Propulsão Projecto de Aeronaves I - 7637 - 2010 Pedro V. Gamboa Departamento de Ciências Aeroespaciais 2 Propulsão Departamento de Ciências Aeroespaciais Faculdade de Engenharia Projecto de Aeronaves I – 7637 - 2010 Universidade da Beira Interior Propulsão • Para a determinação do desempenho da aeronave é necessário conhecer o desempenho do sistema propulsivo instalado; • Para a propulsão a hélice é necessário escolher o hélice adequado ao motor e aos regimes de voo e determinar o desempenho do sistema motor/hélice.
19
Embed
Propulsão - webx.ubi.ptwebx.ubi.pt/~pgamboa/pessoal/3680/apontamentos/capitulo11.pdf · escolher o hélice adequado ao motor e aos regimes de voo e determinar o desempenho do sistema
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Propulsão
Projecto de Aeronaves I - 7637 - 2010Pedro V. Gamboa
Departamento de Ciências Aeroespaciais
2
Prop
ulsã
o
Departamento de Ciências AeroespaciaisFaculdade de Engenharia
Projecto de Aeronaves I – 7637 - 2010Universidade da Beira Interior
Propulsão
• Para a determinação do desempenho da aeronave é necessário conhecer o desempenho do sistema propulsivo instalado;
• Para a propulsão a hélice é necessário escolher o hélice adequado ao motor e aos regimes de voo e determinar o desempenho do sistema motor/hélice.
3
Prop
ulsã
o
Departamento de Ciências AeroespaciaisFaculdade de Engenharia
Projecto de Aeronaves I – 7637 - 2010Universidade da Beira Interior
Modelos de motor
Tipo de motor Potência/tracção Consumo específico Obs.
aspirado P = δP0(ρ/ρ0-(1-ρ/ρ0)/7,55) C = C0/δ usar V = 1 quando V = 0
Alternativo
turbo P = δP0 P = δP0(ρ/ρL-(1-ρ/ρL)/7,55)
C = C0/δ usar V = 1 quando V = 0
Turbohélice P = δP0(ρ/ρ0) C = C0/δ usar V = 1 quando V = 0
Turbofan c/ λ elevado
T = δ(0,1/M)T0(ρ/ρ0) C = C0(T/T0)0,25/δ usar M = 0,1 quando M < 0,1
s/ pós-queimador T = δT0(ρ/ρ0) C = C0(T/T0)0,25/δ só para M < 0,9
Turbofan c/ λ baixo e turbojacto
c/ pós-queimador T = δT0(ρ/ρ0)(1+0,7M) C = C0(T/T0)0,25/δ
T é temperatura
4
Prop
ulsã
o
Departamento de Ciências AeroespaciaisFaculdade de Engenharia
Projecto de Aeronaves I – 7637 - 2010Universidade da Beira Interior
Desempenho do motor alternativo
• A potência éproporcional ao caudal mássico de ar que entra no motor;
• A potência varia com a altitude.
5
Prop
ulsã
o
Departamento de Ciências AeroespaciaisFaculdade de Engenharia
Projecto de Aeronaves I – 7637 - 2010Universidade da Beira Interior
• Dados:– Binário máximo [Nm], Q0
– Fracção de acelerador (carga), δ– Consumo específico [kg/(Ws)], sfc
• O binário é proporcional ao acelerador:
Modelo do motor a combustão (1)
0QQ δ=
6
Prop
ulsã
o
Departamento de Ciências AeroespaciaisFaculdade de Engenharia
Projecto de Aeronaves I – 7637 - 2010Universidade da Beira Interior
• A potência no eixo é:
onde N é o regime do motor [rpm].• O consumo específico é inversamente
proporcional ao acelerador:
Modelo do motor a combustão (2)
30NQPeπ
=
δ0sfcsfc =
7
Prop
ulsã
o
Departamento de Ciências AeroespaciaisFaculdade de Engenharia
Projecto de Aeronaves I – 7637 - 2010Universidade da Beira Interior
Desempenho do motor eléctrico
8
Prop
ulsã
o
Departamento de Ciências AeroespaciaisFaculdade de Engenharia
Projecto de Aeronaves I – 7637 - 2010Universidade da Beira Interior
• Dados:– Constante [rpm/V], Kv– Rotação em vazio [rpm], N0
– Corrente em vazio [A], I0– Resistência entre fases [W], R
• A voltagem e corrente aplicadas relacionam-se por:
onde Ui é a tensão induzida.
