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

Introdução a Hélices

Descrição de Hélices,Movimento da Hélice, Tipos de Hélices

Profa Cristiane Aparecida MartinsEngenharia Aeronáutica

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;

Navios e Aeronaves – com hélices Hélice produz empuxo propulsivo – que é uma das componentes da resultante das

forças aerodinâmicas que atuam 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, para setor aéreo em geral turbinas ou motores ciclo Otto)

Hélices – aplicação marítima e aeronáutica

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.

SUPERFÍCIES AERODINÂMICAS

Em geral a melhor relação lift/drag é obtida por um aerofólio 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).

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 (CG) e a hélice propulsora atrás do CG. Pode dizer-se, em linguagem simples, que a hélice tratora puxa o modelo,

ao passo que a propulsora o empurra.

Hélice propulsoraHélice tratora

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 < 0,5 a eficiência de ambas

é ~ igual.

HÉLICE – Tratoras ou Propulsoras• Segundo o sentido de rotação, as hélices dividem-se em sentido esquerdo ou direito. O

primeiro gira da esquerda para a direita, colocando-se o observador na frente do modelo, e o segundo 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.

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;

Motores a Pistão - Grupo Moto-Propulsor

Propulsão a Hélice em Motores a Pistão

conjunto motor

hélice

Propulsão a Hélice em Motores Baseados em Turbinas a Gás

Motores Baseados em Turbinas a Gás Turbo-Hélices - Grupo Moto-Propulsor

conjunto motor

hélice

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.

PARTES CONSTITUINTES DE UMA HÉLICE

cubo da hélice(hub)

pás da hélice (blades)


pás da hélice

carenagemaerodinâmica

(spinner)


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.

FORMA DA SEÇÃO DA PÁ 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.

HÉLICE – ASA ROTATIVA Cada pá de hélice, assim como a asa possui:

1. Bordo de ataque : é a parte dianteira2. Bordo de fuga : parte de trás3. Perfil4. Bordo marginalExtradorso : parte superiorIntradorso : parte inferior

Bordo de ataque

Bordo de fuga

Perfil

Bordo marginal

Corda (c): linha reta imaginária entre o bordo de ataque e o bordo de fuga da seção transversal de um aerofólio

HÉLICES - TERMINOLOGIA

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

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

O trabalho realizado (a energia despendida) pela hélice é a energia cinética imposta ao ar = ½mv² joules (se massa, kg e v em m/s), tal que, menos energia é despendida se a massa é aumentada e a velocidade reduzida.

Exemplo simples, se:

m = 10 Kg e V = 100 m/s, então

*Momento é 1000 kg.m/s

**Energia despendida é ½ × 10 × 100² = 50 kJ.

M = 100 Kg e v = 10 m/s, então

*Momento é 1000 kg.m/s

**Energia despendida é ½ × 100 × 10² = 5 kJ.

HÉLICE - DIÂMETRO O diâmetro nos diz o tamanho da hélice.

Todo o resto incluindo a designação do perfil diz respeito a forma 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.

HÉLICE - DIÂMETROMaior eficiência do sistema é obtida ao se utilizar a maior diâmetro de hélice possível, limitado por:

efeitos de tensão no motor (os momentos

giroscópios aumentam exponencialmente com o diâmetro)

estiramento na pá de hélice

velocidade de ponta da pá.

• Quando uma hélice está rotacionando, a velocidade tangencial 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. Na prática, efeitos de compressibilidade tornam-se evidentes já em 250 m/s e, se a hélice está próxima do piloto o ruído é extremamente desconfortável. Então, por conforto, a velocidade usualmente fica entre 200–240 m/s.

• 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 77% da velocidade do som, enquanto que para uma hélice de metal esse limite é de cerca de 85%

VELOCIDADE DE PONTA – fórmula empíricaVelocidade de ponta pode ser medida em FEET PER SECOND (ou m/s) e existe fórmula

empírica para encontrar tal medida.

Para aeromodelos, a melhor velocidade de ponta considerando exigências de eficiência e ruído é da ordem de 600 to 650 feet per second (da ordem de 200 m/s)

Isto devido a perdas por compressibilidade, e que aerofólios subsônicos não trabalham bem com velocidades transônicas/sônicas com os níveis de ruído exigidos.

FEET PER SECOND (ft/s) = RPM x diâmetro em ‘inches’ x .00426.

