PRP30: INTRODUÇÃO A HÉLICES Lecture 2 Departamento de Engenharia Aeronáutica Instituto Tecnológico de Aeonáutica Cristiane Aparecida Martins.

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1 PRP30: INTRODUÇÃO A HÉLICES Lecture 2 Departamento de Engenharia Aeronáutica Instituto Tecnológico de Aeonáutica Cristiane Aparecida Martins

2 Introdução a Hélices Descrição de Hélices, Movimento da Hélice, Tipos de Hélices Modelo da Teoria de Momento Linear

3 Tópicos Abordados Hélices – Utilização e Apresentação; Apresentação de Grupos Moto-Propulsores a Hélice; Conceito de Potência Propulsiva; Conceito de Eficiência Propulsiva; Partes Constituintes de Hélices e Terminologia; Parâmetros Geométricos de Hélices: Passo Geométrico e Efetivo; Parâmetros Geométricos de Hélices: Ângulo de Deslizamento da Pá; Tipos de Hélice: Passo Fixo, Passo Ajustável e Passo Variável; Introdução aos Parâmetros de Desempenho de Hélices; Modelo de Desempenho da Teoria de Momento Linear;

4 Navios e Aeronaves – com hélices Hélice produz empuxo propulsivo por utilizar a força de sustentação que atua nas pás rotativas (em formato de aerofólio). Um fluxo deslizante de fluido acelerado é formado atrás da hélice. Qualquer tipo de motor pode ser usado para comandar uma hélice ( tipos inúmeros para transporte marítimo, enquanto que para aeronáutico em geral turbinas a gás ou motores ciclo Otto) Hélices para navios e botes

5 Navegação, Shipping é a forma dominante de transporte carregando aproximadamente 80% do comercio mundial. http://www.skk.mek.dtu.dk/English/Research/KAPPEL_Propeller.aspx

6 HÉLICE - SUPERFÍCIE AERODINÂMICA Um aerofólio é uma superfície aerodinâmica que produz reações úteis ao vôo. Superfícies aerodinâmicas são superfícies criadas com o intuito de facilitar o seu deslocamento em um fluido. Devem produzir o mínimo de resistência ao avanço. Numa aeronave o aerofólio responsável pela geração de sustentação é a asa,

7 SUPERFÍCIES AERODINÂMICAS

8 HÉLICE – Tratoras ou Propulsoras As hélices podem ser tratoras ou propulsoras e esquerdas ou direitas. A hélice tratora está colocada, e exerce a sua ação, à frente do centro de gravidade e a hélice propulsora atrás daquele centro. Pode dizer-se, em linguagem simples, que a hélice tratora puxa o modelo, ao passo que a propulsora o empurra. Hélice propulsora Hélice tratora

9 A Figura (Roskan et.al, 1997) mostra a comparação entre a eficiência instalada de uma hélice tratora e outra propulsora como função da razão entre do diâmetro do corpo da fuselagem e o diâmetro da hélice. Note-se que para razão menor que 0,5 as eficiências entre ambas são iguais.

10 HÉLICE – Tratoras - Propulsoras Uma aeronave construída com a configuração Push-pull é uma mistura de uma aeronave equipada com hélice tratora e propulsora. Enquanto as aeronaves puramente equipadas com hélices propulsoras caiam em desuso após a guerra a configuração push-pullcontinuava em desenvolvimento. A grande vantagem era garantir uma aeronave bimotora com baixa geração de arrasto e grande manobrabilidade, e ainda, na perda de um dos motores a operação monomotor é facilitada pela montagem dos motores na mesma linha de centro.

11 Tratora Propulsora

12 HÉLICE – Tratoras ou Propulsoras Segundo o sentido de rotação, os hélices dividem-se em esquerdos e direitos. Os primeiros rodam da esquerda para a direita, colocando-se o observador na frente do modelo, e os segundos no sentido inverso. As hélices mais utilizadas são as de sentido direito (anti-horário de frente para a aeronave), em virtude de ser esse o sentido universal dado aos motores a pistão.

