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As hélices são amplamente utilizadas em muitos tipos diferentes de aeronaves para propulsão e geração de empuxo e, portanto, devem ser cuidadosamente projetadas e caracterizadas. Uma hélice é essencialmente um aerofólio torcido, onde o ângulo da corda muda radialmente. Uma das características definidoras da hélice é o passo, ou sua torção.
O passo da hélice é geralmente dado em unidades de comprimento e é a distância teórica que a hélice percorrerá 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 chamada de passo efetivo da hélice. A diferença entre o passo teórico e o passo efetivo é chamada de deslizamento da hélice.
Ao descrever as hélices, também falamos sobre empuxo, torque e potência, que são caracterizados por seus respectivos coeficientes adimensionais. Aqui, T é o empuxo, tau é o torque, P é a fonte de alimentação do motor, rho é a densidade do fluxo livre, n é a taxa de rotação da hélice e D é o diâmetro da hélice. É importante ressaltar que também definimos a eficiência de uma hélice. Isso é calculado usando os coeficientes de torque e empuxo junto com a razão avançada J, que normaliza a velocidade do fluxo livre para a rotação e o diâmetro da hélice. Usando esses valores adimensionais, podemos determinar como uma hélice está operando em diferentes condições.
No regime da hélice, a hélice está produzindo empuxo e torque positivos. O regime de freio a ar começa quando o empuxo fica negativo, enquanto o torque permanece positivo. Nesse regime, a hélice desacelera o sistema em vez de fornecer movimento positivo para frente. Quando o empuxo e o torque caem abaixo de zero, a hélice está no regime de moinho de vento. Aqui, o fluxo de ar controla a hélice, pois produz forças na hélice que o motor que aciona a hélice não consegue superar.
É importante notar que, além do regime da hélice, o cálculo da eficiência da hélice não tem sentido. É sempre desejável operar a hélice no regime de hélice de alta eficiência para uma determinada velocidade do ar e RPM. Para hélices de passo fixo, isso pode ser difícil, pois as hélices de passo fixo são projetadas para uma condição operacional ideal e geralmente são mais eficientes em condições de cruzeiro e ineficientes na decolagem e pouso.
Uma maneira de melhorar a operação, especialmente se não houver restrições no diâmetro ou passo da hélice, é aumentar o número de pás. Isso pode aumentar a quantidade de empuxo. No entanto, isso tem o custo de menor eficiência da hélice. Neste experimento, caracterizaremos várias hélices diferentes e determinaremos o efeito do passo, diâmetro e número de pás no desempenho.
Neste experimento, examinaremos as características da hélice em um túnel de vento subsônico usando uma série de cinco hélices APC e duas de madeira com diâmetro, passo e número de pás variados.
Para começar, configure o equipamento de teste da hélice dentro do túnel de vento usando um suporte de quatro eixos para segurar os componentes do equipamento de teste da hélice. Uma célula de carga de seis eixos é usada para medir o empuxo e o torque. Conecte a célula de carga à plataforma, prenda o motor CC sem escovas, que alimenta a hélice e, em seguida, conecte a primeira hélice.
Agora, conecte o motor CC sem escovas ao controlador eletrônico de velocidade e ao gerador de sinal modulado por largura de pulso, que controla a velocidade do motor. Além disso, conecte o motor a um analisador de energia para medir a tensão e a corrente fornecidas. Em seguida, conecte-o e o motor CC sem escovas a uma bateria de polímero de lítio.
Depois que a configuração estiver completamente montada, use um nível de bolha para garantir que a configuração da hélice esteja alinhada na direção do fluxo de ar, sem qualquer inclinação ou guinada. Em seguida, prenda as portas do túnel de vento, ligue a alimentação principal e ligue o túnel de vento. Em seguida, ligue o gerador de sinal e o sistema de aquisição de dados da célula de carga.
Antes de iniciar os testes, registre as características da hélice em sua planilha, incluindo o número de pás da hélice, o diâmetro e o passo. Agora, zere as forças na célula de carga usando o software de aquisição de dados no computador do túnel de vento. Em seguida, configure o gerador de sinal para operar o motor a 10% do acelerador.
Comece registrando uma leitura zero com o túnel de vento desligado. Registre a velocidade em termos de porcentagem de aceleração e a pressão dinâmica do transdutor do túnel de vento. Além disso, registre a tensão e a corrente fornecidas ao motor pelo analisador de potência e o empuxo e o torque medidos pela célula de carga.
Agora, ligue o túnel de vento e aumente a pressão dinâmica para 0,5 psf. Dê tempo para que o túnel de vento se estabilize e, em seguida, registre todos os dados. Continue a aumentar a configuração de pressão dinâmica em incrementos de 0.5 psf até uma configuração de pressão dinâmica na qual o empuxo e o torque se tornam negativos.
