Introdução a Hélices Descrição de Hélices,

Apresentação em tema: "Introdução a Hélices Descrição de Hélices,"— Transcrição da apresentação:

1 Introdução a Hélices Descrição de Hélices,
Movimento da Hélice, Tipos de Hélices Parte 2 Profa Cristiane Aparecida Martins Engenharia Aeronáutica

2 Tópicos Abordados ● Hélices – Utilização e Apresentação;
● Apresentação de Grupos Moto-Propulsores a Hélice; ● 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;

3 HÉLICE – PASSO Tipos de Hélice
 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;

4 HÉLICE - PASSO (PITCH) Passo é a 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.

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

7 Hélice de Passo Fixo Hélice de Passo Ajustável

8 Hélice de Passo Variável - Velocidade Constante

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

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

11 Direção & Velocidade de rotação
Teoria de Hélice Neste caso, a quantidade de Thrust (empuxo) produzido 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 a um maior ângulo de incidência ao fluxo de entrada – Vejamos uma hélice de passo variável.... Passo Fixo Empuxo Max Empuxo Empuxo arrasto Max arrasto arrasto Direção & Velocidade de rotação

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

13 Eficiência Hélice Primeiro vejamos com Passo Fixo. Quando a velocidade aumenta, então a eficiência chega ao topo. Velocidades maiores, a eficiência cai.. Efficiency Variando o passo, podemos extender este máximo de eficiência sobre uma faixa maior de velocidades. Aircraft speed 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 (de acordo com a condição de vôo desejada). Vejamos detalhes do CONSTANT SPEED SYSTEM

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

18 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 da hélice, o avanço será idêntico.

19 TORÇÃO Se a pá tivesse o mesmo passo geométrico em todo o seu comprimento, na velocidade de Cruzeiro a parte próxima ao ‘hub’ teria ângulo de ataque negativo enquanto na 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.

20 HÉLICE – ÂNGULO DE PÁ A pá da hélice é torcida. O ângulo da pá varia do centro até a ponta com maior ângulo no centro e menor na ponta. Razão da torção = precisamos que todos os pontos tenham o mesmo avanço.

21 HÉLICE – ÂNGULO DE PÁ

22 Tipicamente a torção é aproximadamente de 10-20° da raiz a ponta.
Isto implica em maior ou menor facilidade de construção.

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24 Seja D = 10’ e Beta = 5 Na ponta: P = (3.14) 10 (0.087) = 2.73 No meio da hélice P = (3.14) 5 (0.087) = 1.36 Se no meio da hélice, Beta = 10 P = (3.14) 5 (0.176) = 2.76

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

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28 Passo menor exige menos do motor, mas alcança velocidades superiores inferiores.
Passo maior fornece menos aceleração, mas alcança velocidades maiores.

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

30 Por exemplo... Helmut Schenk avaliou o NACA report 41 e obteve a seguinte relação: (P/D)ótimo = 0,07 + 1,1*J com J = 60*v/n/D = coeficiente de avanço v = velocidade da aeronave [m/s] n = rotação [rpm] D = diâmetro da hélice [m]

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

32 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% do empuxo é gerado por 50% da parte final da hélice

33 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.

34 Tração em Função do Comprimento Radial

35 tração total da pá = área ( A + B + C )
Tração em Função do Comprimento Radial tração total da pá = área ( A + B + C ) 595 B 1225 A 210 C

36 maior intensidade propulsiva menor intensidade propulsiva 85%

37 HÉLICE – PASSO & SLIP

38 HÉLICE – PASSO & SLIP O avanço efetivo da hélice não corresponde ao passo teórico, chamando-se a essa diferença o recuo (SLIP)

39 SLIP Slip é um dos termos menos compreendidos de todos os termos utilizados com hélices, provavelmente porque soa como se fosse algo indesejável. Slip não é uma medida da eficiência. Slip é a diferença entre o deslocamento real e o deslocamento teórico resultante do ângulo de ataque da hélice.

40 Slip é a diferença entre o deslocamento real e o deslocamento teórico resultante do ângulo de ataque da hélice. uma hélice de 10" que avança 8-1/2" em uma revolução. 8-1/2” ou seja, 85% de 10", conduzindo a um slip de 15%.

41 Projeção Horizontal do Passo Geométrico e Passo Efetivo
HÉLICE – PASSO & SLIP Parâmetros Geométricos do Movimento de Hélices Projeção Horizontal do Passo Geométrico e Passo Efetivo

42 HÉLICE – PASSO & SLIP Parâmetros Geométricos do Movimento de Hélices
 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 b.  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 slip, através do ângulo de deslizamento da pá f, causado pela velocidade resultante entre a velocidade de rotação da hélice e a velocidade da aeronave;

43 OCORRE QUE: Se a pá não tem slip não terá ângulo de ataque; claro que também não terá pressão positiva e negativa criada na pá e conseqüentemente não gerará empuxo. Para criar empuxo DEVE existir algum ângulo de ataque ou slip. O objetivo do projetista de hélice é alcançar uma quantidade correta de slip ou ângulo de ataque. Deve ser considerado também o diâmetro e área da hélice para a potência de motor existente, bem como rotação de eixo, RPM.

44 SLIP

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

47 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 tangencial da hélice.

48 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.

49 HÉLICE – VELOCIDADES & 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

50 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 ao vetor velocidade relativa.

51 HÉLICE - ÂNGULO DE ATAQUE

52 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.

53 HÉLICE - ÂNGULO DE ATAQUE
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° a 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, o ângulo de ataque é o produto de dois movimentos: rotação da hélice sobre seu eixo e seu movimento a frente.

54 HÉLICE – VELOCIDADES & FORÇAS

55 HÉLICE – VELOCIDADES & FORÇAS
N ~ rotação da hélice [rpm] p ~ passo [in] mph – miles per hour DESEMPENHO EM VÔO rotação constante se: V aumenta  f aumenta  a diminui  T diminui se: V diminui  f diminui  a aumenta  T aumenta

56 2πrN

57 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] VR ~ velocidade resultante [m/s] N ~ rotação da hélice [rpm] ~ velocidade tangencial [m/s]

58 Relações Matemáticas Fundamentais no Elemento da Pá
b ~ ângulo geométrico da pá a ~ ângulo de ataque da pá f ~ ângulo de deslizamento da pá g ~ ângulo da força resultante

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

60 Parâmetros Geométricos do Movimento de Hélices
 O ângulo de deslizamento da pá f, com base no triângulo de velocidades apresentado anteriormente é expresso matematicamente por: Onde V0 ~ velocidade da aeronave (m/s) r ~ raio do elemento da pá (m) N ~ rotação da pá (RPM)

61 Parâmetros Geométricos do Movimento de Hélices
 A relação angular entre ângulo de ataque a e os ângulos geométricos da pá b e ângulo de deslizamento f 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;

62 PERFIS DE HÉLICES Os primórdios tinham como mandatário 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 substituído pelo perfil Clark Y. Atualmente este ainda constitui o perfil mais utilizado na aviação. 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 Association desenvolveu em parceria com o fabricante de hélices Dowty, a família de perfis ARA-D que conseguem gerar alta sustentação sem sacrifício de desempenho em altas velocidades.

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

64 PERFIS COMUNS DE HÉLICES

65 PERFIS COMUNS DE HÉLICES

66 PERFIS - NOMENCLATURA

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

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