La función de una hélice es la conversión de la rotación del motor (fuerza de giro en propulsión). En la primera época de la hélice se creía que se obtenía la propulsión porque la cara posterior de la hélice empujaba hacia delante apoyándose en el aire. Luego se descubrió que las palas de la hélice debían ser consideradas como pequeñas alas rotantes y que la forman del perfil alar tiene una importancia fundamental. Por lo tanto es primordial el diseño del extrados de la hélice, es decir, la parte delantera de la pala es mas importante que la trasera.
Se pueden instalar las hélices de dos maneras. La hélice tractora esta en la parte delantera y tira del avión a través del aire, por lo que los rodamientos de empuje del motor están diseñados para que las cargas de empuje vayan en esta dirección. Las hélices impulsoras están instaladas en la parte posterior e impulsan al avión empujándolo hacia adelante.
Teoría de hélices
Hay dos teorías reconocida sobre la actuación de la hélice para convertir el giro del cigüeñal del motor en empuje. La teoría de cantidad de movimiento, desarrollada por R.E. Froude considera que la variación de la energía de la masa de aire activada por la hélice. La otra, que es la mas corrientemente utilizada para determinar el rendimiento de la hélice, es la teoría del elemento de pala desarrollada en forma practica por Stefan Drzewiecki.
En la teoría de Drzewiecki se considera que cada pala de la hélice esta compuesta de un infinito numero de perfiles alares (denominados elementos de pala). Como la hélice esta girando alrededor del centro del cigüeñal del motor, cada elemento de la hélice gira en un arco distinto. Cuanto mayor sea la distancia de cada elemento del hélice, mayor será el arco que describe y mayor la distancia que debe recorrer en cada giro. Luego cada elemento de pala se mueve a una velocidad diferente, que es máxima en la punta de pala. Si cada elemento de pala debe operar al máximo valor de la relación L/D el ángulo de ataque a para cada elemento debe disminuir a medida que aumenta la distancia al cubo de la hélice. Esta disminución continua del ángulo de ataque es lo que da a la hélice su aspecto retorcido.
Como la circunferencia de la hélice tiene una longitud 2pr, cada elemento de la pala recorre una trayectoria circular 2pr durante su revolución, siendo r la distancia desde del centro de rotación. Si la hélice esta girando a n revoluciones por segundo, la velocidad lineal de cada elemento de hoja es de 2prn. Si r se expresa en metros, la revolución dada en m/seg. En vuelo, la hélice se mueve hacia adelante al mismo que gira alrededor de su eje. Para mantener todos los términos del calculo en las misma dimensiones, esta velocidad debe expresarse también m/seg. Luego la velocidad total de cada elemento de la pala es un vector resultante de la suma de los dos vectores de velocidad, la velocidad hacia adelante V y la velocidad de rotación 2prn.

Como se ve en el diagrama el ángulo de ataque a es igual al ángulo fijo de la pala ß, menos el ángulo ? que esta determinado por la velocidad V y la velocidad 2prn o pdn, pues el diámetro d es igual a 2r.
El flujo de aire alrededor de las palas de la hélice crea fuerzas de sustentación y resistencia aerodinámicas igual que el viendo aparente las crea alrededor del ala de un avión. La resultante de estas fuerzas puede ser dividida en dos componentes, el empuje que actúa en la dirección del eje de la hélice y el par del motor que actúa en el planto de rotación se resiste a la rotación de la hélice y es el componente que debe ser vencido por el par motor del eje del motor. De esta manera similar al ala del avión, la magnitud de los componentes de empuje y par motor dependen del ángulo de ataque y velocidad.
Los coeficientes de empuje y de par motor se pueden llevar a un gráfico en función del ángulo de ataque, pero como a es igual al ángulo fijo de la pala ß, menos el ángulo variable ?, es mas conveniente ponerlo en función de la función de ?. El procedimiento habitual es presentar estos coeficientes en función de la tangente de ? de V/nd. Estos  gráficos, junto con el ángulo ß de cada elemento de la pala, definen las condiciones de operación del conjunto de la hélice. El ángulo de ataque de la pala que se suele dar en estos gráficos es el del elemento de la pala que esta en ¾ distancia desde el cubo de la hélice a la punta de la pala.
Los gráficos de coeficientes de empuje CT y del coeficiente de par motor o de potencia CP, en función de V/nd,  se realizan por los fabricantes de hélices para varias familias de hélices. Empleando dichos gráficos se pueden obtener los valores CT O CP para cada valor de V/nd. Para determinar la potencia necesaria para mover la hélice y el empuje proporcionado en cada caso, se multiplican CT o CP por la densidad del aire ? y ciertas variables que dependen del método empleado en la preparación de cada gráfica.