Modelo do motor eléctrico (1)
RIUU i +=
9
Prop
ulsã
o
Departamento de Ciências AeroespaciaisFaculdade de Engenharia
Projecto de Aeronaves I – 7637 - 2010Universidade da Beira Interior
• A corrente eficaz é:
• A potência eléctrica consumida é:
• A potência convertida é:
Modelo do motor eléctrico (2)
0IIIeff −=
UIP =
effieff IUP =
10
Prop
ulsã
o
Departamento de Ciências AeroespaciaisFaculdade de Engenharia
Projecto de Aeronaves I – 7637 - 2010Universidade da Beira Interior
• A eficiência do motor é:
• A rotação do moto é:
• O binário correspondente é:
Modelo do motor eléctrico (3)
PPeff
m =η
iVUKN =
NP
Q eff
π30
=
11
Prop
ulsã
o
Departamento de Ciências AeroespaciaisFaculdade de Engenharia
Projecto de Aeronaves I – 7637 - 2010Universidade da Beira Interior
Escolha da hélice (1)
• Passo fixo;• Passo variável;• Velocidade constante;• Velocidade variável.
12
Prop
ulsã
o
Departamento de Ciências AeroespaciaisFaculdade de Engenharia
Projecto de Aeronaves I – 7637 - 2010Universidade da Beira Interior
Escolha da hélice (2)
• Inicialmente:– 2 pás – D = 0,556(HP)0,25 [m]– 3 pás – D = 0,457(HP)0,25 [m]– 3 pás (agrícola) – D = 0,518(HP)0,25 [m]
13
Prop
ulsã
o
Departamento de Ciências AeroespaciaisFaculdade de Engenharia
Projecto de Aeronaves I – 7637 - 2010Universidade da Beira Interior
Escolha da hélice (3)
• Verificação da velocidade de ponta da pá:– V’ponta = (V2
ponta+V2)0,5 e M’ponta = V’ponta/a– Vponta = NπDG/60– V – velocidade da aeronave [m/s]– N – rotação do motor [rpm]– G – redução (G = 60n/N)– n – rotação do hélice [rot/s]– D = 60/(NπG)(V’2
ponta-V2)0,5 [m]
14
Prop
ulsã
o
Departamento de Ciências AeroespaciaisFaculdade de Engenharia
Projecto de Aeronaves I – 7637 - 2010Universidade da Beira Interior
Escolha da hélice (4)
• Dimensionamento da hélice:– Escolhe-se o diâmetro menor dos dois
Departamento de Ciências AeroespaciaisFaculdade de Engenharia
Projecto de Aeronaves I – 7637 - 2010Universidade da Beira Interior
Desempenho da hélice (2)
• Eficiência propulsiva da hélice:– ηP = TV/P
17
Prop
ulsã
o
Departamento de Ciências AeroespaciaisFaculdade de Engenharia
Projecto de Aeronaves I – 7637 - 2010Universidade da Beira Interior
Desempenho da hélice (3)
1
18
Prop
ulsã
o
Departamento de Ciências AeroespaciaisFaculdade de Engenharia
Projecto de Aeronaves I – 7637 - 2010Universidade da Beira Interior
Desempenho da hélice (4)
2
19
Prop
ulsã
o
Departamento de Ciências AeroespaciaisFaculdade de Engenharia
Projecto de Aeronaves I – 7637 - 2010Universidade da Beira Interior
Desempenho da hélice (5)
• Hélice de passo fixo/variável
passo fixo (passo fino) passo variável
J
etapasso fixo (passo grosso)
20
Prop
ulsã
o
Departamento de Ciências AeroespaciaisFaculdade de Engenharia
Projecto de Aeronaves I – 7637 - 2010Universidade da Beira Interior
Desempenho da hélice (6)
• Hélice de velocidade constante/variável
velocidade constante (alto regime) velocidade variável
velocidade constante (baixo regime)
J
eta
21
Prop
ulsã
o
Departamento de Ciências AeroespaciaisFaculdade de Engenharia
Projecto de Aeronaves I – 7637 - 2010Universidade da Beira Interior
Desempenho da hélice (7)
3
22
Prop
ulsã
o
Departamento de Ciências AeroespaciaisFaculdade de Engenharia
Projecto de Aeronaves I – 7637 - 2010Universidade da Beira Interior
Desempenho da hélice (8)
• Determinação do desempenho do hélice não instalado:– Hélice de velocidade constante: usam-se as
duas primeiras figuras para qualquer CP e J;– Hélice de passo fixo: pode usar-se a segunda
figura com o CP e J de projecto para determinar θ e depois usa-se a terceira figura para outros J.
23
Prop
ulsã
o
Departamento de Ciências AeroespaciaisFaculdade de Engenharia
Projecto de Aeronaves I – 7637 - 2010Universidade da Beira Interior
Desempenho da hélice (9)
• Tendo como referência um hélice tripá o desempenho de hélices de 2 ou 4 pás pode ser estimado da seguinte forma:– Para hélices de madeira, devido ao perfil mais
espesso, a eficiência da tabela é multiplicada por 0,9.
