PREPARAÇÃO DE UM BANCO DE HÉLICE PARA CARACTERIZAÇÃO EXPERIMENTAL DO DESEMPENHO DE PEQUENAS HÉLICES

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1 PREPARAÇÃO DE UM BANCO DE HÉLICE PARA CARACTERIZAÇÃO EXPERIMENTAL DO DESEMPENHO DE PEQUENAS HÉLICES Pedro Marcelo Alves Ferreira Pinto, Giuliano Gardolinski Venson, Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Taubaté (UNITAU) Rua Daniel Danelli, s / n , Taubaté-SP, Brasil Cristiane Aparecida Martins, cmartins@ita.br Departamento de Propulsão, Instituto Tecnológico de Aeronáutica, ITA Praça Marechal Eduardo Gomes, , São José dos Campos-SP, Brasil Resumo. Uma das grandes dificuldades para a determinação da hélice ideal para a aplicação em aeronaves rádio controlada esta associada ao seu desempenho. A escolha ideal do conjunto moto-propulsor é de grande importância, pois garante uma maior eficiência, melhor qualidade de voo e menor consumo de combustível. As hélices são diferenciadas pelas características geométricas definidas pelos seus respectivos fabricantes. As principais características são o diâmetro, que é definido por duas vezes a distância do centro da hélice até a ponta da pá, e o passo, que representa o quanto a hélice avança para frente a cada rotação. Entretanto, essas características são diferentes para cada fabricante, e cada um desenvolve seu projeto através de otimizações na forma e no perfil aerodinâmico. Este trabalho tem por finalidade descrever toda caracterização experimental de um banco de hélices para obtenção dos principais parâmetros de desempenho de uma hélice, como força propulsiva e rotação. Palavras-chave: Banco de hélice, Hélice, Grupo moto-propulsor, Aeronave rádio-controlada.

2 1. INTRODUÇÃO Este trabalho descreve os procedimentos de caracterização de um banco de hélices utilizado para os ensaios experimentais, na condição estática, de quatro diferentes tipos de hélices para obtenção dos principais parâmetros de desempenho como força propulsiva (tração) e rotação a fim de avaliar o desempenho característico de cada hélice. Esta caracterização inclui escolha dos componentes, o desenvolvimento do banco de hélices, o desenvolvimento do sistema de aquisição de dados, calibração dos sistemas e a realização dos ensaios. Os resultados mostraram que todo aparato experimental, desenvolvido para o ensaio, foi adequado para o objetivo proposto. 2. GRUPO MOTO PROPULSOR O grupo moto-propulsor de aeronaves são dispositivos capazes de gerar empuxo ou tração, fenômenos aerodinâmicos responsáveis pela movimentação da aeronave em solo ou em voo. Basicamente são formados por um elemento motor e um elemento propulsivo. O elemento motor, também chamado núcleo do motor, corresponde a parte do grupo motopropulsor responsável pela geração de energia mecânica, utilizada para acionamento do elemento propulsivo. O elemento propulsivo corresponde a parte do grupo moto-propulsor responsável pela geração de força propulsiva, obtida através do deslocamento do fluido (ar) na direção oposta àquela na qual a aeronave é propelida, este pode ser um elemento rotativo tipo hélice.

3 Elemento Propulsivo Hélice Elemento Motor Núcleo motor a hélice Figura 1 - Grupo Moto-propulsor à Hélice 3. HÉLICE As hélices são elementos propulsivos rotativos do grupo moto-propulsor de uma aeronave. Estas são constituídas de lâminas ou pás, dispostas radialmente e simetricamente em relação ao seu eixo de rotação, em número de duas (bi-pá), três (tri-pá), quatro (quadri-pá), cinco (penta-pá) ou mais pás. Cada pá de uma hélice de aeronave é, essencialmente, uma asa rotativa. Como um resultado de sua construção, as pás da hélice são como aerofólios e produzem forças aerodinâmicas, que criam o empuxo ou tração, para puxar ou empurrar a aeronave através do ar podendo ser formadas por uma peça única ou segmentadas em pás independentes. Um hélice é definida por duas dimensões características, o diâmetro e o passo, normalmente indicados em polegadas. O diâmetro representa a distância entre as pontas das pás para o caso de uma hélice bi-pá, no caso de hélices mono-pá ou com múltiplas pás, o diâmetro é representado pela circunferência descrita durante o movimento. O passo representa o avanço (teórico) que a hélice daria em uma volta. A fig. 2 mostra as principais características geométricas de uma hélice.

