Hélices contrarrotativas

Aeronaves equipadas con hélices contrarrotativas ( CRP ) ^[1] Las hélices contrarrotativas coaxiales , o hélices de alta velocidad , aplican la potencia máxima de un motor de pistón o turbohélice generalmente único para impulsar un par de hélices coaxiales en contrarrotación . Dos hélices están dispuestas una detrás de la otra, y la potencia se transfiere desde el motor a través de una transmisión de engranajes planetarios o de engranajes rectos . Las hélices contrarrotativas también se conocen como hélices contrarrotativas, ^{[2] [3]} aunque el término hélices contrarrotativas se usa mucho más ampliamente cuando se hace referencia a hélices en ejes no coaxiales separados que giran en direcciones opuestas.

Cuando la velocidad aerodinámica es baja, la masa de aire que fluye a través del disco de la hélice ( empuje ) hace que las palas giratorias creen una cantidad significativa de flujo de aire tangencial o rotacional. La energía de este flujo de aire tangencial se desperdicia en un diseño de una sola hélice y causa problemas de manejo a baja velocidad, ya que el aire golpea el estabilizador vertical , lo que hace que la aeronave se desvíe hacia la izquierda o la derecha, según la dirección de rotación de la hélice. Para aprovechar este esfuerzo desperdiciado, la colocación de una segunda hélice detrás de la primera aprovecha el flujo de aire perturbado.

Una hélice contrarrotante bien diseñada no tendrá flujo de aire rotatorio, empujando una cantidad máxima de aire de manera uniforme a través del disco de la hélice, lo que da como resultado un alto rendimiento y una baja pérdida de energía inducida. También sirve para contrarrestar el efecto de par asimétrico de una hélice convencional (ver factor P ). Algunos sistemas contrarrotantes fueron diseñados para usarse en el despegue para obtener la máxima potencia y eficiencia en tales condiciones, y permitir que una de las hélices se desactive durante el crucero para extender el tiempo de vuelo.

El par motor que ejerce un par de hélices contrarrotativas sobre el avión se anula de manera efectiva.

Se ha descubierto que las hélices contrarrotativas son entre un 6% y un 16% más eficientes que las hélices normales. ^[4]

Sin embargo, pueden ser muy ruidosos, con aumentos de ruido en la dirección axial (hacia adelante y hacia atrás) de hasta 30 dB, y tangencialmente 10 dB. ^[4] La mayor parte de este ruido adicional se puede encontrar en las frecuencias más altas. Estos problemas de ruido sustanciales limitan las aplicaciones comerciales. Una posibilidad es encerrar las hélices contrarrotativas en una cubierta . ^[5] También es útil si se reduce la velocidad de la punta o la carga de las palas, si la hélice de popa tiene menos palas o un diámetro menor que la hélice de proa, o si se aumenta el espacio entre las hélices de popa y proa. ^[6]

La eficiencia de una hélice contrarrotante se ve contrarrestada en cierta medida por su complejidad mecánica y el peso añadido de este engranaje que hace que el avión sea más pesado, por lo que se sacrifica algo de rendimiento para llevarlo. No obstante, las hélices y rotores contrarrotantes coaxiales se han utilizado en varios aviones militares , como el Tupolev Tu-95 "Bear" .

También se están estudiando para su uso en aviones de pasajeros . ^[7]

Aunque varios países experimentaron con hélices contrarrotativas en sus aviones, sólo el Reino Unido y la Unión Soviética las produjeron en grandes cantidades. El primer avión equipado con una hélice contrarrotativa para volar fue en Estados Unidos, cuando dos inventores de Fort Worth, Texas, probaron el concepto en un avión. ^[8]

FW Lanchester patentó una hélice contrarrotante en 1907. ^[9]

Algunos de los aviones británicos de mayor éxito con hélices contrarrotativas son el Avro Shackleton , propulsado por el motor Rolls-Royce Griffon , y el Fairey Gannet , que utilizaba el motor Double Mamba Mk.101 . En el Double Mamba, dos secciones de potencia independientes accionaban una hélice cada una, lo que permitía apagar una sección de potencia (motor) en vuelo, lo que aumentaba la autonomía.

