Caracterização da hélice: variações no passo, diâmetro e número de pás no desempenho

Fonte: Shreyas Narsipur, Engenharia Mecânica e Aeroespacial, Universidade Estadual da Carolina do Norte, Raleigh, NC

Uma hélice é um aerofólio torcido, onde o ângulo do acorde muda em relação à localização, ao longo da estação radial, como mostrado na Figura 1. Hélices são amplamente utilizadas em sistemas de propulsão de aeronaves e embarcações, exigindo assim caracterizações detalhadas de hélices para projetar veículos de alto desempenho.

Figura 1. Acorde, espessura, e arremesso em uma estação radial.

Uma das características definidoras de uma hélice é o tom/torção. O tom da hélice, geralmente dado em unidades de comprimento, é a distância teórica que a hélice viajará pelo ar em uma única revolução. No entanto, devido à força de arrasto na aeronave e na hélice, a hélice nunca percorre sua distância teórica. A distância real percorrida é referida como o tom efetivo da hélice, e a diferença entre o tom teórico ou geométrico e o tom efetivo é referida como deslizamento de hélice, como ilustrado na Figura 2.

Figura 2. Representação de tom e deslizamento.

Nesta demonstração, sete hélices são caracterizadas usando uma plataforma de teste de hélice em um túnel de vento subsônico. Isso é seguido por um estudo paramétrico detalhado para analisar os efeitos das variações no tom, diâmetro e número de lâminas no desempenho da hélice.

Existem dois tipos principais de hélices: tom fixo e tom variável. As hélices de campo fixo são projetadas para uma condição operacional ideal e são eficientes; eles têm uma alta potência de saída para a relação de entrada de energia para uma determinada velocidade de ar e RPM, que na maioria dos casos são as condições de cruzeiro da aeronave. No entanto, durante a decolagem e pouso, quando o RPM e a velocidade do ar são mais baixos, a hélice de campo fixo é altamente ineficiente. As lâminas de hélice de campo variável oferecem uma solução para o problema do campo fixo, permitindo que o piloto altere o tom da hélice para maximizar a eficiência da hélice para qualquer condição de operação. É por essa razão que em aeronaves hélices maiores, onde a eficiência do combustível é um fator dominante, hélices de campo variável são usadas para maximizar a eficiência.

Proporção avançada, coeficiente de impulso, coeficiente de torque, coeficiente de potência e eficiência da hélice são importantes parâmetros não dimensionais necessários para caracterizar uma hélice. Com base nesses parâmetros, podem ser identificados os regimes hélices, freios a ar e moinhos de vento, que são os diferentes regimes operacionais de uma hélice. No regime da hélice, a hélice está produzindo impulso positivo e torque. O regime de freio de ar começa quando o impulso fica negativo enquanto o torque permanece positivo. Neste regime, a hélice retarda o sistema. Por fim, quando tanto o empuxo quanto o torque caem abaixo de zero, a hélice está no regime do moinho de vento. Aqui, o fluxo de ar controla a hélice, pois produz forças na hélice da qual o motor/motor que conduz a hélice não pode superar. A eficiência da hélice não tem sentido além da região da hélice.

É sempre desejável operar a hélice no regime de hélices de alta eficiência para uma determinada velocidade de ar e RPM. Como mencionado anteriormente, hélices de campo fixo são geralmente projetadas para operar em suas maiores eficiências durante o voo de cruzeiro, e embora possam operar em velocidades mais baixas, como durante a decolagem e pouso, a eficiência é muito baixa. Hélices de campo variável podem ser ajustadas para obter as maiores eficiências possíveis no regime da hélice, dependendo do regime de voo (decolagem, cruzeiro ou pouso), maximizando assim a eficiência de combustível da aeronave.

Além do arremesso da hélice, o número de lâminas de hélice desempenha um papel importante na definição do impulso disponível da hélice. Geralmente, se houver restrições de design no diâmetro ou tom da hélice, o aumento do número de lâminas pode aumentar a quantidade de impulso produzido. No entanto, o impulso extra pode vir ao custo da eficiência da hélice, exigindo a necessidade de uma análise detalhada.

