Apuntes_turbohélices

Vista previa del material en texto

ESCUELA DE INGENIERÍA AERONÁUTICA Y DEL ESPACIO 
 
 
DEPARTAMENTO DE MOTOPROPULSIÓN Y 
TERMOFLUIDODINÁMICA 
 
 
 
 
 
TURBOHÉLICES Y SU OPRIMIZACIÓN 
 
 
 
 
 
 
J. L. Montañés 
Madrid, 12-03-11 
 
 
http://www.upm.es/sfs/Rectorado/Gabinete del Rector/Logos/EI_AERONAUTICA_ESP/2eiae1bn.bmp
EIAE/DMT JLMG/07/270700 
Turbohélices y su optimización Página 1 
 
7. TURBOHÉLICES Y SU OPTIMAZACIÓN 
 
 
1.- INTRODUCCIÓN 
Como se ha visto anteriormente, los aerorreactores en vuelo subsónico tienen un rendimiento 
global muy bajo. El rendimiento motor tiene valores aceptables en todo el rango de velocidades de 
funcionamiento del aerorreactor. No obstante, en vuelo subsónico, la velocidad de salida que producen es 
mucho mayor que la velocidad de vuelo, obteniéndose un rendimiento propulsivo muy bajo. Esto se 
refleja en un consumo específico de combustible alto. 
Para resolver ese problema, es necesario extraer potencia a los gases generados en el 
turborreactor; para ello, se instala una turbina antes de la expansión en la tobera de salida; de esta forma, 
la velocidad de salida de dichos gases disminuirá, produciéndose una propulsión más eficiente. Esto 
producirá, claro está, una disminución de impulso y la consiguiente pérdida de empuje para un gasto 
dado, pero, en la nueva turbina instalada, se tiene una potencia mecánica disponible que se puede invertir 
en alimentar un sistema propulsivo de mejor rendimiento que el “chorro”. El sistema propulsivo es una 
hélice propulsora, que recibe la potencia mecánica extraída de la turbina y proporciona una fuerza de 
propulsión adicional: la tracción. Así aparece el turbohélice, TH, un sistema mixto de propulsión, ya que 
propulsa utilizando un “chorro” y una hélice. Por consiguiente, se obtiene un empuje sobre las paredes 
internas del turborreactor y una tracción en las palas de la hélice (Fig. 1). 
 
Fig. 1 
La hélice es un sistema propulsor de gran rendimiento, alrededor de 0,8, e independiente de la 
velocidad de vuelo. La velocidad que ve la pala de hélice es la debida a la composición del movimiento 
de avance del avión y la de giro. Para obtener una tracción elevada, es necesaria grandes longitudes de 
pala, esto produce grandes velocidades lineales en la punta de las palas debido al giro de las mismas. Por 
lo tanto, con pequeñas velocidades de avance del avión (≅ 400 km/h) se obtienen velocidades relativas 
V9 
Wh 
EIAE/DMT JLMG/07/270700 
Turbohélices y su optimización Página 2 
 
hélice-aire supersónicas en la punta de la pala (extremo exterior), que producen una caída del rendimiento 
por efectos de compresibilidad y finalmente la hélice deja de producir tracción (Fig. 2). Este problema es 
el causante de que los turbohélices sólo sean utilizables en el rango de velocidades de vuelo subsónicas 
bajas (hasta M0≅ 0,6) 
 
Fig. 2 
Las revoluciones de trabajo de las hélices son bastante más bajas que las de las turbinas de los 
turborreactores. Ello obliga a instalar un reductor entre ambas, a pesar del incremento de peso que 
adquiere el sistema. Además, el margen de variación de las revoluciones de la hélice es muy pequeño, 
más que el de las turbinas; así que hay que instalar un sistema de control que actúe sobre el paso de la 
hélice para conseguir que la hélice trabaje prácticamente a vueltas constantes. 
Como se puede apreciar, el turbohélice es un sistema más complejo y delicado que el turborreactor 
dado que 
- aumenta el número de escalones de la turbina 
- necesita un reductor 
- el sistema de control es más complicado 
Los turbohélices suelen ser biejes y es posible encontrarnos las siguientes configuraciones: 
- Con una turbina para el compresor de alta, y la otra para el compresor de baja y la hélice. 
- Con una turbina para el compresor y otra para la hélice; en este caso, se llama de turbina libre 
y es la configuración típica de los turboejes, TE, sistemas utilizados en helicópteros, que 
producen solamente potencia mecánica de salida. Es despreciable, por tanto, la energía 
cinética en el chorro de salida. 
Algunos tipos de configuraciones aparecen en el Apéndice I, al final del capítulo. 
EIAE/DMT JLMG/07/270700 
Turbohélices y su optimización Página 3 
 
