Desempenho do Grupo Moto-Propulsor a Hélice Dimensionamento Inicial de Hélices, Mapa de Eficiências de Hélices, Curva de Potência Propulsiva Disponibilizada pelo Grupo Moto-Propulsor Engenharia Aeronáutica

Tópicos Abordados ● Dimensionamento Inicial de Hélices; ● Mapa de Eficiências de Hélices; ● Cálculo de Dimensionamento de Hélice para uma Aeronave; ● Cálculo Refinado de Dimensionamento de Hélice para uma Aeronave; ● Considerações a Respeito do Dimensionamento de Hélices; ● Potência Propulsiva Disponibilizada pelo Grupo Moto-Propulsor; ● Potência Disponibilizada para Hélices de Passo Fixo; ● Potência Disponibilizada para Hélices de Velocidade Constante; ● Cálculo de Potência para Hélice de Passo Fixo e Velocidade Constante; ● Considerações a Respeito de Desempenho de Tipos de Hélices;

Dimensionamento Inicial de Hélice  O desempenho do grupo moto-propulsor de uma aeronave depende da potência de eixo fornecida pelo motor, em todas as condições de vôo da aeronave, e da força propulsiva gerada pela hélice nas condições de operação do motor;  A força propulsiva gerada pela hélice, e consequentemente a potência propulsiva do grupo moto-propulsor para movimentar a aeronave, depende principalmente do diâmetro da hélice e do passo da hélice;  Um dos requisitos iniciais para o dimensionamento de um grupo moto- propulsor, para uma dada aeronave, é a determinação do diâmetro inicial para a hélice que será utilizada no motor selecionado;  O diâmetro inicial da hélice pode ser determinado considerando a potência de eixo máxima desenvolvida pelo motor;

Dimensionamento Inicial de Hélice  Utiliza-se como referência a potência de eixo máxima do motor visto que essa potência comumente é especificada em uma dada rotação máxima;  Como requisito inicial de dimensionamento da hélice, considera-se ainda que a hélice, operando na condição de potência máxima do motor, irá operar na máxima eficiência aerodinâmica;  Os valores de eficiência aerodinâmica de hélice são apresentadas em mapas de eficiência, os quais relacionam a eficiência da hélice com o coeficiente de avanço J e um coeficiente de velocidade CS, para diferentes perfis aerodinâmicos de pá, número de pás e ângulo geométrico (b) a ¾ do raio da pá;  O coeficiente de velocidade é utilizado para estimar a velocidade máxima da aeronave utilizando a hélice com perfil aerodinâmico considerado;

Mapa de Eficiência para o Perfil Aerodinâmico Clark-Y, hélice de 2 pás

Mapa de Eficiência para o Perfil Aerodinâmico Clark-Y, hélice de 3 pás

Dimensionamento Inicial de Hélice  Os coeficientes adimensionais de desempenho são expressos por: coeficiente de velocidade (CS): coeficiente de avanço (J):  Com o coeficiente de velocidade (CS) é possível determinar a velocidade máxima da aeronave, para o tipo de hélice selecionada, com base na potência máxima e na rotação na potência máxima;  Com a avanço (J) e a velocidade, determina-se o diâmetro da hélice;

Dimensionamento Inicial de Hélice  Para uma dado motor, com potência de eixo máxima (P), rotação na potência máxima (N) e condições atmosféricas de vôo conhecidas (r), a estimativa inicial do diâmetro da hélice (D) segue o roteiro abaixo: dados de entrada: P, N, perfil, ângulo da pá a ¾ do raio e número de pás mapa de eficiências da hélice: valores de Cs e J para máxima eficiência equação de Cs: cálculo da velocidade máxima da aeronave equação de J: cálculo do diâmetro da hélice