Otro avión naval, el Westland Wyvern, tenía hélices contrarrotativas. El avión de pruebas Martin-Baker MB 5 también utilizaba este tipo de hélice.

Las variantes posteriores del Supermarine Spitfire y Seafire utilizaron el Griffon con hélices contrarrotativas. En el caso del Spitfire/Seafire y de Shackleton, la razón principal para utilizar hélices contrarrotativas era aumentar el área de las palas de la hélice y, por lo tanto, absorber una mayor potencia del motor, dentro de un diámetro de hélice limitado por la altura del tren de aterrizaje del avión . El Short Sturgeon utilizó dos Merlin 140 con hélices contrarrotativas.

El prototipo de avión de pasajeros Bristol Brabazon utilizaba ocho motores Bristol Centaurus que impulsaban cuatro pares de hélices contrarrotativas, y cada motor impulsaba una sola hélice. ^[10]

El prototipo de hidroavión de posguerra SARO Princess también tenía ocho de sus diez motores impulsando hélices contrarrotativas.

En la década de 1950, la Oficina de Diseño Kuznetsov de la Unión Soviética desarrolló el turbohélice NK-12 . Impulsa una hélice contrarrotante de ocho palas y, con 15.000 caballos de fuerza en el eje (11.000 kilovatios), es el turbohélice más potente en servicio. Cuatro motores NK-12 impulsan el Tupolev Tu-95 Bear , el único bombardero turbohélice en entrar en servicio, así como uno de los aviones propulsados ​​por hélice más rápidos . El Tu-114 , un avión de pasajeros derivado del Tu-95, tiene el récord mundial de velocidad para aviones de hélice. ^[11] El Tu-95 también fue el primer bombardero soviético en tener alcance intercontinental. El avión AEW Tu-126 y el avión de patrulla marítima Tu-142 son otros dos diseños propulsados ​​por NK-12 derivados del Tu-95.

El motor NK-12 propulsa a otro avión soviético muy conocido, el Antonov An-22 Antheus, un avión de carga pesada. En el momento de su introducción, el An-22 era el avión más grande del mundo y sigue siendo, con diferencia, el avión con motor turbohélice más grande del mundo. Entre los años 1960 y 1970, estableció varios récords mundiales en las categorías de relación máxima carga útil/altura y carga útil máxima elevada a la altitud.

De menor importancia es el uso del motor NK-12 en el A-90 Orlyonok , un ekranoplano soviético de tamaño medio . El A-90 utiliza un motor NK-12 montado en la parte superior de su cola en T, junto con dos turbofán instalados en el morro.

En la década de 1980, Kuznetsov continuó desarrollando potentes motores contrarrotativos. El NK-110, que se probó a fines de la década de 1980, tenía una configuración de hélice contrarrotativa con cuatro palas en la parte delantera y cuatro en la trasera, como el NK-12. Su diámetro de hélice de 190 pulgadas (4,7 metros) era menor que el diámetro de 220-240 pulgadas (5,6-6,2 m) del NK-12, pero producía una potencia de 21.007 hp (15.665 kW), lo que proporcionaba un empuje de despegue de 40.000 libras-fuerza (177 kilonewtons). ^[12] Aún más potente fue el NK-62, que estuvo en desarrollo durante la mayor parte de la década. El NK-62 tenía un diámetro de hélice y una configuración de palas idénticos a los del NK-110, pero ofrecía un mayor empuje de despegue de 55.000 lbf (245 kN). El NK-62M asociado tenía un empuje de despegue de 64.100 lbf (285,2 kN) y podía entregar 70.700 lbf (314,7 kN) de empuje de emergencia. ^[13] Sin embargo, a diferencia del NK-12, estos motores posteriores no fueron adoptados por ninguna de las oficinas de diseño de aeronaves.

En 1994, Antonov produjo el An-70 , un avión de transporte pesado. Está propulsado por cuatro motores Progress D-27 propfan que impulsan hélices contrarrotativas. Las características del motor D-27 y su hélice lo convierten en un propfan, un híbrido entre un motor turbofán y un motor turbohélice.