2.- CARACTERÍSTICAS DEL CICLO DE UN TURBOHÉLICE 
El turbohélice comparte el ciclo de turborreactor hasta la turbina que da potencia al compresor 
(estación 45). Desde la entrada hasta la estación 45, los parámetros que definen la evolución son, como en 
el caso del turborreactor, la relación de compresión, πc, y la temperatura fin de combustión, T4t, además 
de las condiciones de vuelo y las calidades (rendimientos y pérdidas de presión de remanso) de los 
componentes. A partir de ahí, estación 45, empiezan las diferencias ya que el turbohélice tiene una turbina 
caracterización del ciclo, como puede ser la potencia por unidad de gasto extraída, o algo similar. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Para una T4t y π23 dados, el ciclo de un 
turbohélice es similar al del turborreactor 
hasta el punto 45t que es el de salida de la 
turbina que mueve el compresor. A partir de 
aquí, es necesario conocer la potencia que se 
extrae en la turbina, Wt, y se emplea en 
mover la hélice, Wh, para obtener las 
condiciones a la salida de las turbinas, 5t, y 
finalmente conocer la característica 
propulsiva que es capaz de dar el chorro, V9. 
Aplicando la ecuación de la energía entre la corriente sin perturbar, estación 0, y la sección de salida, 
estación 9, se obtiene 
( )
2 2
9 0
9 02 h
V VcL G G h h W
 −
= + − + 
 
 , (1) 
donde Wh es la potencia que se extrae de la turbina para la hélice. El rendimiento motor se expresa, en 
este caso, como 
( )2 212 9 0Potencia Mecánica Producida
Potencia Calorífica Consumida
hTH
M
W G V V
cL
η
+ −
= = , (2) 
si se trata de un turboeje, se tiene TE hM
W
cL
η = 
Llamando E al empuje y T a la tracción, la potencia útil que se obtiene del turbohélice es 
0 0uW TV EV= + . (3) 
Wt (Wh) 
9’ 
5’ 
T9; P0 
 
T45t; P45t 
T5t; P5t 
T 
S 
EIAE/DMT JLMG/07/270700 
Turbohélices y su optimización Página 4 
 
El rendimiento propulsivo de la hélice es lo que se conoce como rendimiento de la hélice, ηh, y se 
expresa como 
0
h
h
TV
W
η = . (4) 
El rendimiento global o motopropulsor será 
0 0 0Potencia Útil
Potencia Calorífica Consumida
h h
MP
EV TV EV W
cL cL
ηη + += = = , (5) 
y el rendimiento propulsivo 
( ) ( )
0 0 0
2 2 2 21 1
2 29 0 9 0
h hMP
p
M h h
EV TV EV W
W G V V W G V V
ηηη
η
+ +
= = =
+ − + −
 . (6) 
Como se puede comprobar, para un turboeje, el rendimiento propulsivo es el rendimiento de la 
hélice. 
La temperatura de remanso en la estación 5t, salida de turbinas, se obtiene en función de la potencia 
que se quiere en la hélice 
( )45 5h m t pe t t mW W GC T Tη η= = − , (7) 
donde ηm es el rendimiento mecánico del reductor. La presión en 5t se conoce utilizando el rendimiento 
adiabático de la turbina, ηt. 
En un turbohélice, cada kg/s de aire que pasa por el motor proporciona del orden de 300 CV. Si se 
transforma en turborreactor se obtendrían unos 600 N de empuje. Así pues un turborreactor pequeño, de 
unos 10 kN de empuje, daría alrededor de 5000 CV como turbohélice. De esto, se deduce que los 
turbohélices derivan de turborreactores pequeños que tienen que funcionar a altas revoluciones, del orden 
de 20000 – 30000 rpm; por tanto, se hace necesario la utilización de grandes reductores(aproximadamente 10:1) para bajar al régimen de las hélices, alrededor de 1500 rpm, lo que produce unas 
pérdidas mecánicas del orden del 3 – 4%, siendo entonces ηm del orden de 0,97 – 0,96. También es 
normal utilizar compresores centrífugos sobre todo en el eje de alta. 
Igual que en un turborreactor, la velocidad de salida de los gases es 
( )
1
0
9 5 9 5
5
2 2 1
e
e
pe t pe t
t
PV C T T C T
P
γ
γ
− 
  = − = −      
 . (8) 
EIAE/DMT JLMG/07/270700 
Turbohélices y su optimización Página 5 
 
