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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
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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)
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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 (CP) requerida
se mantém aproximadamente
constante.
3
3. Hélice como Sistema Propulsivo
3.4 Hélice de Velocidade Constante
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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
ajuste de passo pelo piloto.
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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.
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3.4 Hélice de Velocidade Constante
Sistema de velocidade constante de
hélices Hartzell
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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.
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3.4 Hélice de Velocidade Constante Acionamento elétrico (puro ou eletro hidráulico)
Govenador eletrônico (Airbus A400 by UTC)
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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 CP/J
2 só depende da velocidade da aeronave.
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𝐶𝑇
𝐽2= 𝑚
𝐶𝑃
𝐽2+ 𝑏
3.1 Polar de Hélice É usada, nos ensaios em
voo, 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.
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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
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𝜂 𝛼 𝐽/𝐶𝑃1/3
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.
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CENSURADO
3.2 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.
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3.2 Mapa Genérico de Hélices BAC
Correção de compressibilidade na ponta das pás.
Observar a
unidades
inglesas
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3.2 Mapa Genérico de Hélices – GA
Aviação Geral (<260 kW)
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𝐶𝑃𝑋 =𝐶𝑃
𝑋 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)
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𝑍 =𝐷𝑓𝑢𝑠𝑒𝑙𝑎𝑔𝑒𝑚
𝐷ℎé𝑙𝑖𝑐𝑒
𝑆𝐷𝐸𝐹 = 1,05263 − 0,00722𝑍 − 0,16462𝑍2 − 0,18341𝑍3
Hélice Impulsora
𝜂 = 𝑆𝐷𝐸𝐹 𝑍 ∗ 𝜂(𝑚𝑎𝑝𝑎)
𝑆𝐷𝐸𝐹 = 1,05263 − 0,04185𝑍 − 0,01481𝑍2 − 0,62001𝑍3
Hélice 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
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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)
Distância ao solo (> 1/3 Raio da hélice)
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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)
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3. Hélice como Sistema Propulsivo 3.6 Sistemas Anti-gelo
(De-Ice system)
Elétrico
Ar quente da sangria (bleed) do compressor
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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.
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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. 180. Piqua: Hartzell Propeller Inc., 2015.
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