4 Figura 2 - Detalhe da pá de uma Hélice Aeronáutica 4. BANCO DE HÉLICES Neste capítulo serão abordados os detalhes sobre o desenvolvimento do aparato experimental, começando pela seleção de componentes, desenvolvimento do banco de hélices, desenvolvimento do sistema de aquisição de dados calibração dos sistemas para realização dos ensaios. 4.1 Seleção dos componentes Para caracterização do desempenho de hélice optou-se pela escolha de um motor elétrico. O motor elétrico foi escolhido em contrapartida a um motor de combustão interna para permitir ensaios mais seguros, mais econômicos e em um tempo de preparação menor. Além disso, a utilização de um motor de corrente contínua permite eliminar as oscilações de rotação inerentes ao funcionamento de um motor de combustão interna. O motor elétrico selecionado equivale a um motor de combustão interna a pistão do tipo dois tempos de 0,61 polegadas cúbicas, com potência nominal de 1,9hp.

5 O motor em estudo é o Turningy L , um motor elétrico trifásico modelo Brushelles Outrunner de 700rpm/v mostrado n fig.3. A potência e corrente nominal do motor são respectivamente de 1600W e 60A com um peso de 296g. Esse motor foi selecionado por apresentar parâmetros equivalentes a de um motor a pistão de 0,61 polegadas cubicas. Figura 3 - Motor Turningy L A bateria utilizada é a Zippy Flightmax 5000mAh 6S1P mostrada na fig.4. Essa bateria de LiPo composta por Polímeros de Lithium de 6 células e tenção nominal 22,2V (3,7V por célula), possui capacidade de 5000 miliampére-hora e peso igual a 834g. Essa bateria foi selecionada em função das características do motor, a mesma apresenta uma capacidade de descarga igual a 40C constante, ou seja, 200 amperes de corrente por hora.

6 Figura 4 - Bateria Zippy Flightmax 5000mAh 6S1P O Speed control selecionado foi o Red Brinck 70A mostrado na fig.5, também escolhido proporcionalmente ao motor. Este componente de capacidade nominal máxima de 70 amperes é utilizado para o controle da rotação do motor. O mesmo tem a função de converter o sinal recebido da bateria na forma de corrente contínua em corrente alternada utilizada pelo motor. Figura 5 - Speed Control Red Brick 70A

7 O Watt Meter utilizado é o HK-010, mostrado na fig.6. Este componente será utilizado para o monitoramento e aquisição de parâmetros em tempo real como corrente (ampere) e tensão (volts) consumida pelo motor além de fornecer informações indispensáveis sobre a bateria como autonomia e condições de balanceamento das células. O Watt Metter apresenta capacidade nominal de voltagem de 0 a 60V, amperagem de 0 a 100A e potência máxima de 6000W com peso igual a 140g. Figura 6 - Watt Metter HK-010 Para as medições da tração geradas pelo motor foi utilizado um sistema de medição de forças baseado numa balança modelo AFA3 de 3 eixos, dispositivo complementar do túnel de vento subsônico do laboratório de ensaios da Universidade de Taubaté, na qual a conexão do conjunto é feita através de uma haste com a função de transferir o esforço gerado pelo conjunto moto propulsor para uma célula de carga. Essa célula, que possui faixa de medição até 10kg, consiste de um sistema de strain gages na forma de ponte de Wheatstone, a qual converte o sinal de força aplicada à haste em um sinal de tensão. A balança, o túnel de vento e a célula de carga são mostrados nas fig. 7, 8 e 9.

