livroaeromodelismo, Notas de estudo de Engenharia Aeronáutica

Baixe livroaeromodelismo e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Aeronáutica, somente na Docsity! 49 CAPÍTULO II O HÉLICE O hélice é o elemento do aeromodelo que transforma o movimento de rotação do motor no de translação do aparelho. Por outras palavras, o hélice transforma a energia mecânica fornecida pelo motor de explosão ou pela meada de elástico na potência necessária à tracção do modelo. É ao conjunto hélice–motor que se chama grupo motopropulsor do aeromodelo ou avião. O hélice é constituído por uma, duas ou mais lâminas, dispostas com uma certa inclinação, que tomam o nome de pás, e pelo cubo, que é a parte central, vizinha do eixo. Consoante o número de pás, os hélices denominam-se de monopás, bipás, tripás, etc. As suas características aerodinâmicas são muito semelhantes às de uma asa e, assim, distinguem-se também, no hélice: o bordo de ataque, o bordo de fuga, os bordos marginais, os perfis, etc. Fig. 112 – 1 – bordo de ataque; 2 – bordo de fuga; 3 – perfil; 4 – bordo marginal. Os hélices podem ser tractores ou propulsores e esquerdos ou direitos. O hélice tractor está colocado, e exerce a sua acção, à frente do centro de gravidade e o hélice propulsor atrás daquele centro (fig. 113). Pode dizer-se, em linguagem simples, que o hélice tractor puxa o modelo, ao passo que o propulsor o empurra. Hélice tractor Hélice propulsor Fig. 113 50 Segundo o sentido de rotação, os hélices dividem-se em esquerdos e direitos. Os primeiros rodam da esquerda para a direita, colocando-se o observador na frente do modelo, e os segundos no sentido inverso (fig. 114). Os hélices mais utilizados são os direitos, em virtude de ser esse o sentido universal dado aos motores a pistão, que rodam ao invés dos ponteiros do relógio. Todavia, nos modelos com motor de elástico, já que a torção da meada se pode dar tanto num sentido como no outro, adoptam-se às vezes hélices esquerdos. Fig. 114 COMO ACTUA O HÉLlCE As características principais do hélice são o diâmetro e o passo. O diâmetro do hélice é precisamente o diâmetro da circunferência descrita pelas extremidades das pás na sua rotação. Num hélice bipá, será pois a distância que vai da extremidade de uma das pás à outra. O passo é a distância percorrida pelo hélice numa rotação completa. O hélice ao rodar, impulsionado pelo motor, perfura o ar como um parafuso penetra na madeira. A força que a chave de fendas exerce no parafuso para que ele avance pode comparar-se à potência que o motor fornece para que o hélice progrida. Contudo, o comportamento do hélice é ligeiramente diferente do do parafuso. Na realidade, ele trabalha num elemento muito mais compressível e elástico, donde resultam perdas que originam um menor avanço. A sua deslocação cria, como uma asa, forças de depressão no dorso das pás e de pressão no ventre (que, no caso particular do hélice, se traduzem por forças de tracção), bem como resistências induzidas que contrariam a sua progressão normal. Pode dizer-se que as pás são asas giratórias e que a força de tracção no hélice tem idêntica origem à da sustentação na asa. Fig. 115 - Forças de tracção. 53 E isto porque a inclinação do modelo à esquerda representa como que uma pressão exercida no ponto A (fig. 118). O efeito giroscópico actuará, portanto, no ponto B, isto é, 90º à frente, no sentido do deslocamento do hélice, determinando no modelo uma tendência para cabrar. CÁLCULO E ESCOLHA DO HÉLICE Calcular um hélice representa estabelecer o diâmetro, o passo, a área das pás e o perfil. Esses elementos determinam-se tendo em conta diversos factores, tais como: a classe do modelo (modelo com motor de borracha, motomodelo, velocidade, acrobacia, etc.), a potência do motor de explosão, a carga alar do modelo, a envergadura, a superfície sustentadora, a secção da meada-motor, etc. O diâmetro, que é uma das principais características a estabelecer, depende da envergadura e superfície alares e do peso do modelo. Pode dizer-se, de um modo genérico, que um modelo pesado deve ter um hélice de grande diâmetro, exigindo-se o mesmo a modelos de grande envergadura ou de elevada carga alar, salvo nos modelos