La eficacia de la hélice para convertir la potencia del motor en propulsión es naturalmente de la mayor importancia para las prestaciones del avión. El rendimiento de la hélice durante el vuelo crucero es tan importante para determinar el alcance del avión como la eficacia del motor para convertir la energía del combustible en potencia en el eje. El rendimiento propulsivo de la hélice se expresa como la relación entre la potencia de empuje desarrollada y la potencia del motor necesaria para mover la hélice. La potencia de empuje es la fuerza de empuje T multiplicada por la velocidad V del avión, o sea T.V. Si la potencia de empuje se mide ft*lb/seg, la potencia para hacer girar la hélice deberá medirse en H.P y se multiplica por 550.

Como ya se dijo anteriormente el empuje de la hélice se expresa en términos V/nd. Por lo tanto, el rendimiento puede ser expresado en términos de V/nd y llevado a una gráfico como la de la fig.4.2
En la hélice sencilla de paso fijo, el ángulo de paso fijo, el ángulo ß es fijo. Cada curva del gráfico de la figura representa el rendimiento para cada valor del ángulo ß.
En estudio de la figura nos hace ver que para un ángulo fijo de la pala de la hélice ß, el rendimiento elevado se obtiene solo en un margen muy pequeño de velocidades, y que una hélice eficiente para el vuelo de crucero será deficiente para el despegue, ascenso, vuelo a baja velocidad y crucero rápido. La velocidad a la cual se obtiene el máximo rendimiento propulsivo se llama velocidad de diseño de la hélice.
La aparición de la hélice de paso variable resolvió muy bien dificultades. Al disponer de un medio para variar el ángulo de paso, el piloto podía seleccionar los ángulos óptimos para el despegue, el ascenso, un crucero eficiente, o el vuelo a gran velocidad. De hecho, las prestaciones modernas del avión empezaron con el desarrollo de la hélice controlable.
Actualmente las hélices de paso fijo se emplean solo en aviones pequeños y ligeros en los que el coste y peso del instalación tienen una importancia primordial. El margen de velocidades de estos aviones esta también limitado por la potencia del motor, además de la hélice.
Velocidad de la punta de la hélice
La velocidad de los elementos de la pala de la hélice tiene poco efecto tiene poco efecto sobre el rendimiento propulsivo hasta que se alcanzan velocidades próximas a la del sonido. Cuando la velocidad de los elementos de la pala cercanos a la punta se acerca a la velocidad del sonido, el efecto de la compresibilidad aumenta las necesidades de potencia sin aumentar el empuje, reduciendo por tanto el rendimiento. Las velocidades de la punta de la hélice están limitadas en Mach 0,8 debido a los efectos de compresibilidad en el flujo del aire sobre la pala. Para evitar que las velocidades de la puntas excedan de tales limitaciones, muchos motores están equipados con mecanismos de reducción. Este artificio permite que las revoluciones de la hélice sean inferiores a las revoluciones que requiere el motor para proporcionar de potencia adecuado.