Assim, para encontrar a velocidade de ponta, de uma hélice 10x6 em um motor .40 com máximo de 13 500 RPM

FEET PER SECOND (ft/s) = 13,500 x 10 x .00436 = 588.6 ft/s.

Para encontrar o diâmetro correto em inches (polegadas) para 600 ft/s.Diâmetro (em inches) = 137 615 / (RPM) 137 615 / 13 500 = 10.19, ou seja,10”.

Em ambos os casos utilize a rotação para a faixa de potência ótima (NUNCA USE MÁX RPM)

Fator de Atividade (Factor Activity) – quantidade adimensional que trata da potência na qual a pá é capaz de absorver:

Fator de Atividade Total da Hélice

AFxBTAF B = número de pás

0.1

15.0

3

16100000

Rrd

Rr

DcAF

FORMA DA PÁ E NÚMERO DE PÁS

B = número de pásP = Potência Absorvida

Activity Factor (AF) geralmente fica entre 80 e 200.



AF ≤ 9090 < AF ≤ 115topo rombudo

115 < AF ≤ 140

AF > 140


Tipo A – usada em aeronaves - baixa velocidade – – Mach ponta = 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, pá prismática com topo retangular

AF > 140, projeto com forma invertida, a corda da ponta é maior do que a corda da raiz.Lockheed Electra e Lockheed C-130 (AF = 162)

Tipo C – (1950 – 1960), vôos alto subsônico, velocidades até Mach 0.95

A ponta possui velocidade trans-sônica 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.


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

HÉLICE – NÚMERO DE PÁS

SELEÇÃO DO DIÂMETRO - DETERMINADA APLICAÇÃO

Hélice é selecionada para oferecer a melhor eficiência durante determinada condição de vôo, geralmente na condição de Cruzeiro.

Algumas companhias fabricam suas próprias hélices, mas tal tarefa é em geral complicada e exige bancadas de testes.

Na prática é comum a utilização de hélices padronizadas com suas cartas correspondentes.

Segue a questão – qual o número de pás vou utilizar?

O número de pás dependerá da potência a ser absorvida pela hélice

A potência absorvida depende de características geométricas

– Razão de Solidez – Fator de Atividade (AF)– Diâmetro (D)

•Em geral, na aviação•Motores até 200 kW (270 hp) – 2 Pás •Motores entre 200 e 500 kW (270 – 670 hp) – 3 Pás•Motores > 500 kW (670 hp) – 4 Pás

• A escolha de parâmetros de uma héliceDiâmetroPasso (Pitch)Formato da pá

São também influenciados por fatores como: nível de ruído da hélice, freqüência natural da pá e distância em relação ao solo (ground clearance)

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.

HÉLICE – NÚMERO DE PÁS• Aspecto muito 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).

HÉLICE – NÚMERO DE PÁS – Freqüência de ressonância• Freqüência de passagem das pás (Blade Passing Frequency) =

[(No. de Pás x RPM) / 60] Hz

• 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.

NÚMERO DE PÁS – DIÂMETRO EQUIVALENTEA 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.

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.

HÉLICE – ESPESSURA DAS PÁS• Basicamente, a determinação das espessuras máximas das seções das pás de

uma 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.

HÉLICE – ESPESSURA DAS PÁS

• No caso de embarcações que operam em águas onde há grande probabilidade de ocorrência de choques nas pás de suas 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.

HÉLICE – SEÇÃO TRANSVERSAL

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.

tan 2 tan rpDp

Seja D = 10’ e Beta = 5

Na ponta:P = (3.14) 10 (0.087) = 2.73

No meio da héliceP = (3.14) 5 (0.087) = 1.36

Se no meio da hélice, Beta = 10

P = (3.14) 5 (0.176) = 2.76

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

xy 2

tan

rp

Dp

xy 2

tan

rp

Dp

Tipicamente a torção é aproximadamente de 10-20° da raiz a ponta.

Isto implica em maior ou menor facilidade de construção.

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.

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.

HÉLICE – PASSO • O avanço efetivo da hélice não corresponde ao passo teórico, chamando-se a essa

diferença o recuo.

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.

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

Está coerente???

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.