de velocidade pura. O passo está directamente relacionado com a potência do motor e velocidade de translação requerida. Quanto maior for o passo, maior será o avanço, se se dispuser da potência necessária. O passo varia ainda, na razão inversa, com a área alar e carga do modelo. Um speed, por exemplo, terá um hélice de grande passo, enquanto um modelo de maiores proporções, a que se não exija elevada velocidade, necessitará de um hélice de passo fino. Passo e diâmetro são, no entanto, características intimamente ligadas. Assim, pode dizer-se que um modelo de vastas dimensões e pesado deve ter um hélice de passo fino e grande diâmetro, ao passo que um modelo leve e de grandes proporções (um «Wakefield», por exemplo) poderá ter um hélice também de grande diâmetro e passo mais elevado. No que respeita à superfície das pás, ela é quase sempre de proporções muito reduzidas, com excepção dos modelos com motor de borracha, nos quais se usam pás avantajadas para reduzir a velocidade rotacional do hélice. Na generalidade, pode afirmar-se que a superfície das pás varia com o número de rotações pretendido: quanto maior rotação, menor a área da pá. É por isso que, nos modelos de velocidade, se empregam hélices de pás muito estreitas, enquanto nos «borrachas» a área das pás chega a ultrapassar, por vezes, 15 % da área alar. Dado, como já se disse, que o hélice é uma asa sob o ponto de vista aerodinâmico, o perfil das pás segue as mesmas regras que o das asas. Assim, se se tratar de um hélice destinado a girar lentamente (caso dos modelos com motor de borracha), o perfil das pás será fino, côncavo-convexo e de grande curvatura. Nos modelos com motor de pistão, o perfil do hélice será côncavo-convexo de muito pequena curvatura, plano-convexo ou mesmo biconvexo assimétrico, isto é, escolher-se-ão perfis cuja resistência ao avanço seja mínima, já que o hélice se destina a girar a alta velocidade. Ao contrário da maior parte das asas, o perfil das pás é sempre evolutivo, dada a própria configuração do hélice que, junto ao cubo, tem sempre uma espessura maior para lhe proporcionar a indispensável robustez. Para diminuir a resistência induzida, que, devido ao alto regime de rotação, atinge valores elevados e provoca um abaixamento do rendimento geral, usa-se arredondar as extremidades das pás, ou fazer evoluir o perfil de modo que nos extremos do hélice ele tenha a forma biconvexa. Hélices para motores de borracha Calcular um hélice para um modelo com motor de borracha não é tarefa fácil. Uma das principais dificuldades é a variação da potência do motor. Na realidade, no princípio do voo, quando a meada está carregada ao máximo, a potência é grande, decrescendo à medida 54 que o motor vai desenrolando, o que não acontece no caso dos motores de explosão, cujo regime de trabalho, durante o voo, é normalmente invariável. Todavia, existem regras que a prática, em especial, nos deu a conhecer e nos permitem calcular, em valores muito aproximados, o hélice ideal para cada caso. Um elemento de vital importância, no caso particular dos «borrachas», é a superfície das pás. Diz-nos a experiência que aquela área deve estar compreendida entre 10 % e 15 % da área da asa. A proporção exacta depende, no entanto, da velocidade rotacional que, como se sabe, está intimamente ligada à potência do motor. Se a potência for elevada, a velocidade rotacional será alta e, assim, para se obter uma maior eficiência e um mínimo de efeito de torque, a área das pás deve estabelecer-se junto dos 10 % mencionados. No caso de motores lentos, a área das pás pode elevar-se até 15 %, aproveitando-se assim uma maior tracção. A prática ensina-nos ainda que o diâmetro do hélice deve estabelecer-se entre 1/3 e ½ da envergadura da asa. Dentro destes limites, quanto maior for a superfície alar e o peso, maior será o diâmetro do hélice. Depois de determinados o diâmetro e a superfície das pás, resta-nos conhecer o passo, de fundamental importância para o bom rendimento do hélice. Para o determinar, trabalharemos com a relação P/D (passo sobre diâmetro). A experiência demonstra que, para a maioria dos «borrachas», excluindo os de microfilme, a melhor relação P/D oscila entre 1 