1 Motor a Pistão Lycoming O-320A1 Cálculo de Dimensionamento Inicial de Hélice Piper PA18-150 Super Cub 1 Motor a Pistão Lycoming O-320A1 motor quatro tempos, quatro cilindros configuração de cilindros opostos horizontalmente volume total deslocado de 5,24L (320in3), razão de compressão 7,0:1 potência efetiva máxima de 150bhp a 2700rpm (ISA-SL+15oC)

Cálculo de Dimensionamento Inicial de Hélice Calcular o diâmetro de uma hélice para aplicação no motor Lycoming O-320A1 da aeronave Piper PA18-150 Super Cub, cujos parâmetros de operação do motor na potência efetiva máxima (sem transmissão) são apresentados a seguir: condições atmosféricas ISA-SL: 101,325 kPa @ 288,15K marca e modelo do motor Lycoming O-320A1 potência efetiva máxima do motor, BEP 111,7kW (150bhp) rotação na potência máxima, N 2700 rpm perfil aerodinâmico das pás Clark-Y estimativa inicial do número de pás 2 estimativa de ângulo das pás a ¾ do raio 25º

Cálculo de Dimensionamento Inicial de Hélice 1º PASSO: Obtenção dos coeficiente de velocidade e coeficiente de avanço para o tipo de hélice considerada, utilizando os mapas de desempenho Para máxima eficiência aerodinâmica da hélice: coeficiente de velocidade (CS): coeficiente de avanço (J):

J = 1 CS = 1,8 Mapa de Eficiência para o Perfil Aerodinâmico Clark-Y, hélice de 2 pás

Cálculo de Dimensionamento Inicial de Hélice 2º PASSO: Calcular a velocidade máxima da aeronave com o tipo de hélice considerada, através do coeficiente de velocidade (CS): Como o motor considerado não possui transmissão de potência, a potência de eixo máxima (P) é igual a potência efetiva máxima (BEP):

Cálculo de Dimensionamento Inicial de Hélice 3º PASSO: Calcular o diâmetro da hélice com base no coeficiente de avanço (J) e na velocidade da hélice: Especificações Reais da Aeronave Piper PA18-150 e Hélice Hartzell Bi-Pá velocidade máxima: 68,3 m/s (246 km/h) diâmetro da hélice: 1,828 m (72 in)

Considerações a Respeito do Dimensionamento Inicial de Hélice  Para o dimensionamento inicial de uma hélice é necessário conhecer os mapas de eficiência de um dado tipo de hélice. Para perfis aerodinâmicos clássicos, como o Clark-Y e RAF-6, os mapas de eficiências podem ser obtidos na literatura;  Esses mapas são obtidos experimentalmente em túneis de vento, com instalações físicas dedicadas ao estudo de hélices;  Na prática, deve-se avaliar o diâmetro calculado para a hélice com os requisitos de espaço para acomodação da hélice na estrutura da aeronave, avaliando a possibilidade de colisão da hélice com o solo;  Por exemplo, se para uma hélice bi-pá Clark-Y o diâmetro for superior a altura disponível para acomodação da hélice, pode-se utilizar uma hélice tri-pá a fim de reduzir o diâmetro da hélice;

1 Motor a Pistão Lycoming AEIO-540-L1B5 Cálculo Refinado de Dimensionamento Inicial de Hélice Extra EA-300 1 Motor a Pistão Lycoming AEIO-540-L1B5 motor quatro tempos, seis cilindros configuração de cilindros opostos horizontalmente volume total deslocado de 8,84L (540in3), razão de compressão 7,3:1 potência efetiva máxima de 300bhp a 2700rpm (ISA-SL+15oC)

Desenho em Três Vistas da Aeronave Extra EA-300 Cálculo Refinado de Dimensionamento Inicial de Hélice Desenho em Três Vistas da Aeronave Extra EA-300

