Desempenho do Grupo Moto-Propulsor Dimensionamento Inicial da Hélice e

Desempenho do Grupo Moto-Propulsor Dimensionamento Inicial da Hélice e Cálculos de Desempenho do Grupo Propulsor Engenharia Aeronáutica

Desempenho do Grupo Moto-Propulsor Considerações para o Dimensionamento Inicial da Hélice  Para o pré-dimensionamento de uma hélice para um motor a pistão deve- se conhecer a potência máxima desenvolvida pelo motor em uma dada rotação ou a curva de potência do motor em função da rotação, em condições atmosféricas definidas;  Com os dados de potência do motor é possível estimar a curva de potência disponível fornecida pela hélice;  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

Desempenho do Grupo Moto-Propulsor Considerações para o Dimensionamento Inicial da Hélice  Para o dimensionamento da hélice são utilizados comumente mapas de eficiências da hélice envolvendo dois coeficientes adimensionais de desempenho, em função do ângulo da pá a ¾ do raio: coeficiente de avanço coeficiente de velocidade  Através do mapa de eficiências da hélice é possível obter o coeficiente de velocidade e o coeficiente de avanço de uma hélice para diferentes valores de necessidade de eficiência propulsiva;

Desempenho do Grupo Moto-Propulsor Considerações para o Dimensionamento Inicial da Hélice  Os mapas de eficiências para dadas geometrias de hélice podem ser obtidos na literatura. Esses mapas são obtidos experimentalmente em túneis de vento, com instalações físicas dedicadas ao estudo de hélices;  Através dos mapas é obtido os valores de Cs e J para a condição de máxima eficiência propulsiva para um dado ângulo de pá a ¾ do raio;  Com os coeficientes adimensionais obtidos estima-se o diâmetro inicial para a hélice. É possível ainda estimar a velocidade máxima da aeronave propulsionada pela hélice escolhida;  Na prática, verifica-se o diâmetro inicial da hélice com os requisitos de espaço para acomodação da hélice na estrutura da aeronave (por exemplo: possibilidade de colisão da hélice com o solo);

Desempenho do Grupo Moto-Propulsor Mapa de Eficiência de Hélices mapa de eficiência para o perfil aerodinâmico Clark-Y, hélice de 2 pás

Desempenho do Grupo Moto-Propulsor Método Prático para o Dimensionamento Inicial da Hélice  Para uma dado motor com potência P, rotação na potência máxima de N e condições atmosféricas de vôo conhecidas, a estimativa inicial do diâmetro da hélice 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

Desempenho do Grupo Moto-Propulsor Exemplo do Dimensionamento Inicial da Hélice  Calcular o diâmetro inicial de uma hélice para aplicação no motor da aeronave Piper PA-18 Super Cub, cujos parâmetros de operação são dados a seguir:

Desempenho do Grupo Moto-Propulsor Exemplo do Dimensionamento Inicial da Hélice: motor Lycomig O-320 Piper PA-18 Super Cub

Desempenho do Grupo Moto-Propulsor Exemplo do Dimensionamento Inicial da Hélice  Obtenção dos valores de Cs e J para a condição de máxima eficiência propulsiva no ângulo da pá a ¾ do raio, 25º: Cs = 1,8 J = 1

Desempenho do Grupo Moto-Propulsor Exemplo do Dimensionamento Inicial da Hélice  Cálculo da velocidade máxima da aeronave:  Cálculo do diâmetro da hélice:  Valores reais da aeronave pelo fabricante: velocidade máxima: 68,3 m/s (246 km/h) diâmetro da hélice: 1,828 m (72 in)

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

Desempenho do Grupo Moto-Propulsor Estimativa da Curva de Potência Fornecida pelo Grupo Moto-Propulsor  Para o caso de conhecimento da curva de potência do motor em função da rotação do motor, determina-se o coeficiente de potência para cada rotação do motor; Onde: P é a potência do motor em W, r é a densidade do ar em kg/m3, N é rotação da hélice 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);

Desempenho do Grupo Moto-Propulsor Estimativa da Curva de Potência Fornecida pelo Grupo Moto-Propulsor  Para o caso de não conhecimento da curva de potência do motor em função da rotação, correlaciona-se o coeficiente de potência de uma dada condição com o coeficiente de potência 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;

Desempenho do Grupo Moto-Propulsor Estimativa da Curva de Potência Fornecida pelo Grupo Moto-Propulsor  Para o caso 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, coeficientes de avanço diferentes;  Como a rotação da hélice é uma função da potência entregue a hélice pelo motor, variando-se o coeficiente de potência, varia-se a rotação;  Nesse caso, 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

