PROJETO AERODINÂMICO DE HÉLICES

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1 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 1

2 1.1 Definição Princípio Básico Lei de ação e reação de Newton (3ª Lei de Newton) É caracterizada pela aceleração pequena (baixo DV) de uma grande massa de ar através do uso de uma hélice não carenada. (unducted) 2

3 1.2 Histórico (Santos=Dumont)

4 Supertucano 1999 Biplano Histórico (cont.) Hércules C Airbus A

5 1.3 Tipos de Motorização Motor elétrico Siemens 260 kw Motor a pistão (Otto ou Diesel) SR E Diesel 5

6 SuperTucano PT6A_CS 1. Introdução 1.3 Tipos de Motorização Motor rotativo (Wankel) Turbina a gás (Turboélice) MISTRAL A400 TP400-D6 6

7 1.4 Anatomia da Hélice Propeller Tip Trailing Edge Leading Edge Root Blade Hub 7

8 Perfis ao longo da Pá 1.5 Pá da Hélice Forma em Planta da Pá M < 0,5 0,5 < M < 0,7 M > 0,7 baixo ruído 8

9 1.6 Aerofólios de Hélice RAF 6 (mais antigo) Intradorso reto Fácil fabricação 9

10 1.6 Aerofólios de Hélice Clark Y (similar ao RAF 6) Uso frequente em aviação geral RAF 6 e Clark Y 10

11 1.6 Aerofólios de Hélice NACA 16 Usado para ponta das hélices, junto com o Clark Y 11

12 1.6 Aerofólios de Hélice ARA D Para Mach alto (M=0,76) 12

13 1.6 Aerofólios de Hélice Para hélices existentes: Deve-se medir os aerofólios usados na hélice; Os dados de C L, C D e C M em função do ângulo de ataque devem ser calculados ou medidos e devem ser válidos para as faixas fora da região linear do perfil; Observar a faixa do número de Reynolds. 13

14 1.7 Parâmetros Diâmetro (D) Raio (R) Passo (pitch) (p) Secção (r/r) Corda (c) Espessura relativa (t/c) Ângulo da secção (b) Ângulo de ataque (a) Rotação da hélice (W) Velocidade axial de voo (V) Ângulo da velocidade resultante (F) 14

15 1.7 Parâmetros Passo (pitch) (p) Passo grosso p/ cruzeiro Passo fino p/ decolagem p = 2πr tan (β r ) 15

16 1.8 Nomenclatura Usual Os dados de nominais de uma hélice são relativos a secção a 75% da raiz da pá. p = 0,75 πd tan (β 75 ) NOMENCLATURA Diâmetro [in] x Passo [in] McCauley DTM7557 Hamilton Standard 6353A-18 APC 6x4 Obs: A fabricante Dowty usa 70% do raio da pá como referência. 16

17 1.8 Nomenclatura Específica Código da Hartzel para a hélice do Super Tucano HC-B5MA-2/M9128NSK M - tipo de cubo 91 diâmetro nominal da hélice em polegadas, o real é 94 in (2,39 m) 28 modelo de pá N furo para tubo de Pitot R ponta reta K manta anti-gelo 17

18 1.9 Coeficientes de Desempenho Definições C = constante D = diâmetro da hélice n = rotação da hélice r = massa específica da atmosfera n = viscosidade cinemática da atmosfera K = módulo de elasticidade do ar atmosférico V = velocidade axial de voo Unidades M = massa L = comprimento t = tempo Velocidade na ponta da pá da hélice = nπd Sustentação na pá da hélice = 0, 5ρ nπd 2 πd 2 F t = Força equivalente transversal a ponta da hélice Q = Torque no eixo da hélice W= Potência no eixo da hélice L = braço de medição 18

19 1.9 Coeficientes de Desempenho Usando análise dimensional, Teorema de Buckingham p, tem-se, T = g D, n, ρ, ν, K, V = CD a n b ρ c ν d K e V f MLt 2 = L a t b ML 3 c L 2 t 1 d ML 1 t 2 e 1 f Lt T = Cρn 2 D 4 ν D 2 n d K ρd 2 n 2 e V nd f T = Cρn 2 D 4 g Re, M, J 19

20 1.9 Coeficientes de Desempenho No. de Reynolds No. de Mach Re = Razão de Avanço Coeficiente de Tração (ou Empuxo) C T = ndd ν M 2 = D2 n 2 K ρ = nd 2 a 2 J = V n D T ρ nd 2 D 2 = = V nd T ρn 2 D 4 20

