Propulsão Aeronáutica agosto 2014 Desempenho de Hélices Parâmetros Adimensionais para Correlação de Desempenho de Hélices Engenharia Aeronáutica

Propulsão Aeronáuticaagosto 2014

Desempenho de HélicesParâmetros Adimensionais para

Correlação de Desempenho de Hélices

Engenharia Aeronáutica

Propulsão a Hélice

Tópicos Abordados

Análise Dimensional

Parâmetros Adimensionais de Desempenho de Hélices;

Exercício Resolvido para Correlação de Desempenho de Hélices;

Conceito de Potência Propulsiva


A potência propulsiva da hélice corresponde ao produto da força propulsiva

ou tração T gerada pela hélice (em unidade N) e a velocidade da aeronave V (em

unidade m/s);

A força propulsiva ou tração é calculada pela multiplicação da variação de

velocidade de um fluxo mássico ao atravessar a hélice;

A unidade de potência propulsiva é N.m/s, que corresponde a W;

Pode ser expressa ainda em hp, realizando a conversão 1hp = 745 W.

T VP

Conceito de Eficiência Propulsiva


A eficiência propulsiva da hélice ou simplesmente eficiência da hélice,

é calculada pela razão entre a potência propulsiva e a potência de eixo

entregue a hélice pelo motor:

e eixopotência d

T V

eixodepotência

propulsivapotênciaH

Para o caso de uma aeronave parada com o motor totalmente acelerado

(máxima rotação), a potência de eixo disponibilizada pelo motor poderá

ser máxima; a tração gerada pela hélice é máxima; entretanto a potência

propulsiva será nula (velocidade da aeronave nula), conseqüentemente a

eficiência propulsiva será nula.

ATENÇÃO:

Eficiência Aerodinâmica da Hélice

A eficiência aerodinâmica da hélice, ou somente eficiência da hélice,

corresponde a razão entre a potência propulsiva do elemento propulsivo

hélice e a potência de eixo para acionamento da hélice, ou seja, a potência

de eixo fornecida pelo motor:

QN

VTH

602

motor do eixo de potência

propulsiva potência

A eficiência da hélice calculada através da equação acima corresponde a

eficiência global da hélice, visto que essa representa todas as

eficiências locais de cada estação da pá da hélice;

A eficiência da hélice não corresponde a eficiência propulsiva.

Modelos de Desempenho de Hélices

Apresentação dos Modelos

Modelo Baseado na Teoria de Momento Linear: modelo simplificado

para determinação da eficiência propulsiva ideal da hélice. A eficiência é

calculada através de velocidades do escoamento na hélice.

Modelo Baseado na Teoria de Elementos de Pás: modelo

aperfeiçoado para determinação da tração total e do torque total gerados

pela hélice com finito número de pás. Os parâmetros de desempenho são

calculados com base nas características geométricas e aerodinâmicas das pás da

hélice.

Modelo Baseado em Coeficientes Adimensionais Os parâmetros de

desempenho são calculados com base nas características geométricas e

aerodinâmicas das pás da hélice.


Parâmetros Adimensionais de Correlação de Desempenho de Hélices

Mapa de Desempenho de Hélices

Para representar o desempenho de uma mesma hélice, em diferentes

regimes de operação, comumente são apresentadas as curvas de potência,

torque e eficiência propulsiva da hélice em função de um coeficiente

adimensional J, chamado de coeficiente de avanço.

O conjunto destas curvas em função do coeficiente J é chamado de mapa

de desempenho da hélice;

Os parâmetros de desempenho contidos no mapa de desempenho são

calculados pelo método simplificado na estação a ¾ do raio da pá;



Mapa de Desempenho de Hélices

N D

VJ

coeficiente de avanço J

V ~ velocidade da aeronave [m/s]

N ~ rotação da hélice [rps]

D ~ diâmetro da hélice [m]

mapa de desempenho da hélice calculado considerando ângulo da pá a ¾ do raio de 22,4o