A proporção avançada, J, que é um parâmetro para normalizar a velocidade de fluxo livre(V_∞)na taxa de rotação da hélice(n) e diâmetro (D),é dada pela seguinte equação:

A velocidade de fluxo de fluxo livre pode ser medida usando a equação:

onde ρ é a densidade de fluxo livre.

O coeficiente de impulso, C_T,é uma medida não-dimensional do impulso da hélice, T,e é dado pela equação:

Da mesma forma, o torque, C_Q, e potência, C_P,coeficientes, as medidas não dimensionais do torque da hélice e a potência de saída, respectivamente, são dadas pelas equações:

onde τ é o torque e P é a potência fornecida ao motor DC sem escova para executar a hélice. A potência, P, pode ser calculada como produto de tensão, Ve corrente, I:

Finalmente, a eficiência da hélice pode ser expressa como:

1. Medir características da hélice em um túnel de vento subsônico

1. Configure a plataforma de teste da hélice no túnel de vento subsônico usando um suporte de picada de 4 eixos, como mostrado na Figura 3. Um túnel de vento com uma seção de teste de 2,6 pés x 3,7 pés e ajuste máximo de pressão dinâmica de 25 psf foi usado nesta demonstração.

Figura 3. Plataforma de hélice. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

2. Conecte uma célula de carga de 6 eixos à plataforma. Isso será usado para medir o empuxo e o torque.
3. Fixar um motor DC sem escova na plataforma e, em seguida, fixar a primeira hélice.
4. Conecte o motor DC ao controlador eletrônico de velocidade e ao gerador de sinal modulado de largura pulsada, que controla a velocidade do motor.
5. Conecte um analisador de energia, que medirá a corrente e a tensão fornecidas ao motor, e conecte-o a uma bateria de polímero de lítio.
6. Use um nível de espírito para garantir que a configuração da hélice de picada esteja alinhada na direção do fluxo com campo zero e guinada zero.
7. Proteja as portas do túnel de vento e ligue a energia principal.
8. Ligue o túnel de vento, depois ligue o gerador de sinal e o sistema de aquisição de dados da célula de carga.
9. Zero as forças na célula de carga usando software de instrumento virtual.
10. Defina o gerador de sinal para rodar o motor a 10% do acelerador.
11. Comece a gravar uma leitura zero com o túnel de vento desligado. Regisso da velocidade que segue os dados:
    um. Características da hélice - número de lâminas, diâmetro da hélice (in) e altura da hélice (in).
    b. Velocidade (em termos de por cento de aceleração) com base na configuração do gerador de sinal.
    c. Pressão dinâmica (psf) do transdutor do túnel de vento.
    d. Tensão (V) e corrente (A) fornecidas ao motor BLDC a partir do analisador de potência.
    e. Empuxo (lb) e torque (in-lb) da célula de carga.
    f. Hélice RPM (rotações por minuto). Observe que a leitura RPM só pode ser extraída no final do experimento.
12. Ligue o túnel de vento e varie a pressão dinâmica de 0 psf a 10 psf em passos de 0,5 psf.
13. Em cada configuração, permita que o túnel de vento se estabilize e registe os mesmos dados listados acima.
14. Continue a aumentar a configuração de pressão dinâmica em incrementos de 0,5 psf até uma configuração de pressão dinâmica na qual o impulso e o torque se tornam negativos. Registosos dados em cada incremento.
15. Reinicie a pressão dinâmica do túnel de volta a zero, e desligue o túnel de vento
16. Defina a velocidade do motor para 50% do acelerador e repita as etapas 1.11 - 1,15.
17. Defina a velocidade do motor para 100% de aceleração e repita as etapas 1.11 - 1,15.
18. Repita o procedimento acima para todas as hélices, certificando-se de testar velocidades de 10%, 50% e 100% acelerando até uma pressão dinâmica onde o impulso e o torque ficam negativos.
19. Quando todos os testes forem concluídos, conecte o controlador eletrônico de velocidade ao kit de programação, registe todos os dados RPM da hélice.
20. Desligue todos os sistemas.

Mesa 1. Hélices testadas.