8 Figura 7 - Balança Modelo AFA3 Figura 8 - Túnel de Vento Subsônico do Laboratório de Ensaios da Universidade de Taubaté

9 Figura 9 - Célula de Carga da Tração A rotação do motor é obtida através de um sensor ótico posicionado no corpo do motor. O sensor ótico consiste de um foto-transistor interligado a um emissor de luz infravermelha do tipo LED. Na superfície do corpo do motor é colocado um material reflexivo, o qual reflete a luz emitida pelo LED que é captada pelo foto-transistor. O sistema de condicionamento de sinal do sensor de rotação gera assim um sinal analógico cujo nível de tensão é proporcional à rotação do motor. O sensor de rotação e seu posicionamento no corpo do motor são mostrados na fig.10

10 Figura 10 - Sensor de Rotação Para avaliar o desempenho do grupo moto propulsor em função da hélice foram utilizadas quatro hélices da fabricante APC, onde foram analisados os resultados em função da variação do passo para uma mesma marca de hélice. As hélices ensaiadas são de marca APC e possuem as seguintes especificações: 13x4, 13x6, 13x9, 13x10, mostradas na fig.11. As siglas correspondem à marca das hélices, o primeiro valor numérico corresponde ao diâmetro e o segundo valor ao passo da hélice, ambos expressos em polegadas. Figura 11 - Hélices APC 4.2 Desenvolvimento do banco de Hélices

11 O banco de hélice constitui de uma instalação para acomodação total e segura dos componentes necessários para a realização dos ensaios. A estrutura do banco é composta basicamente de um chassi, para a acomodação dos componentes, ligado através de uma haste a uma balança que fará a medição da tração gerada pelo conjunto. O chassi de sustentação do motor agrega ainda uma bateria, para alimentação do motor, um speed control, utilizado para o controle da rotação do motor, um sensor de rotação e um watt meter, utilizado para aquisição de alguns parâmetros em tempo real. O banco de hélice é mostrado na fig.12. Figura 12 - Banco de Hélices 4.3 Sistema de Aquisição de Dados O sistema de aquisição de dados foi desenvolvido em uma linguagem de programação gráfica, LabVIEW, na sua versão O LabVIEW (acrônimo para Laboratory Virtual Instruments Engineering Workbench) foi desenvolvido no final da década de 80 pela National Instruments Inc, para ambientes de janelas (tipo Windows) e faz uso do conceito de Virtual Instrument (VI) uma realidade prática com o objetivo de utilizar um computador de uso geral para imitar instrumentos reais com o uso dos seus controles e mostradores particulares. Com esse software, por exemplo, pode-se encontrar aplicabilidade em sistemas de medição, como monitoramento de processos e aplicações de controle. O LabVIEW é uma linguagem de programação gráfica que usa ícones no lugar de linhas de texto para criar aplicações. Em contraste com as linguagens baseadas em texto, onde as instruções determinam a execução do programa, o LabVIEW usa uma programação tipo fluxo de dados, onde este fluxo determina a execução. A interface entre o usuário e o programa é realizada

12 através do painel frontal. Os códigos são adicionados usando representações gráficas das funções para controlar os objetos do painel frontal, por sua vez os códigos estão inseridos no diagrama de blocos. De muitas formas, o diagrama de blocos imita um fluxograma. O programa foi desenvolvido para receber os sinais dos transdutores de força (célula de carga) e rotação (sensor ótico). Este programa de aquisição gera um arquivo com extensão.lvm, que pode ser lido pelo pacote Microsoft Office (Excel) para gerar os gráficos. Na fig.3 é mostrado o painel frontal do LabVIEW onde estão os controles e os indicadores de dados em tempo real do ensaio realizado. O painel frontal é a interface do usuário com a VI. O painel frontal pode ser construído com controles e indicadores que são os terminais de entrada e saída da VI, respectivamente. Controles são botões, chaves, discos de ajuste, e outros dispositivos de entrada. Indicadores são gráficos, LEDs, e outros mostradores. Os controles simulam dispositivos de entrada de instrumentos e fornecem dados ao diagrama de blocos do VI. Os indicadores simulam dispositivos de saída de instrumentos e mostram dados que o diagrama de blocos adquire ou produz. Figura 13 - Programa de Aquisição de Dados 4.3 Calibração dos Sistemas