Cálculo Refinado de Dimensionamento Inicial de Hélice Calcular o diâmetro de uma hélice para o motor Lycoming AEIO-540-L1B5 da aeronave Extra EA-300, cujos parâmetros de operação do motor na potência efetiva máxima (sem transmissão) são apresentados a seguir: condições atmosféricas ISA-SL: 101,325 kPa @ 288,15K marca e modelo do motor Lycoming AEIO-540-L1B5 potência efetiva máxima do motor, BEP 223,5kW (300bhp) rotação na potência máxima, N 2700 rpm perfil aerodinâmico das pás Clark-Y estimativa inicial do número de pás 2 estimativa de ângulo das pás a ¾ do raio 25º altura do eixo do motor em relação ao solo 1,38m (54in)

Cálculo Refinado de Dimensionamento Inicial de Hélice 1º PASSO: Obtenção dos coeficiente de velocidade e coeficiente de avanço para o tipo de hélice considerada, utilizando os mapas de desempenho Para máxima eficiência aerodinâmica da hélice: coeficiente de velocidade (CS): coeficiente de avanço (J):

J = 1 CS = 1,8 Mapa de Eficiência para o Perfil Aerodinâmico Clark-Y, hélice de 2 pás

Cálculo Refinado de Dimensionamento Inicial de Hélice 2º PASSO: Calcular a velocidade máxima da aeronave com o tipo de hélice considerada, através do coeficiente de velocidade (CS): Como o motor considerado não possui transmissão de potência, a potência de eixo máxima (SEP) é igual a potência efetiva máxima (BEP):

Cálculo Refinado de Dimensionamento Inicial de Hélice 3º PASSO: Calcular o diâmetro da hélice com base no coeficiente de avanço (J) e na velocidade da hélice:  Com relação ao desenho em três vistas da aeronave, verifica-se que o altura disponível do eixo do motor ao solo permite acomodar uma hélice com 108in de diâmetro;  Entretanto, a utilização de uma hélice bi-pá com 81in deixaria um folga de somente 13,5in (34,2cm) em relação ao solo;  Para aumentar a folga entre a hélice e o solo deve-se utilizar uma hélice com maior número de pás.

Desempenho do Grupo Moto-Propulsor Cálculo Refinado de Dimensionamento Inicial de Hélice Recalcular o diâmetro de uma hélice para o motor Lycoming AEIO-540-L1B5 da aeronave Extra EA-300, cujos parâmetros de operação do motor na potência efetiva máxima (sem transmissão) são apresentados a seguir: condições atmosféricas ISA-SL: 101,325 kPa @ 288,15K marca e modelo do motor Lycoming AEIO-540-L1B5 potência efetiva máxima do motor, BEP 223,5kW (300bhp) rotação na potência máxima, N 2700 rpm perfil aerodinâmico das pás Clark-Y estimativa final do número de pás 3 estimativa de ângulo das pás a ¾ do raio 25º altura do eixo do motor em relação ao solo 1,38m (54in)

Cálculo Refinado de Dimensionamento Inicial de Hélice 1º PASSO: Obtenção dos coeficiente de velocidade e coeficiente de avanço para a hélice tri-pá considerada, utilizando os mapas de desempenho Para máxima eficiência aerodinâmica da hélice: coeficiente de velocidade (CS): coeficiente de avanço (J):

Passo fixo a eficiência é alta (80 a 85%) somente sob uma pequena faixa de velocidades de vôo. J = 1 CS = 1,7 Mapa de Eficiência para o Perfil Aerodinâmico Clark-Y, hélice de 3 pás

Cálculo Refinado de Dimensionamento Inicial de Hélice 2º PASSO: Calcular a velocidade máxima da aeronave com o tipo de hélice considerada, através do coeficiente de velocidade (CS): Como o motor considerado não possui transmissão de potência, a potência de eixo máxima (P) é igual a potência efetiva máxima (BEP):

