Questão:
Como funciona uma hélice de velocidade constante?
Canuk
2014-01-28 11:04:57 UTC
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Minha explicação de como funciona uma hélice de velocidade constante sempre foi um pouco instável. Eu sei sobre a "mola do velocímetro", "contrapesos" e como ela utiliza a pressão do óleo do motor, mas adoraria saber um diagrama simples e fácil de entender e uma explicação que eu possa usar para realmente entender e depois ensiná-lo a outros?

Para simplificar, a hélice de velocidade constante tem um controle que o piloto usa para "pedir" um RPM específico. Se o RPM real for maior, o sistema de controle aumentará o tom. Isso faz com que a hélice retire mais potência do motor para realizar o empuxo. Conforme o motor é ajustado para alguma configuração de potência, a rotação diminui. Funciona da mesma forma ao contrário se o RPM for menor do que o solicitado.
Um responda:
#1
+36
StallSpin
2014-01-28 13:11:27 UTC
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The pilot valve is resting directly on the flyweights.

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Antes de começarmos, devo mencionar que as hélices de velocidade constante mais básicas eram acionadas pelo equilíbrio da pressão do ar e da força centrífuga. As lâminas foram moldadas de tal forma, ou equipadas com um contrapeso que faria com que a lâmina se movesse intrinsecamente para um passo raso. No entanto, quando o ar era movido sobre a lâmina, ele começava a sobrepujar o contrapeso e empurrar a lâmina para um passo mais alto. É um design bastante engenhoso que significava que a hélice estaria automaticamente em alta RPM quando o avião estivesse se movendo lentamente (decolagem, aterrissagem, subidas) e se moveria automaticamente para um tom mais alto quando o avião acelerasse para o cruzeiro. Existe até uma hélice de uma pá que utilizou este projeto de forma muito eficiente para aeronaves leves. O problema é que esse tipo de hélice não é ajustável pelo piloto, e presumo que você esteja se perguntando sobre hélices ajustáveis, então falaremos sobre isso daqui em diante.

Na primeira foto, observe se a válvula piloto está apoiada diretamente nos pesos volantes (separados por um rolamento). A segunda foto representa melhor o sistema de válvula. Assim, vemos que a mola do velocímetro está empurrando para baixo no topo do eixo da válvula piloto, que por sua vez repousa sobre os pesos volantes.

Primeiro, os pesos volantes são girados pelo virabrequim, portanto, qualquer mudança em A RPM do motor reage imediatamente.

Existem algumas maneiras de a hélice ser fixada ao pistão, e um sistema de engrenagem tipo pinhão e cremalheira é comum e fácil de imaginar. A cremalheira é fixada ao pistão de forma que, quando ele se move, a engrenagem do pinhão da lâmina da hélice é girada e, portanto, a lâmina é girada. Outro tipo comum usa um pino que é deslocado do centro da base circular da lâmina. Quando o pistão se move, ele empurra ou puxa a cavilha e, como a cavilha está deslocada, faz com que a lâmina gire.

Velocidade excessiva: quando a velocidade no ar aumenta.

Quando os RPMs aumentam, a força centrífuga faz com que os flyweights queiram se espalhar para conservar o momento. Como estão em forma de L e têm uma dobradiça no canto, isso faz com que a parte inferior se eleve, puxando a válvula piloto para cima e comprimindo a mola do velocímetro. Quando a válvula piloto é levantada, o óleo pressurizado da bomba pode fluir para o cubo da hélice através de um tubo que passa pelo centro do pistão do cubo. O óleo preenche uma cavidade na frente do pistão, empurrando-o para trás. A hélice é girada para um passo mais alto (mais próximo da pena), o que diminui a rotação do motor. Quando o RPM é reduzido, os pesos volantes estarão sob menos força centrífuga e a mola do acelerador os empurrará de volta ao equilíbrio (na velocidade), empurrando a válvula piloto de volta para baixo para impedir que o tubo de óleo do cubo ganhe ou perca óleo.

Velocidade reduzida: quando sua velocidade no ar diminui.

Quando os RPMs diminuem, há menos força centrífuga atuando nos pesos volantes. Devido à forma descrita anteriormente, eles não são mais capazes de empurrar a mola do acelerador com a mesma força de antes, então a mola comprimida começará a se expandir. Isso traz o topo dos flyweights para dentro e seus fundos para baixo. Quando seus fundos se movem para baixo, a válvula piloto também desce e desbloqueia o tubo de óleo do cubo. A pressão positiva do óleo no cubo e a tendência embutida nas pás de se moverem para um passo baixo empurra o óleo para fora do cubo e de volta ao sistema de óleo. O pistão se move para frente e as lâminas giram para uma condição de passo baixo. Os pesos volantes não retornam necessariamente ao equilíbrio, especialmente se você definir manualmente a mola para compressão máxima com a alavanca da hélice: você deseja que a hélice permaneça no passo mínimo, não importa o que aconteça.

