Transición a aviones complejos hélice de paso variable

Muy buenas Simmers, hoy os traigo algo bastante importante para hacer la transición desde nuestro primer avión, que como siempre recomiendo debería ser un SEP (Single Engine Piston) tipo Cessna 172, 152, Piper PA28 Cherokee, etc… Teniendo ya por la mano un simple mono motor a pistón ya podemos pasar a algo más ”heavy” un mono motor de paso variable y tren retráctil o para los más osados dar el salto directo al bimotor a pistón mejor que turbohélice.

Vamos hoy a centrarnos en el salto a un mono motor de paso variable, explicando los conceptos necesarios para entender que es un paso variable y como funciona, las ventajas, las performances y todo lo necesario para afrontar esta nueva etapa de aprendizaje de la mejor manera posible.

HÉLICE DE PASO FIJO

Las hélices de paso fijo se diseñan para una determinada eficiencia a una velocidad de giro y de avance, este tipo de hélices que son las que hemos usado en nuestros inicios, proporcionan un rendimiento adecuando dentro de un rango de velocidades, no obstante fuera de ese rango pierden considerablemente su eficiencia.

HÉLICES DE VELOCIDAD CONSTANTE

Este tipo de hélice mantienen el angulo de ataque de las palas para una máxima eficiencia en casi todas las fases del vuelo. El piloto controla las RPM del motor por medio de un control indirecto de la hélice (Governor en inglés)

Para el despegue el control de la hélice (palanca azul) se ajusta a la posición de paso fino (totalmente adelante) que nos dará unas altas RPM y el acelerador se mueve totalmente adelante a la presión máxima permitida del colector de admisión (manifold en inglés).

En la imagen superior podemos comprobar el ángulo de ataque de la hélice en paso largo (high pitch) y bajas RPM y en paso fino (low pitch) y altas RPM, la primera figura se correspondería por ejemplo con la posición en crucero y la segunda a la posición en despegue.

Para bajar la potencia en ascenso o crucero, la presión del colector de admisión se reduce mediante el acelerador y las revoluciones del motor se reducen cambiando el paso de hélice hacia lo que se conoce como paso largo y bajas rpm. Por tanto tirando hacia atrás de la palanca azul lo que hacemos es pasar la hélice a paso alto/largo y bajas rpm, aumentando así el angulo de ataque de las palas de la hélice.

¿QUE ES EL GOVERNOR DE UN MOTOR / HÉLICE?

Cuando el motor funciona a velocidad constante, el par (potencia) ejercido por el motor en el eje de la hélice debe igualar la carga de oposición proporcionada por la resistencia del aire. Las rpm se controlan regulando el par absorbido por la hélice aumentando o disminuyendo la resistencia que proporciona el aire al avance de la hélice, esto se consigue gracias al governor, que generalmente va engranado con el cigüeñal del avión y por tanto es sensible a los cambios de revoluciones del motor.

Cuando el avión cambio de vuelo nivelado a ascenso, el motor tiende a disminuir las revoluciones, como el governor es sensible a los pequeños cambios de rpm del motor, disminuye el angulo de la pala, solo lo justo para evitar una caída de revoluciones en el motor. Por el contrario si el avión pasa a descender el governor aumenta el angulo de las palas, para evitar que el motor se pase de vueltas ¿Os suena que esto pase en cualquier simulador de vuelo civil? ¡A mi tampoco! 

Por esto anterior se les conoce como hélices de velocidad constante, ya que siempre hará los pequeños ajustes para mantener unas mismas rpm, tanto en los cambios entre fases de vuelo, como en cambios de velocidad del aire, etc…

VE UN PASO MÁS ALLÁ

Siempre que os propongo un tema como el de hoy, lo hago documentandome de fuentes fiables, sabéis que no soy fan de Wikipedia, páginas web y mucho menos de documentarme en YouTube ya que la información al menos en nuestro mundillo es cuanto menos poco fiable. Por ello como siempre os hago una recomendación, este libro no puede faltar en vuestra colección, para llevar este hobby a un siguiente nivel y aprender sobre aviación. Podéis adquirirlo haciendo click aqui

