Projeto Preliminar de Rotor de Cauda

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Carolina Gama Galindo
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Anais do 14 O Encontro de Iniciação Científica e Pós-Graduação do ITA XV ENCITA / 009 Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP, Brasil, Outubro, 19 a, 009.

com Curso de Engenharia Aeronáutica Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA) 18-900 São José dos Campos, SP, Brasil Bolsista PIBIC-CNPq Resumo: Este artigo apresenta as considerações iniciais que

1 Anais do 14 O Encontro de Iniciação Científica e Pós-Graduação do ITA XV ENCITA / 009 Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP, Brasil, Outubro, 19 a, 009. Projeto Preliminar de Rotor de Cauda Alexandre Guilger Despontin alexandre.gd@hotmail.com Donizeti de Andrade deandradedoni@gmail.com Curso de Engenharia Aeronáutica Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA) São José dos Campos, SP, Brasil Bolsista PIBIC-CNPq Resumo: Este artigo apresenta as considerações iniciais que deve ser feitas para o projeto preliminar de um rotor de cauda, assim como a ligação. Palavras chave: Rotor de Cauda, Helicóptero, Ligação 1. Introdução O rotor de cauda é o responsável pela estabilidade direcional do helicóptero, principalmente em baixas velocidades. Seu funcionamento se assemelha ao rotor principal, entretanto, existem diferenças. Ele precisa produzir tração tanto negativa quanto positiva independente da direção do vento que chega a ele. São conhecidos três tipos de rotores: Convencional, Fenestron (fan-in-fin)e NoTaR. O convencional é utilizado na grande maioria dos helicópteros, entretanto representa um perigo de colisão com as pessoas no solo, pois a rotação das pás é muito elevada e, na maioria dos casos, não é possível vê-las. O Fenestron (ou fan-in-fin ) tem essencialmente o mesmo conceito do rotor de cauda convencional (pás que giram e produzem tração), mas difere do convencional no número de pás e por se situar num envoltório que faz parte do estabilizador vertical. A vantagem desse sistema é a redução do arrasto induzido gerado pelas pás devido ao envoltório, melhorando assim a eficiência aerodinâmica, reduzindo arrasto, ruído e vibração. O NoTaR, abreviatura de No Tail Rotor é um sistema fan-in-boom. Um fan gera ar comprimido que é forçado a sair por aberturas ao longo do cone de cauda e por um direcionador de fluxo, na extremidade do helicóptero, gerando assim a força antitorque e tração para o controle de guinada. Fig 1. Rotor Convencional Fig. Rotor Fenestron

Anais do XIV ENCITA 009, ITA, Outubro, 19-, 009.. Localização Fig. Rotor NoTar (McDonnell Douglas, 1989) Neste artigo é tratado o projeto preliminar de um rotor de cauda convencional.

2 Anais do XIV ENCITA 009, ITA, Outubro, 19-, Localização Fig. Rotor NoTar (McDonnell Douglas, 1989) Neste artigo é tratado o projeto preliminar de um rotor de cauda convencional. O rotor de cauda pode ser instalado como tractor ou pusher. Segundo Prouty (R. W. Prouty, 1986), testes mostram que a configuração pusher é mais efetiva pois sofre menos interferencia com a empenagem vertical. A posição longitudinal e vertical do rotor de cauda em relação ao rotor principal influencia na interferência entre os dois rotores. Quanto maior for a distância entre eles, menor será essa interferência.. Sentido de Rotação Segundo Prouty (R. W. Prouty, 1986), estudos recentes provam que o sentido de rotação, na qual a pá do rotor de cauda londitudinalmente mais próxima do rotor pincipal sobe, alivia a instabilidade associada á formação de anéis de vortex (gerados pelo rotor principal) em voo lateral. 4. Diâmetro Rotores de cauda com grande diâmetro possuem as vantagens de necessitar de menos potência em voo pairado, de ter maior controle direcional e maior estabilidade em voo a frente, enquanto que rotores com pequeno diametro possuem as vantagens de ser mais leve, de ter menor arrasto e de facilitar o posicionamento do c.g. do helicóptero. Aeronaves existentes tendem a seguir a Equação (1) que relaciona a razão entre o diâmetro do rotor de cauda (D T ) e o diâmetro do rotor principal (D M ) com o valor da carga no disco do rotor principal (DL M ) D T / D M =1 / (7,15-0,7.DL M ) (1) 5. Velocidade da Ponta da pá A velocidade da ponta da pá influencia diretamente dois fatores: ruído e peso. Velocidades maiores geram maior ruído e possuem menor peso que as menores. Também existem problemas aerodinâmicos associados com a velocidade, o Mach em altas velocidades e o stall em baixas. Tipicamente são utilizados valores de velocidades de ponta de pá de 600 ft/s a 750 ft/s. /5