En este caso, debido a la enorme potencia que se extrae para la hélice, la expansión en la tobera de 
salida suele ser subcrítica y la velocidad de salida, por tanto, subsónica. El empuje será 
( )9 0E G V V= − . (9) 
En función de la potencia que se emplee para la hélice se obtendrán diferentes potencias útiles. La 
pregunta que podría hacerse es ¿para una condición de vuelo (altitud y velocidad) y un ciclo (T4t y π23 
conocidos) dados, habrá una potencia, Wh*, que máximice la potencia útil por unidad de gasto?. De 
existir, como es en este caso, se obtendrá un consumo específico mínimo ya que el consumo de 
combustible por unidad de gasto es independiente de la potencia extraída del ciclo. 
 
3.- OPTIMIZACIÓN DE LA POTENCIA DE LA HÉLICE 
La potencia útil por unidad de gasto, se puede poner en función de los parámetros del ciclo de la 
forma siguiente 
( ) ( ) ( )( )0 0 9 0 0 45 5 5 9 0 02u h h pe t t m h pe tW TV EV W V V V C T T C T T V VG G G
η η η+= = + − = − + − − . 
Utilizando el rendimiento de la turbina que mueve la hélice, ηt y suponiendo que 5 9 5' 9't tT T T T− ≈ − , 
la expresión anterior queda 
( ) ( )( )
( ) ( )( ) ( )
45 5' 5 9 0 0
45 5' 5' 9' 0 0 0 4 23 5'
2
2 , , , , , ,
u
pe t t tr h pe t
pe t t tr h pe t t t t m h
W C T T C T T V V
G
C T T C T T V V f V T T
η η
η η π η η η
= − + − − ≈
≈ − + − − =
 
Donde se ha llamado rendimiento de transferencia, ηtr, al producto del rendimiento de la turbina, ηt y el 
del reductor, ηm ( tr t mη η η= ) 
Tal y como se enunció el problema, para un ciclo de turborreactor dado (conocida la relación de 
compresión, πc, y la temperatura fin de combustión, T4t), el único parámetro libre, que da la potencia de 
la hélice por unidad de gasto, es la temperatura T5’t. Así que se va a calcular el turbohélice óptimo 
derivado del turborreactor base. El valor de T t5'
* que maximiza la potencia útil por unidad de gasto, para el 
turborreactor base, se obtiene de las siguientes expresiones 
EIAE/DMT JLMG/07/270700 
Turbohélices y su optimización Página 6 
 
( )
( )
5'
0
*
5' 9'
2
* 0
5' 9' 2 2
0
2
0
2 2
2
u
t
pe
pe tr h
pe t
t
pe tr h
d W G
dT
C V
C
C T T
VT T
C
η η
η η
=
− + =
−
= +
 . (10) 
Usando el valor óptimo *5'tT se obtienen los siguientes valores característicos del turbohélice 
*
* 20 0
9 0
* 2 2
2 20 0
2 2 2 2 2
* 2
2 20
0 2 2 2
1 1
11
2 2
1 11 1
2
tr h tr h
h tr tr
tb tb
tr h tr h tb
u tr
tb
tr h tr h tb
V E VV V
G
W V VV V
G V
W VV V
G V
η η η η
η η
η η η η
η
η η η η
 
