Questão:
A conexão das pás da hélice com um anel contínuo reduziria o arrasto induzido?
falstro
2014-01-08 13:43:05 UTC
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Os motores de turbina são cobertos, o que é claro para conter o processo (assim como um motor super / turboalimentado é assim que o ar entra na admissão). Mas isso me fez pensar, isso também não reduz - ou mesmo remove completamente - o arrasto induzido em torno das pontas das pás do ventilador?

Seria possível ter uma configuração semelhante para um suporte padrão, nem precisa ser estacionário, pode ser um anel ligando as pontas da hélice, girando com ela, como um winglet infinito. Ele tem o benefício de segurança adicional de ser visível quando a hélice estiver girando. E eu imagino que se o anel é forte o suficiente para manter sua circunferência, a carga na hélice deve ser marginal, já que está girando em torno de seu próprio centro de massa.

O arrasto induzido na hélice não é grande o suficiente para justifica qualquer pensamento, ou esse anel de prop-winglet (tenho certeza de que há um nome verdadeiro para ele, alguém sabe do que estou falando?) causaria outras interrupções no fluxo de ar? Ou talvez haja outros motivos, como seria simplesmente muito difícil resolver para hélices de velocidade constante?

Já existem muitas respostas abaixo que resolvem o arrasto induzido nos adereços. Para responder diretamente à sua pergunta sobre um anel preso diretamente às pás - ele sofreria cargas centrífugas variáveis, que por si mesmas seriam bastante grandes em altas RPM, mas o fato de as cargas variarem tanto levaria à fadiga do material e falha.
Como você conectaria as pontas das pás da hélice com um anel contínuo sem torná-las incapazes de mudar o passo?
Cinco respostas:
#1
+19
Daniel Steele
2014-01-08 17:45:37 UTC
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O que você está falando existe, são chamados de hélices Q-Tip.

Lembre-se de que uma pá de hélice é apenas um aerofólio - como uma asa - e o a aerodinâmica básica não é diferente de uma asa. Mas a rotação da lâmina cria mais fenômenos do que uma asa, em particular o vórtice helicoidal que se vê atrás da hélice e causa todos os tipos de efeitos de hélice .

Em teoria, nada nos impediria de ter winglets nas pontas da hélice: as vantagens seriam

  1. Tornar a hélice mais eficiente reduzindo o arrasto induzido (o mesmo que um winglet em uma asa)
  2. Redução de ruído
  3. Manter a velocidade da ponta da hélice subsônica, diminuindo seu comprimento

O grande problema está nas tensões aerodinâmicas, e até onde eu sei, ocorreram algumas falhas bastante espetaculares durante os testes, então a solução agora é dar uma maior varredura nas pontas (veja isso como equivalente à ponta da asa do 777 em comparação com o 787, por exemplo). Tente encontrar artigos sobre o Hartzell Q-tip .

Como as hélices navais são mais largas e capazes de lidar com maiores tensões de torque, as modernas têm winglets. Você pode encontrar algumas fotos na web.

Legal! Você sabe se há algum 'anel' que conecte todas as pontas de suporte, em toda a volta? Ou colocar uma moldura ao redor da hélice, como em alguns veículos aquáticos e alguns helicópteros (ficção científica, pelo menos, não tenho certeza sobre os reais)?
Um conceito relacionado à hélice Q-Tip (com menos problemas devido ao estresse aerodinâmico) é o [Scimitar Propeller] (http://en.wikipedia.org/wiki/Scimitar_propeller), que é encontrado em muitas aeronaves turboélice, incluindo [o C-130J "Super Hercules"] (http://en.wikipedia.org/wiki/Lockheed_Martin_C-130J_Super_Hercules). Embora a maioria das hélices de cimitarra com as quais estou familiarizado sejam de velocidade constante, acredito que haja algumas variantes de passo fixo também ...
#2
+12
Peter Kämpf
2014-09-29 00:59:03 UTC
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Como outros observaram, encaixar o anel na hélice aumentará muito o estresse nas lâminas. O mesmo efeito pode ser obtido com uma cobertura bem ajustada.

