Hélices

Hélice é um termo que designa um conjunto de pás(no formato de aerofólios) com um mesmo centro, que ao ser girado segundo o seu eixo causa propulsão, gerando empuxo propulsivo por utilizar a força de sustentação, e cada pá descreve no espaço uma trajetória que é uma hélice geométrica. Este instrumento de propulsão ou tração está geralmente acoplado a algum tipo de motor que empurra o que está ao redor convertendo energia rotacional em translacional e deslocando o objeto a que se encontra acoplado ou o fluido à sua volta.

Hélices Tratoras e Propulsoras

As hélices podem ser tratadas ou propulsoras. A hélice tratora está colocada à frente do centro de gravidade e a hélice propulsora está atrás do centro de gravidade.

Em termos de forças, a hélice tratora puxa o modelo, já a propulsora empurra.

A esquerda temos uma hélice propulsora e a direita temos uma hélice tratora.

Hélices Esquerda e Direita

Segundo o eixo de rotação, as hélices dividem-se em esquerdas e direitas. As hélices mais usadas são as de sentido direito(anti-horário tomando a posição frontal da aeronave), em virtude de esse ser o sentido universal dado aos motores a pistão.

Nessa aeronave, temos que em vermelho hélices esquedas. Em azul temos hélices direitas.

Partes Constituintes de uma Hélice

Cubo da Hélice

O cubo da hélice serve para a fixação metálica ou incorporada de uma hélice, com o fim de montá-la sobre o eixo do motor ou eixo da hélice.

Pás da Hélice

As pás da hélice servem como asa rotativa. Toda pá é um perfil aerodinâmico capaz de gerar sustentação. Essa força de sustentação no plano em que a pá se desloca recebe o nome de tração ou propulsão.

Careagem Aerodinâmica(Spinner)

O spinner é um componente da hélice, uma carenagem aerodinâmica instalada sobre um cubo de hélice. Os spinners tornam a aeronave, geralmente, aerodinamicamente estável, reduzindo o arrasto aerodinâmico e também suavizando o fluxo de ar que entra nas entradas de ar com mais eficiência. Eles também podem desempenhar um papel estético para alguns projetos de aeronaves.

Região Não Propulsiva

A região não propulsiva da hélice tem como função principal de resistência estrutural, suportando os esforços de tração e torção das pás da hélice. O formato aerodinâmico desta região visa a redução do arrasto.

Asa Rotativa

Cada pá da hélice, assim como a asa, possui:

1 . Bordo de Ataque(Parte Dianteira)

2 . Bordo de Fuga(Parte de Trás)

3 . Perfil

4 . Bordo Marginal

Extradorso(parte superior) e Intradorso(parte inferior)

A hélice também possui corda, que é uma linha reta imaginária entre o bordo de ataque e o bordo de fuga da seção transversal de um aerofólio.

Terminologias

Em uma seção de pá da hélice há um conjunto de terminologias. As principais são:

1. Diâmetro
2. Área das pás
3. Número de pás
4. Passo
5. Ângulos
6. Perfis das seções(distribuição de espessuras ao longo das cordas)
7. Distribuições de espessuras máximas das pás

Diâmetro

O diâmetro da hélice representa a distância entre as pontas das pás(ou circunferência realizada durante o movimento).

Ele pode influenciar na velocidade que se obtém, mas seu maior efeito é na aceleração e no empuxo.

A partir do diâmetro é possível saber o tamanho da hélice. Todo o resto, incluindo a designação do perfil, nos diz a forma da hélice.

A maior eficiência do sistema é obtida ao se utilizar o maior diâmetro de hélice possível, limitado por:

• Efeitos de tensão no motor(os momentos giratórios aumentam exponencialmente com o diâmetro)
• Estiramento na pá de hélice
• Velocidade de ponta

Quando uma hélice está rotacionando, a velocidade em qualquer ponto é o produto da rotação e a distância deste ponto ao centro.

Efeitos de compressibilidade indicam que a velocidade na ponta da hélice não deve exceder 290 m/s. Entretanto, significantes efeitos de compressibilidade tornam-se evidentes a 250 m/s e, se a hélice estiver próxima do piloto, o ruído é desconfortável. Logo, por conforto, a velocidade usual está entre 200 a 240 m/s.

Área de Pás

As áreas das pás dependem da forma da pá e do número de pás.

Usualmente é usado o fator de atividade para determinar formatos e números de pás. Ele tem a seguinte fórmula:

Para pás de hélice, o fator AF, geralmente, está entre 80 e 180.

Para cada formato da hélice há um tipo de forma adequada. A figura abaixo exemplifica os principais existentes.

O tipo A é usado em aeronaves a baixas velocidades. O Mach de topo é de 0.8 e no voo máximo é 0.4. Para AF<90 esse tipo deve ter forma afunilada, largura e espessura decrescente. Para 90<AF<115, o topo deve ser rombudo.

Para a do tipo B, O Mach fica entre 0.4 e 0.6. Em 115<AF<140, as pás devem ser prismáticas com topo retangular. Com AF>140, o projeto tem que ter forma invertida, a corda do topo tem que ser maior do que a corda raiz.

Para os do tipo C, ocorre para voos subsônicos, com Mach em torno de 0.95. O topo possui velocidade transônica e as pás têm que ser muito finas.

As do tipo D são usadas em voos silenciosos e mais lentos.

Número de Pás

O benefício imediato de aumentar o número de pás é o aumento do empuxo e uma viagem mais suave, aerodinamicamente estável.

Hélices com número de pás menores apresentam níveis de vibração induzidos significativamente maiores que as hélices de maior número de pás.

Em dado sistema, o trabalho realizado por cada pá é inversamente proporcional ao número de pás.

O aumento do número de pás reduz a carga em cada pá e assim um ângulo de passo menor pode ser ajustado, o que resulta em menor nível de ruído.

O aspecto mais importante ligado à escolha do número de pás de uma hélice está relacionado com a frequência de excitação de vibrações na fuselagem e no sistema eixo-propulsor. No caso, a frequência de excitação das pás deve ser diferente das frequências de ressonância da fuselagem e do sistema de eixos propulsores.

Quando não há problemas de proximidade de frequência de ressonâncias, há uma tendência de se utilizar 4 pás porque há uma maior facilidade de construção e balanceamento estático e dinâmico das pás.

Passo

Uma hélice de bom rendimento terá um passo constante, isto é, todas as seções da pá terão o mesmo avanço. As próximas do eixo terão maior inclinação que as secções mais afastadas, pois sendo a velocidade de circulação naqueles pontos inferior à das extremidades da hélice, o avanço será idêntico.

Ângulo

Os principais ângulos são o de ataque, o de deslizamento e o de pá. O primeiro é o ângulo entre a corda e a velocidade relativa. O segundo é o ângulo entre a velocidade rotacional e a velocidade relativa. O ultimo é o ângulo entre a corda e a velocidade rotacional.

Perfis de Seções

É a distribuição de espessuras ao longo das cordas.

Distribuição de Espessuras Máximas das Pás

Ao longo de uma pá há várias seções com espessuras máximas. Na figura abaixo é mostrado um exemplo, com cada perfil evidenciado.