13 Conceito de Força Propulsiva de Hélices Em aplicações de propulsão aeronáutica, a força propulsiva corresponde a força utilizada para movimentação da aeronave; No caso de motores a hélice, a força propulsiva gerada pela hélice, denominada tração, é resultado do efeito aerodinâmico de sustentação gerada pelas pás hélice em movimento rotativo; Para movimentação da hélice deve-se fornece energia mecânica rotacional, na forma de torque, através de um elemento motor, o qual pode ser um motor a pistão ou um motor a reação do tipo turbina; Para motores baseados em elemento propulsivo a hélice, a força propulsiva é expressa matematicamente através do somatório das forças aerodinâmicas de sustentação gerada por toda a extensão das pás da hélice, apresentada matematicamente em tópicos seguintes;

14 Propulsão a Hélice Conceito de Motor e Grupo Moto-Propulsor Em aplicação aeronáuticas comumente se utiliza o termo motor para descrever o que na verdade corresponde ao grupo moto-propulsor; O termo motor deve ser utilizado para se referir ao elemento do grupo moto-propulsor que gera potência termo-cinética para acionamento do elemento propulsivo; No caso de grupos baseados em motores a pistão, o elemento motor é o conjunto formado pelo pistão, cilindro e eixo de manivelas; o elemento propulsivo é a hélice; No caso de grupos baseados em turbinas a gás, o elemento motor é o conjunto formado pelo compressor e turbina; o elemento propulsivo é o conjunto câmara de combustão, bocal de saída dos gases e/ou o fan;

15 Motores a Pistão - Grupo Moto-Propulsor Propulsão a Hélice em Motores a Pistão conjunto motor hélice

16 Propulsão a Hélice em Motores Baseados em Turbinas a Gás Motores Baseados em Turbinas a Gás Turbo-Hélices - Grupo Moto-Propulsor conjunto motor hélice

17 HÉLICE - PARTES CONSTITUINTES Uma hélice consiste de duas ou mais pás com uma parte central, hub, cubo na qual as pás são fixadas. Existem também hélices de corpo único (sem o cubo) Cada pá é essencialmente uma asa rotativa. Como resultado de sua construção, as pás da hélice são como aerofólios e produzem forças que criam o ''empuxo'' para empurrar a aeronave através do ar. O motor fornece a potência necessária para rotacionar as pás da hélice através do ar em altas velocidades então a hélice transforma a potência de rotação do motor em empuxo a frente.

18 Partes Constituintes de uma Hélice cubo da hélice (hub) pás da hélice (blades)

19 Partes Constituintes de uma Hélice pás da hélice carenagem aerodinâmica (spinner)

20 Partes Constituintes de uma Hélice região propulsiva da hélice região não propulsiva da hélice A região não propulsiva da hélice tem a função de resistência estrutural, suportando os esforços de tração e torção nas pás da hélice. O formato aerodinâmico dessa região visa a redução do arrasto.

21 FORMA DA SEÇÃO DA PÁ Se não existissem exigências estruturais, a Figura mostra a hélice ideal..

22 FORMA DA SEÇÃO DA PÁ Mas claro que a pá precisa suportar a sustentação, arrasto e forças gravitacionais atuando sobre ela. Estas exigências estruturais significam que o aerofólio precisa ser mais espesso do que o ótimo aerodinâmico, especialmente em locais próximos a raiz (onde a pá é fixada no centro) onde as forças de flexão são maiores. Felizmente este é o local onde também o vento aparente está se movimentando mais lentamente então alguma ineficiência aerodinâmica para este ponto é menos séria do que próximo a ponta.