Perda de pressão do óleo:

A pressão do óleo está constantemente empurrando contra a parte inferior da válvula piloto, tentando forçá-la para cima. A mola do speeder está resistindo, e enquanto os flyweights estão na velocidade, todo o sistema está em equilíbrio com a válvula bloqueando o tubo do cubo. Quando você perde a pressão do óleo, essa pressão não está mais segurando a válvula para cima e a mola do acelerador vencerá, empurrando a válvula para baixo e permitindo que o óleo flua para fora do cubo. Isso redefine a hélice para a configuração de subida de passo baixo, dando-nos a potência máxima porque é mais útil do que a velocidade máxima na situação de emergência que provavelmente está para ocorrer.

Então, por que fazemos isso?

Todas as hélices são colocadas em um passo. Teoricamente, uma hélice é inclinada para avançar uma certa distância a cada revolução, assim como um parafuso se movendo na madeira. Mas, ao contrário da madeira, o ar é fluido e difícil de agarrar. Se você imaginar aparafusar um parafuso em uma placa, a única maneira de fazê-lo entrar mais rápido é girando-o mais rápido. Isso ocorre porque o passo do parafuso é fixo. Se você pudesse espaçar os degraus do parafuso (aumentar a inclinação), o parafuso se moveria pela madeira mais rápido, mas se tornaria muito mais difícil de girar.

A hélice de um avião funciona da mesma maneira. Quando decolarmos pela primeira vez, precisamos transmitir potência máxima ao ar e não importa se não avançarmos muito a cada revolução, porque não estamos indo muito rápido de qualquer maneira. Queremos apenas mover o máximo de ar possível. Mas chegaremos a um certo ponto em que a única maneira de acelerar é aumentar o número de rotações da hélice, o que não é prático com nossos motores. A única alternativa é mudar o passo da lâmina. Nós o mudamos para um passo que nos permite avançar uma distância maior a cada revolução, em troca de menos força sendo transmitida ao ar a cada revolução. Felizmente, não precisamos bombear tanta energia, apenas o suficiente para evitar que desaceleremos.

Se você gosta de números, imagine que temos um motor e uma hélice que teoricamente (com eficiência perfeita) avança 1 pé para cada revolução e pode fazer 1 revolução por segundo, dando uma velocidade máxima de avanço de 1 pé por segundo. Isso está perfeitamente bem quando estamos decolando: podemos estar avançando a 0,5 fps e temos um pouco de ar sendo soprado para trás a 0,5 fps. Quando nivelamos em cruzeiro, ficamos presos a 1 fps. Mas queremos ir a 3 fps e sabemos que nossa estrutura pode lidar com isso. A opção mais fácil é girar o motor três vezes mais rápido, mas infelizmente isso faria alguns pistões voar para fora da capota. Portanto, temos que mudar o passo da hélice para um que avance 3 pés a cada revolução, dessa forma ele ainda está girando na mesma taxa, mas nos moverá para frente três vezes mais. Ou, mais provavelmente, ainda estamos usando 1 fps, mas apenas 1/3 RPM e queimando 1/3 do combustível! É aqui que você pode ver o problema: se estamos queimando 1/3 do combustível, estamos apenas transmitindo 1/3 da energia para o ar através da hélice, e não há como escalar ou acelerar rapidamente (se em todos) nessa configuração.

Uma forma final de pensar sobre isso é como as marchas de um carro. Sua transmissão permite que você, a 1500 RPM, vá a 10 mph ou 60 mph ou qualquer velocidade intermediária. O problema é que se você tentar acelerar de 10 mph para 60 mph mantendo 1500 RPM, levará muito mais tempo do que se você aumentasse para 2500 RPM. As marchas altas são ótimas para navegar e manter a velocidade, mas não são ótimas para acelerar. Eles permitem que você mantenha suas RPMs baixas, seu torque baixo e sua queima de combustível baixa, porque você não precisa dessa energia extra. Um passo alto da hélice é exatamente o mesmo.