Cálculo Refinado de Dimensionamento Inicial de Hélice 3º PASSO: Calcular o diâmetro da hélice com base no coeficiente de avanço (J) e na velocidade da hélice:  Utilizando uma hélice tri-pá, o diâmetro da hélice reduz para 77in e a folga entre da hélice e o solo passa a ser de 15,5in (39,7cm);  Em relação a hélice bi-pá, a hélice tri-pá fornece uma folga maior; Especificações Reais da Aeronave Extra EA-300 e Hélice MT Tri-Pá velocidade máxima: 113,3 m/s (408 km/h) diâmetro da hélice: 1,955 m (77 in)

Potência Disponibilizada pelo Grupo Moto-Propulsor Cálculo da Curva de Potência Propulsiva Disponibilizada pelo Grupo Moto-Propulsor para Hélices de Passo Fixo e Passo Variável Engenharia Aeronáutica

Considerações sobre Desempenho do Grupo Moto-Propulsor  O desempenho de vôo de uma aeronave esta diretamente associado ao desempenho do grupo moto-propulsor que é utilizado na aeronave;  Comumente o desempenho de vôo de uma aeronave é expressa em função de um diagrama denominado envelope de vôo, que correlaciona a quantidade de energia que é necessária para manter o vôo da aeronave e a quantidade de energia disponibilizada para o vôo da aeronave, em função da velocidade de vôo;  A quantidade de energia por unidade de tempo necessária para o vôo da aeronave é chamada de potência requerida, e esta associada a características aerodinâmicas da aeronave, principalmente o arrasto;  A quantidade de energia por unidade de tempo disponibilizada para o vôo é chamada potência disponibilizada pelo grupo moto-propulsor;

Considerações sobre Desempenho do Grupo Moto-Propulsor  A potência disponibilizada pelo grupo moto-propulsor corresponde a quantidade de energia que é fornecida pela hélice ao escoamento de ar, na forma de potência propulsiva, para movimentação da aeronave;  Para estimar a curva de potência propulsiva disponibilizada pelo grupo moto-propulsor, em função da velocidade, é necessário conhecer a potência de eixo máxima que o motor é capaz de fornecer a hélice e a rotação do motor nessa potência máxima;  Entretanto, a escolha final da hélice depende da comparação da curva obtida com a curva de potência requerida para a aeronave;  A curva de potência requerida é obtida com base nas necessidades de desempenho da aeronave, como por exemplo peso da aeronave, área da asa, velocidade de cruzeiro, alcance ou autonomia.

Estimativa da Potência Disponibilizada pelo Grupo Moto-Propulsor  Para determinar a curva de potência disponibilizada pelo grupo moto-propulsor é necessário conhecer previamente: ● potência de eixo máxima do motor e rotação na potência máxima; ● diâmetro da hélice e número de pás; ● perfil aerodinâmico das pás e ângulo das pás a ¾ do raio;  Para o cálculo dos valores de potência propulsiva disponibilizada, em função da velocidade de vôo da aeronave, são utilizados os mapas de desempenho da hélice em função dos coeficientes CP, CT e J;  Os mapas de desempenho da hélice apresentam as curvas dos coeficientes adimensionais de desempenho em função do tipo de perfil aerodinâmico, do ângulo da pá a ¾ do raio e do número de pás;

Estimativa da Potência Disponibilizada pelo Grupo Moto-Propulsor  Para o caso de conhecimento da curva de potência de eixo do motor que aciona a hélice em função da rotação do motor, determina-se o coeficiente de potência para cada rotação do motor; Onde: P é a potência de eixo do motor em W, r é a densidade do ar em kg/m3, N é rotação da hélice em rpm e D é o diâmetro da hélice em m.  Com o coeficiente de potência, utiliza-se o mapa de desempenho da hélice para determinar o coeficiente de avanço (velocidade da aeronave) e o coeficiente de tração da hélice (tração gerada pela hélice);

Estimativa da Potência Disponibilizada pelo Grupo Moto-Propulsor  Para o caso de não conhecimento da curva de potência de eixo do motor em função da rotação do motor, correlaciona-se o coeficiente de potência de uma dada condição com o coeficiente na potência máxima: Onde: N0 é a rotação da hélice na potência máxima do motor em rpm, CP0 é o coeficiente de potência máxima, N é a rotação da hélice em rpm e CP é o coeficiente de potência em uma dada rotação da hélice.  O coeficiente de potência máxima é obtido pelo mapa de desempenho da hélice com base no J de máxima eficiência e no ângulo da pá a ¾ do raio;