23 FORMA DA SEÇÃO DA PÁ Para aumentar a espessura próximo a raiz sem criar uma seção de aerofólio muito curto e ''gorda'' alguns projetos usam seção flatback. Isto é uma seção padrão, como mostrado na Figura

24 HÉLICE – ASA ROTATIVA Cada pá de hélice, assim como a asa possui: 1. Bordo de ataque : é a parte dianteira 2. Bordo de fuga : parte de trás 3. Perfil 4. Bordo marginal Extradorso : parte superior Intradorso : a parte inferior Bordo de ataque Bordo de fuga Perfil Bordo marginal Extradorso - Upper camber Intradorso - Lower Camber

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26 Corda linha reta imaginária entre o bordo de ataque e o bordo de fuga da seção transversal de uma aerofólio Camber = curvatura do aerofólio do bordo de ataque ao bordo de fuga. Upper camber (extradorso) refere-se a superfície superior e lower camber (intradorso) refere-se a curvatura da superfície inferior enquanto mean camber refere-se a linha média a qual é equidistante para todos os pontos entre a superfície inferior e superior.

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28 HÉLICES - TERMINOLOGIA É necessário introduzir a terminologia utilizada na definição de uma seção de pá de hélice. A geometria do hélice é definida pelas seguintes características: –Diâmetro, –Área das pás, –Número de pás, –Passo, –Ângulos, –Perfis das seções ou distribuição de espessuras ao longo das cordas, –Distribuições de espessuras máximas das pás

29 MAIOR DIÂMETRO = AUMENTO DA ÁREA DA HÉLICE Maior diâmetro = maior massa de ar

30 HÉLICE - DIÂMETRO Diâmetro é exatamente o que se pensa, o diâmetro da hélice. Pode-se rapidamente medi-lo a partir do centro de sua hélice até o topo de uma das pás e claro multiplicar por 2. Diâmetro pode influenciar a velocidade que se obtém, mas seu maior efeito é na aceleração e empuxo. O diâmetro nos diz o tamanho da hélice. Todo o resto incluindo a designação do perfil nos diz a forma da hélice

31 HÉLICE - DIÂMETRO O trabalho realizado (a energia despendida) pela hélice é a energia cinética imposta ao fluxo = ½mv² joules (se massa, kg e v in m/s), tal que menos energia é despendida se a massa é aumentada e a velocidade reduzida. Veja um exemplo, EX1.

32 DIÂMETRO – EX1 Usando o exemplo simples de empuxo estático, se –m = 10 Kg e v = 100 m/s, então momento é 1000 kg.m/s –e a energia despendida é ½ × 10 × 100² = 50 kJ. Mas se os valores de m e v são intercambiáveis (ou seja m = 100 kg e v = 10 m/s) o momentum continua = 1000 kg.m/s mas a energia despendida será reduzida substancialmente, isto é. ½ × 100 × 10² = 5 kJ.

33 HÉLICE - DIÂMETRO Assim, maior eficiência do sistema é obtida ao se utilizar a maior diâmetro de hélice possível, limitado por: –efeitos de tensão no motor (os momentos giróscopicos aumentam exponencialmente com o diâmetro) –estiramento na pá de hélice –velocidade de ponta da pá. Quando uma hélice está rotacionando, a velocidade em qualquer ponto é o produto da rotação rpm e da distância deste ponto ao centro (hub). Efeitos de compressibilidade nos diz que a velocidade na ponta da hélice não deve exceder Mach 0,85 - 560 knots ou 290 m/s ao nível do mar. Entretanto, significantes efeitos de compressibilidade tornam-se evidentes já a 250 m/s e, se a hélice está próxima do piloto o ruído é extremamente desconfortável. Então, por conforto, a velocidade usualmente está entre 200–240 m/s.