Uma observação sobre aeronaves multimotoras:

Eles são exatamente o oposto de solteiros. Onde os singles exigem pressão positiva do óleo para aumentar o passo da lâmina, os multis exigem pressão positiva para diminuí-lo. Isso ocorre porque em um multi, você deseja que a hélice embandeire automaticamente se você perder a pressão do óleo (devido a uma falha no motor). Isso remove uma quantidade significativa de arrasto daquele lado da aeronave.

Eles são equipados com uma mola ou uma carga de nitrogênio no cubo que é pressurizado, empurrando o pistão do cubo de volta para a posição embandeirada. O regulador da hélice funciona da mesma maneira, mas a válvula piloto direciona o óleo para empurrar contra a parte de trás do pistão, movendo-o para frente e comprimindo a mola / nitrogênio, movendo a hélice para um passo mais baixo.

Alguns também são equipado com um acumulador anti-embaçamento. Esta é uma garrafa com um piton no topo (também carregado com nitrogênio) que se enche de óleo quando o motor está funcionando. Quando você tira a hélice do alto RPM, a garrafa é isolada do resto do sistema. Se você perder a pressão do óleo, a hélice irá embaçar como deveria, mas ainda haverá óleo pressurizado no acumulador. Dessa forma, se você resolver os problemas do motor, pode empurrar a alavanca da hélice totalmente para frente, abrir a válvula do acumulador e o nitrogênio pressurizado forçará o óleo para fora da garrafa, colocando todo o sistema sob pressão positiva por alguns segundos. Essa pressão positiva move o pistão do cubo para frente e desgasta a hélice.

Agora você pode pensar "Se as multis se empinam quando perdem a pressão do óleo, por que todos aqueles gêmeos na rampa sentados lá com adereços de baixa frequência?" Bem, eles têm pinos de travamento centrífugos que desaparecem quando a rotação do motor é alta o suficiente. Se ficar baixo, eles cairão de volta em uma ranhura ao redor do pistão do cubo ou seu eixo e o travarão em um estado de passo baixo. No entanto, este não é um sistema à prova de idiotas, porque sabe-se que os pinos grudam e as pessoas desligam o motor com a alavanca de hélice menos do que totalmente para frente. Nesse caso, você precisa fazer com que alguns caras fortes girem manualmente a hélice para trás, ou você precisa desperdiçar uma boa parte da vida preciosa do motor de partida girando o motor para criar pressão de óleo para desembaçar a hélice. A maioria dos motores não pode dar partida em um estado de penas devido ao enorme arrasto das lâminas perpendiculares à direção de rotação.

Em turboélices:

Embora possa variar de motor para motor, os turboélices usam sistemas semelhantes a aeronaves multimotoras, mas em pressões muito mais altas e com a capacidade de entrar no modo beta (passo reverso). Isso introduz problemas principalmente no fato de que o motor irá acelerar muito rapidamente com o passo da pá em 0 e a hélice não está gerando empuxo / carga. Não vou tentar explicar porque nunca trabalhei realmente com um. Mas esse cara parece fazer um bom trabalho.

"Quando você perde a pressão do óleo, essa pressão não está mais segurando a válvula para cima e a mola do velocímetro vencerá, empurrando a válvula para baixo e permitindo que o óleo flua para fora do cubo. Isso redefine a hélice para a configuração de subida de passo baixo, "- Se não me engano, isso só é verdade para os solteiros - os propulsores de vários motores geralmente se embolam com a perda de pressão do óleo para não induzir um arrasto excessivo.
Isso é exatamente o que eu estava procurando! Obrigado! Achei especialmente útil a analogia com o parafuso que atravessa a madeira. @roe,, minha intenção com a pergunta era para um avião monomotor, mas agradeço saber que é diferente para configurações multimotores.
@roe - Sim, você está certo, esqueci-me do multis, vou adicioná-lo.
Onde você estava quando fiz minha pergunta sobre isso? :-)
@Lnafziger Eu não sabia que este lugar existia até que alguém postou no Reddit no início deste mês, ou eu teria estado aqui antes! Mas vocês fazem algumas perguntas difíceis às vezes.
Não tome como certo que o gêmeo leve que você voa tem um acumulador anti-difusão. Não é necessário estar lá e nem todos os adereços estão assim equipados. Particularmente, tenha isso em mente se você pretende praticar o motor fora das operações envolvendo um desligamento total e embandeiramento (com o acumulador você empurra a hélice para frente e o motor será reiniciado, sem a necessidade de usar o motor de partida para reiniciar).
@casey - Nunca vi um sem um, mudei o post para "Alguns têm."
@StallSpin sem problemas. Alguns dos seminários mais antigos (1979/1980) que eu costumava instruir não os tinham.


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