POTENCIA EN EL DESPEGUE
Además de proporcionar un empuje eficiente durante el vuelo crucero, la hélice debe ser capaz de convertir totalmente en empuje la potencia proporcionada por el motor durante el despegue. Esto es necesario para acelerar rápidamente a la velocidad de despegue y para mantener la carrera de despegue dentro de los limites razonables.En el gráfico se ve que cuando V/nd es cero (V=0) el rendimiento propulsivo teórico es también cero. Lógicamente esto no es cierto, o los aviones no empezarían a moverse nunca. A causa de esta falacia de la teoría de Drzewiecki las curvas de rendimiento a bajos valores de V/nd son de puntos, para indicar que no se deben emplear en la zona de bajas velocidades.
Los fabricantes de hélices facilitan gráficos de empuje en función de la potencia de salida del eje del motor, para calcular el empuje durante la fase de despegue.
TERMINOLOGIA DE LA HELICE
El avance teórico de la pala de la hélice en cada revolución se determina en función del ángulo de avance ß. Este avance por revolución se llama paso geométrico. No obstante, el aire no es un cuerpo sólido y se produce un cierto resbalamiento. El paso efectivo es la distancia real que la hélice avanza en cada revolución. La diferencia entre el paso geométrico y el paso efectivo denomina resbalamiento.
Hélice de paso Fijo
Es una hélice con el ángulo de las palas fijo.
Hélice de paso fijable o regulable
Es la hélice en la cual los ángulos de las palas pueden ajustarse en tierra variando su posición respecto al buje con la hélice parada. Con la hélice en marcha no se puede variar el paso. Esto es especialmente conveniente para los despegues cuando se requiere el máximo empuje, aunque se sacrifique con ello el rendimiento en vuelo de crucero (despegue en un  de mucho calor desde un aeródromo a gran elevación, o para preparar un avión para operaciones anfibias).
Hélice de velocidad constante
Es una hélice de paso controlable con un regulador de velocidad que mantiene un numero de revoluciones seleccionado. Para mantener estas rpm independientemente de la velocidad o de la potencia del motor, el regulador hace cambiar automáticamente el ángulo de las palas. Las hélices de este tipo utilizadas en aviones polimotores también son capaces de entrar en bandera en vuelo para evitar el embalamiento de la hélice o el efecto de molinete de la misma, con esto se reduce la resistencia aerodinámica cuando se para el motor,
Hélice en bandera (abenderar)
Poner la hélice en bandera o hacer que entre en bandera, es aumentar el paso de la hélice hasta que el ángulo ß de la pala del perfil donde esta situado el centro de presiones tenga la dirección del vuelo y su resistencia aerodinámica al avance del avión es prácticamente nula.
Empuje en reversa
Este empuje se ejerce en la dirección contraria al vuelo. Casi todos los grandes aviones polimotores a hélice utilizan hélices de revoluciones constante, con capacidad de puesta en bandera y paso reversible. El mecanismo de cambio del paso esta diseñado para permitir al piloto seleccionar ángulos negativos de ataque de la pala de la hélice inmediatamente después de posar las ruedas en el aterrizaje, lo cual crea una fuerza de empuje en dirección contrario al movimiento del avión o empuje en reversa, y esto permite una rápida declaración del avión. Este dispositivo evita el desgaste de los frenos en los aviones pesados y permite aterrizar con seguridad en pistas cubiertas de hielo, cuando la frenada de las ruedas es muy poco efectiva.
Resistencia aerodinámica de la hélice en molinete
Quizás el efecto menos deseado de la hélice como instrumento para producir empuje se la resistencia aerodinámica de la hélice en molinete. Si el motor se para en vuelo, el flujo del aire sobre las palas de la hélice hará que esta siga girando y este giro, a su vez hará girar el motor. Cuando el ángulo de la pala es lo bastante grande para ser adecuado a la velocidad de vuelo, el rendimiento de la hélice será lo bastante grande para ser adecuado a la velocidad de vuelo, el rendimiento de la hélice será lo bastante alto para que la resistencia no sea apreciablemente superior a la carga del motor.
Pero si se produce un fallo en el mecanismo de cambio de paso y se reduce el ángulo de las palas, se originaran velocidades de rotación excesivamente. El bajo ángulo de la pala y el ángulo de ataque negativo resultante para los elementos de la pala causan una tremenda reducción del rendimiento de la hélice. Esto significa que la carga necesaria para hacer girar el motor ya parado es proporcionada por una hélice invectiva y la resistencia aerodinámica resultante del efecto de molinete puede ser peligrosamente alta. En estas coacciones es necesario reducir la velocidad o la altitud para que la velocidad de rotación de la hélice disminuya. Pero es importante recordar que la velocidad mínima para mantener un control direcciones adecuado de un avión polimotor será mas alta de la que seria necesaria si se  pudiera poner la hélice en bandera. No obstante a menos que se produzca en ese momento un fallo de mecanismo de cambio de paso, el regulador de rpm de la hélice mantendrá las revoluciones que estaban seleccionadas antes del fallo del motor y el sistema automático de abanderamiento, si esta instalado, pondrá automáticamente la hélice en bandera para evitar el embalamiento de la hélice y su giro en molinete. Hasta en las hélices que no tienen puesta en bandera, si el mando del paso sigue controlando la hélice después el fallo del motor, se puede reducir mucho la resistencia seleccionado la posición de bajas rpm (elevado ángulo de ataque).

