divide la corriente de aire en dos flujos: uno que circula por delante de ella y otro por detrás. El flujo que circula por delante realiza menos trabajo que el que circula por detrás, produciéndose una fuerza que tira de la hélice y por tanto de toda la nave que está acoplada a ella, traduciéndose en un empuje hacia delante.

El ángulo de ataque de las palas de la hélice es un parámetro importante para obtener el mayor rendimiento del motor. Este ángulo no es fijo, sino que debe ser modificado dependiendo de la velocidad del avión. Las hélices de los primeros modelos se diseñaban con un ángulo fijo para un vuelo normal, pero tenían el inconveniente de que en determinadas maniobras, como el despegue y aterrizaje, no entregaban toda la potencia de que eran capaces. Este problema se resolvió añadiendo un mando que, bien fuese en forma manual desde la cabina, o mediante algún sistema automático, permitía cambiar el ángulo de las palas en función de la velocidad que adquiría el aparato.

El ángulo de ataque de las palas de la hélice influye decisivamente en el rendimiento del motor en función de la velocidad

No obstante, el principio físico por el que una hélice permite dar empuje a un avión, en lo que respecta a velocidad, tiene un límite de prestaciones a partir del cual no puede obtenerse mayor rendimiento, pues no se ha conseguido diseñar motores de hélice que permitan superar los 725 km/h., y esta limitación resulta físicamente insalvable.

Otros parámetros importantes en el diseño de una hélice son el avance geométrico, el avance eficiente y la pérdida de transmisión:

• El avance geométrico es la distancia de recorrido que se produce cuando el eje de una hélice gira una vuelta completa. Es equivalente a lo que en un tornillo sería el paso, o distancia entre roscas adyacentes.
• El avance eficiente es la distancia a través del aire o agua que la hélice desplaza en una rotación completa.
• La pérdida de transmisión es la diferencia entre el avance geométrico y el avance eficiente.

Cuando un propulsor opera con un buen rendimiento, significa que existe un avance eficiente y por tanto las pérdidas de transmisión son muy pequeñas. En condiciones teóricas de diseño, siendo el avance geométrico 100%, si no existiese ningún inconveniente físico el avance eficiente también sería 100%, lo que significa una pérdida de transmisión 0, pero en condiciones de trabajo habitual es muy difícil alcanzar esta cifra. En general, el propulsor eficiente consume en la rotación del eje la mayor parte de la energía que produce; en los propulsores aéreos esta efectividad se acerca al 90%, pero en los motores marinos es menor.

Una hélice marina funciona de forma similar a una hélice aérea, aunque su rendimiento es muy inferior (no suele llegar al 60%). Un especial problema en el diseño de una hélice marina es la cavitación, es decir, la formación de vacío entre las secciones de las palas provocada por un desplazamiento excesivo.

Las hélices marinas, aún funcionando de forma similar a las aéreas, tienen sin embargo un rendimiento muy inferior. La cavitación constituye un especial problema en su diseño.

El efecto de la cavitación disminuye el rendimiento del propulsor, y el oxígeno que se forma corroe el material con el que contacta. Además, se manifiesta un ruido excesivo bajo el agua, muy contraproducente en determinadas embarcaciones, como los submarinos.

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