Estados Unidos trabajó con varios prototipos, entre ellos el Northrop XB-35 , el XB-42 Mixmaster , el Douglas XTB2D Skypirate , el Curtiss XBTC , el A2J Super Savage , el Boeing XF8B , el XP-56 Black Bullet , el Fisher P-75 Eagle y los cazas VTOL Convair XFY "Pogo" y Lockheed XFV "Salmon" con cola de apoyo y el avión de reconocimiento Hughes XF-11 . El hidroavión Convair R3Y Tradewind entró en servicio con hélices contrarrotativas. Sin embargo, tanto los aviones con motor de pistón como los de hélice con turbohélice estaban alcanzando su apogeo y los nuevos desarrollos tecnológicos como la llegada de los motores puros de turborreactor y turbofán , ambos sin hélices, hicieron que los diseños quedaran rápidamente eclipsados.

El fabricante de hélices estadounidense, Hamilton Standard , compró un Fairey Gannet en 1983 para estudiar los efectos de la contrarrotación en el ruido de la hélice y las tensiones vibratorias de las palas. El Gannet era particularmente adecuado porque las hélices impulsadas independientemente proporcionaban una comparación entre la contrarrotación y la rotación simple. ^[14]

Una empresa austriaca, Sun Flightcraft , distribuye una caja de cambios contrarrotante para su uso en motores Rotax 503 y 582 en aviones ultraligeros y microligeros. El Coax-P fue desarrollado por Hans Neudorfer de NeuraJet y permite que los paracaídas y los aladeltas motorizados desarrollen entre un 15 y un 20 por ciento más de potencia al tiempo que reducen los momentos de torsión. El fabricante también informa de niveles de ruido reducidos en hélices contrarrotantes duales que utilizan la caja de cambios Coax-P. ^{[15] [16] [17]}

Los torpedos como el torpedo Bliss-Leavitt comúnmente utilizan hélices contrarrotativas para brindar la máxima velocidad posible dentro de un diámetro limitado, así como para contrarrestar el torque que de otra manera tendería a hacer que el torpedo gire alrededor de su propio eje longitudinal.

Embarcaciones de recreo: en 1982, Volvo Penta introdujo una hélice contrarrotante para embarcaciones, denominada DuoProp. ^[18] El dispositivo patentado se ha comercializado desde entonces. Después de que las patentes de Volvo Penta caducasen, Mercury también produjo un producto correspondiente, el MerCruiser Bravo 3.

Buques comerciales: En la disposición de maquinaria tradicional, las hélices contrarrotativas son raras, debido al costo y la complejidad.

En 2004, ABB produjo un producto para instalaciones de gran potencia: la hélice delantera está en una línea de eje tradicional, mientras que la hélice trasera está en un ABB Azipod. ^[19]

En niveles de potencia más bajos, los propulsores mecánicos azimutales contrarrotativos son una posibilidad, conveniente para el CRP debido a su construcción inherente de engranajes cónicos. Rolls-Royce y Steerprop han ofrecido versiones CRP de sus productos. ^{[20] [21]}

• Hélices marinas contrarrotativas
• Hélice toroidal ("hélice en bucle")

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• "Dos hélices en tándem que giran en direcciones opuestas proporcionan a los aviones de guerra una nueva velocidad". Popular Science Monthly . Vol. 139, no. 6. Diciembre de 1941. p. 111. ISSN  0161-7370.
• "Avro Shackleton". Aircraft.co.za . Archivado desde el original el 19 de noviembre de 2005.
• Luftfahrtmuseum.com – Más información e imágenes de los contrarrotadores del Fairey Gannet y Shackleton
• Spitfire PR.XIX, startup de Steve Hinton en Chino, California. YouTube . Archivado del original el 22 de diciembre de 2021.
• Historia de las aeronaves que utilizan hélices contrarrotativas (parte 1) – Sociedad histórica de motores de aeronaves
• Historia de las aeronaves que utilizan hélices contrarrotativas (segunda parte) – Sociedad histórica de motores de aeronaves
• Historia de las aeronaves que utilizan hélices contrarrotativas (parte 3) – Sociedad histórica de motores de aeronaves
• Historia de las aeronaves que utilizan hélices contrarrotativas (parte 4) – Sociedad histórica de motores de aeronaves