¿Qué es y cómo funcionan las hélices contra-rotantes?

¿Has visto anteriormente este diseño? No es un diseño muy conocido, pese a que no es ninguna novedad pues fue patentada en 1907 ¿Cómo funciona? ¿Cuál crees que sea el motivo de su baja aplicación? ¿Cuáles son los beneficios que ofrece el diseño respecto a una hélice convencional?

Una hélice contra-rotativa, o CPR por sus siglas en ingles “contra-rotating propeller”, es un tipo de instalación en el cual dos hélices están conectadas al mismo motor, pudiendo motor recíproco o turbo-hélice (turbo-prop), pero una de ellas está montada inmediatamente detrás de la otra.

¿Qué permite que ambas hélices roten en sentido contrario? Ambas hélices están conectadas al motor mediante un sistema de engranes de tipo planetario. Un engranaje planetario es un sistema de engranes que consistente en uno o más engranajes externos, denominados como planetas, que rotan sobre un engranaje central o sol, el movimiento de los engranes externos sobre el engrane central permite crear otro eje de rotación, pero en sentido opuesto (imagen inferior), obteniendo así ambos ejes de rotación contrario que necesita este sistema. 

La hélice contra-rotante es un diseño que le permite a la aeronave producir mucho más empuje debido al aumento de perfiles aerodinámicos, pero este tipo de hélice proporcionan muchos más beneficios, principalmente respecto a la controlabilidad y aprovechamiento de energía.

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Cuando la aeronave opera a baja velocidad aerodinámica la masa de aire que pasa a través del área de la hélice produce una significante cantidad de flujo tangencial o rotacional de aire, creado por las palas en movimiento de la hélice.  Este flujo rotacional es, en esencia, energía desperdiciada que adicionalmente produce problemas de control cuando el aire golpea el estabilizador horizontal, generando que la aeronave realice un movimiento de guiñada (movimiento alrededor del eje vertical de la aeronave) a la derecha o izquierda, dependiendo del sentido de rotación de la hélice. El uso de una hélice inmediatamente por detrás aprovecha todo ese flujo rotacional, resultando en un gran aumento del desempeño de la aeronave.

Otro problema que se presenta en un diseño de hélice convencional es el efecto del torque producido por el movimiento del motor y la hélice. Para entenderlo bien debemos citar la tercera ley de Newton “Con toda acción ocurre siempre una reacción igual y contraria: quiere decir que las acciones mutuas de dos cuerpos siempre son iguales y dirigidas en sentido opuesto”, entonces si el grupo propulsor giran en un sentido generará movimiento inducido en la aeronave, pero en sentido opuesto, para que quede claro utilizaremos el siguiente ejemplo, en un Cessna 172 la hélice se mueve en el sentido de las manecillas del reloj, visto desde el interior de la aeronave, lo que significa que el torque producido en esta aeronave inducirá un movimiento sobre su eje longitudinal (alabeo) en el sentido anti horario.

Ya que conocemos las bondades del diseño de hélice contra-rotante ahora corresponde pasar a conocer su lado oscuro.

El problema del sonido, indiscutiblemente el usar el doble de hélices que en un diseño normal aumenta considerablemente el ruido producido, el incremento puede ser tal que sea 30 dB (decibeles) más ruidoso que un diseño convencional. Este “pequeño” inconveniente limita su uso en aeronaves de transporte de pasajeros, pese a que existe la posibilidad de usar una especie de ventilador tubular de manera similar al diseño de la imagen inferior. El ventilador tubular maximizaría los beneficios del sistema, aumentando su eficiencia un 94%, sin embargo, aún se sigue analizando esta alternativa, aunque representaría otro problema que es el aumento del peso.

NOTA: Por 1dB de aumento en la medición del ruido aumenta aproximadamente un 10% la intensidad.

Haciendo a un lado los problemas de ruido, lo que restringe que este diseño sea ampliamente usado pese a sus beneficios es sin lugar a duda la complejidad mecánica del sistema y el peso extra que significaría en la aeronave. Sabemos que cuando un sistema es muy complejo significa que el costo de manteamiento será alto, algo que hace que las aerolíneas se decanten por otras aeronaves al momento de la elección de su flota, por otro lado, el diseño de hélice contra-rotante ha sido usado en muchas aeronaves con fines militares, algunos ejemplos son: Tupulev Tu-95 “Bear”, Spitfire MKXIX, Fisher P-75 Eagle y el Antonov An-70.

Artículo redactado por: Rafael Paccieri F.

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