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Propulsão Aeronáutica agosto 2014 Desempenho de Hélices Parâmetros Adimensionais para Correlação de Desempenho de Hélices Engenharia Aeronáutica.

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1 Propulsão Aeronáutica agosto 2014 Desempenho de Hélices Parâmetros Adimensionais para Correlação de Desempenho de Hélices Engenharia Aeronáutica

2 Propulsão a Hélice Tópicos Abordados  Análise Dimensional  Parâmetros Adimensionais de Desempenho de Hélices;  Exercício Resolvido para Correlação de Desempenho de Hélices;

3 Conceito de Potência Propulsiva Propulsão a Hélice  A potência propulsiva da hélice corresponde ao produto da força propulsiva ou tração T gerada pela hélice (em unidade N) e a velocidade da aeronave V (em unidade m/s);  A força propulsiva ou tração é calculada pela multiplicação da variação de velocidade de um fluxo mássico ao atravessar a hélice;  A unidade de potência propulsiva é N.m/s, que corresponde a W;  Pode ser expressa ainda em hp, realizando a conversão 1hp = 745 W.

4 Conceito de Eficiência Propulsiva Propulsão a Hélice  A eficiência propulsiva da hélice ou simplesmente eficiência da hélice, é calculada pela razão entre a potência propulsiva e a potência de eixo entregue a hélice pelo motor:  Para o caso de uma aeronave parada com o motor totalmente acelerado (máxima rotação), a potência de eixo disponibilizada pelo motor poderá ser máxima; a tração gerada pela hélice é máxima; entretanto a potência propulsiva será nula (velocidade da aeronave nula), conseqüentemente a eficiência propulsiva será nula. ATENÇÃO:

5 Eficiência Aerodinâmica da Hélice  A eficiência aerodinâmica da hélice, ou somente eficiência da hélice, corresponde a razão entre a potência propulsiva do elemento propulsivo hélice e a potência de eixo para acionamento da hélice, ou seja, a potência de eixo fornecida pelo motor:  A eficiência da hélice calculada através da equação acima corresponde a eficiência global da hélice, visto que essa representa todas as eficiências locais de cada estação da pá da hélice;  A eficiência da hélice não corresponde a eficiência propulsiva.

6 Modelos de Desempenho de Hélices Apresentação dos Modelos  Modelo Baseado na Teoria de Momento Linear: modelo simplificado para determinação da eficiência propulsiva ideal da hélice. A eficiência é calculada através de velocidades do escoamento na hélice.  Modelo Baseado na Teoria de Elementos de Pás: modelo aperfeiçoado para determinação da tração total e do torque total gerados pela hélice com finito número de pás. Os parâmetros de desempenho são calculados com base nas características geométricas e aerodinâmicas das pás da hélice.  Modelo Baseado em Coeficientes Adimensionais Os parâmetros de desempenho são calculados com base nas características geométricas e aerodinâmicas das pás da hélice.

7 Propulsão Aeronáutica agosto 2014 Parâmetros Adimensionais de Correlação de Desempenho de Hélices Mapa de Desempenho de Hélices  Para representar o desempenho de uma mesma hélice, em diferentes regimes de operação, comumente são apresentadas as curvas de potência, torque e eficiência propulsiva da hélice em função de um coeficiente adimensional J, chamado de coeficiente de avanço.  O conjunto destas curvas em função do coeficiente J é chamado de mapa de desempenho da hélice;  Os parâmetros de desempenho contidos no mapa de desempenho são calculados pelo método simplificado na estação a ¾ do raio da pá;

8 Propulsão Aeronáutica agosto 2014 Parâmetros Adimensionais de Correlação de Desempenho de Hélices Mapa de Desempenho de Hélices coeficiente de avanço J V ~ velocidade da aeronave [m/s] N ~ rotação da hélice [rps] D ~ diâmetro da hélice [m] mapa de desempenho da hélice calculado considerando ângulo da pá a ¾ do raio de 22,4 o

9 Propulsão Aeronáutica agosto 2014 Parâmetros Adimensionais de Correlação de Desempenho de Hélices Coeficientes Adimensionais de Tração, Torque e Potência  O mapa de desempenho de uma dada hélice, com dado perfil aerodinâmico, pode ser utilizado para estimar o desempenho de uma outra hélice aerodinamicamente semelhante (mesmo perfil aerodinâmico, mas com ângulo de pá a ¾ do raio e diâmetro diferentes);  Para isso, é necessário reduzir os parâmetros de desempenho de tração, torque e potência na forma de coeficientes adimensionais;  Os coeficientes adimensionais são respectivamente o coeficiente de tração C T, coeficiente de torque C Q e coeficiente de potência C P ;  As curvas de desempenho na forma de coeficientes adimensionais são apresentadas em função do coeficiente de avanço J e do ângulo na estação a ¾ do raio da pá, para cada perfil aerodinâmico de pá e número de pás da hélice.