= ⇒ = − 
 
   
= − = −   
   
   
= − + −   
   
 , (11) 
donde el ‘*’ indica los valores en el punto óptimo, y ( )2 45 9'2tb pe tV C T T= − es la velocidad de salida del 
turborreactor base o lo que es lo mismo del turbohélice si actuara como turborreactor (Wh = 0). Usando la 
V0 y la energía cinética por unidad de tiempo referente a la velocidad de vuelo (½GV02) para 
adimensionalizar, los valores óptimos (11) quedan 
( )
( )
( )
* *
9 0
2
0 0
* 2
2 2 22
00
* 2
2 2 22
00
1 12 1
2
1
2
1 12 1
2
tr h tr h
h tb
tr
tr h
u tb
tr
tr h tr h
V E V
V GV
W V
VGV
W V
VGV
η η η η
η
η η
η
η η η η
 
= ⇒ = − 
 
 
= − 
 
   
= − + −   
   
 
Como se puede observar, además de los rendimientos, el único parámetro que interviene en los 
valores óptimos es la relación entre las velocidades de salida del sistema como turborreactor y la 
velocidad de vuelo. 
( ) ( )
2* * * 2
9
2 2 2 2 2 2 22 2
0 00 0
1 11 1
2 2
mecánica h tb
tr
t m h tr h
W W V V
V VGV GV
η
η η η η η
    
 = + − = − + −   
     
 
Se puede comprobar que si los rendimientos de transferencia de potencia (ηm y η t) fueran la 
unidad, la potencia mecánica sería la misma que la del turborreactor. 
EIAE/DMT JLMG/07/270700 
Turbohélices y su optimización Página 7 
 
A modo informativo, a continuación, se presentan los valores óptimos adimensionalizados con la 
velocidad del turborreactor base y con la potencia obtenida con dicha velocidad, ½GVtb2: 
( )
( )
( )
* * 2
9 0 0 0
22
* 2
0
2 2 2 22
* 2 2
0 0
2 2 2 2 22
1 12 1
2
11
2
1 12 1 1
2
tb t m h tb t m h tbtb
h
t m
t m h tbtb
u
t m
t m h tb t m h tbtb
V V E V V
V V VGV
W V
VGV
W V V
V VGV
η η η η η η
η η
η η η
η η
η η η η η η
 
= ⇒ = − 
 
 
= − 
 
   
= − + −   
   
 
( ) ( )
2* * * 2 2
9 0 0
2 2 2 2 2 2 2 2 22 2
1 11 1 1
2 2
mecánica h
t m
tb t m h tb t m h tbtb tb
W W V V V
V V VGV GV
η η
η η η η η η
    
 = + − = − + −   
     
 
El rendimiento propulsivo del turbohélice sería 
2
2 2 2
0
2
2 2 2 2 2
0
1 12 1
1 1 1
tb
tr
tr h tr h
P
tb
tr
tr h tr h
V
V
V
V
η
η η η η
η
η
η η η η
   
− + −   
   =
 
− + − 
 
 
Si los rendimientos de transferencia y de la hélice fuera la unidad, toda la potencia mecánica se 
invertiría en propulsión y el rendimiento de propulsión del sistema sería uno. 
Un parámetro que se suele utilizar en turbohélices es λ y se define como 
5 9
45 9( )
t
t
T TPotencia comunicada al chorro de salida
Potencia total disponible hélice chorro T T
λ −= =
+ −
 , 
Su homónimo “ideal”, λ’, sería 5' 9'
45 9'
' t
t
T T
T T
λ −=
−
 y el valor óptimo valdría 
2
* 5' 9' 0
2 2 2 2
45 9'
1' t
t t m h tb
T T V
T T V
λ
η η η
−
= =
−
 . (12) 
El valor de λ se encuentra entre 0 y 1, y marca el tipo de turbohélice que se tiene. Un valor cercano a 
0 indica que el sistema está propulsado principalmente por la hélice, da mucha tracción y poco empuje. Al 
contrario, con un valor cercano a 1, el sistema se propulsa principalmente por chorro, da mucho empuje y 
poca tracción. Por consiguiente, valores pequeños de λ indican que la potencia transferida a la hélice, y 
que se extrae del ciclo, es muy grande. 
EIAE/DMT JLMG/07/270700 
Turbohélices y su optimización Página 8 
 
Para el caso de un turbohélice con los valores de rendimientos siguientes: 0,9tη = ; 0,98mη = ; 
0,8hη = ; se representa, en la Fig. 3, la velocidad de salida óptima adimensionalizadas con la velocidad 
de vuelo V0 y con la velocidad del turborreactor base, Vtb en función de V0/Vtb. Como se puede observar 
la velocidad de salida óptima crece linealmente con la vuelo hasta alcanzar la velocidad del turborreactor 
para una velocidad de vuelo límite igual a 1/(ηtηmηh) (≈ 0,7) de la velocidad del turborreactor. 
 
