PROJETO DE HÉLICES. Fernando Romagnoli Tarik Hadura Orra Ivan Caliu Candiani José Roberto Canhisares

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Alexandra Leal Gabeira
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1 PROJETO DE HÉLICES Fernando Romagnoli Tarik Hadura Orra Ivan Caliu Candiani José Roberto Canhisares

2 DEFINIÇÃO A hélice é um dispositivo que fornece força de impulso às custas da potência gerada pelo motor. Isto se dá através da rotação de uma ou mais asas (pás) Vo Velocidade de vôo da aeronave V2 Velocidade tangencial da pá V1 Velocidade resultante em dado ponto da pá θ - Torção local da pá α Ângulo de ataque local *D.J. Auld and Srinivas, K. Aerodynamics for Students, University of Sydney

Isto se dá através da rotação de uma ou mais asas (pás) Vo Velocidade de vôo da aeronave V2

3 CONCEITOS Avanço Definido por J=V/(n.D), é a relação adimensional entre a velocidade de vôo, rotação e diâmetro da hélice, ou seja, para um giro a hélice avança V/n unidades de comprimento Coeficiente de Tração e Torque - Adimensionalização da tração e torque, atuam como o cl e cd de um perfil Solidez - Relação entre a área das pás e a área do disco Sweep - Enflechamento da pá, o sweep é justificado apenas em hélices de grande diâmetro a altas rotações Eficiência - Relação entre a potência produzida e potência aproveitada

unidades de comprimento Coeficiente de Tração e Torque - Adimensionalização da tração e torque, atuam como o cl e cd de um perfil

4 Competição Aerodesign MOTIVAÇÃO Uma hélice bem projetada pode gerar maior impulso e por conseqüência a aeronave pode carregar maior carga paga Econômica Estimativa para 2008 do custo do barril do petróleo:150 US$

5 Veículos Alternativos MOTIVAÇÃO

6 Vantagens e Desvantagens Por que projetar uma hélice? Maior impulso: Aproximadamente 25% Aumento na eficiência: Em média 10 pontos percentuais Por que não projetar uma hélice? Custo Elevado Tempo de Projeto e Fabricação: Em média 2 meses

Em média 10 pontos percentuais Por que não projetar uma

7 HISTÓRIA Na China antiga hélices eram empregadas na propulsão de embarcações No século III é desenvolvido o Parafuso de Arquimedes Em 1090 no oriente médio são encontrados os primeiros moinhos de vento

8 O DESENVOLVIMENTO NA FEI Iniciam-se as pesquisas, o ponto de partida foi uma hélice APC 13 x 4 que gera 30 N de tração estática Objetivo: Maximizar a tração durante a decolagem e vôo Inspiração: Corridas de pylon racing Resultado: Desenvolvimento da mono-pá de madeira com massa de 200 g e 37 N de tração estática (ganho de 19%)

durante a decolagem e vôo Inspiração: Corridas de pylon racing Resultado:

9 O DESENVOLVIMENTO NA FEI

10 O DESENVOLVIMENTO NA FEI Buscou-se dominar as técnicas de fabricação em compósito Objetivo: Reduzir a massa do contrapeso Resultado: Hélice mono-pá de carbono com massa de 100g e 42N de tração estática (+12% em relação a 2002)

massa do contrapeso Resultado: Hélice mono-pá de carbono

11 O DESENVOLVIMENTO NA FEI

12 O DESENVOLVIMENTO NA FEI Empregou-se um redutor de rotação na classe aberta Objetivo: Fabricar uma hélice capaz de gerar 130 N de tração estática Resultado: Aeronave Mamute equipada com hélices com diâmetro 1,3m e 120 N de tração estática total

de gerar 130 N de tração estática Resultado: Aeronave Mamute

13 O DESENVOLVIMENTO NA FEI

14 O DESENVOLVIMENTO NA FEI Buscou-se aprimorar as metodologias para projeto de hélices ótimas Objetivo: Fabricar uma hélice que produza 50 N de tração estática na classe regular Resultado: Hélice bi-pá de carbono de 16 in com 45 N de tração estática (ganho de 6,5% em relação a 2004)

produza 50 N de tração estática na classe regular Resultado: Hélice

15 O DESENVOLVIMENTO NA FEI

16 O DESENVOLVIMENTO NA FEI

17 O DESENVOLVIMENTO NA FEI Empregou-se um redutor planetário na classe aberta Objetivo: Miniaturização do redutor Resultado: Aeronave Kondhor Open com um redutor de 3:1 de massa 470g que utiliza uma hélice de 24in e produz 100N de tração estática

redutor Resultado: Aeronave Kondhor Open com um redutor de 3:1

18 DINAMÔMETRO Devem-se medir as variáveis a fim de se atuar no processo O dinamômetro deve levantar as curvas experimentais da hélice Ensaio de Tração Dinâmica 110 Tração (N) ,5 5 7, , x10 24x8 22x12 22x10 24x12 m/s

da hélice Ensaio de Tração Dinâmica 110 Tração (N) 100 90 80

19 HÉLICE MONO-PÁ Como a mono-pá projetada produz mais tração que a bi-pá comercial? CURVA DE POTÊNCIA DO MOTOR Potência MONO-PÁ PROJETADA Rotação BI-PÁ COMERCIAL