Potência Disponibilizada para Hélices de Passo Fixo  Para o caso de uma hélice passo fixo, o ângulo da pá a ¾ do raio será constante para todas as condições de operação da hélice;  Como o ângulo da pá é constante, o coeficiente de potência sofrerá alteração para diferentes condições de operação da hélice, ou seja, diferentes coeficientes de avanço;  Como a potência entregue pelo motor a hélice é função da rotação e a rotação interfere diretamente no coeficiente de avanço, diferentes coeficientes de avanço implicam em diferentes potências de eixo a serem entregues pelo motor a hélice;  Dessa forma, a rotação da hélice, o coeficiente de potência e a velocidade da aeronave estarão mutuamente conectadas através do mapa de desempenho da hélice, para um dado ângulo a ¾ do raio da pá;

Potência Disponibilizada para Hélices de Passo Fixo Coeficientes de Potência e Avanço Variáveis para Hélice de Passo Fixo

eficiência propulsiva Potência Disponibilizada para Hélices de Passo Fixo dados de entrada: P, N0, perfil aerodinâmico, ângulo da pá a ¾ do raio, número de pás, diâmetro da hélice, J da hélice para eficiência máxima mapa de desempenho da hélice: CP0 e CT0 para máxima eficiência novo valor de J: velocidade da aeronave e CP e CT do mapa de desempenho eficiência propulsiva equação da rotação: rotação da hélice pela relação entre CP0 e CP potência propulsiva disponibilizada pela hélice: tração e velocidade equação do CP: potência disponibilizada pelo motor a hélice equação do CT: tração gerada pela hélice

Potência Disponibilizada para Hélices de Velocidade Constante  Para o caso uma hélice de passo variável, ou hélice de velocidade constante, a rotação do motor, e consequentemente da hélice, será constante em todas as condições de operação da hélice;  Como a rotação do motor e da hélice é constante, a potência entregue pelo motor a hélice também é constante, fazendo com que o coeficiente de potência da hélice seja constante;  Para que o coeficiente de potência seja constante para diferentes condições de operação, ou seja, diferentes coeficientes de avanço, o ângulo das pás a ¾ do raio deve variar em função da velocidade de vôo;  Nas hélices de velocidade constante, o controle do ângulo das pás para diferentes velocidades de vôo é realizado por um sistema automático baseado no governador da hélice;

Potência Disponibilizada para Hélices de Velocidade Constante Coeficiente de Potência Constante e Avanço Variável para Hélice de Velocidade Constante

eficiência propulsiva Desempenho do Grupo Moto-Propulsor Potência Disponibilizada para Hélices de Velocidade Constante dados de entrada: P, N0, perfil aerodinâmico, ângulo da pá a ¾ do raio, número de pás, diâmetro da hélice, J da hélice para eficiência máxima mapa de desempenho da hélice: CP0 e CT0 para máxima eficiência valor de CP: constante para todas as condições de operação da hélice eficiência propulsiva novo valor de J: velocidade da aeronave e ângulo da pá b e CT do mapa de desempenho potência propulsiva disponibilizada pela hélice: tração e velocidade equação do CT: tração gerada pela hélice

1 Motor a Pistão Lycoming O-320A1 Cálculo da Potência Disponibilizada para Motores a Hélice Piper PA18-150 Super Cub 1 Motor a Pistão Lycoming O-320A1 motor quatro tempos, quatro cilindros configuração de cilindros opostos horizontalmente volume total deslocado de 5,24L (320in3), razão de compressão 7,0:1 potência efetiva máxima de 150bhp a 2700rpm (ISA-SL+15oC)