 
Fig. 3 
En la Fig. 4, se representan las potencias adimensionales óptimas útil del empuje y de la hélice, en 
función de V0/Vtb. También, para comparar, se ha representado las potencias adimensionalizadas con 
½GVtb2. Como se puede apreciar, conforme aumenta la velocidad vuelo la propulsión óptima consiste en 
enviar menos potencia a la hélice y propulsar más por medio del empuje, lo que equivale a tener un 
chorro más energético. Esto está de acuerdo con lo visto hasta ahora en turborreactores de que la 
0.2 0.30.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
1
1.05
1.1
1.15
1.2
1.25
1.3
1.35
1.4
1.45
V0/Vtb
V
9/
V
0
Velocidad de Salida del Turbohelice Optima
EIAE/DMT JLMG/07/270700 
Turbohélices y su optimización Página 9 
 
propulsión por chorro es más eficiente conforme la velocidad de vuelo es mayor. Cuando se alcanza la 
que se ha denominado velocidad de vuelo límite, toda la energía del sistema se invierte en el chorro ya 
que en estas condiciones de vuelo el rendimiento propulsivo del chorro es mayor que el rendimiento de la 
hélice. 
 
 
Fig. 4 
Todo lo dicho anteriormente se puede apreciar en la Fig. 5, donde se ha representado el parámetro 
λ’ en función de V0/Vtb que, como antes se mencionó, indica la potencia que se invierte en el chorro de la 
disponible para propulsión en el turborreactor. 
Valores bajos de λ’ indican propulsión por hélice principalmente, mientras que valores altos se 
corresponden con plopulsión debida fundamentalmente a chorro. Los límites de λ’ cero y uno representan 
propulsión debida únicamente a hélice o chorro respectivamente. 
0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
V0/Vtb
P
ot
en
ci
as
/(G
V
02 /
2)
Potencias Adimensionales Optimas
EV0
Ph
EIAE/DMT JLMG/07/270700 
Turbohélices y su optimización Página 10 
 
 
Fig. 5 
El rendimiento propulsivo se presenta en la Fig. 5bis comparado con el del turborreactor de flujo único, se 
puede apreciar cómo, cuando aumenta la velocidad de vuelo, el rendimiento propulsivo del turbohélice es 
similar al rendimiento de la hélice (un poco por encima) y que el rendimiento propulsivo del turborreactor 
que aumenta con la velocidad de vuelo se va aproximando al del turbohélice hasta una velocidad de vuelo 
en donde ambos son iguales. Para esa velocidad de vuelo, el turbohélice óptimo sería aquel que no envía 
potencia a la hélice. Para velocidades de vuelo mayores, la solución óptima sería la del turborreactor. El 
valor de la velocidad de vuelo para la cual la solución óptima es el turborreactor sería mayor cuanto 
mayor fueran los rendimientos de la hélice y los que intervienen en la transferencia de potencia a la hélice 
(ηt y ηm). 
 
Fig. 5bis 
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
V0/Vtb
et
a p
Rendimiento de la Propulsión
TH
TB
EIAE/DMT JLMG/07/270700 
Turbohélices y su optimización Página 11 
 
Es interesante saber la ganancia de potencia útil obtenida en un turbohélice diseñado con sus 
valores óptimos respecto a la del turborreactor básico de donde deriva. El cociente entre ambas potencias 
es 
( )
2 2
0 0
2 2 2 2 2* * *
0 0
0 0 0 0
1 11 1
2
1
t m
t m h tb t m h tbu
tb
u tb
tb tb
V V
V VP E V T V
P G V V V V V
V V
η η
η η η η η η
   
− + −   
+    = =
−  
− 
 
 . (13) 
En la Fig. 6, se representa el cociente entre ambas potencias en función de V0/Vtb. Como se puede 
apreciar, la ganancia de potencia útil es tanto mayor cuanto menor es la velocidad de vuelo y mayor la 
velocidad de salida como turborreactor, lo que equivale a que el turborreactor base sea “más potente”. 
En la Fig. 6, se representa, también, la zona de vuelo típica (alrededor de Mach de vuelo de 0,6) 
de los turbohélices con una T4t de 1500 K y relación de compresión de 15:1. En este caso la potencia útil 
óptima del turbohélice es alrededor de 1,8 veces la potencia útil del turborreactor. 
 