13 Antes dos ensaios do conjunto moto-propulsor, foi realizada a calibração dos transdutores de força, célula de carga, e rotação, sensor ótico, responsáveis pela medição dos parâmetros a serem analisados. Calibração da Célula de Carga. Como as células de carga estão ligadas a um sistema de condicionamento e amplificação de sinal de ganho variável, torna-se necessário uma calibração diária para cada rodada de ensaios no motor. Os condicionadores são pré-ajustados para promoverem um sinal de saída na faixa de tensão adequada ao sistema de aquisição. No caso da célula de carga da tração a correspondência de pré-ajuste é 0V de tensão para 0kg de carga na célula e 3.5V para 10kg. Na calibração da célula da tração foram sendo adicionadas massas (para simular a carga gerada pelo motor) na direção axial do motor mostrado n fig.14. Para cada valor de carga adicionada, os valores correspondentes de tensão foram sendo registrados no programa. Os valores de carga utilizados foram 0; 1,016; 1,994; 2,970; 3,918; 4,898 kg. Chegando a carga máxima foi adicionada uma carga extra para sobrecarregar propositalmente a célula, retirando-a em seguida. Após isso as massas foram sendo retiradas na mesma sequência de carregamento. Novamente, para cada valor de carga os valores correspondentes de tensão foram sendo registrados no programa. Esse processo de carregamento e descarregamento equivalente visa reduzir o fenômeno da histerese. Ao final do processo de calibração, com os valores registrados é gerada, pelo programa, uma curva de calibração para a célula de carga da tração, mostrada na fig.15.

14 Figura 14 - Aparato para Calibração da Célula de Carga Figura 15 - Curva de Calibração Típica para a Célula de Carga da Tração

15 Calibração do Sensor de Rotação. Para efeitos práticos durante a realização dos ensaios no motor considera-se a curva de calibração do sensor de rotação constante ao longo do tempo. A curva de calibração do sensor de rotação, mostrada na fig.16 foi obtida utilizando um gerador de função para simular o sinal em freqüência (entenda-se também rotação do motor) no condicionador de sinal. O ganho do sensor e o ajuste de zero são obtidos através do ajuste linear aplicado aos pontos de calibração. Figura 16 - Curva de Calibração do Sensor de Rotação 4. RESULTADOS Neste tópico será apresentada a comparação dos resultados experimentais das hélices ensaiadas mostrando suas respectivas curvas de desempenho, tração (força propulsiva) em função da rotação. O gráfico abaixo apresenta a curva de desempenho, tração em função da rotação, das hélices ensaiadas.

16 Figura 17 - Pontos Experimentais de Tração versus Rotação das Hélices ensaiadas 5. CONSIDERAÇÕES FINAIS 1) Analisando os resultados para uma mesma rotação vemos que o aumento da tração é diretamente proporcional ao aumento do passo da hélice, porém este aumento não ocorre de forma linear. Este fato pode ser verificado se, por exemplo, tomarmos como referencia a rotação de 8000 rpm e as hélices APC 13x4 e a APC 13x10. Nesta rotação a hélice modelo APC 13x4 gera uma tração de aproximadamente 22N sendo que a hélice modelo APC 13x10 consegue alcançar aproximadamente 46N. Temos um aumento de aproximadamente 150% no passo, enquanto o aumento na tração é de aproximadamente 109%. 2) Analisando os resultados para uma mesma tração vemos que, o aumento da rotação é inversamente proporcional ao aumento do passo da hélice também não ocorrendo de forma linear. Este fato pode ser verificado se, por exemplo, para as mesmas hélices tomarmos como referencia a tração de 20N. Para gerar esta tração a hélice modelo APC 13x10 precisa atingir uma rotação aproximada de 6200rpm, sendo que para a hélice modelo APC 13x4 é necessária uma rotação de aproximadamente 7700rpm. Temos uma redução de 150% no passo, entretanto a diferença de rotação esta em torno de 31%.

17 Com os resultados obtidos conclui-se que todo o aparato experimental desenvolvido para o ensaio (seleção de componentes, desenvolvimento do banco de hélices, desenvolvimento do sistema de aquisição de dados, calibração dos sistemas e realização dos ensaios) foi adequado para o objetivo proposto, estando em total condição operacional. Agradecimentos Agradecimentos aos supervisores e estagiários dos laboratórios de Engenharia Aeronáutica e Usinagem da Universidade de Taubaté. REFERÊNCIAS Heywood J Internal Combustion Engine Fundamentals. New York: Mc Graw-Hill, NELSON, W:C. Airplane propeller principles 2ª ed., London: Chapman & Hall, LTD, National Instruments. LabVIEW Basics I Course Manual, Course Software Version