Coeficientes Adimensionais de Tração, Torque e Potência

O mapa de desempenho de uma dada hélice, com dado perfil

aerodinâmico, pode ser utilizado para estimar o desempenho de uma outra

hélice aerodinamicamente semelhante (mesmo perfil aerodinâmico, mas com

ângulo de pá a ¾ do raio e diâmetro diferentes);

Para isso, é necessário reduzir os parâmetros de desempenho de tração,

torque e potência na forma de coeficientes adimensionais;

Os coeficientes adimensionais são respectivamente o coeficiente de

tração CT, coeficiente de torque CQ e coeficiente de potência CP;

As curvas de desempenho na forma de coeficientes adimensionais são

apresentadas em função do coeficiente de avanço J e do ângulo na estação a

¾ do raio da pá, para cada perfil aerodinâmico de pá e número de pás da

hélice.



Coeficientes Adimensionais de Tração, Torque e Potência

42

60 D

N

TCT

52

60 D

N

QCQ

53

53

60

602

60 D

N

QN

DN

PCP

coeficiente de tração CT

coeficiente de torque CQ

coeficiente de potência CP

Unidades: em kg/m3; N em rpm; D em m, T em N, Q em N.m e P em W.



Mapas de Desempenho de Hélices em Função dos Coeficientes

coeficientes para o perfil aerodinâmico RAF-6, hélice de 2 pás



coeficientes para o perfil aerodinâmico RAF-6, hélice de 3 pás




coeficientes para o perfil aerodinâmico Clark-Y, hélice de 2 pás











Exercício Resolvido de Cálculo do Desempenho de uma Hélice Utilizando os Parâmetros Adimensionais de Correlação de Desempenho

Engenharia Aeronáutica


Descrição Geral

Exercício Resolvido de Cálculo do Desempenho de uma Hélice

Determinar a tração e o torque de acionamento de uma hélice bi-pá de

passo variável (ângulo de pá variável) utilizando os coeficientes

adimensionais, com condições de operação mostradas na tabela abaixo:

condições atmosféricas ISA-SL: 101,325 kPa @ 288,15K

diâmetro da hélice 96 in (2,438m)

rotação da hélice 2000 rpm

velocidade da aeronave 44,44 m/s (160 km/h)

coeficiente de avanço 0,547

perfil geométrico das pás RAF-6

ângulos da pá a ¾ do raio 15, 20, 22.4, 25 e 30º


Coeficientes de Potência e Tração - Perfil RAF-6 - hélice de 2 pás



Resolução do Exercício


parâmetroângulo da pá a ¾ do raio

15º 20º 22,4º 25º 30º

V [m/s] 44,44

J 0,547

15º 20º 22,4º 25º 30º

CP 0,03 0,056 0,071 0,85 0,112

CT 0,04 0,075 0,09 0,105 0,125

P [W] eixo 117354 219061 275782 332503 438122

T [N] 1925 3610 4331 5053 6016

Q [N.m] 560 1045 1316 1587 2092

P [W] propulsiva 85470 160284 192470 224555 267351

H 72,8% 73,2 69,8% 67,5% 61,1%


Resolução do Exercício


parâmetroângulo da pá a ¾ do raio

15º 20º 22,4º 25º 30º

V [m/s] 44,44

J 0,547

15º 20º 22,4º 25º 30º

CP 0,03 0,056 0,071 0,85 0,112

CT 0,04 0,075 0,09 0,105 0,125

P [W] eixo 117354 219061 275782 332503 438122

T [N] 1925 3610 4331 5053 6016

Q [N.m] 560 1045 1316 1587 2092

P [W] propulsiva 85470 160284 192470 224555 267351

H 72,8% 73,2 69,8% 67,5% 61,1%

valores calculados pelo método simplificado a 22,4º utilizando os coeficientes

aerodinâmicos CL e CD

PEIXO = 239000 W

T = 4064 N

Q = 1140 N.m

PPROPULSIVA = 181000 W

H = 75,6%

Documents

Propulsão Aeronáutica agosto 2014 Desempenho de Hélices Parâmetros Adimensionais para Correlação de Desempenho de Hélices Engenharia Aeronáutica