Existiu de fato um avião que utilizou esse conceito, o RFB FanTrainer (veja a imagem abaixo). Para reduzir o peso e a área molhada, o diâmetro da hélice era muito menor do que com uma hélice normal, então a eficiência geral não era melhor. No entanto, as inércias rotativas menores produziram um efeito mais semelhante ao de uma turbina (menos precessão), então o conceito foi usado como um treinador básico para futuros pilotos de jato.

FanTrainer 400

No final, o FanTrainer teve um sucesso limitado e foi descontinuado depois que o 50 foi construído. O projeto era muito leve para suportar todos os desejos das forças aéreas por um treinador básico, e o mercado privado naquela época estava encolhendo e cheio de aviões mais antigos que serviam igualmente bem aos clientes preocupados com os custos. No entanto, ofereceu características quase semelhantes às de um jato por um preço excepcionalmente baixo por hora de voo.

Em geral, se você quiser cobrir a hélice para obter melhor eficiência, precisa aceitar a área de superfície mais alta de a mortalha, que rapidamente adicionará mais resistência do que você provavelmente conseguirá evitar, evitando o fluxo ao redor das pontas do suporte.

O que poderia ser salvo protegendo o suporte? O arrasto induzido seria o mesmo, já que isso vem da criação de elevação. A teoria clássica para hélices de perda mínima induzida por A. Betz e L. Prandtl requer uma distribuição de elevação elíptica sobre o disco da hélice, de modo que a elevação diminua suavemente nas pontas. Aumentar artificialmente só ajudaria se isso pudesse reduzir o cordão da lâmina nas pontas - uma vez que as pontas veem a pressão dinâmica mais alta, isso poderia de fato se traduzir em menos resistência por atrito. No entanto, esse ganho é pequeno quando comparado ao grande aumento no arrasto de fricção de uma cobertura.

Em altas velocidades, as perdas induzidas são pequenas e outros fatores se tornam dominantes. Observe que turbofans e hélices altamente carregadas não são projetados para perda induzida mínima, mas para empuxo máximo com um determinado diâmetro. Uma hélice blindada pode desfrutar de uma carga de disco maior, de modo que você obtém o mesmo empuxo com pás menores e velocidades de ponta mais baixas, o que ajudará na eficiência de alta velocidade. Lâminas menores se traduzem em menos perdas de fricção na hélice e velocidades de ponta mais baixas se traduzem em velocidade de cruzeiro mais alta antes que as perdas de Mach comecem a morder.

Assim, em alta velocidade, uma cobertura pode ser útil quando não é muito grande . Os motores turbofan sofrem com esse dilema. Eles poderiam ter taxas de desvio muito mais altas do que hoje, mas isso significaria nacelas enormes, e o aumento do arrasto da nacela compensaria os ganhos da razão de desvio aumentada. Laminar ativamente o fluxo da nacela é o caminho a seguir aqui, mas até agora a implementação prática ainda não aconteceu.

Sobre o assunto da inércia rotativa, imagino que uma mortalha rotativa também teria um momento angular alto, levando a efeitos giroscópicos sempre que a orientação do disco da hélice mudasse. Além de afetar o manuseio do avião, acho que isso imporia uma carga de flexão cíclica nas pás da hélice durante a manobra, e posso imaginar o arranjo sujeito a oscilações.
@sdenham: Sim, deixar a cobertura girar com a hélice trará muitos problemas. É melhor mantê-lo fixo, como nos turbofans.
@PeterKämpf - você toca nas velocidades de ponta e apenas na resistência da onda, mas e quanto ao aumento de empuxo? Certamente, esse era um objetivo fundamental nos primeiros projetos, como as várias plataformas de elevação.
O aumento de impulso @MauryMarkowitz precisa de alguma área voltada para a frente da cobertura para que a sucção funcione. As plataformas de elevação tinham isso, mas as coberturas de hélice oferecem muito pouco porque são projetadas para operar em alta velocidade para a frente. Em outras palavras, as baixas velocidades verticais das plataformas de elevação permitem que aqueles façam uso do aumento de empuxo, mas a alta velocidade de voo das coberturas de hélice muda o ideal para deixar pouca oportunidade para aumento de empuxo.
#3
+11
Philippe Leybaert
2014-01-08 22:17:38 UTC
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Uma ventoinha com dutos chega perto do que você está descrevendo, embora o anel ao redor da hélice seja estacionário em vez de preso e girando com a hélice.