34 Fator de Atividade (Factor Activity) – quantidade admensional relativa a potência a qual a pá é capaz de absorver: Fator de Atividade Total da Hélice Forma da Pá e Número de Pás B = número de pás

35 Para pás de hélices AF geralmente está entre 80 e 180. Por exemplo no caso Helio Courier, AF = 90, enquanto o Lockheed C-130, AF =132. Da equação de AF está claro que AF pode ser aumentado por tornar a pá larga na ponta. Forma da Pá e Número de Pás

36 AF 90 90 < AF 115, topo rombudo 115 < AF 140 AF > 140

37 Forma da Pá e Número de Pás Tipo A – usada em aeronaves baixa velocidade – Mach topo = 0.8 e vôo no máximo em Mach = 0.4 AF 90 (forma afunilada, largura e espessura decrescente) 90 < AF 115, topo rombudo Tipo B – Mach entre 0.4 e 0.6 115 < AF 140, pás primática com topo retangular AF > 140, projeto com forma invertida, a corda do topo maior do que a corda da raiz. Lockheed Electra e Lockheed C-130 (AF = 162)

38 Tipo C – (1950 – 1960), vôos alto subsônico, velocidades até Mach 0.95 O topo possui velocidade transônica e e as pás são muito finas: razão espessura/corda de aproximadamente 6% na raiz a 2 % no topo. Este tipo possui apenas interesse histórico, substituído pelo turbofan nesta faixa de velocidade. Tipo D – vôo silencioso mas mais lento.

39 HÉLICE – NÚMERO DE PÁS Quantas pás sua hélice deve ter? Duas, três, quatro, cinco ??? O benefício imediato de aumentar o número de pás é aumento do empuxo e uma viagem mais suave

40 HÉLICE – NÚMERO DE PÁS Hélices com números de pás menores apresentam níveis de vibrações induzidas significativamente maiores que as hélices de maior número de pás. Em dado sistema, o trabalho realizado por cada pá é inversamente proporcional ao número de pás. Aumentando o número de pás reduz a carga em cada pá e assim um ângulo de passo menor pode ser ajustado, o que resulta em menor nível de ruído.

41 HÉLICE – NÚMERO DE PÁS Aspecto mais importante ligado à escolha do número de pás de uma hélice está relacionado com a freqüência de excitação de vibrações na fuselagem e no sistema eixo-propulsor. A freqüência de excitação (freqüência da passagem das pás Z.n) deve ser diferente das freqüências de ressonâncias da fuselagem e do sistema de eixos propulsores. Quando não há problemas de proximidades de freqüências de ressonâncias, há uma tendência de se utilizar 4 pás porque há uma maior facilidade de construção e balanceamento estático e dinâmico das pás e também por estar entre Z=3 (eficiência um pouco maior) e Z=5 (vibrações induzidas menores).

42 HÉLICE – NÚMERO DE PÁS – Frequência de ressonância Frequência de passagem das pás (Blade Passing Frequency) = [(No. de Pás x rpm) / 60] Hz

43 HÉLICE – NÚMERO DE PÁS – freqüência de ressonância Freqüências que são múltiplos inteiros de 1 x RPM são conhecidos como harmônicos. Durante a operação de um fan por exemplo, é sempre recomendado que os três primeiros harmônicos (1 x RPM, 2 x RPM & 3 x RPM) sejam comparados com o primeiro modo da freqüência de ressonância da pá a fim de manter uma margem de segurança e evitar a ressonância.

44 HÉLICE – NÚMERO DE PÁS

45 Hélices com mesmo comprimento e 3 ou 4 pás quando comparadas a de 2 pás ?????? Pense....mesmo tamanho....a de 3 e 4 terá uma.....MAIOR, portanto será capaz de gerar mais ----------- Assim para um mesmo desempenho posso ---------o comprimento. Por que é bom reduzir o comprimento???

46 NÚMERO DE PÁS – DIÂMETRO EQUIVALENTE A maioria dos modelos de hélice são de duas pás. Diâmetros das versões com 3 ou 4 pás podem ser reduzidos para versão relativa de duas pás mantendo o mesmo passo e potência de motor. As relações são válidas somente para hélices da mesma família tendo formas similares de pás. Você pode usar, no entanto, o mesmo diâmetro para diferentes números de pás se variar a largura das pás.

