Pesquisa de Hlices
GRUPO MOTOPROPULSOR
Os fatores que influenciam a eficincia da hliceA eficincia
mecnica de uma hlice dada por
Uma hlice bem projetada tem uma eficincia de cerca de 80% quando
est a trabalhar no melhor regime. H vrios fatores que contribuem
para a eficincia de uma hlice como o ngulo de ataquedas ps, ou o
ngulo entre a direo da velocidade resultante do escoamento e a
direo de rotao das ps. Um ngulo de ataque das ps pequeno tem um bom
desempenho em relao resistncia, mas gera pouco impulso enquanto que
ngulos grandes tm o efeito contrrio. O melhor ngulo de ataque das
ps quando estas atuam como pequenas asas, gerando mais sustentao do
que resistncia. As hlices so semelhantes em seco de perfil alar a
asas de baixa resistncia e como tal no so eficientes quando operam
em ngulos de ataque que no o ptimo. So necessrios sistemas de
controlo para sincronizar com preciso o ngulo de ataque das ps com
a velocidade de voo e com a velocidade do motor.
O objetivo de variar o ngulo da p com uma hlice de passo
varivel, manter um ngulo ptimo (maximizando o rcio de sustentao
sobre resistncia) nas ps da hlice enquanto a velocidade do avio
varia. Este tipo de controlo que era no incio feito manualmente
pelo piloto, passou a ser feito por sistemas automticos que
compensam o momento toro provocado pela centrifugao nas ps com
contrapesos numa mola e com as foras aerodinmicas nas ps. Estes
sistemas tinham a vantagem de serem simples e no necessitarem de
controlo externo, mas era difcil associar um desempenho particular
da hlice s condies do avio. Um avano nesta tecnologia foi a criao
da hlice a velocidade constante. Estas hlices permitiam ao piloto
escolher uma velocidade angular para obter potncia mxima no motor
ou mxima eficincia, e um dispositivo de controlo (governor deviceem
ingls) atuava em ciclo fechado para variar o ngulo da p, mantendo
as RPM (rotaes por minuto) selecionadas pelo piloto. Na maioria dos
avies este sistema hidrulico, com leo do motor a atuam como fluido
hidrulico. As hlices controladas eletricamente foram desenvolvidas
durante a Segunda Guerra Mundial e foram usadas extensivamente em
avies militares. O nmero e a forma das ps influenciam a experincia
de voo e o desempenho. Aumentando oaspect ratio(relao entre o
comprimento e a largura) das ps reduz a resistncia mas o impulso
produzido depende da rea da p. Portanto usar ps comaspect
ratioelevado pode levar necessidade de se usar hlices com dimetro
inaplicvel. Usar menos ps numa hlice causa menos efeitos de
interferncia entre as ps, mas a rea das ps ter que ser suficiente
para transmitir a potncia disponvel dentro de um determinado
dimetro, o que significa que ter de haver um compromisso.
Aumentando o nmero de ps diminui o trabalho que cada p ter que
realizar, limitando o nmero de Mach local, que no caso das hlices
se trata de um limite de desempenho considervel.
Os fatores que influenciam a trao de uma aeronave.Os motores a
jato so mais sensveis variao de operao do que os outros motores.
Tais variaes podem ser divididas em dois grupos: Aqueles que
dependem do design e caractersticas de operao do motor, e aqueles
que a variao devida ao meio em que o motor opera.Caractersticas que
dependem do design do motor:a. RPM do motorb. Tamanho da rea de
exaustoc. Massa de fluxo de combustveld. Quantidade do ar sangrado
do compressore. Temperatura de admisso do motorf. Uso de injeo de
guaCaractersticas que no dependem do design do motor:g. Velocidade
da aeronave;h. Temperatura do ar;i. Presso do ar;j. Umidade
relativa do ar; Influncia dos seguintes fatores na trao da
aeronave: RPM, velocidade, temperatura, presso, densidade e
umidade.RPM: Muito pouca potncia desenvolvida a baixa RPM quando
comparado a altas RPM, onde grande potncia desenvolvida. A massa de
ar que passa pelo compressor funo da RPM.Velocidade: O aumento da
velocidade da aeronave reduz a potncia da mesmaTemperatura: O motor
a reao muito sensvel variaes de temperaturas, onde o aumento da
temperatura reduz a trao da aeronave.Presso: O aumento da presso
aumenta a trao da aeronave, pois haver mais molculas em uma rea
cbica de ar.Densidade: A trao da aeronave reduz com a diminuio da
densidade.