25º (constante para passo fixo) Desempenho do Grupo Moto-Propulsor Cálculo da Potência para Hélice de Passo Fixo Determinar a curva de potência propulsiva disponibilizada para o grupo moto-propulsor da aeronave Piper PA-18 Super Cub, em função da velocidade de vôo, considerando a utilização de uma hélice de passo fixo: condições atmosféricas ISA-SL: 101,325 kPa @ 288,15K diâmetro da hélice 1,803m (71 in) potência efetiva máxima do motor ISA-SL 111,7kW (150hp) rotação na potência máxima ISA-SL 2700 rpm perfil aerodinâmico das pás Clark-Y número de pás 2 ângulo das pás a ¾ do raio (b) 25º (constante para passo fixo) velocidade máxima da aeronave 81,01 m/s (292 km/h)

Desempenho do Grupo Moto-Propulsor Cálculo da Potência para Hélice de Passo Fixo  Para a determinação da potência disponibilizada pela hélice de passo fixo, em função da velocidade, utiliza-se como base o dimensionamento inicial proposto anteriormente: ● ângulo da pá a ¾ do raio: b = 25º ● diâmetro da hélice: D = 71in ● o coeficiente de avanço para eficiência máxima: J = 1 ● coeficiente de potência no avanço de eficiência máxima: CP = 0,05  Como o avanço é função da velocidade de vôo e da rotação, para diferentes velocidades e rotações existirá um coeficiente de potência;  Cada novo coeficiente de potência implicará em uma nova rotação do motor, e consequentemente da hélice, gerando um novo avanço;

Desempenho do Grupo Moto-Propulsor Cálculo da Potência para Hélice de Passo Fixo J CP CT CP0/CP N/Nmax N V (m/s) P (W) T (N) T . V0 (W) hH 1,0 0,050 0,043 1,000 2700 81,015 107430 1137 92148 86% 0,9 0,062 0,059 0,808 0,899 2428 65,669 96591 1254 82377 85% 0,8 0,071 0,074 0,706 0,840 2268 54,540 90249 1363 74351 82% 0,7 0,078 0,086 0,647 0,805 2173 45,710 86444 1458 66656 77% 0,6 0,083 0,095 0,611 0,782 2111 38,070 83994 1530 58252 69% 0,5 0,102 0,585 0,765 2064 31,025 82141 1568 48642 59% 0,4 0,090 0,106 0,560 0,748 2020 24,288 80381 1564 37977 47% 0,3 0,109 0,533 0,730 1972 17,779 78452 1519 27011 34% 0,2 0,100 0,505 0,711 1919 11,536 76358 1449 16721 22% 0,1 0,105 0,110 0,479 0,692 1869 5,618 74366 1380 7754 10% 0,111 0,462 0,679 1834 0,000 72983 1347 0%

Coeficientes para o Perfil Aerodinâmico Clark-Y, hélice de 2 pás

Desempenho do Grupo Moto-Propulsor Cálculo da Potência para Hélice de Velocidade Constante Determinar a curva de potência propulsiva disponibilizada para o grupo moto-propulsor da aeronave Piper PA-18 Super Cub, em função da velocidade de vôo, considerando a utilização de uma hélice de velocidade constante: condições atmosféricas ISA-SL: 101,325 kPa @ 288,15K diâmetro da hélice 1,803m (71 in) potência efetiva máxima do motor ISA-SL 111,7kW (150hp) rotação na potência máxima ISA-SL 2700 rpm perfil aerodinâmico das pás Clark-Y número de pás 2 velocidade máxima da aeronave 81,01 m/s (292 km/h) ângulo das pás a ¾ do raio variável