e 1,5. Dentro deste princípio, o passo determinar-se-á de acordo com a velocidade relativa do modelo. Se o voo for veloz, devemos escolher um valor aproximado à relação de 1,5; se a velocidade média do modelo for a da maioria dos «borrachas», a relação mais baixa é a que melhor convém. Para não diminuir demasiado a eficiência do motor, não se deve nunca ir além de 1,5. Nos modelos «Wakefield», a relação passo-diâmetro quase nunca ultrapassa 1,3. A este respeito convém ainda observar que um hélice de passo muito reduzido, encontrando uma menor resistência ao avanço, gira a uma velocidade elevada, abreviando o tempo de descarga do motor e originando um apreciável momento de torção que fará o modelo executar uma saída crítica. Hélices de roda livre e de pás dobráveis O hélice de um «Wakefield», dada a grande área das pás, ofereceria enorme resistência se, depois de esgotada a energia do motor, permanecesse parado e rígido. Assim, dotam-se estes modelos, bem como todos os «borrachas» de maiores proporções, com hélices especiais, que têm a particularidade de reduzir o mais possível a resistência ao avanço, quando o modelo entra em voo planado. Estes hélices são de dois tipos: de roda livre e de pás dobráveis. O hélice de roda livre é rígido, mas possui um sistema do ligação ao eixo que lhe permite libertar-se automaticamente do motor logo que este tenha perdido toda a força de torção. Assim, girando livremente no seu eixo, em virtude da própria deslocação do modelo, reduz em grande parte a resistência oposta pelas pás. O tipo de hélice de roda livre mais usado, pela sua facilidade de construção e segurança de funcionamento, é o representado na figura 119. Ao eixo é dada a forma especial que a figura representa. Aí vai prender um travão em L, que tem por função fixar o hélice ao eixo, enquanto o motor estiver em carga. Logo que a meada deixe de exercer tensão, o próprio hélice, continuando a girar, faz com que o travão se solte do eixo, ficando a rodar livremente. 55 O hélice de pás dobráveis tem a particularidade de recolher as pás, logo que o motor deixa de exercer acção, eliminando assim, quase por completo, a nefasta resistência, oposta pelas enormes pás abertas. O cubo é dotado de um sistema de dobradiças, por intermédio das quais as pás podem tomar duas posições definidas: a posição de trabalho (fig. 120-A), na qual, durante a rotação, as pás se conservam abertas em virtude da força centrífuga, e a posição escamoteável (fig. 120-B), em que as pás, depois de terminada a descarga, se colocam ao lado da fuselagem. A resistência ao avanço oposta por estes hélices, durante o planeio, é pois muito reduzida. Fig. 119 Fig. 120 As pás, recolhidas à fuselagem, criam ainda uma certa turbulência que afecta o rendimento geral, mas isso não impede que sejam estes os hélices mais usados e os que se consideram de maior eficiência. Para reduzir, quanto possível, essa turbulência, há que determinar a colocação das dobradiças de tal modo que as pás se confundam o mais possível com a fuselagem. Os tipos de mecanismos do nariz, de hélices de pás dobráveis mais eficientes e usados, são os representados na figura abaixo. Fig. 121 58 Nestas circunstâncias, e para que venha a obter-se em voo o máximo rendimento do motor, deve adoptar-se o hélice que, no banco de ensaios, o faça rodar a um regime inferior, em 10 ou 20 %, consoante os casos, ao número de r.p.m. óptimo. Assim, por exemplo, e reportando-nos ao gráfico da figura 123, se se utilizasse um hélice que fizesse rodar o motor em bancada a 18 000 r.p.m. o motor iria atingir, em voo, um regime de trabalho da ordem das 20 000 r.p.m., regime este que não interessaria obter, dada a baixa potênda que iria fomecer. Para o caso em questão, optar-se-ia por hélices que, no banco de ensaios, fomecessem aproximadamente as 16 200 ou 14 400 rotações, conforme se destinassem a modelos de alta performance ou de tipo sport. Existem ainda tabelas que dão a conhecer o rendimento dos diversos hélices comerciais, de marcas e características diferentes, com as quais o motor foi ensaiado. Fig. 124 Por aí se pode escolher aquele que mais convém, apesar de ser sempre aconselhável calcular e construir um hélice