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Aerospace propeller useful for diesel engines with extreme excitation of vibrations

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Diseños innovadores de hélice para motores aeronáuticos a gasoil

Los motores a pistón son la opción más eficaz para las aeronaves pequeñas y los alimentados con gasoil son incluso mejores, pero para utilizarlos es necesario optimizar el diseño de las hélices.

Transporte y movilidad

La mayoría de las aeronaves pequeñas emplean motores a pistón y gasolina similares a los de los coches, pero estos pueden resultar poco óptimos para uso aeronáutico. Una alternativa mejor es el diseño de compresión-ignición o diésel. Estos motores funcionan mediante la ignición por compresión de la mezcla de combustible y aire. La ratio de compresión mayor de los motores diésel permite aprovechar más la energía contenida en el combustible, lo que implica una mayor eficacia en la quema y un menor consumo. La simplicidad de los motores a pistón y su menor consumo suponen una reducción del peso y un aumento de la eficacia general de la aeronave, y en consecuencia unas credenciales medioambientales y costes operativos más adecuados. Un motor diésel aeronáutico utiliza combustible de aviación con menor volatilidad, lo que aumenta la seguridad operativa. El empleo de este tipo de motores en aeronaves es por todo ello muy recomendable. No obstante, antes de lograrlo, es necesario diseñar una hélice nueva que resuelva los problemas con este tipo de motor. El proyecto desarrollado con fondos europeos ARGOS se dedicó a esta labor.

Problemas abordados

El primer problema de los motores diésel con combustible de aviación es que operan de manera irregular en relación a los diseños convencionales. La distribución desigual del par provoca vibraciones y por tanto la fatiga del motor, lo cual reduce su vida útil y aumenta el riesgo de avería. El segundo problema es que el diseño de la hélice debe ajustarse a la perfección con el tipo de motor. El empleo de una hélice diseñada para un motor de gasolina en un motor diésel multiplica el problema de la fatiga, además de contribuir a la ineficacia. Los socios del proyecto experimentaron en un primer momento con la neutralización de las vibraciones mediante un dispositivo amortiguador. En un coche es la caja de cambios la encargada de esta función. No obstante, el equipo desestimó esta opción en parte porque el motor objetivo es de transmisión directa y carece de un equivalente a la caja de cambios. Por esta razón se dedicó al rediseño de la hélice, que además permitiría controlar la complejidad y reducir la masa del tren de transmisión. Se comprobaron varias combinaciones de motores, formas de hélices y materiales. «Los resultados más importantes del proyecto fueron los datos obtenidos en los experimentos», explica Vilém Pompe, coordinador del proyecto. «Es fácil decir que un motor diésel opera de manera irregular, pero ¿en qué medida y por qué?». El proyecto ARGOS cuantificó la reacción de la hélice en motores de gasolina y gasoil.

Diseño de un nuevo prototipo

Los resultados de las pruebas contribuyeron al diseño de un prototipo completamente nuevo de hélice optimizado para motores diésel. «Nuestra solución implicó la instalación de cojinetes de retención en los álabes de la hélice, los cuales absorben las vibraciones. Además, encontramos materiales adecuados para los álabes y el buje de la hélice que absorben también la energía», añade Pompe. La hélice nueva es más pesada y sólida que las diseñadas para los motores de gasolina a igualdad de potencia. Pero a pesar del exceso de peso, la hélice nueva incluye muy pocas hendiduras o concentradores de estrés. El diseño resultante es más sencillo que las alternativas para los motores de gasolina, y sus costes de producción son equivalentes. Después de las primeras pruebas de diseño y una vez fabricado y validado el prototipo, las pruebas prosiguen tras la finalización del proyecto. El equipo al cargo se propone certificar por completo un diseño basado en el prototipo y comercializar sus resultados. Las pruebas continuas realizadas dieron lugar a un prototipo ligeramente distinto que ya se encuentra en fase de producción y que será el que se emplee en el proceso de certificación. La intención es realizar vuelos de pruebas con la hélice cuanto antes. El rediseño de hélice de ARGOS logrará un uso más eficiente de los motores diésel en la aviación y al mismo tiempo logrará que las aeronaves pequeñas sean más económicas y respetuosas con el medio ambiente.

Palabras clave

ARGOS, hélice, diseño, motor diésel, prototipo, aeronave pequeña, aviación

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27 Septiembre 2019