DESPEGUE, ASCENSO Y CRUCERO

Durante el despegue, cuando el avance del avión es aún a bajas velocidades y la potencia y empuje son máximos, la hélice de velocidad constante, establece un paso fino en las palas. El ángulo de ataque fino mantiene un rendimiento eficiente respecto al viento relativo a baja velocidad. Al mismo tiempo permite que la hélice mueva una masa menor de aire por revolución (el motor va más desahogado) Esta ligera carga permite que el motor gire a mas rpm, el empuje es mayor al principio del despegue y luego disminuye a medida que el avión gana velocidad y la resistencia del avión aumenta.

A medida que la velocidad del aire aumenta después del despegue, la carga del motor es menor debido al bajo angulo de ataque de las palas de la hélice, el governor lo percibe y aumenta ligeramente el ángulo de ataque (AOA) de este modo nuevamente vuelve a ser más eficiente con respecto al viento relativo como vemos en la imagen superior.

Después del despegue y ya en ascenso (climb) se reduce la potencia del motor a potencia de ascenso (consultar tablas de cada avión) y así disminuir la presión del colector de admisión, mientras que bajamos las rpm del motor controlando con la palanca en cabina para paso de hélice (generalmente de color azul)

Ya en crucero con el avión nivelado, se necesita menos energía para producir el empuje, en consecuencia la potencia del motor se reduce de nuevo, bajando la presión del colector de admisión, como hemos visto ya anteriormente, con el acelerador y de nuevo aumentamos el paso de hélice, haciendo mayor el ángulo de ataque de las palas, para disminuir las rpm. La mayor velocidad del aire y el mayor angulo de ataque, permiten manejar una masa de aire mayor, en este punto tendríamos la máxima eficiencia de la hélice en crucero.

CONTROL DEL ÁNGULO DE PALA

Los ajustes de rpm del motor/hélice como hemos dicho anteriormente lo haremos desde cabina con la palanca dispuesta a tal efecto, mientras que el governor hará los ajustes automáticos para mantenerlas. Esto se consigue mediante presión de aceite, generalmente el mismo aceite empleado en la lubricación del motor, el aceite se impulsa mediante una bomba integrada en el propio mecanismo del governor. A mayor presión de aceite mayor velocidad en el cambio de ángulo de las palas. 

Existen diferentes mecanismos para el cambio de paso, generalmente con la presión de aceite se genera el cambio a paso largo y bajas rpm, mientras que un muelle interno o la propia torsión centrífuga vuelven las palas a un paso fino y altas rpm, también se puede pasar a paso fino con la propia presión de aceite, en cualquier caso, explicando esto queda claro el por que se debe hacer una prueba de paso de hélice siempre antes del despegue y con el aceite ya en temperatura operativa.

Teniendo en cuenta el tipo de construcción, una perdida de presión de aceite en el governor, afectará al funcionamiento de la hélice de una manera u otra, no obstante no me extenderé más allá de estas líneas, pues dentro de la simulación aérea todos los ”governor virtuales” funcionan del mismo modo y pocos o prácticamente ninguno a día de hoy hacen una simulación fiel al sistema, quien os diga lo contrario os engaña.

RANGO DE GOBERNACIÓN

En hélices de velocidad constante (paso variable) el ángulo de las palas oscila entre los 11,5º y 40º, cuanto mayor sea la velocidad del avión, mayor será el ángulo de la pala, este rango se conoce como el rango de gobernación, en inglés governing range. El rango de gobernación viene definido por los límites de las palas entre paso fino y paso largo.

OPERACIÓN DE HÉLICES DE PASO VARIABLE

Teniendo en cuenta que después de una exhaustiva búsqueda de documentación y vídeos en español sobre este tema, no he encontrado nada verídico, voy a proseguir ahora explicando como se debe operar un paso variable de hélice.