21 1.9 Coeficientes de Desempenho Coef. de Torque C Q = F t L ρ nd 2 D 2 D = Q ρn 2 D 5 Eficiência η = TV 2πnQ = 1 2π C T C Q J = J C T C p Coef. de Potência C P = 2πnF t L nρ nd 2 D 2 D = 2πnQ ρn 3 D 5 = W ρn 3 D 5 21

22 1.10 Coeficiente de Hélices Fator de Atividade (relacionado ao torque necessário para rodar a pá, com V = 0) dτ r = 1 2 C Dρ 2πnr 2 cdr AF = R 5 R 0,2R cr3 dr τ = Torque no eixo da hélice C D = coeficiente de arrasto de um elemento da secção da pá B = Número de pás da hélice AF varia em torno de 100 Fator de Atividade Total da Hélice TAF = B. AF 22

23 1.10 Coeficiente de Hélices O fator de atividade é inversamente proporcional ao coeficiente de potência, indicando que um alto TAF melhora o desempenho da hélice. Solidez - É a razão da área realmente ocupada pelas pás em relação a área total frontal. O aumento da solidez melhora o desempenho da hélice. 23

24 1.11 Mapas de Hélices São necessárias ao menos três curvas para cada ângulo nominal de pá para caracterizar a hélice Necessita-se dados geométricos da hélice para usá-los Podem ser calculados ou medidos Verificar as unidades e definições dos coeficientes 24

25 1.11 Mapas de Hélices 25

26 1.11 Mapas de Hélices 2 pás 10 pés de Diâmetro NACA R

27 1.11 Mapas de Hélices 4 pás 10 pés de Diâmetro NACA R

28 1.11 Mapas de Hélices Hélice de passo constante Hélice de potência constante (velocidade constante de rotação) 28

29 1.12 Demonstrações 1. Um motor elétrico tipo brushless mantém seu torque constante numa ampla faixa de rotações. Qual a melhor estratégia de controle, para uma maior eficiência propulsiva, se for utilizada uma hélice de passo fixo? Usar um mapa típico de hélice para explicar a estratégia. Qual é a variável de controle do motor? Seria vantajoso usar uma hélice de passo variável com velocidade constante? 2. Qual a rotação máxima de uma hélice de 1,8m de diâmetro, considerando que o número de Mach máximo na ponta da pá da hélice é de 0,8? Se a ponta da hélice for enflechada de 45 em relação a linha radial, de quanto é o aumento na rotação máxima? 29

30 1.12 Demonstrações 3. Com os dados da hélice bipá do CESSNA 172P de 1986, mostrados abaixo. Calcular o fator de atividade da pá e o fator total de atividade da hélice. Calcular também a solidez da pá a 0,75 do raio da hélice. 30

31 1.12 Demonstrações 4. Qual a possível velocidade da aeronave cujo motor desenvolve um coeficiente de potência de 0,1 na rotação de 1500 rpm, com uma hélice com ângulo nominal de 30 e diâmetro de 1,8m? Qual a eficiência da hélice? Qual a potência requerida ao motor? Usar o mapa da hélice ao lado. Considere nível do mar. 31

32 Bibliografia HOUGHTON, E. L. et CARPENTER, P. W. Aerodynamics for Engineering Students. New York: John Wiley & Sons, ed. 515p. ROLLS-ROYCE. The Jet Engine. Derby: The Technical Publications Department, Rolls-Royce plc, p. < acessado em 17/07/2015. HARTZELL. Application Guide. Manual No Piqua: Hartzell Propellers, Rev. 47, June STACK, J., DRALEY, E. C., DELANO, J. B. et FELDMAN, L. Investigation of the NACA 4-(3)(08)-03 and NACA 3-(3)(08)-045 two-blade propellers at forward Mach number to to determine the effects of compressibility an solidity on performance. NACA Report No Langley Field: NACA,

33 Bibliografia HARTMAN, E. P. et BIERMANN, D. The aerodynamic characteristics of full-scale propellers having 2,3, and 4 blades of Clarck Y and R.A.F. 6 airfoil sections. NACA Report No Langley Field: NACA, LOWRY, J. T. Performance of Light Aircraft. Reston: AIAA, p. TORENBEEK, E. Synthesis of Subsonic Airplane Design. Delft: Delft University Press, RAYMER, D. P. Aircraft Design: A Conceptual Approach, AIAA Education Series, AIAA, Washington, DC, 1a. Ed., HEIMBACH, S. Siemens develops world-record electric motor for aircraft. Munich: SIEMENS AG,

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