47 NÚMERO DE PÁS – DIÂMETRO EQUIVALENTE Relação aproximada como função do número de pás: DN = D2 (2/Bn)^1/4 DN = diâmetro da hélice de N pás D2 = diâmetro da hélice de 2 pás Bn = é o número de pás Para hélice de 3 pás: D3 = 0,904 D2 Para hélice de 4 pás: D4 = --------D2

48 NÚMERO DE PÁS – DIÂMETRO EQUIVALENTE A Figura abaixo mostra o tamanho relativo resultante para 2, 3 e 4 pás de uma hélice com aproximadamente o mesmo desempenho. Hélices de 3 pás tem uma área para gerar sustentação maior do que uma hélice de duas pás do mesmo tamanho. Assim o comprimento da hélice pode ser reduzido mesmo mantendo a mesma velocidade de avanço, rpm e potência de eixo do motor.

49 NÚMERO DE PÁS – DIÂMETRO EQUIVALENTE A influência aerodinâmica de pás adicionais reduz um pouco o consumo de potência, o que significa que substituir uma hélice de 2 pás para 3 pás consumirá menos potência. Por outro lado a hélice de 3 pás operará para menores números de Reynolds tal que perdas adicionais são esperadas. A fórmula anterior pode ser pensada como uma fórmula de trabalho.

50 HÉLICE – ESPESSURA DAS PÁS Basicamente, a determinação das espessuras máximas das seções das pás de um hélice depende do cálculo de resistência estrutural necessária. As sociedades classificadoras indicam formulações para calcular as espessuras mínimas requeridas que, inclusive, levam em consideração a probabilidade de fadiga do material.

51 HÉLICE – ESPESSURA DAS PÁS No caso de embarcações que operam em águas onde há grande probabilidade de ocorrência de choques nas pás de seus hélices, como acontece com navios quebra-gelo e algumas embarcações fluviais, pode haver necessidade de aumento das espessuras para que haja uma resistência adicional que evite fraturas e deformações das pás durante sua operação.

52 HÉLICE – SEÇÃO TRANSVERSAL

53 A pá da hélice é torcida. O ângulo da pá varia do hub até a ponta com maior ângulo no hub e menor na ponta. Razão da torção = produzir lift uniforme do hub até a ponta

54 HÉLICE - VELOCIDADES Embora uma asa esteja fixa em relação a aeronave e enxergue somente um fluxo livre relativo de ar,

55 HÉLICE - VELOCIDADES uma hélice também rotaciona com relação a aeronave e enxerga um fluxo de ar de entrada relativo o qual é a soma vetorial da velocidade do fluxo axial e da velocidade rotacional da hélice.

56 HÉLICE - VELOCIDADES Quanto mais próximo a seção de pá estiver da ponta, mais rápida está se movendo através do ar e maior o ângulo do vento aparente.

57 HÉLICE - ÂNGULOS Ângulo de ataque (Attack Angle), ângulo entre a corda e a velocidade relativa Ângulo de deslizamento (Helix Angle) ângulo entre a velocidade rotacional e a velocidade relativa Ângulo de pá (Blade angle) ângulo entre a corda e a velocidade rotacional

58 HÉLICE - ÂNGULO DE ATAQUE Para obter uma força aerodinâmica adequada, a seção de aerofólio da pá é colocada em um ângulo de ataque em relação o vetor velocidade relativa.

59 TORÇÃO Se a pá tivesse o mesmo passo geométrico em todo seu comprimento, na velocidade de cruzeiro a parte próximo ao hub teria ângulo de ataque negativo enquanto no ponta iria estolar. ''Twisting'', torcer ou variar a geometria do passo da hélice permite a hélice operar com ângulo de ataque relativamente constante ao longo de seu comprimento quando está em vôo de cruzeiro. Colocando de outra forma, pás de hélices são torcidas para variar o ângulo da pá proporcionalmente as diferenças na velocidade de rotação ao longo do comprimento da hélice e manter o empuxo aproximadamente igual ao longo de seu comprimento.