Desempenho do Grupo Moto-Propulsor Cálculo da Potência para Hélice de Velocidade Constante  Para a determinação da curva de potência disponibilizada pela hélice de velocidade constante, em função da velocidade, utiliza-se como base o dimensionamento inicial proposto anteriormente: ● ângulo da pá a ¾ do raio para eficiência máxima: b = 25º ● diâmetro da hélice: D = 71in ● o coeficiente de avanço para eficiência máxima: J = 1 ● coeficiente de potência no avanço de eficiência máxima: CP = 0,05  Como a rotação da hélice, e conseqüentemente a rotação do motor, não varia para uma hélice de velocidade constante, a potência entregue pelo motor a hélice será constante, dessa forma, o valor do coeficiente de potência será constante para todas as condições de operação da hélice;

Desempenho do Grupo Moto-Propulsor Cálculo da Potência para Hélice de Velocidade Constante J CP CT CP0/CP b N V (m/s) P (W) T (N) T . V (W) hH 1,0 0,050 0,043 1,000 25,0 2700 81,015 107430 1137 92148 86% 0,9 0,048 23,5 73,038 1260 92002 0,8 0,054 22,0 64,922 1404 91150 85% 0,7 0,060 20,5 56,807 1561 88701 83% 0,6 0,066 19,0 48,692 1719 83696 78% 0,5 0,073 18,5 40,577 1909 77467 72% 0,4 0,080 18,0 32,461 2099 68150 63% 0,3 0,088 17,5 24,346 2296 55904 52% 0,2 0,095 17,0 16,231 2493 40464 38% 0,1 0,098 16,5 8,115 2572 20871 19% 0,0 0,101 16,0 0,000 2651 0%

CP = 0,05 Coeficientes para o Perfil Aerodinâmico Clark-Y, hélice de 2 pás

Desempenho do Grupo Moto-Propulsor Comparação de Desempenho de Diferentes Tipos de Hélices

Desempenho do Grupo Moto-Propulsor Comparação de Desempenho de Diferentes Tipos de Hélices

Desempenho do Grupo Moto-Propulsor Considerações sobre o Desempenho de Tipos de Hélice  A força propulsiva, ou tração, gerada pelas hélices, sejam estas de passo fixo ou de velocidade constante, tendem a diminuir com o aumento da velocidade da aeronave;  Na medida em que se aumenta a velocidade da aeronave, para um dado ângulo de pá b e rotação N, aumenta-se o ângulo de deslizamento f do escoamento na pá, reduzindo o ângulo de ataque a;  Com a redução do ângulo de ataque, diminui-se o coeficiente de sustentação CL do aerofólio da pá, reduzindo a sustentação gerada pela pá, e conseqüentemente, a força propulsiva gerada pela pá;  Esses fatores demonstram a limitação da aplicabilidade de propulsão a hélices para determinadas faixas de velocidade da aeronave. Acima de determinadas velocidades, a propulsão a jato torna-se mais eficiente;

Desempenho do Grupo Moto-Propulsor Considerações sobre o Desempenho de Tipos de Hélice DESEMPENHO EM VÔO rotação constante se: V aumenta  f aumenta  a diminui  T diminui se: V diminui  f diminui  a aumenta  T aumenta

Desempenho do Grupo Moto-Propulsor Considerações sobre o Desempenho de Tipos de Hélice  Analisando a tração estática gerada pelas hélices, ou seja a tração para velocidade da aeronave nula, verifica-se que para um dado motor a pistão, a tração gerada por uma hélice de passo fixo é 50% menor do que a tração gerada por uma hélice de velocidade constante;  Isto porque as pás de uma hélice de passo fixo, na condição de velocidade da aeronave nula, estão sujeitas a grandes ângulos de ataque a, devido ao ângulo f ser nulo, acarretando no stall aerodinâmico da pá;  Nesse caso, somente uma parcela do comprimento radial da pá gera força propulsiva, estando a maior parte da pá em condição de sustentação nula, ou quase nula;  Na medida em que a aeronave ganha velocidade durante a decolagem, o ângulo de ataque da pá diminui e a sustentação ao longo da pá aumenta;