Desempenho do Grupo Moto-Propulsor Estimativa da Curva de Potência Fornecida pelo Grupo Moto-Propulsor

Desempenho do Grupo Moto-Propulsor Estimativa da Curva de Potência Fornecida pelo Grupo Moto-Propulsor  Para o caso uma hélice de velocidade constante, a rotação da hélice será constante em todas as condições de operação da hélice;  Como a rotação da hélice, e conseqüentemente a rotação do motor, é constante, a potência entregue pelo motor a hélice também é constante fazendo com que o coeficiente de potência seja constante;  Para que o coeficiente de potência seja constante ao longo das condições de operação da hélice, ou seja, coeficientes de avanço, o ângulo da pá deve variar em função da velocidade da aeronave;  Nas hélices de velocidade constante, o controle do ângulo das pás (controle do passo da hélice) é realizado automaticamente pelo governador da hélice;

Desempenho do Grupo Moto-Propulsor Estimativa da Curva de Potência Fornecida pelo Grupo Moto-Propulsor

Desempenho do Grupo Moto-Propulsor Método Prático para Hélice de Passo Fixo dados de entrada: P0, N0, perfil, 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

Desempenho do Grupo Moto-Propulsor Método Prático para Hélices de Velocidade Constante dados de entrada: P0, N0, perfil, 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

Exercício Resolvido de Cálculo da Curva de Potência Disponibilizada por uma Hélice de Passo Fixo e uma Hélice de Velocidade Constante Engenharia Aeronáutica

Desempenho do Grupo Moto-Propulsor Cálculo da Potência Disponibilizada por uma Hélice de Passo Fixo  Determinar a curva de potência disponibilizada pelo grupo moto-propulsor da aeronave Piper PA-18 Super Cub, considerando a utilização de uma hélice de passo fixo:

Desempenho do Grupo Moto-Propulsor Cálculo da Potência Disponibilizada por uma Hélice de Passo Fixo mapa de desempenho para o perfil aerodinâmico Clark-Y, hélice de 2 pás

Desempenho do Grupo Moto-Propulsor Cálculo da Potência Disponibilizada por uma Hélice de Passo Fixo

Desempenho do Grupo Moto-Propulsor Cálculo da Potência Disponibilizada por uma Hélice de Velocidade Constante  Determinar a curva de potência disponibilizada pelo grupo moto-propulsor da aeronave Piper PA-18 Super Cub, considerando a utilização de uma hélice de velocidade constante (passo variável):

Desempenho do Grupo Moto-Propulsor Cálculo da Potência Disponibilizada por uma Hélice de Velocidade Constante  Considerando que o desempenho da hélice de velocidade constante é semelhante ao desempenho de uma hélice de passo fixo, na condição de máxima potência do motor, obtêm-se: ângulo da pá a ¾ do raio: b = 25º coeficiente de avanço: J = 1 coeficiente de potência: 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 a hélice pelo motor também será constante;  O valor do coeficiente de potência será constante para todas as condições de operação da hélice;

Desempenho do Grupo Moto-Propulsor Cálculo da Potência Disponibilizada por uma Hélice de Velocidade Constante mapa de desempenho para o perfil aerodinâmico Clark-Y, hélice de 2 pás

Desempenho do Grupo Moto-Propulsor Cálculo da Potência Disponibilizada por uma Hélice de Velocidade Constante

Desempenho do Grupo Moto-Propulsor Comparação de Desempenho das Hélices

Desempenho do Grupo Moto-Propulsor Considerações sobre Desempenho do Grupo Moto-Propulsor  A tração gerada pelas hélices, sejam estas de passo fixo ou de velocidade constante, tendem a diminuir com o aumento da velocidade;  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 Desempenho do Grupo Moto-Propulsor 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 Desempenho do Grupo Moto-Propulsor  Analisando a tração estática gerada pelas hélices, tração para velocidade nula, verifica-se que a tração da hélice de passo fixo é 50% menor do que a tração da 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 stallaerodinâmico da pá;  Nesse caso, somente uma parcela do comprimento da pá gera força propulsiva, estando a maior parte da pá em condição de sustentação 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 Desempenho do Grupo Moto-Propulsor  Para melhorar o desempenho de uma hélice em condições de decolagem 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 pode ser ajustado para fornecer um ângulo de pá mínimo, ou seja passo mínimo;  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;  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, b mínimo.

Desempenho do Grupo Moto-Propulsor Considerações sobre Desempenho do Grupo Moto-Propulsor  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).

Desempenho do Grupo Moto-Propulsor Dimensionamento Inicial da Hélice e