de rigoroso passo constante, cujas características permitam a rotação que confere ao motor a potência máxima e se ajustem, ao mesmo tempo, ao tipo de modelo a que se destina. De qualquer modo, porém, serão as experiências de campo que, finalmente, determinarão o hélice que dá maior rendimento ao modelo, seja ele de acrobacia, de velocidade ou de voo livre. É aconselhável usar-se, nas primeiras experiências, o hélice teoricamente mais indicado e tomar nota dos resultados. Depois, deve experimentar-se outros hélices, de diâmetros e passos ligeiramente superiores e inferiores, e comparar os resultados obtidos, para se chegar a conclusões definitivas. 59 DESENHO DO HÉLICE Depois de estabelecidas as características do hélice – diâmetro, passo, área das pás e perfil –, toma-se necessário dar realização gráfica aos valores definidos, para determinar as dimensões do paralelepípedo rectangular que servirá à construção do hélice. O diâmetro e a área das pás são elementos que facilmente se transportarão para o bloco a talhar, depois de conhecidos os seus valores. O perfil das pás não requer qualquer desenho prévio no bloco. Ele será desenhado à parte, apenas para a elaboração de cérceas que irão ajudar no desbaste final. Resta o passo. Como determinar a incidência das pás e transportá-la para o bloco? Cada ponto dum hélice em rotação descreve um cilindro, cujo raio é a distância que vai do ponto ao eixo e a altura o avanço desse ponto, numa volta completa. Se desdobrarmos esse cilindro num plano, o mesmo é dizer, se planificarmos o hélice, obtemos um rectângulo (fig. 125), onde estão representados graficamente, no lado maior, o perímetro da circunferência descrita pelo ponto e, no lado menor, o passo teórico. Fig. 125 A diagonal é a linha imaginária traçada no cilindro pelo ponto do hélice. Representa, pois, a inclinação da pá nesse ponto. Ao ângulo formado pela diagonal e pelo lado maior chama-se ângulo de incidência da pá ou ângulo de posição, que, como se sabe, diminui gradualmente, para a extremidade da pá, nos hélices do passo constante. Para talhar o hélice, possuímos já a vista frontal, obtida de acordo com o diâmetro e área das pás. Teremos ainda de desenhar, portanto, a vista lateral ou alçado, que nos permitirá obter aqueles ângulos correctos. Dado que importa determinar apenas o desenho de uma das pás, já que ambas são simétricas, basta-nos trabalhar com o raio. Reduziremos, pois, o perímetro, representado no rectângulo pelo lado maior, dividindo por 2 π. O mesmo teremos de fazer, no que respeita ao lado menor (passo), para que o ângulo se mantenha inalterável. Começamos por traçar, portanto, uma linha correspondente ao raio e, normal a esta, uma outra igual ao passo sobre 2 π. Na planta da pá (fig. 126-A) marcamos as secções que interessa considerar e transportamos as suas posições para a linha R, representativa do raio. Unimos em seguida esses pontos de referência ao ponto A (fig. 126-B). Como passo subsequente, transportamos a primeira secção (segmento a-a'), assinalada na planta, para a linha R, a partir do primeiro ponto, no sentido B-O. Fazemos o mesmo em relação as restantes secções. 60 Dos pontos a', b', c', etc., tiram-se perpendiculares até à intercepção com as respectivas hipotenusas. Fig. 126 Os novos segmentos, assim obtidos, representam as cotas que hão-de fornecer o alçado do hélice (fig. 126-C). É evidente que, quantas mais forem as secções assinaladas na planta, mais exacta será a determinação das linhas que constituirão o alçado. Resta ainda acrescentar que, antes de iniciada a construção do hélice, deve subir-se ligeiramente a linha superior do alçado, correspondente ao bordo de ataque. Observe-se a figura 127, que representa a inclinação do perfil da pá, em determinada secção. O ângulo α é o ângulo de posição da pá, o lado maior do triângulo representa a largura da pá nessa secção, e o lado menor a altura ou alçado determinado pelo desenho. Vê-se claramente que, em virtude da própria espessura do perfil, terá de ser deixada, no bloco, uma margem acima da linha que representa, no alçado, o bordo de ataque do hélice. Esta margem depende, como é evidente, da espessura do perfil, nesse ponto. Fig. 127