Desempenho do Grupo Moto-Propulsor Considerações sobre o Desempenho de Tipos de Hélice  Para melhorar o desempenho de decolagem de uma aeronave, com um dado motor determinado, pode-se utilizar uma hélice de passo variável;  No caso de uma hélice de passo variável, como hélices de velocidade constante, o passo da hélice durante a decolagem deve ser ajustado para fornecer um ângulo de pá mínimo, ou seja passo mínimo;  Na prática, o piloto da aeronave controla o ângulo das pás da hélice através de uma manete de passo de hélice. Cada posição da manete define um passo geométrico característico. Durante a decolagem o piloto deve ajustar a manete para a condição de passo mínimo, visando minimizar o valor de b estando o valor de f nulo;  Sendo o ângulo da pá em um valor mínimo, o ângulo de ataque da pá estará dentro da faixa de geração de sustentação do perfil aerodinâmico;

Desempenho do Grupo Moto-Propulsor Considerações sobre o Desempenho de Tipos de Hélice  Nas hélices de passo fixo, todos os pontos de operação da hélice no mapa de desempenho estarão sobre a curva do ângulo da pá a ¾ do raio escolhido durante o dimensionamento;  Nesse caso, existe uma relação direta entre a velocidade da aeronave e a potência entregue pelo motor a hélice;  Nas hélices de velocidade constante os pontos de operação poderão estar localizados sobre varias curvas de ângulo da pá a ¾ do raio, dependendo do passo ajustado pelo piloto através da manete de hélice;  Esse fato possibilita que a aeronave desenvolva mesma velocidade de vôo em condições de potência do motor diferentes, permitindo a otimização do desempenho da aeronave em uma dada condição de vôo (por exemplo, melhor consumo de combustível).

Considerações sobre o Desempenho de Tipos de Hélice manete de hélice Painel de Instrumentos de uma Aeronave a Pistão, detalhe do Console das Manetes manete de mistura manete de potência

 Para determinar a potência requerida ● escolha as condições de vôo críticas, altitude e velocidade (Vcr); ● obtenha o CL para este vôo: CL= W/(0.5*ρ*Vcr2). ● obtenha o correspondente CD a partir do polar de arrasto da aeronave. ● obtenha a potência requerida: THP=0.5*ρ*Vcr3*S*CD. A hélice absorve potência (BHP) desenvolvida pelo motor e libera THP (potência propulsiva).

Relações de Potência Geradas no Motor Convencional Potência Teórica (Cycle Horsepower, CHP):  potência da combustão completa ideal Potência Indicada (Indicated Horsepower, GHP):  combustão ideal a menos da eficiência térmica (hT ) Potência Efetiva (Brake Horsepower, BHP):  indicada a menos da eficiência mecânica (hM ) Cf – consumo de combustível

Relações de Potência Geradas no Motor para Propulsão à Hélice Potência de Eixo (Shaft Horsepower, SHP):  efetiva a menos da eficiência da transmissão (hS ) Potência Real (True Horsepower, THP):  de eixo a menos da eficiência da hélice (hH )

EFICIÊNCIAS Eficiências Eficiência Global, hoverall Eficiência Térmica (Ciclo), hthermal Eficiência Propulsiva, hpropulsive Impulso Específico, Isp [s] Consumo de Combustível Específico, (Thrust) Specific Fuel Consumption, (T)SFC [lbm/hr lbf] or [kg/s N] Implicações da Eficiência Propulsiva no Projeto do Motor Tendências na Eficiência Térmica e Propulsiva

Representação esquemática – turbinas a gás aplicadas a aeronaves

Eficiência Propulsiva – motores subsônicos

Eficiência Global –

ÊFICIÊNCIA GLOBAL DO SISTEMA PROPULSIVO Tendência da eficiência térmica são dirigidas pelo aumento das razões de compressão e correspondente aumento na temperatura de entrada da turbina Tendência na eficiência propulsiva são devido geralmente ao aumento da razão de by-pass

CRUISE FUEL CONSUMPTION vs. BYPASS RATIO