PROJETO AERODINÂMICO
DE HÉLICES
Prof. Dr. José Eduardo Mautone Barros – UFMG
Propulsão
Departamento de Engenharia Mecânica
Curso de Engenharia Aeroespacial
Apoio técnico
Marco Gabaldo Frederico Vieira de Lima
3. Hélice como Sistema Propulsivo
3.3 Sistema de Passo Ajustável
Ajustável em solo
Ajustável em voo
Sistema hidráulico deslizante
com contrapesos
Em geral com duas
posições:
Passo fino (decolagem) Passo grosso (cruzeiro)
3. Hélice como Sistema Propulsivo
3.4 Hélice de Velocidade Constante
Mantém a velocidade de
rotação do eixo da
hélice constante durante
o voo.
Assim, o passo da hélice se
altera com a mudança
da velocidade da aeronave.
Portanto, a potência (C
P) requerida
se mantém aproximadamente
constante.
3. Hélice como Sistema Propulsivo
3.4 Hélice de Velocidade Constante
Usa engrenagens cônicas
na raiz da das pá das hélice (hélices maiores).
O atuador é hidráulico
na maior parte dos sistemas. O governador consiste em contrapesos rodando a uma velocidade proporcional a rotação do motor e
controla o passo da hélice.
Uma manete permite o
3.4 Hélice de Velocidade Constante
O sistema de velocidade
constante é mostrado na
figura incluindo a posição
de bandeira da hélice.
A bomba hidráulica
é acionada pelo
motor e uma
bomba elétrica
entra no caso
de falha do
motor.
3.4 Hélice de Velocidade Constante
Sistema de velocidade constante de
3.4 Hélice de Velocidade Constante
O cilindro possui uma ranhura que segue o
pino do pistão de acionamento rodando a engrenagem cônica na sua ponta.
As diferentes inclinação são para proteção no
posicionamento do passo para evitar reversão em voo, por exemplo. Elas criam atrito e assim exigem o acionamento da bomba auxiliar e/ou válvulas para mudar o passo além daquele
ponto.
O percurso 1 de -22° a +16° da figura
corresponde a reversão de empuxo. O percurso 2 de +16° a +55°, corresponde a posição de velocidade constante. O percurso 3 de +55° a +82° corresponde a posição de bandeira.
3.4 Hélice de Velocidade Constante
Acionamento elétrico (puro ou eletro hidráulico) Govenador eletrônico (Airbus A400 by UTC)
Aviação Geral MT-Propellers (Alemanha) certificado
3. Hélice como Sistema Propulsivo
3.1 Polar de Hélice (Lowry, 1999)
É uma relação linear entre o coeficiente de
tração e o de potência:
A potência do motor depende linearmente da
pressão de admissão, esta determinada pela
posição da manete de potência e da pressão
ambiente. Assim, para uma dada altitude e
posição da manete de potência, a razão C
P/J
2só
depende da velocidade da aeronave
.𝐶𝑇
𝐽2 = 𝑚
𝐶𝑃
3.1 Polar de Hélice
É usada, nos ensaios emvoo, para estimar a
tração da aeronave para uma dada posição de manete de potência do motor, altitude e
velocidade da aeronave.
Também é apropriada
para modelos em tempo real de aeronaves a
hélice para uso em simuladores de voo e sistemas otimização de trajetórias.
Método aplicado à
hélices de passo fixo ou ajustável no solo.
3. Hélice como Sistema Propulsivo
3.2 Mapa Genérico de Hélices
Método usado pela BAC (Boeing Aircraft
Company – 1940) para bombardeiros pesados
(motor > 2000 kW)
Adaptado por Lowry (1999) para Aviação Geral
(GA) (motor < 260 kW)
Usado para hélices de velocidade constante
(rotação constante)
Baseado na proporcionalidade
Usando um fator de ajuste X
3.2 Mapa Genérico de Hélices BAC
Aviação
de grande
porte
(> 2000kW)
Para baixas
razão de
avanço
O fator de
ajuste está
no gráfico
seguinte.
CENSURADO3.2 Mapa Genérico de Hélices BAC
Gráfico para cálculo do fator de ajuste (X) em
função da atividade total (TAF) e hélices simples
ou contra rotativas.