Definio:Na geometria uma hlice uma forma traada como uma mola,
parafuso ou espiral, ou, mais corretamente helicoidal.Em matemtica,
a hlice descrita como uma curva no espao tridimensional que combina
um movimento de rotao em torno de um ponto com um movimento de
translao deste ponto. Hlice um termo andrgino que designa um
conjunto de ps com um mesmo centro, que ao ser girado segundo o seu
eixo causa propulso e cada p descreve no espao uma trajetria que de
fato uma hlice geomtrica. Este instrumento de propulso ou trao que
converte energia mecnica em movimento.Introduo:A hlice de uma
aeronave consiste de duas ou mais ps conectadas ao cubo central no
qual essas ps so fixadas. Cada p essencialmente uma asa rotativa,
toda p um perfil aerodinmico capaz de gerar uma sustentao. Essa
fora de sustentao no plano em que a p se desloca recebe o nome de
trao ou propulso. A fora necessria para girar a hlice retirada da
parte motopropulsora. A hlice montada na extenso do eixo de
manivelas dos motores alternativos de baixa potncia, ou no eixo da
hlice, nos motores alternativos de maior potncia e nos motores
tubo-hlices, sendo que este eixo conectado a uma caixa redutora
ligada ao eixo do motor; o objetivo reduzir a rotao do motor para
uma rotao na qual a hlice consiga trabalhar, com isso esses motores
so capazes de desenvolver um torque maior.Fatores Aerodinmicos:Uma
aeronave se deslocando no ar cria uma fora oposta ao seu movimento
conhecida como fora de arrasto (drag force). Para uma aeronave
manter-se em vo necessria uma fora de igual intensidade e em
sentido contrrio, essa fora conhecida como trao, o trabalho
realizado pela fora de trao nada mais que essa fora de trao
multiplicado pela distncia deslocada.(W= T x D). Uma hlice bem
projetada tem uma eficincia de 50% a 87% quando est trabalhando no
melhor regime. H vrios fatores que contribuem para a eficincia de
uma hlice como o ngulo de ataque das ps, ou o ngulo entre a direo
da velocidade resultante do escoamento e a direo de rotao das ps.
Um ngulo de ataque das ps pequeno tem um bom desempenho em relao
resistncia mas gera pouco impulso enquanto que ngulos grandes tm o
efeito contrrio. O melhor ngulo de ataque das ps quando estas atuam
como pequenas asas, gerando mais sustentao do que resistncia. As
hlices so semelhantes em seo de perfil alar a asas de baixa
resistncia e como tal no so eficientes quando operam em ngulos de
ataque que no o timo. So necessrios sistemas de controle para
sincronizar com preciso o ngulo de ataque das ps com a velocidade
de vo e com a velocidade do motor. Outro fator com influncia na
eficincia de uma hlice a energia consumida por esta na converso de
potncias, na transformao de BHP (BRAKE HORSEPOWER), que fornecida a
hlice pelo motor, em THP (THRUST HORSEPOWER) que a potncia
desenvolvida pela hlice. Parte dessa energia se perde na
transformao devido a variveis, tais como, arrasto aerodinmico,
densidade do ar, direo de ar de impacto, dentre outros. Mediante
essas perdas tomou-se conhecimento de um fenmeno ocorrido na hlice
que est ligado diretamente com sua eficincia, o RECUO, sendo assim
quanto menor for o recuo de uma hlice maior ser sua eficincia. A
Eficincia da hlice varia de acordo com o recuo da mesma.O recuo da
hlice a diferena entre o passo geomtrico e o passo efetivo da
hlice.O passo geomtrico a distncia que uma hlice deveria avanar em
uma revoluo.O passo efetivo a distncia real percorrida por uma
revoluo da hlice.