60 Passo da hélice - o mesmo para os três raios (r1, r2 e R)

61 TORÇÃO Usualmente 1° a 4° fornece a razão lift/drag mais eficiente, mas em vôo o ângulo de ataque de uma hélice de passo-fixo variará - normalmente de 0° to 15°. Esta variação é causada por variações do escoamento de vento relativo o qual por sua vez resulta em variações na velocidade da aeronave. Em resumo ângulo de ataque é o produto de dois movimentos: rotação da hélice sobre seu eixo e seu movimento a frente.

62 TORÇÃO Quanto mais próximo a pá estiver do topo, mais rápida está se movendo através do ar e maior o ângulo do vento aparente. Assim a pá precisa ser mais torcida no topo do que na raiz. Tipicamente a torção é aproximadamente de 10-20° da raiz ao topo. Isto implica na maior ou menor facilidade de construção.

63 Além da torção a pá exige que sua seção transversal seja baseada em uma família similar de formas. Em geral o melhor lift/drag é obtido por um aerofólio que é fino: sua espessura deve ser somente de 10-15% de seu comprimento de ''corda'' (o comprimento através da pá na direção do escoamento do vento).

64 ÂNGULO DE ATAQUE – baixo, médio e alto A força de sustentação aumenta quando a pá é girada para formar um ângulo maior com o vento.Para ângulos de ataque muito grandes a pá sofre ''stall'' e a sustentação cai. Existe um ângulo de ataque ótimo para gerar o máximo de sustentação.

65 2πrN

66 Parâmetros Geométricos e Aerodinâmicos no Elemento da Pá dT ~ tração [N] dF ~ força resistiva [N] dL ~ componente de sustentação [N] dD ~ componente de arrasto [N] dR ~ resultante de forças [N] r ~ comprimento radial [m] c ~ corda do elemento [m] V ~ velocidade da aeronave [m/s] V R ~ velocidade resultante [m/s] N ~ rotação da hélice [rpm] ~ velocidade tangencial [m/s]

67 ~ ângulo geométrico da pá ~ ângulo de ataque da pá ~ ângulo de deslizamento da pá ~ ângulo da força resultante Relações Matemáticas Fundamentais no Elemento da Pá

68 HÉLICE - PASSO (PITCH) Passo é medida teórica de quão longe a hélice se moverá através do ar em uma revolução. Por exemplo 18" produziria um avanço em 18" após uma revolução.

69 O efeito primário do passo no desempenho é o mesmo do cambio em seu carro. Passos maiores são semelhantes a 4a e 5a marcha de seu carro, maior velocidade menor aceleração. Passos menores são como marchas lentas (2a e 3a marchas), maior aceleração, menor velocidade máxima.

70 HÉLICE – PASSO O avanço efetivo da hélice não corresponde, em virtude de perdas e resistências, ao passo teórico, chamando-se a essa diferença o recuo.

71 Passo Geométrico da Hélice: Distância horizontal ideal percorrida pela hélice de diâmetro D a cada rotação, cujo ângulo helicoidal equivale ao ângulo geométrico das pás da hélice. Passo Efetivo da Hélice: Distância horizontal real percorrida pela hélice de diâmetro d a cada rotação. Esse passo difere do passo geométrico devido deslizamento da hélice, denominado split, através do ângulo de deslizamento da pá, causado pela velocidade resultante entre a velocidade de rotação da hélice e a velocidade da aeronave; Parâmetros Geométricos do Movimento de Hélices