10 Propulsão Aeronáutica agosto 2014 Parâmetros Adimensionais de Correlação de Desempenho de Hélices Coeficientes Adimensionais de Tração, Torque e Potência  coeficiente de tração C T  coeficiente de torque C Q  coeficiente de potência C P Unidades:  em kg/m 3 ; N em rpm; D em m, T em N, Q em N.m e P em W.

11 Propulsão Aeronáutica agosto 2014 Parâmetros Adimensionais de Correlação de Desempenho de Hélices Mapas de Desempenho de Hélices em Função dos Coeficientes coeficientes para o perfil aerodinâmico RAF-6, hélice de 2 pás

12 Propulsão Aeronáutica agosto 2014 Parâmetros Adimensionais de Correlação de Desempenho de Hélices coeficientes para o perfil aerodinâmico RAF-6, hélice de 3 pás Mapas de Desempenho de Hélices em Função dos Coeficientes

13 Propulsão Aeronáutica agosto 2014 Parâmetros Adimensionais de Correlação de Desempenho de Hélices coeficientes para o perfil aerodinâmico Clark-Y, hélice de 2 pás Mapas de Desempenho de Hélices em Função dos Coeficientes

14 Propulsão Aeronáutica agosto 2014 Parâmetros Adimensionais de Correlação de Desempenho de Hélices coeficientes para o perfil aerodinâmico Clark-Y, hélice de 3 pás Mapas de Desempenho de Hélices em Função dos Coeficientes

15 Propulsão Aeronáutica agosto 2014 Parâmetros Adimensionais de Correlação de Desempenho de Hélices coeficientes para o perfil aerodinâmico Clark-Y, hélice de 3 pás Mapas de Desempenho de Hélices em Função dos Coeficientes

16 Propulsão Aeronáutica agosto 2014 Exercício Resolvido de Cálculo do Desempenho de uma Hélice Utilizando os Parâmetros Adimensionais de Correlação de Desempenho Engenharia Aeronáutica

17 Propulsão Aeronáutica agosto 2014 Descrição Geral Exercício Resolvido de Cálculo do Desempenho de uma Hélice  Determinar a tração e o torque de acionamento de uma hélice bi-pá de passo variável (ângulo de pá variável) utilizando os coeficientes adimensionais, com condições de operação mostradas na tabela abaixo: condições atmosféricasISA-SL: 101, ,15K diâmetro da hélice96 in (2,438m) rotação da hélice2000 rpm velocidade da aeronave44,44 m/s (160 km/h) coeficiente de avanço0,547 perfil geométrico das pásRAF-6 ângulos da pá a ¾ do raio15, 20, 22.4, 25 e 30 º

18 Propulsão Aeronáutica agosto 2014 Coeficientes de Potência e Tração - Perfil RAF-6 - hélice de 2 pás Exercício Resolvido de Cálculo do Desempenho de uma Hélice

19 Propulsão Aeronáutica agosto 2014 Resolução do Exercício Exercício Resolvido de Cálculo do Desempenho de uma Hélice parâmetro ângulo da pá a ¾ do raio 15 º 20 º 22,4 º 25 º 30 º V [m/s]44,44 J0,547  15 º 20 º 22,4 º 25 º 30 º CPCP 0,030,0560,0710,850,112 CTCT 0,040,0750,090,1050,125 P [W] eixo T [N] Q [N.m] P [W] propulsiva HH 72,8%73,269,8%67,5%61,1%

20 Propulsão Aeronáutica agosto 2014 Resolução do Exercício Exercício Resolvido de Cálculo do Desempenho de uma Hélice parâmetro ângulo da pá a ¾ do raio 15 º 20 º 22,4 º 25 º 30 º V [m/s]44,44 J0,547  15 º 20 º 22,4 º 25 º 30 º CPCP 0,030,0560,0710,850,112 CTCT 0,040,0750,090,1050,125 P [W] eixo T [N] Q [N.m] P [W] propulsiva HH 72,8%73,269,8%67,5%61,1% valores calculados pelo método simplificado a 22,4º utilizando os coeficientes aerodinâmicos C L e C D P EIXO = W T = 4064 N Q = 1140 N.m P PROPULSIVA = W  H = 75,6%


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