 
Fig. 6 
Para estos turbohélices en las Figs. 7 y 8, se presentan los mismos valores óptimos anteriores en 
función del Mach de vuelo. Se puede comprobar que para un Mach de vuelo típico de un turbohélice de 
0,6, los valores óptimos de la potencia adimensional de la hélice es alrededor de 0,8; mientras que la 
EIAE/DMT JLMG/07/270700 
Turbohélices y su optimización Página 12 
 
potencia útil adimensional debida al empuje es solamente del orden de 0,06. Esto equivale a un valor de 
λ’ del orden de 0,15. 
 
Fig. 7 
 
 
Fig. 8 
En la Fig. 9, se puede observar la ganancia de potencia útil del turbohélice respecto a la del 
turborreactor y que como se vio anteriormente, para M0 = 0,6, se obtiene un incremento de 1,8 veces la 
potencia útil del turborreactor. 
 
EIAE/DMT JLMG/07/270700 
Turbohélices y su optimización Página 13 
 
 
Fig. 9 
Por último, a continuación, en la Fig. 10, se representan los valores óptimos en el caso de que los 
rendimientos sean unidad. Se puede apreciar que entonces toda la potencia debe ser trasmitida a la hélice, 
ya que el rendimiento propulsivo del sistema será la unidad y el chorro sólo puede competir con este valor 
del rendimiento cuando su velocidad sea la de vuelo, o sea, cuando V0/Vtb sea la unidad. 
 
Fig. 10 
EIAE/DMT JLMG/07/270700 
Turbohélices y su optimización Página 14 
 
4.- DISCUSIÓN DE LOS VALORES ÓPTIMOS 
La optimización aparece porque al quitar energía del chorro su comportamiento propulsivo mejora y 
llega un momento que su rendimiento propulsivo es mejor que el de la hélice. De ahí que no merezca la 
pena quitar toda la energía del chorro para conseguir un funcionamiento óptimo. Los resultados obtenidos 
muestran lo dicho anteriormente, como se puede apreciar, la potencia que hay que enviar a la hélice para 
optimizar el sistema es menor cuanto mayor sea la velocidad de vuelo y menor la Vtb. Ese resultado era de 
esperar ya que cuanto mayor es la velocidad de vuelo, mas pequeña es la diferencia entre Vtb y V0, y 
mejor es el comportamiento propulsivo del aerorreactor. Por consiguiente, se necesita transferir menos 
potencia para optimizar el chorro. Del mismo modo cuanto mayor sea Vtb mayor será la diferencia entre 
ella y la V0, y mayor la energía que habrá que transferir. La energía a transferir esta gobernada por la 
velocidad de salida necesaria, V9*, para obtener un chorro de rendimiento propulsivo comparable al de la 
hélice. Cuanto mayor sea el rendimiento de la hélice y los rendimientos que participan en la transferencia 
de potencia, ηt y ηm, tanto menor tendrá que ser la velocidad de salida óptima. En el límite de que todo el 
proceso sea ideal y el rendimiento de la hélice la unidad, la velocidad de salida óptima tendrá que ser la 
velocidad de vuelo y toda la propulsión por hélice ya que solo un chorro con velocidad de salida igual a la 
de vuelo es capaz de proporcionar un rendimiento propulsivo unidad como la hélice de este caso. En 
resumen, 
* * * *
0
; ; ; ; ;
tb
t m h h
V
P T E
V
η η η λ
↑