Diâmetro da hélice x pitch (in)	# de Lâminas	Material
18 x 8	2	APC
16 x 8	2	APC
15 x 8	2	APC
15 x 10	2	APC
15 x 12	2	APC
18 x 8	2	Madeira
18 x 8	4	Madeira

Observe que as hélices de campo fixo utilizadas neste estudo são definidas pelo seu diâmetro e tom em polegadas. Por exemplo, uma hélice 18 x 8 é uma hélice de 18 de diâmetro com um tom geométrico de 8 in.

Uma densidade de freestream, ρ: 0,074 lb/ft³, foi usada para determinar os resultados. A variação nos coeficientes de eficiência de empuxo, torque, potência e hélice para a hélice de duas lâminas, 18 x 8 na hélice é mostrada na Figura 4. As regiões da hélice, freio de ar e moinho de vento estão demarcadas. A hélice de duas lâminas, 18 x 8 na hélice produz um impulso positivo até uma proporção avançada de 0,6 após a qual ele transita para a região do freio a ar até J 0,85. Após este ponto, a hélice começa a produzir torque negativo e se comporta como um moinho de vento. A hélice alcança sua maior eficiência em J = 0,4.

Figura 4. Características de uma hélice de duas lâminas, 18 x 8 na hélice.

As figuras 5-7 comparam os comportamentos C_T, C_Q, C_Pe η para hélices com variações de diâmetro, tom e número de lâminas, respectivamente. Como mostrado na Figura 5, o diâmetro da hélice variando, mantendo o número de lâminas e o arremesso da hélice uma constante teve um efeito insignificante na eficiência da hélice, η. No entanto, o C_T, C_Qe C_P para uma determinada relação avançada, J, aumentou ligeiramente com diminuição do diâmetro da hélice.

Figura 5. Comparação de características para hélices de diâmetro variado. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

O arremesso variado da hélice afetou significativamente todos os parâmetros, como mostrado na Figura 6. Em geral, uma hélice de alto tom produz mais empuxo, torque e potência para uma dada relação avançada em comparação com uma hélice de baixo tom. O aumento do arremesso da hélice também aumentou o alcance da região da hélice, ou seja, a grande região de impulso positivo e torque. Por fim, a eficiência operacional máxima ocorreu em uma proporção avançada maior à medida que o arremesso da hélice aumentava.

Figura 6. Comparação de características para hélices com tom variado. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

A Figura 7 mostra que dobrar o número de lâminas leva a uma quantidade significativamente maior de empuxo e torque. Embora a região da hélice seja semelhante, a hélice de quatro lâminas começa a se comportar como um moinho de vento em uma proporção avançada maior em comparação com a hélice de duas lâminas. Além disso, a hélice de duas lâminas é ligeiramente mais eficiente do que sua contraparte de quatro lâminas.

Figura 7. Comparação de características para hélices variando em número de lâminas. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Hélices são usadas para alimentar aeronaves de pequena escala e fornecem um método simples para fornecer impulso. Eles podem ser anexados a um motor elétrico ou recíproco, onde convertem a velocidade de rotação em impulso para propulsão. Nesta demonstração, sete hélices com diferentes passos, diâmetro e número de lâminas foram caracterizadas usando uma hélice de teste montada em um túnel de vento subsônico. Para cada hélice, foram identificadas as regiões de operação da hélice, freio de ar e moinho de vento. Estudo paramétrico realizado para estudar os efeitos do diâmetro da hélice mostrou ligeira diminuição no empuxo e torque com diâmetro decrescente. No entanto, o arremesso da hélice tem um efeito significativo nas características de empuxo e torque com hélices de alto tom com uma clara vantagem. Além disso, a extensão da região da hélice diminui com o tom decrescente. Finalmente, o aumento do número de lâminas aumenta o impulso, o torque e a potência com uma ligeira diminuição na eficiência da hélice.

A seleção do sistema de propulsão apropriado (combinação motor/motor-hélice) para aeronaves ou embarcações é necessária para atingir um veículo aéreo ou aquático de alto desempenho e eficiente. Dados detalhados da hélice fornecem aos engenheiros uma maneira precisa de avaliar os parâmetros de desempenho de voo em todas as velocidades de operação da aeronave/embarcação para determinar corretamente o sistema de propulsão ideal.