Seo de uma hliceUma p, assim como todo perfil aerodinmico,
possui: Cambra inferior (Parte Ventral) Cambra superior (Parte
Dorsal) Corda Bordo de Ataque Bordo de FugaClculo da velocidade
tericaHlice de 4 x 7 ", 100% eficiente, montada num motor de 15000
rpm, num avio com drag=0.Nesse caso ideal teremos rps=15000/60=250
rps. A velocidade que resultaria se a hlice avanasse o seu nmero de
rotaes/s x o seu passo seria V = rps*p = 250 *7" = 1750 " = 44.45
m/s V = m/s * 3600 = 44.45 x 3600= 160020 m/h = 160 Km/h Mas a
eficincia da hlice vai baixar este nmero drasticamente, para metade
ou menos.H uma grande diferena entre a potncia que a hlice recebe
do motor e a que resulta em energia propulsora4.6-Clculo prtico da
eficincia da hlicePara tal temos que fazer um teste de velocidade.
Suponhamos que em campo, o nosso modelo percorre 1000 m em 35 s .
Isto corresponde a 28.57 m/s. A razo entre este valor e o anterior
28.57/44.45 = 0.64 64% Ou seja, a nossa hlice est a trabalhar com
uma eficincia de 64% o que bastante vulgar ( Claro que estamos a
cometer um erro, que comparar uma velocidade real que depende de
muitos factores , com uma velocidade terica dependendo apenas da
hlice e dos rpm).A potncia necessria para a hlice trabalhar a dados
rpm pode ser obtida por : P = k* rpm3*D4*p.................( Stefan
Verkoeter) Potncia(P)=k*rpm3*Dimetro(D)4*Pitch(p)sendo, para a
generalidade das hlices , k uma constante de aprox.k=5.3x10-15. De
notar que esta uma expresso emprica criada pelo autor a partir de
cerca de 50 ensaios, portanto os seus resultados estaro afectados
de certo erro para cada caso em particular. Mais frente veremos a
magnitude do erro para um caso ( apenas)THRUST ou TRACO- a fora de
impulso produzida pelo hlice . Vamos manter a designao inglesa para
esta fora, que ser representada porFT. O funcionamento bsico da
hlice est sumariamente representado na figura seguiinte:
O ar captado na parte da frente da hlice, movimentado atravs do
"disco" que ela desenha no seu movimento com uma velocidade
Vf...Suponhamos que o nosso modelo est a voar num dia calmo, sem
vento....Ento VFser a prpria velocidade do modelo como obvio.O ar
expelido para trs da hlice, animado de um acrscimo de velocidade V,
sendo ento - Vp, - a velocidade com que o ar passa atravs da hlice.
Sucintamente a hlice vai acelerar o movimento do ar e como, a massa
de ar que "entra na zona do disco" e a que sai a mesma, obviamente
o fluxo de ar sada da hlice mais estreito e, assim sendo a
velocidade de esteira a certa distncia da hlice, Vw-ser ainda
maior. TeremosVw>Vp>Vf.Ao mesmo tempo, a hlice vai provocar
um movimento de rotao no ar que passa atravs dela , que energia
perdida , pois no concorre para o Impulso. (geralmente 1 a 5% de
perda de potncia aplicada). No nosso caso de aeromodelistas
considero a hlice, a parte do modelo mais difcil de abordar. A
potncia que o eixo do motor transmite hlice vai transformar-se em
ganho de energia cintica do ar que passa atravs da hlice. Nessa
transformao est um dos mais baixos rendimentos de toda a
electromecnica do aeromodelo.Em termos de valores importantes
referentes energia fornecida pela hlice podemos considerar, face s
suas caractersticas aerodinmicas as seseguintes grandezas:a
velocidade, portanto a eficincia da hlice aproxima-se de 0, (
zero), quando a velocidade do avio baixa.As figuras seguintes
mostram os valores de CTe CPpara algumas geometrias de hlice.
Flavio mesquita
STAR FLIGHT ESCOLA DE AVIAOGMPGRUPO MOTOPROPULSOR
PESQUISA DE HLICE
PROF: Josimar Alves de Castro
ALUNO: FLAVIO MESQUITAGMP106