Registre todos os dados em cada incremento. Quando as medições de empuxo e torque forem negativas, ajuste a pressão dinâmica de volta a zero e desligue o túnel de vento. Em seguida, aumente a velocidade do motor para 50% do acelerador usando o gerador de sinal. Faça a medição zero, registrando todos os dados com o túnel de vento desligado. Em seguida, ligue o túnel de vento e ajuste a leitura da pressão dinâmica para 0,5 psf. Em seguida, registre todos os dados.
Repita as medições como antes em incrementos de 0. 5 psf até uma leitura de pressão dinâmica em que o torque e o empuxo se tornam negativos. Em seguida, ajuste a pressão dinâmica de volta a zero, desligue o túnel de vento e aumente a velocidade da hélice para 100% do acelerador. Registar a medição do zero com o túnel de vento desligado e, em seguida, repetir os ensaios novamente até uma pressão dinâmica em que o binário e o impulso se tornem negativos.
Repita esses testes para todas as hélices, certificando-se de testar velocidades de 10%, 50% e 100% do acelerador para cada hélice até uma pressão dinâmica em que o empuxo e o torque se tornam negativos. Após a conclusão de todos os testes, conecte o controlador eletrônico de velocidade ao kit de programação e registre todos os dados de RPM da hélice. Em seguida, desligue todos os sistemas.
Para avaliar os resultados do experimento, primeiro calcularemos o coeficiente de empuxo, CT, usando o empuxo da hélice, taxa de rotação, diâmetro e densidade de fluxo livre. Também podemos calcular os coeficientes de torque e potência, CQ e CP, respectivamente. Lembre-se de que tau é o torque da hélice e P é a potência fornecida ao motor CC e é calculada como o produto da tensão e da corrente.
Finalmente, podemos calcular a razão avançada J, a fim de normalizar a velocidade do fluxo livre para a taxa de rotação e diâmetro da hélice. A taxa de rotação é a rotação por minuto registrada durante o experimento, dividida por 60. A velocidade do fluxo livre é calculada usando a pressão dinâmica, que controlamos no túnel de vento. Em seguida, a eficiência da hélice pode ser calculada.
Agora, vamos traçar os três coeficientes e a eficiência versus a razão avançada, J, para uma das hélices. Aqui, mostramos dados para uma hélice de duas pás, 18 polegadas de diâmetro e passo de 8 polegadas. A hélice produz empuxo positivo até uma proporção avançada de 0,6, onde então faz a transição para a região do freio a ar. A região do freio a ar começa quando o empuxo fica negativo, enquanto o torque permanece positivo. Nesta região, a hélice desacelera o sistema.
Após uma relação avançada de 0,85, a hélice produz torque negativo e se comporta como um moinho de vento. Aqui, o fluxo de ar produz forças na hélice que o motor que aciona a hélice não pode superar. Observe que a eficiência da hélice é maior em J igual a 0,4 e não tem sentido além da região da hélice.
Agora, vamos dar uma olhada na variação do diâmetro da hélice, mantendo o número de pás e o passo da hélice constantes. Podemos ver que a mudança no diâmetro tem um efeito insignificante na eficiência. No entanto, os três coeficientes aumentam ligeiramente com a diminuição do diâmetro da hélice.
A seguir, compararemos o efeito do passo variado da hélice, mantendo o diâmetro da hélice e o número de pás constantes. Vemos que, em geral, uma hélice de passo alto produz mais empuxo, torque e potência para uma determinada relação avançada em comparação com uma hélice de baixo passo. O aumento do passo da hélice também aumenta o alcance da região da hélice. Vemos que a eficiência operacional máxima ocorre em uma proporção avançada mais alta à medida que o passo da hélice aumenta.
Finalmente, vamos comparar o efeito do número de pás, mantendo o diâmetro e o passo da hélice constantes. Podemos ver que dobrar o número de pás leva a uma quantidade significativamente maior de empuxo e torque. Embora a extensão da região da hélice seja semelhante, a hélice de quatro pás começa a se comportar como um moinho de vento em uma proporção avançada mais alta em comparação com a hélice de duas pás. Também pode ser observado que a hélice de duas pás é um pouco mais eficiente do que sua contraparte de quatro pás.
Em resumo, aprendemos sobre os diferentes regimes operacionais das hélices e como o passo afeta a eficiência da hélice. Em seguida, caracterizamos 7 hélices em um túnel de vento subsônico para analisar os efeitos do passo, diâmetro e número de pás no desempenho da hélice.