Tração em Função do Comprimento Radial

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3Comprimento Radial na Pá (m)

dT /

dr (N

/m)

Tração em Função do Comprimento Radial

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3Comprimento Radial na Pá (m)

dT /

dr (N

/m)

AB

C

tração total da pá = área ( A + B + C )

1225

595

210

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%Posição Percentual do Elemento r/R

dT/d

r [N

/m]

menor intensidadepropulsiva

maior intensidadepropulsiva

85%

HÉLICE - VELOCIDADES• Embora uma asa esteja fixa em relação a aeronave e enxergue somente

um fluxo livre relativo de ar,

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.

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.

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

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.

se: V aumenta aumenta diminui T diminui

se: V diminui diminui aumenta T aumenta

DESEMPENHO EM VÔO

rotação constante

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.

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.

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.

2πrN

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]

Nr 602π

~ velocidade tangencial [m/s]

~ ângulo geométrico da pá

~ ângulo de ataque da pá

~ ângulo de deslizamento da pá

~ ângulo da força resultante

βα

)Nr 2π

V 60(arctan )Nr

602π

V(arctan

Relações Matemáticas Fundamentais no Elemento da Pá

dLdDarctan γ

Pitch (passo) é a distância (em polegadas, inches) a qual uma hélice teoricamente percorrerá em uma revolução completa.

Passo menor exige menos do motor, mas alcança velocidades superiores inferiores.

Passo maior fornece menos aceleração, mas alcança velocidades maiores.

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.

Por exemplo, uma hélice de 10" que avança 8-1/2" em uma revolução. Oito e meia polegadas ou seja, 85% de 10", conduzindo a um slip de 15%.

Slip é a diferença entre o deslocamento real e o deslocamento teórico resultante do ângulo de ataque da hélice.

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.

SLIP

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.

• 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]

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;

tan Dp

tan Dpe

Parâmetros Geométricos do Movimento de Hélices

Projeção Horizontal do Passo Geométrico e Passo Efetivo


Componentes de Velocidades Atuando sobre a Pá da Hélice


NrV

π2pá da l tangenciavelocidadeaeronave da velocidadetan 0

O ângulo de deslizamento da pá , 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)

NrV

π2 arctan 0


A relação angular entre ângulo de ataque e os ângulos geométricos da pá e ângulo de deslizamento é expressa por:

NrV

π2 arctan 0

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;


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

Hélice de Passo Fixo

• Passo Fixo – Constante ou Progressivo



Hélice de Passo Ajustável

Hélice de Passo Variável - Velocidade Constante

Pum p

Re lie fVa lve

Flywe ig hts

O il sup p lyfro m e ng ine

O il re turnto e ng ine

C o a rse

Fine

RPM C o ntro lLe ve r F

ine

C o a rse

Pressurised oil

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.

Teoria de Hélice

Empuxo

Direçãoda rotação

Aqui está nossa pá de hélice com passo fixo

Fixada ao cubo rotativo

Lift Produzido ~ Empuxo

Passo Fixo

Teoria de Hélice

Empuxo

arrasto

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....

Direção & Velocidade de rotação

arrasto

EmpuxoMax Empuxo

Max arrasto

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.

Direçãoda rotação

Vejamos um gráfico de EFICIÊNCIA relativa de uma hélice.

Eficiência Hélice

Aircraft speed

Effi

cien

cy

Primeiro vejamos 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 uma faixa 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 (de acordo com a condição de vôo desejada).

Vejamos detalhes do CONSTANT SPEED SYSTEM

TakeoffTakeoff RotationRotation CruiseCruise2700 RPM2700 RPM

AS= 0 KTASAS= 0 KTAS

2700 RPM2700 RPM


2500 RPM2500 RPM


(2700 RPM, 2/3 of 78” Prop= 360 KTAS)(2700 RPM, 2/3 of 78” Prop= 360 KTAS) (2500 RPM= 330 KTAS)(2500 RPM= 330 KTAS)

Alpha ÓtimoAlpha ÓtimoAlpha ÓtimoAlpha Ótimo Alpha ÓtimoAlpha Ótimo

Com aumento da Velocidade, ou redução da RPM, ângulo de passo aumenta, mas Alpha Com aumento da Velocidade, ou redução da RPM, ângulo de passo aumenta, mas Alpha permanece constantepermanece constante

Passo Variável em VôoPasso Variável em Vôo

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.

PERFIS DE HÉLICES

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

PERFIS DE HÉLICES

PERFIS COMUNS DE HÉLICES

PERFIS COMUNS DE HÉLICES

PERFIS - NOMENCLATURA

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

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

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