SELECCION DE LA HELICE

El análisis y la investigación necesarios para una adecuada selección de la hélice dependen del tipo de operaciones que deba realizar el avión de que se trate. Se debe realizar una investigación cuidadosa para asegurarse de que se cumplen todas las condiciones despegue y vuelo con la instalación mas ligera y efectiva. Los fabricantes de hélices proporcionan gráficos de rendimiento de la hélices en todas las condiciones de vuelo. Las ideas sobre la influencia relativa de los diversos factores que influyen en la selección de una hélice varían según los diversos fabricantes. Uno puede escoger una hélice varían según los diversos fabricantes. Uno puede escoger una hélice tripla para tipo especifico de avión mientras que otro escogerá cuatripala para obtener mejores prestaciones.
La selección de hélices para los aviones pequeños diseñados para operar a bajo costo, a bajas medianas altitudes, y a velocidades inferiores a las 200 mph es bastante simple. El fabricante de hélice facilita una relación de hélices que están diseñadas para su empleo con motores de una potencia determinada y, a menudo, indica el fabricante y de tipo de avión en el que se puede instalar y utilizar la hélice. Las hélices de paso fijo para un motor especifico se pueden conseguir en dos mas o mas ángulos de paso. Se puede escoger una hélice de paso alto para obtener mejores características de despegue y subida. Las hélices de paso variable para aviones pequeños son diseñados por el fabricante para su aplicación en motores específicamente determinados. Normalmente el mecanismo de control tiene un margen de variación del paso suficiente para encargarse del ajuste adecuado en todas las condiciones de velocidad y altitud que puedan presentar los diversos aviones que emplean el motor especificado.
Construcción e instalación de las hélices
Las palas de las hélices que se emplean generalmente son de forja de aleaciones de aluminio. Este tipo de construcción ofrece duración y resistencia al mismo tiempo que buen control de la forma del perfil durante la fabricación, todo lo cual es especialmente importante en los tamaños grandes. Las pequeñas mellas y arañazos se pueden pulir sin perjudicar la resistencia o las prestaciones. Si la hélice se dobla en algún accidente suele ser posible enderezarla y repararla en un taller de reparaciones adecuadamente equipado.

La hélice sencilla de un paso ajustable en  tierra tiene las palas con espigas o vástagos redondeados asegurados al cubo mediante collarines. Aflojando los pernos de seguridad del collarín se pueden girar las palas hasta el ángulo deseado, después se vuelve a apretar los pernos.

