Desempenho de Hélices Parâmetros Adimensionais para Correlação de Desempenho de Hélices Engenharia Aeronáutica

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

Propulsão a Hélice Conceito de Potência Propulsiva 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.

Propulsão a Hélice Conceito de Eficiência Propulsiva  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: ATENÇÃO:  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.

Potências Relativas a Motores a Pistão  A potência de eixo é apresentada pela notação SEP (do inglês, Shaft Engine Power), expressa em unidade kW;  Matematicamente, a potência de eixo pode ser calculada como uma parcela, ou não, da potência efetiva do motor, introduzindo a eficiência da transmissão hS para levar em considerações as perdas na transmissão: motores com transmissão motores sem transmissão

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.

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.

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;

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 22,4o

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 CT, coeficiente de torque CQ e coeficiente de potência CP;  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.

Parâmetros Adimensionais de Correlação de Desempenho de Hélices Coeficientes Adimensionais de Tração, Torque e Potência  coeficiente de tração CT  coeficiente de torque CQ  coeficiente de potência CP Unidades: r em kg/m3; N em rpm; D em m, T em N, Q em N.m e P em W.

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

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 3 pás

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

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

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

Exercício Resolvido de Cálculo do Desempenho de uma Hélice Utilizando os Parâmetros Adimensionais de Correlação de Desempenho Engenharia Aeronáutica

Exercício Resolvido de Cálculo do Desempenho de uma Hélice Descrição Geral  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 atmosféricas ISA-SL: 101,325 kPa @ 288,15K diâmetro da hélice 96 in (2,438m) rotação da hélice 2000 rpm velocidade da aeronave 44,44 m/s (160 km/h) coeficiente de avanço 0,547 perfil geométrico das pás RAF-6 ângulos da pá a ¾ do raio 15, 20, 22.4, 25 e 30º

Exercício Resolvido de Cálculo do Desempenho de uma Hélice Coeficientes de Potência e Tração - Perfil RAF-6 - hélice de 2 pás

Exercício Resolvido de Cálculo do Desempenho de uma Hélice Resolução do Exercício parâmetro ângulo da pá a ¾ do raio 15º 20º 22,4º 25º 30º V [m/s] 44,44 J 0,547 b CP 0,03 0,056 0,071 0,85 0,112 CT 0,04 0,075 0,09 0,105 0,125 P [W] eixo 117354 219061 275782 332503 438122 T [N] 1925 3610 4331 5053 6016 Q [N.m] 560 1045 1316 1587 2092 P [W] propulsiva 85470 160284 192470 224555 267351 hH 72,8% 73,2 69,8% 67,5% 61,1%

Exercício Resolvido de Cálculo do Desempenho de uma Hélice Resolução do Exercício parâmetro ângulo da pá a ¾ do raio 15º 20º 22,4º 25º 30º V [m/s] 44,44 J 0,547 b CP 0,03 0,056 0,071 0,85 0,112 CT 0,04 0,075 0,09 0,105 0,125 P [W] eixo 117354 219061 275782 332503 438122 T [N] 1925 3610 4331 5053 6016 Q [N.m] 560 1045 1316 1587 2092 P [W] propulsiva 85470 160284 192470 224555 267351 hH 72,8% 73,2 69,8% 67,5% 61,1% valores calculados pelo método simplificado a 22,4º utilizando os coeficientes aerodinâmicos CL e CD PEIXO = 239000 W T = 4064 N Q = 1140 N.m PPROPULSIVA = 181000 W hH = 75,6%