A principal vantagem de um ventilador com duto é a maior eficiência devido às perdas reduzidas na ponta das pás da hélice (essencialmente arrasto induzido), mas essa vantagem de eficiência é perdida em velocidades mais altas e / ou menor demanda de empuxo.

Em aeronaves "normais", as desvantagens de um ventilador em duto superam os ganhos de eficiência. Os ventiladores conduzidos são usados ​​principalmente em dirigíveis e aeronaves VTOL como o infame Bell X-22. Eles também são usados ​​na maioria dos modelos de aviões a jato.

Ventilador com duto correto era o que eu procurava quando mencionei os helicópteros 'sci-fi', obrigado! :)
#4
+4
StallSpin
2014-01-09 00:35:01 UTC
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Q-Tips e fãs Ducted são os principais para resolver os problemas em que você está pensando.

Sua ideia de anel seria muito difícil de implementar por uma série de razões, sendo o peso o principal. Um anel de metal ao redor da hélice adicionaria uma quantidade significativa de peso à aeronave, o que provavelmente cancelaria quaisquer ganhos de eficiência obtidos com a estabilização do fluxo de ar. Além disso, as pontas de uma hélice já estão experimentando vários milhares Gs em RPMs operacionais normais. Isso é aceitável porque a hélice fica cada vez mais leve conforme você se aproxima das pontas. Mas se você prendesse um anel de metal pesando algumas dezenas de libras, as forças seriam astronômicas e sua hélice falharia muito rapidamente.

Um segundo problema é que, para ter hélices eficientes, nós gire as lâminas ligeiramente para mudar o ângulo em que elas atingem o ar. Eles são chamados de hélices de velocidade constante e já são um tanto complicados. Se você adicionar um segundo ponto de articulação às pontas da hélice para que possam se mover dentro do anel, estará apenas adicionando um monte de rolamentos, graxa, peso e outro ponto de falha.

Finalmente, equilibrar o anel provavelmente seria uma tarefa difícil. Primeiro, seu anel teria que ser fabricado com tolerâncias muito precisas, o que seria muito caro. O menor entalhe ou amassado no anel (que acontece freqüentemente com as hélices) fará com que ele fique desequilibrado e exigiria no mínimo trabalho, e no máximo poderia fazer com que toda a hélice se separasse. Isso já é uma preocupação menor para os adereços, mas quando você coloca seu disco pesado em um braço longo a partir de seu fulcro e o sujeita a forças G incrivelmente altas, você está apenas ampliando quaisquer falhas que ele possa ter.

#5
+2
Skip Miller
2014-01-09 00:04:40 UTC
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Para uma perspectiva histórica, faça alguma pesquisa sobre o Culver Channel Wing produzido em 1952-53. Este avião bimotor (empurrador) tem dois dutos que não circundam completamente a hélice, mas fazem parte da asa. Isso levou a capacidades de decolagem extremamente curtas porque o fluxo de ar sobre a asa não estava vinculado à velocidade de avanço. Eu iria até mesmo ir mais longe para dizer que foi um passo inicial nas capacidades de VTOL de ventiladores conduzidos.

Este artigo de Doug Robertson postado em 2005 em airport-data.com contém algumas fotos lindas e o que parece ser uma história narrativa bem pesquisada da aeronave.



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