72 Projeção Horizontal do Passo Geométrico e Passo Efetivo Parâmetros Geométricos do Movimento de Hélices

73 Componentes de Velocidades Atuando sobre a Pá da Hélice Parâmetros Geométricos do Movimento de Hélices

74 O ângulo de deslizamento da pá, com base no triângulo de velocidades apresentado anteriormente é expresso matematicamente por: Onde V 0 ~ velocidade da aeronave (m/s) r ~ raio do elemento da pá (m) N ~ rotação da pá (rpm) Parâmetros Geométricos do Movimento de Hélices

75 A relação angular entre ângulo de ataque e os ângulos geométricos da pá e ângulo de deslizamento é expressa por: Como cada posição radial ao longo da pá possui um ângulo geométrico diferente, os ângulos de ataque das posições radiais serão diferentes; No caso de velocidade da aeronave nula, o ângulo de ataque da posição radial da pá será igual ao ângulo geométrico da pá; Na medida em que a velocidade da aeronave aumenta, tende-se a reduzir o ângulo de ataque da pá devido ao aumento do ângulo de deslizamento; Parâmetros Geométricos do Movimento de Hélices

76 HÉLICE – PASSO Uma hélice de bom rendimento terá um passo constante, isto é, todas as secções da pá terão o mesmo avanço. As mais próximas do eixo terão maior inclinação que as secções mais afastadas, pois sendo a velocidade de circulação naqueles pontos inferior à das extremidades do hélice, o avanço será idêntico.

77 HÉLICE – PASSO Qual a seção da hélice os fabricantes utilizam na nomenclatura de uma hélice?? Considerem o gráfico que mostra o empuxo acumulado versus fração do raio da pá.

78 Por convenção o passo é definido em polegadas ou milímetros a 75% do raio da pá. Está coerente???

79 80% do empuxo é gerado por 50% da parte final da hélice 75% é uma escolha justa uma vez que aprox. metade do empuxo de uma hélice ocorre em cada lado deste valor, antes e depois.

80 Hélices de Passo Fixo (Fixed Pitch Propellers): a hélice é formada por uma peça única cujo ângulo da pás, e conseqüentemente o passo da hélice, não pode ser alterado após a fabricação da hélice; Hélice de Passo Ajustável (Adjustable Pitch Propellers): as pás da hélice são fixadas ao cubo da hélice através de um mecanismo giratório, permitindo que o ângulo das pás, e assim o passo, seja alterado. Nesse tipo, o ângulo é ajustado em solo não podendo ser alterado em vôo; Hélice de Passo Variável ou Velocidade Constante (Constant Speed Propellers): as pás são fixadas a um mecanismo giratório controlado por um atuador hidráulico chamado governador. Nesse tipo, o ângulo das pás pode ser alterado em vôo, visando otimizar o desempenho da hélice para cada condição de operação do motor; Tipos de Hélice HÉLICE – PASSO

81 Hélice de Passo Fixo Passo Fixo – Constante ou Progressivo Hélice de Passo Fixo

82 Hélice de Passo Fixo Hélice de Passo Variável

83 Hélice de Passo Variável - Velocidade Constante

84 Pressurised oil Primeiro, uma hélice a qual possa variar o passo. Conecte a roda a um pistão em um tubo. Variar a pressão do óleo afetará a posição da mola que move o pistão, então varia o passo da hélice. Conecte-a a uma roda a qual permite a pá variar seu passo pelo movimento para cima / para baixo. Uma mola empurra em um lado do pistão, ficando oposta pelo óleo sob pressão no outro.