Las hélices de paso variable y revoluciones constante se utilizan en muchos aviones medianos y pequeños de uso normal o para ejecutivos, con motores de mas de 180 H.P. El control del paso de la hélice se realiza mediante aceite del motor a presión.
El momento de torsión de la hélice, debido a la fuerza centrifuga, tiende a disminuir el ángulo de la pala y es contrarrestado por el aceite a presión procedente del mecanismo de control, que actúa contra el lado delantero de un embolo que se mueve dentro del cubo de la hélice y esta conectado por un engranaje a las palas. El regulador centrifugo esta montado en la carcasa delantera del motor es accionado por unos engranajes movidos por un cigüeñal del motor. Estos engranajes accionan también la bomba de aceite del regulador. Si la hélice tiende a aumentar sus revoluciones por encima de las seleccionadas por el mando de la cabina, el regulador abre la válvula de paso del aceite para dar mas presión al embolo. Esta acción aumenta ligeramente el ángulo de la pala y reduce nuevamente las r.p.m. al valor seleccionado. Igualmente, si la hélice tiende a reducir su velocidad, el regulador hace bajar la presión del embolo y permite que el momento de torsión de las palas haga disminuir el ángulo de ataque y aumentar las r.p.m. Los cambios en la potencia del motor (dentro de cierto limites), de la velocidad del avión y de la densidad del aire son compensados mediante la selección automatica del ángulo de la pala mas adecuado para las nuevas condiciones, haciendo que la velocidad de la hélice permanezca constante. Las r.p.m. a las cuales se desea regular la velocidad constante son seleccionadas por el mando de la cabina. Este control será directamente conectado a un resorte que actúa contra la fuerza centrifuga de los contrapesos del regulador. Al aumentar o disminuir la tensión del muelle, se obliga a los contrapesos a adoptar una nueva posición, que a su vez accionan la válvula de admisión de aceite a presión en el cilindro actuador del cubo del hélice.
Otro tipo de hélice de paso variable es algo parecido en principio a la hélice descrita anteriormente, aunque diferente de actuación.Los contrapesos conectados a los vástagos de las palas en el cubo tienden a aumentar el ángulo de las palas.La fuerza de los contrapesos es contrarrestada por la presión del aceite que actúa contra el embolo. La regulación de la velocidad se obtiene controlando la presión de aceite de menera inversa a como sucedía en el caso anterior. El ángulo de las palas aumentara cuando se reduce la presión y viceversa. La  puesta en bandera se puede realizar automáticamente en algunos modelos de estas hélices por la acción de un resorte que ayuda a los contrapesos a rotar las palas a la posición de bandera cuando desaparece la presión de aceite dentro del pistón actuador.

Las hélices de revoluciones constante, puesta en bandera y con reversa se emplean en los grandes aviones de transporte, tanto en los equipados con motores de pistón como en los turbohélices. Además de tener un regulador de velocidad constante, pueden emplear un sistema de sincronización para mantener las misma revoluciones en todos los motores.
En los sistemas de control del paso usados principalmente en los grandes aviones polimotores se emplean dos sistemas diferentes de actuación. En las hélices eléctricas Curtiss se utilizaban motores eléctricos para accionar el cambio de paso, mientras que las hélices Hamilton Standard, Hartzell y McCauley emplean aceite a presión.
En las hélices Curtiss un motor hace girar las palas, por medio de un tren de engranajes y segmentos de engranajes unidos a las espigas de la raíz de las palas. Cuando el motor esta parado, las palas se mantienen en posición mediante un freno que solo las suelta cuando llega corriente al motor. Se transmite la corriente eléctrica al mecanismo que hace girar la hélice mediante anillos colectores unidos al eje de la hélice. Unos interruptores de fin de recorrido montados en el alojamiento posterior controlan adecuadamente los limites de la pala en ángulo alto o bajo, abanderamiento o reversa. Además del interruptor eléctrico de fin de recorrido de paso mínimo, en muchos modelos hay un tope mecánico de paso bajo para evitar los ángulos de ataque demasiado bajos en caso de un fallo del freno eléctrico. Este tope mecánico se retrae cuando el piloto selecciona la entrada de la reversa en el aterrizaje. Todas las hélices se mantienen a las mismas revoluciones por medio de un sincronizado en eL fuselaje del avión.
Las hélices hidromatica Hamilton Standard se emplea en muchos aviones polimotores comerciales y militares. La presión del aceite que actúa contra los dos caras del embolo y el momento de torsión debido a la fuerza centrifuga de las proporcionan las fuerzas necesarias para cambiar el paso de la hélice. La fuerza del embolo se transmite mediante un conjunto de levas y rodillos a la rueda dentada transmisora que esta engranada al engranaje cónico unido a la raíz de cada pala de la hélice. Para mantener la velocidad constante se utiliza un regulador centrifugo de doble acción accionado por el motor del avión, que regula el paso de presión de la bomba de aceite del regulador a cada lado del pistón actuador, segun sea necesario.

HELICE HIDROMATICA HAMILTON STANDARD DE VELOCIDAD CONSTANTE, ENTRADA EN BANDERA  Y REVERSA INSTALADA EN UN TRANSPORTE LOCKHEED C-130 TURBOHELICE