3.2 Mapa Genérico de Hélices BAC
Correção de compressibilidade na ponta das pás.
Observar a
unidades
inglesas
3.2 Mapa Genérico de Hélices – GA
Aviação Geral (<260 kW)
𝐶
𝑃𝑋=
𝐶
𝑃𝑋
𝑋 =
0,001515*TAF-0,0880
3.2 Mapa Genérico de Hélices – GA
Fator de redução de velocidade devido a fuselagem da
aeronave (estimativa de empuxo instalado) (Slow Down Efficiency Factor - SDEF)
𝑍 =
𝐷
𝑓𝑢𝑠𝑒𝑙𝑎𝑔𝑒𝑚𝐷
ℎé𝑙𝑖𝑐𝑒𝑆𝐷𝐸𝐹 = 1,05263 − 0,00722𝑍 − 0,16462𝑍
2− 0,18341𝑍
3Hélice Impulsora
𝜂 = 𝑆𝐷𝐸𝐹 𝑍 ∗ 𝜂(𝑚𝑎𝑝𝑎)
𝑆𝐷𝐸𝐹 = 1,05263 − 0,04185𝑍 − 0,01481𝑍
2− 0,62001𝑍
3Hélice Tratora
Obs: Diâmetro da fuselagem medido a um diâmetro da hélice do plano desta !3. Hélice como Sistema Propulsivo
3.5 Instalação na Aeronave
Hélice frontal (tração)
é a mais usada
Hélice traseira (Impulsão)
gera menos interferência
aerodinâmica com a
fuselagem da aeronave
A nacele elevada é
usada em hidroaviões
A posição no leme
gera cargas estruturais
elevadas
3.5 Instalação na Aeronave
Uma zona de segurança deve ser
demarcada para proteção dos passageiros e tripulantes
contra desprendimento das pás da hélice
( ± 5° do plano da hélice)
Na instalação de um motor único
frontal, a hélice não deve ser
alinhada com o eixo da fuselagem:
◦ O eixo da hélice deve
estar acima da linha do CG, inclinado para baixo (1° a 2° da horizontal) para aumentar a estabilidade a arfagem
◦ O eixo da hélice deve ser inclinado lateralmente para compensar o rolamento causado pela reação ao torque do motor (1° a 2° a direita para hélices que giram no sentido horário – vista da cabine)
3.5 Instalação na
Aeronave
Sentido de rotação ◦ Horário (clockwise) ◦ Anti-horário (counterclockwise) Monomotor – único sentido de rotação Multimotor – pode ter
sentido de rotação diferentes em cada motor para reduzir desbalanceamento
(EMBRAER CBA 123 e Airbus A400)
3. Hélice como Sistema Propulsivo
3.6 Sistemas Anti-gelo
(De-Ice system)
Elétrico
3. Hélice como Sistema Propulsivo
3.12 Demonstrações
1. Considere os seguintes dados de voo de um CESNA
172P, com uma hélice McCauley 1C160/DTN7557. Calcular a eficiência propulsiva da hélice pelo mapa genérico de hélices GA e BAC. Comparar. Rotação 2400 rpm, Potência 200 hp, Altitude 5000 ft, Velocidade da aeronave 150 KTAS, Diâmetro da Hélice 7 ft, Hélice bipá, fator de atividade da pá 100.
Bibliografia
PAULINY, J. The overview of propellers in general aviation.
Bachelor’s Thesis. Brno: Brno University of Technology, 2012.
TORENBEEK, E. Synthesis of Subsonic Airplane Design. Delft:
Delft University Press, 1982.
LOWRY, J. T. Performance of Light Aircraft. Reston: AIAA, 1999.
475p.
PERKINS, C. D. et HAGE, R. E. Airplane Performance, Stability
and Control. New York: John Wiley & Sons, 1949. pp. 116-154.
UTC. Propeller system. Catalog No. 130054, UTC Aerospace
Systems, 2013.
FORÇA AÉREA PORTUGUESA. Propulsão, MDSINST 144-9,
Estado Maior da Força Aérea, Direcção do Serviço de Instrução, Lisboa, vol. 1, 1977.
HARTZELL. Propeller Ice Protection System Manual. Manual No.