85 Teoria de Hélice Empuxo Direção da rotação Aqui está nossa pá de hélice com passo fixo Fixada ao cubo rotativo Lift Produzido = Empuxo

86 Passo Fixo Teoria de Hélice Empuxo arrasto Neste caso, a quantidade de Thrust (empuxo) produzida pela hélice iguala-se ao arrasto e a aeronave está em um vôo sem aceleração. Aumentando a RPM, a hélice produz mais empuxo e a aeronave acelera até que o fluxo de entrada se iguale ao empuxo. Isto manterá a aeronave em uma velocidade maior. Podemos continuar aumentando a RPM e consequentemente acelerando, mas chegará um limite onde a máxima RPM é alcançada e a aeronave não conseguirá ir mais rápido. Se formos capazes de aumentarmos o empuxo produzido pela hélice em dada rpm, então a aeronave poderia ir mais rápido… Podemos fazer isto apenas virando a posição da hélice conduzindo a um maior ângulo de incidência ao fluxo de entrada – Vejamos uma hélice de passo variável.... Direção & Velocidade de rotação arrasto EmpuxoMax Empuxo Max arrasto

87 Empuxo Teoria de Hélice Maior Empuxo Maior arrasto Passo Variável Passo variável entre estes limites Empuxo efetivo pode ser aumentado ou diminuido por variar o passo da hélice. Direção da rotação Vejamos um gráfico de EFICIÊNCIA relativa de uma hélice.

88 Eficiência Hélice Aircraft speed Efficiency Primeiro com Passo Fixo. Quando a velocidade aumenta, então a eficiência chega ao topo. Velocidades maiores, a eficiência cai.. Variando o passo, podemos extender este máximo de eficiência sobre um range maior de velocidades. Para assegurar que nosso motor é mantido no limite aceitável em todo o range de velocidade, nós fixamos um mecanismo o qual mantém a rpm cte. Vejamos detalhes de como tal CONSTANT SPEED system, o qual está fixado na hélice.

89 TakeoffRotationCruise 2700 RPM AS= 0 KTAS 2700 RPM AS= 80 KTAS 2500 RPM AS= 180 KTAS (2700 RPM, 2/3 of 78 Prop= 360 KTAS) (2500 RPM= 330 KTAS) Alpha Ótimo Alpha Ótimo Alpha Ótimo Com aumento da Velocidade, ou redução da RPM, ângulo de passo aumenta, mas Alpha permanece constante Passo Variável em Vôo

90 HÉLICE – PASSO Seja uma hélice de 8" de diâmetro em um motor que desenvolva 17 000 r.p.m. Qual a velocidade na extremidade? E a ¼ a partir do eixo?

91 A velocidade de ponta de hélice deve ser menor que a velocidade do som, para evitar o surgimento de ondas de choque que diminuem sua eficiência, gerando um nível de ruído também maior. Em uma hélice de madeira, a velocidade da ponta da pá deve ser de no máximo a 77% da velocidade do som, enquanto que para uma hélice de metal esse limite é de cerca de 85%

92 Os primórdios tinham como mandatório o uso de perfis com intradorso chatos, o que facilitava a fabricação de hélices em madeira. Na Inglaterra o perfil RAF6 rapidamente entrou em utilização e manteve-se até a 2a Guerra. Durante a 2a Guerra o RAF6 foi substituido pelo perfil Clark Y. Atualmente este ainda constitui o perfil mais utilizado na aviação em geral. No final da 2a Guerra surgiram os primeiros resultados sobre a série 16 de aerofólios da NACA, capazes de melhor desempenho principalmente em altas velocidades. Na década de 70 a ARA- Aircraft Research Assoation desenvolveu em parceria com o fabricante de héces Dowty, a família de perfis ARA-D que conseguem gerar alta sustentação sem sacrifício de desempenho em altas velocidades. PERFIS COMUNS DE HÉLICES

93 Familias mais recentes de aerofólios incluem a família Eppler E85x, Martim Hepperle MH 11X e o HORxx desenvolvido pela francesa Onera.

94 PERFIS COMUNS DE HÉLICES

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96 PERFIS - NOMENCLATURA

97 Exercício 4 Considere um comprimento de corda de 1 polegada. Faça o perfil.

98 PERFIS – NOMENCLATURA – RAIO DO BORDO DE ATAQUE E ÂNGULO DO RAIO