La puesta en marcha del motor, se hace con el control de hélice (palanca azul) totalmente hacia adelante (paso fino altas rpm), esta posición reduce la resistencia de la hélice y por tanto da como resultado un arranque y calentamiento adecuados para no forzar el motor. Durante el calentamiento total, se opera la hélice con extrema suavidad y lentamente para las pruebas de paso de hélice previas al despegue. Conviene consultar siempre la checklist del avión, pero si no disponemos de ella, podremos hacer estas pruebas alrededor de las 1600 rpm, después suavemente tiraremos del mando hacia atrás y una vez caigan las rpm volveremos a la posición de totalmente delante. El motivo de esta prueba, es comprobar que el sistema funciona correctamente y que por tanto el aceite circula y a su vez pre calentar todo el sistema con el aceite caliente.

Puesto que del vuelo anterior habrá aún aceite dentro del sistema, que se encontrará frio y por tanto no operativo, hay que hacer estas comprobaciones para evitar que el motor pase de rpm durante el despegue al no funcionar el governor, este es otro factor también inexistente en simulación aérea.

Un avión con hélice de paso variable tiene un mejor rendimiento que uno de potencia igual equipado con una hélice de paso fijo, en parte por que la helice de paso variable, puede permitir desarrollar el total de la potencia nominal del motor (linea roja del tacómetro).

En cambio un avión equipado con hélice de paso fijo debe acelerar por la pista para aumentar la velocidad y descarga aerodinámica de la hélice para que las rpm y potencia puedan aumentar hasta su máxima efectividad.

Con la hélice de paso variable al aumentar la potencia al máximo en despegue, la aguja del tacómetro debería llegar como mucho a menos de 40rpm de la  linea roja y mantenerse allí durante todo el despegue, algo que lamentablemente tampoco vamos a ver simulado en el venerado (REP) Reallity Expansion Pack, A2A, etc… La excesiva presión en el colector de admisión eleva la temperatura del cilindro (CHT) lo que puede resultar muy dañino para el motor, una combinación de altas rpm y alta presión del colector puede llevar también a la auto detonación, para evitarlo se debe seguir esta secuencia.

  1. Al aumentar potencia, primero aumentar rpm (paso de hélice fino) y después la presión del colector (gases)
  2. Al disminuir potencia, primero bajar presión (gases) y después disminuir rpm (paso de hélice)

En los AFM y/o POH aparecen las gráficas de potencia en crucero, los datos de presión de colector y rpm son aprobados por las autoridades competentes, por tanto si hay ajustes por ejemplo de 2200 rpm con 23 in/hg de presión de colector, deben seguirse ya que son los parámetros de operación aprobados.

A pesar de que el governor responde rápidamente a los cambios repentinos, su ajuste causas momentos de exceso de velocidad en el motor, hasta que las palas absorben el cambio de potencia. Vamos a repasar los puntos más importantes de este tema antes de continuar…

  1. La linea roja del tacómetro indica las máximas rpm y el punto donde se obtiene toda la potencia nominal del motor.
  2. Una sobre velocidad del motor/hélice puede deberse a mover rápidamente el acelerador para el despegue, no suele ser grave si no se rebasa la línea roja en más de un 10% y durante más de 3 segundos.
  3. El arco verde  indica el rango de operación normal, cuando se desarrolla la potencia por debajo de este rango, podemos recibir daños en el motor.
  4. En aeropuertos más cercanos al nivel del mar, el colector de admisión puede exceder las rpm en despegue, no obstante conviene cerciorarse de que este hecho es normal dentro de los AFM y/o POH del avión y conocer sus límites.
  5. Todos los cambios de potencia han de realizarse, suave y lentamente para evitar excesos de presión de colector y rpm’s.

NOTA FINAL

Esta entrada se ha creado para ayudar a entender el funcionamiento del paso variable dentro de la simulación aérea, no es en absoluto dirigido a la aviación real, para ello diríjase a una escuela de aviación certificada. 

Los datos proporcionados estan consensuados con la lectura de manuales oficiales y/o certificados por la FAA y/o EASA

 

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