20 HÉLICE BI-PÁ Uma hélice bi-pá projetada mostrou ser melhor que uma mono-pá projetada Exemplo: Ponto de projeto Velocidade: 45 m/s Rotação: 2500 rpm Potência: 2 hp

21 ANÁLISE COMPARATIVA Hélice Impulso Eficiência Custo Massa Bi-Pá Comercial Baixo Baixa Baixo Baixa Mono-Pá Projetada Alto Baixa Alto Média Bi-Pá Projetada Alto Alta Alto Baixa

22 FLYING ALARM CLOCK VEÍCULOS ALTERNATIVOS

23 TEORIAS APLICADAS Teoria da Conservação do Momento Teoria do Elemento de Pá Método dos Painéis

24 CONSERVAÇÃO DO MOMENTO Estabelece o rendimento máximo de uma hélice η = V + f V ( D,T,V, ) ρ *Roskam, J. and Edward, L. Airplane Ardodynamics and Performance, DARCorporration

25 TEORIA DO ELEMENTO DE PÁ Visa estabelecer os parâmetros da hélice em função da sua geometria *Roskam, J. and Edward, L. Airplane Ardodynamics and Performance, DARCorporration

26 MÉTODO DOS PAINÉIS Por este método potencial é possível avaliar a influência da geometria e esteira sobre o funcionamento da hélice *Stepniewski, W.Z. and Keys, C.N. Rotary-Wing Aerodynamics, Dover

27 SOFTWARES LIVRES Javaprop Metodologia empregada: Larrabee Limitações: Regime incompressível, biblioteca de perfis limitada, baixa acuracidade *

28 REDUÇÃO

29 ESTUDO DA TRANSMISSÃO Grandes reduções: HPA (Human Powered Aircrafts) ou Mamute. Peso máximo: 35Kg. Aeronaves cargueiras: T/W = 0.25 T=85,75N

D n P K T D n g P C T P = = 0 0 5 3 ' ρ *Durand, W.F.

30 D n P K T D n g P C T P = = ' ρ *Durand, W.F. and Lesley Technical Report n 30, NACA POSSÍVEIS RELAÇÕES DE TRANSMISSÃO Relação de transmissão 1:1 1:2 1:3 1:4 Tração (N)

31 TIPOS DE REDUÇÃO Simples Cônica

32 TIPOS DE REDUÇÃO Correia Epcicloidal

33 QUAL REDUÇÃO UTILIZAR Configuração Vantagem Desvantagem Simples Custo e construção Inversão de rotação Cônica Não inverte a rotação da hélice Peso Correia Custo e construção Não adequada para altas rotações Epcicloidal Acionamento no eixo do motor Complexidade do projeto

34 REDUÇÃO EPCICLOIDAL Vantagens Acionamento direto no eixo do motor. Sistema leve e compacto. Não inverte rotação Rápida montagem e desmontagem. Possibilita a utilização ou não da redução. Desvantagens Custo elevado. Complexidade do projeto

35 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS Módulo 0,8 1 engrenagem: 40z 6 engrenagens: 20z 1 engrenagem: 80z Largura: 5 mm Redução 1:3

36 FOTOS DA REDUÇÃO

37 ESCOLHA DA HÉLICE Ensaio de Tração Dinâmica Tração (N) m/s 24x10 24x8 22x12 22x10 24x12

38 PROCESSO DE FABRICAÇÃO USINAGEM CAD MOLDE LAMINAÇÃO

39 FABRICAÇÃO DO CONTRAPESO O contrapeso deve permanecer unido a hélice sob qualquer condição de trabalho

40 AERONAVE KONDHOR OPEN Acidente na competição 2007

41 CONCLUSÃO Hélices bem projetadas tem eficiência maior que hélices padronizadas; Pode-se elevar a tração durante a corrida (shorter take off); Economia de combustível em vôos longos; O decaimento da curva tração x velocidade pode ser atenuado; Quando a velocidade de vôo não é um problema, o emprego de redutores de rotação pode elevar consideravelmente a tração estática;

42 PERGUNTAS

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