Desempenho 2 pás 3 pás 4 pás
Eficiência propulsiva 1,03ηP ηP 0,97ηP Tracção 0,95T T 1,05T
24
Prop
ulsã
o
Departamento de Ciências AeroespaciaisFaculdade de Engenharia
Projecto de Aeronaves I – 7637 - 2010Universidade da Beira Interior
Desempenho da hélice (10)
• Programas para análise do desempenho de hélices:– QPROP– JAVAPROP– PROPSELECTOR
25
Prop
ulsã
o
Departamento de Ciências AeroespaciaisFaculdade de Engenharia
Projecto de Aeronaves I – 7637 - 2010Universidade da Beira Interior
Acoplamento motor-hélice
• A rotação e binário do motor têm que ser iguais no motor e na hélice.
26
Prop
ulsã
o
Departamento de Ciências AeroespaciaisFaculdade de Engenharia
Projecto de Aeronaves I – 7637 - 2010Universidade da Beira Interior
Desempenho instalado (1)
• Correcção de bloqueio:– A nacela do motor atrás da hélice faz com que
o escoamento desacelere antes de chegar àhélice;
– Jcor = J(1-0,329SC/D2);– SC – área da secção máxima da
nacela/fuselagem;– D – diâmetro da hélice;– Usar Jcor nos gráficos de desempenho da hélice.
27
Prop
ulsã
o
Departamento de Ciências AeroespaciaisFaculdade de Engenharia
Projecto de Aeronaves I – 7637 - 2010Universidade da Beira Interior
Desempenho instalado (2)
• Correcção de compressibilidade:– A tracção é reduzida a grandes velocidades e
regimes devido ao efeito de compressibilidade;– ηPcor = ηP-(Mponta-0,89)[0,16/(0,48-3t/c)] para
Mponta > 0,89;– Mponta = [V2+(πnD)2]0,5/a;– a – velocidade do som;– t/c – espessura relativa do perfil da hélice.
28
Prop
ulsã
o
Departamento de Ciências AeroespaciaisFaculdade de Engenharia
Projecto de Aeronaves I – 7637 - 2010Universidade da Beira Interior
Desempenho instalado (3)
• Correcção de fricção:– As partes do avião dentro da esteira do hélice vão estar
sujeitas a maior velocidade e mais turbulência aumentando a resistência de fricção;
– Pode usar-se uma eficiência efectiva;– ηPef = ηP[1-1,558/D2(ρ/ρ0)Σ(CFSwet)esteira];– CF – coeficiente de fricção;– Swet – área molhada;– Para hélices empurra deve considerar-se uma perda de
eficiência de 2% a 5% devido à esteira da fuselagem, asa e/ou empenagens.
29
Prop
ulsã
o
Departamento de Ciências AeroespaciaisFaculdade de Engenharia
Projecto de Aeronaves I – 7637 - 2010Universidade da Beira Interior
Rendimento do sistema propulsivo
rendimento bateriasx
rendimento cabosx
rendimento controladorx
rendimento motorx
rendimento transmissãox
rendimento hélice=
rendimento propulsão
30
Prop
ulsã
o
Departamento de Ciências AeroespaciaisFaculdade de Engenharia
Projecto de Aeronaves I – 7637 - 2010Universidade da Beira Interior
Validação
• Atenção às características fornecidas pelos fabricantes;
• Em paralelo às análises de desempenho da hélice e do sistema propulsivo é importante testar o sistema (motor e hélice).
31
Prop
ulsã
o
Departamento de Ciências AeroespaciaisFaculdade de Engenharia
Projecto de Aeronaves I – 7637 - 2010Universidade da Beira Interior
Exemplo (1)
• Características do avião:
Comprimento total 5,86 m
Altura total 1,98 m Envergadura 9,99 m Área da asa 9,76 m2
Potência do motor 80 hp = 59,7 kW Regime 5500 rpm = 91,67 rot/s Redutor 1:2,27
Velocidade máxima 216 km/h = 60,0 m/s Diâmetro do hélice 1,60 m
Número de pás do hélice 3 Passo do hélice fixo
Densidade do ar 1,225 kg/m3 Temperatura do ar 288,25 K
Velocidade do som 340,29 m/s
32
Prop
ulsã
o
Departamento de Ciências AeroespaciaisFaculdade de Engenharia
Projecto de Aeronaves I – 7637 - 2010Universidade da Beira Interior
Exemplo (2)
• Verificação do Mach na ponta:– Para Mponta = 0,8:
• D = [(Mpontaa)2-V2]0,5/(πn);• D = [(0,8x340,29)2-60,02]0,5/(40,38π) = 2,09 m;• com n = 91,67/2,27 = 40,38 rot/s;