3 Anais do XIV ENCITA 009, ITA, Outubro, 19-, Aerofólio A escolha do aerofólio para a pá do rotor de cauda é importante pois é um dos únicos fatores que pode reduzir as caracateristicas adversas de um rotor de grande tração. São elas: necessidade de muito torque no rotor, elevado peso estrutural e sensibilidade com rajadas. A principal característica requerida para o perfil é um elevado C lmax para o número de Mach e Reynolds utilizados. Baixo coeficiente de arrasto é desejado entretanto, as características de stall são mais importantes. Coeficiente de momento zero ou pequeno são usualmente utilizados, mas valores maiores podem ser utilizados. 7. Número de Pás O número de pás influencia no custo e no ruído da aeronave. Enquanto menores número de pás são mais baratas na produção e na manutenção, maiores números de pás reduzem a força aerodinâmica em cada pá, aliviando as diferenças de pressões, produzindo um ruído menor. 8. Torção Valores negativos de torção nas pás são utilizados para o rotor de cauda, para aumentar o carregamento ao longo da envergadura. Para voo pairado e a baixas velocidades, a torção reduz o torque necessário no rotor de cauda para elevadas trações, enquanto que para altas velocidades, a torção não é vantajosa. Portanto, para helicópteros de baixa velocidade, a torção deve ser considerada. 9. Controle de Pitch O passo coletivo do rotor de cauda deve ser tal que possa fornecer uma capacidade de balancear o torque do rotor e permitir um adequado controle em todo o envelope de vôo da aeronave. Tipicamente são utilizados valores de -15º a 0º. 10. A ligação Para reduzir o efeito do batimento em um rotor de cauda é utilizado um dispositivo conhecido como ligação ou delta três ( d ). O cálculo correto do ângulo utilizado por ele reduz a amplitude do batimento, o que possibilita a redução na distância entre o rotor e o cone de cauda do helicóptero. O efeito de uma ligação no batimento de um rotor de cauda é similar a um sistema mecânico livre como apresentado na Fig 4. F C x Fig 4. Sistema massa-mola com amortecimento A equação clássica do movimento para esse sistema é a mostrada na Equação (): Mx && + Cx& + x= F sin( Wt), () /5

4 Anais do XIV ENCITA 009, ITA, Outubro, 19-, 009. onde M está relacionado com a massa, C com o amortecimento, com a constante da mola e F com a força. A solução é do tipo: x= Asin( Wt- f), () onde: tanf = C M - MW (4) A= F M ( - MW ) + ( CW) (5) Para ser possível reduzir a distância entre o rotor e o cone de cauda é preciso que no momento em que o rotor bipá esteja na horizontal a amplitude do batimento seja mínima. A Fig 10. esquematiza o rotor e o cone de cada: Cone de cauda b W Rotor Fig 5. Vista superior do cone de cauda seguinte: Segundo Gaffey (Troy M. Gaffey, 000), para um rotor bipá, a equação que descreve o movimento é a 8 I&& g æ 1 H g æ ö ö ægw ö b+ W Ib& +W I 1 m tand b Imq sin( t) 8 ç + + ç + = ç W IW 8 9 è è ø ø è ø com: b = ângulo de batimento I = Momento de inércia do rotor no baitmento W = Freqüência de rotação do rotor g = Lock Number H = Flapping spring 4/5

5 Anais do XIV ENCITA 009, ITA, Outubro, 19-, 009. m = Fator de avanço do rotor d = ângulo d q = ângulo de passo coletivo do rotor Portanto, sua fase e sua amplitude máxima são: g I tanf = 8 æ g æ 8 ö ö Iç ç IW 8 9 è è ø ø H m tand -1 A= g mq æ æ H g æ 8 ö ö ö æg ö ç Iç m tand ç ç I I 8 9 è è W è ø ø ø è 8 ø 11. Agradecimentos Ao inestimável professor e orientador Donizeti de Andrade por seu apoio e dedicação, durante esse ano como orientador. Ao CNPq pela oportunidade de realização desse trabalho, o que possibilitou um grande aprendizado e contato com trabalhos acadêmicos. 1. Referências Lynn, R. R.; Robinson, F. D.; Batra, N. N.; Duhon, J. M. e Bell Helicopter Company; Tail Rotor Design, Maio Prouty, R. W.; Helicopter Aerodinamicsn. Revista Rotor and Wing International Vieira Cruz, Ronaldo; Fundamentos da Engenharia de Helicópteros e Aeronaves de Asas rotativas. Instituto Tecnológico de Aeronáutica. Prouty, R. W.; Helicopter Performance, Stability, and Control, rieger Publishing Company, /5

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