↑ ↑ ↑ ⇒ ↓ ↑ ↑ ↓
↓ 
 
Como interesa volar a las velocidades más altas posibles, los turbohélices volaran a las máximas 
velocidades que le permitan sus hélices y como estas son pequeñas la potencia a transferir para obtener 
una propulsión óptima es muy grande. Con velocidades de vuelo del orden de 550 km/h el valor óptimo 
del parámetro λ es del orden de 0,1. Esto indica que de toda la potencia disponible para propulsión el 10 
% debe ir al chorro y el 90 % a la hélice para obtener una propulsión óptima. 
Ahora bien, aparte de la optimización propulsiva del sistema, intereses económicos y de mercado 
han dictado los tipos de turbohélices que existen en el mercado. Uno de ellos son turbohélices de mayor 
relación de λ (del orden de 0,2) esto se debe a que la propulsión por hélice es más cara, necesitamás 
turbina y mayor reductor, y como la curva Wutil(λ) es bastante plana casi no se pierde potencia al pasar de 
0,1 a 0,2. Las realizaciones de estos sistemas es mas bien antigua. Por el contrario, en la actualidad, 
debido al aumento de demanda de turboejes (λ = 0) para helicópteros, se tiende a utilizar estos sistemas 
también para los aviones y así tener solo una cadena de montaje. 
 
EIAE/DMT JLMG/07/270700 
Turbohélices y su optimización Página 15 
 
4.- DEFINICIONES 
Empuje: ( )9 0E G V V= − 
Potencia útil del chorro ( ), 9 0 0u chW G V V V= − 
Potencia del chorro: ( )2 212 9 0chW G V V= − 
Potencia total: total hélice chW W W= + 
Potencia útil: ( ), , 9 0 0útil u hélice u ch h hW W W W G V V Vη= + = + − 
Potencia equivalente (ESHP): 
( )9 0 0útil
eq hélice
h h
G V V VWW W
η η
−
= = + (vale para definir el 
 consumo específico) 
Consumo específico: E
eq
cC
W
= 
Recordando el rendimiento motor de un turbohélice 
( ) ( )2 212 21 2 9 02 9 0 hhTH
M
W V VW G V V G
cL fL
η
+ −+ −
= = , 
en un caso típico, donde el chorro se lleva el 15% de la potencia y la hélice el 85% restante, se tiene 
1
eq THh
M
E TH
eq eq M
P P fL
G G
c G fC
P G P G L
η
η
≈ ≈
= = ≈
 . 
El rendimiento motor varía con los parámetros del ciclo de la misma forma que el del turborreactor, 
por tanto aumenta con T4t. El consumo específico es, entonces, una función decreciente de T4t. En 
contraste con el turborreactor donde el CE tenía un mínimo con la temperatura fin de combustión, ya que 
era inversamente proporcional al rendimiento motopropulsor en lugar de al rendimiento motor 
0 0
0
tb
E tb
MP
V Vc cLC
E EV L Lη
= = = . 
 
EIAE/DMT JLMG/07/270700 
Turbohélices y su optimización Página 16 
 
APÉNDICE I 
 
 
 
TURBOHÉLICE: Turbina Libre y Compresor Monoeje 
 
3 4
41
44 45 5 6 8
1
31
2
HPT
Cooling
NGV
Cool.
Overboard
Bleeds
Handling
Bleed
HP leak to LPT exit
LPT cooling
EIAE/DMT JLMG/07/270700 
Turbohélices y su optimización Página 17 
 
 
 
 
TURBOHÉLICE: Monoeje 
 
 
3 4
41
5 6 8
1
31
2
NGV
Cool.
Overboard
Bleed
Handling
Bleed
HPT
Cooling
EIAE/DMT JLMG/07/270700 
Turbohélices y su optimización Página 18 
 
 
 
 
TURBOHÉLICE: Bieje; Compresor de Alta + Compresor de Baja con Hélice 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2
25
3 4
41
44 45 5 6 8
24
31
NGV
Cool.
Overboard
Bleeds
Handling
Bleed
HPT
Cooling
LPT
Cooling
HP leak to LPT exit 
EIAE/DMT JLMG/07/270700 
Turbohélices y su optimización Página 19 
 
 
 
 
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
V0/Vtb
Rendimiento Propulsivo
TH
TB
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
V0/Vtb
TURBOHÉLICES: Valores Óptimos
ηtηmηh = 0,716
V9*/Vtb
E*V0/(Vtb^2)/2
landa'*
Ph*/(Vtb^2)/2
	7. TURBOHÉLICES Y SU OPTIMAZACIÓN
	TURBOHÉLICE: Turbina Libre y Compresor Monoeje
	TURBOHÉLICE: Monoeje
	TURBOHÉLICE: Bieje; Compresor de Alta + Compresor de Baja con Hélice