En una hélice de velocidad constante, ¿cómo se relaciona el paso de las palas con la velocidad aerodinámica y la eficiencia?

Estoy tratando de entender lo que establece el PHAK ( Manual de conocimientos aeronáuticos del piloto de la FAA ) para las hélices de velocidad constante.

Primero, ¿por qué si aumenta la velocidad aerodinámica, para unas RPM fijas, el paso de las palas aumentará y, por el contrario, disminuirá si la velocidad aerodinámica disminuye? ¿Es porque quiere mantener ese AOA bajo (2-4 grados según el PHAK) con el flujo de aire relativo? Si su AOA aumentara, como si no cambiara el ángulo de la pala a medida que disminuye la velocidad aerodinámica, ¿aumentaría la resistencia y las RPM disminuirían? Y si la velocidad del aire es demasiado alta y el AOA es demasiado bajo, ¿no hay suficiente resistencia para reducir la velocidad de las palas?

En el despegue, desea un empuje/potencia máximos. Al configurar las palas en un paso bajo, obtiene RPM máximas porque las palas muerden menos el aire. Esto también mantiene bajo el AOA de la pala, lo que a su vez reduce la resistencia y permite que aumenten las RPM. Además, ¿el empuje máximo en este caso es el resultado de que las palas generan mucha sustentación debido a sus altas velocidades debido a las RPM más altas (frente al empuje al mover grandes trozos de aire)?

¿Por qué se prefieren bajas RPM en subidas/crucero? Si aumenta el paso de la pala en estos regímenes de vuelo, obtiene un AOA más pequeño con respecto al viento que, según tengo entendido, hasta ahora reduce la resistencia. Pero entonces, ¿la cuchilla que toma bocados más grandes de aire no requiere más potencia de todos modos para mantener esas RPM? ¿Es más eficiente dar potencia a las palas para mover cargas de aire más grandes que hacerlo funcionar con ángulos de pala más bajos y RPM más altas?

Y, por último, con respecto al AOA de la pala y el viento relativo, ¿generaría una pala más sustentación si tuviera un AOA más alto, pero a expensas de un arrastre adicional en la pala que a su vez requiere más potencia del motor? ¿Es este arrastre inducido porque es un perfil aerodinámico?

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¡Gracias! El primero ayudó a aclararlo un poco. Pero, ¿sabe por qué, desde el punto de vista de la física, somos capaces de impartir menos energía al aire y aun así obtener la misma aceleración hacia adelante? Parece que, teóricamente, para tener X cantidad de fuerza contra el arrastre, necesitas X cantidad de energía. ¿Cómo se puede justificar desde un punto de vista energético/matemático que una pala de mayor ángulo utilice menos energía?
¿Puedes mantener la velocidad de la autopista subiendo de marcha y soltando el acelerador? Girar más la hélice a altitud de crucero mientras se reducen las RPM tiene el mismo efecto. Si quiere acelerar para rebasar a alguien, pisa el acelerador y, a veces, reduce la marcha. Lo mismo con navegar más rápido o escalar: retroceda el giro de hélice y aumente las RPM.
Bien, entonces lo que estás diciendo es que no puedes lograr un alto empuje con grandes ángulos de pala, pero ¿el vuelo nivelado no es un problema? Cuando necesita ese empujón adicional, ¿necesita más RPM, lo que lleva a un mayor uso de energía?
Sí. Puede tirar hacia atrás de la palanca (yugo) para comenzar el ascenso; el regulador de hélice trabajará para mantener las mismas RPM del motor, mientras que el giro más alto lo mantendrá atascado. Para seguir subiendo, agrega más empuje y reduce el paso de la hélice para permitir más caballos de fuerza, reduciendo de manera efectiva y pisando el acelerador para seguir con la analogía del automóvil.
@Flak, en mi opinión, sería más informativo y claro para los lectores si dividieras 10 preguntas diferentes en tu publicación y las hicieras por separado. Por lo demás, tema muy interesante.

Respuestas (4)

Una hélice tiene un AoA óptimo, donde la relación empuje/resistencia es más alta. Una hélice variable puede mantener este AoA óptimo en una amplia gama de velocidades, reduciendo así el consumo de combustible. Eso es todo lo que hace.

Las hélices de ala fija tienen el dilema de que en el despegue requieren el máximo empuje, y en vuelos de alta velocidad, el motor deberá reducirse para evitar el exceso de velocidad. La potencia máxima del motor no se puede utilizar a todas las velocidades aerodinámicas.

¿Por qué si aumenta la velocidad aerodinámica, para unas rpm fijas, aumentará el paso de las palas?

Para mantener un AoA óptimo de la hoja. El aumento de la velocidad aerodinámica provoca la reducción del AoA de la pala a paso constante.

En el despegue, desea un empuje/potencia máximos.

Quieres el máximo empuje. Esto se genera haciendo que la hélice gire lo más rápido posible (sin exceder la punta de Mach), con un paso de pala máximo en el que la pala no se detiene. Reducir el paso de las palas para aumentar las RPM da como resultado que no aumente el empuje: Potencia = Empuje * RPM.

Si aumenta el paso de pala en estos regímenes de vuelo, obtiene un AOA más pequeño con respecto al viento.

No hay un AoA más grande. Más empuje y más par en el eje de la hélice.

¿Es más eficiente dar potencia a las palas para mover mayores cargas de aire?

El motor funciona de manera más económica en el RPW donde se genera el par máximo, el control de velocidad de la hélice de velocidad constante quiere mantener esas RPM.

¿una pala generaría más sustentación si tuviera un AOA más alto, pero a expensas de un arrastre adicional en la pala que a su vez requiere más potencia del motor? ¿Es este arrastre inducido porque es un perfil aerodinámico?

Si y si :)

Bien, y a medida que aumenta la velocidad aerodinámica, ¿desea aumentar el cabeceo para mantener un AoA óptimo? ¿Por qué reducir el cabeceo para aumentar el AoA no aumenta el empuje? En ascenso / crucero, ¿necesita menos empuje en general, por lo tanto, por qué no corre a altas RPM? ¿Qué quiere decir con RPM donde se genera el par máximo? ¿El par no es proporcional a la potencia del motor?
@Flak, estas son más propiedades del motor que propiedades de la hélice. Potencia de límite de RPM, por lo que necesita RPM más altas para una potencia más alta, pero causa más desgaste del motor, por lo que desea RPM más bajas cuando no necesita tanta potencia. Los motores de pistón comienzan a perder par más allá de algunas RPM, ya que la carga tarda una parte más larga de la carrera en quemarse, dejando una parte más pequeña para la expansión que hace el trabajo real, por lo que hay RPM donde el par es más alto y allí el motor es más eficiente. Las turbinas tendrían un efecto similar ya que las palas de la turbina tienen un paso fijo, pero generalmente están más limitadas por el desgaste.
@Flak, para la eficiencia de la hélice, si mantiene altas RPM para baja potencia, las palas vuelan a un tono demasiado bajo y generan relativamente demasiada resistencia parásita para el ascensor, por lo que desea reducir las RPM cuando reduce la potencia. Pero si intenta aplicar demasiada potencia a RPM bajas, el paso de las palas se elevará demasiado y las palas funcionarán a un paso demasiado alto, generando demasiada resistencia inducida o incluso deteniéndose. Entonces, para la hélice, las RPM óptimas también son proporcionales a la potencia.
De acuerdo, en el crucero, establece RPM en función de lo que desea que sea su configuración de potencia para mantener la velocidad y ser eficiente al equilibrar la resistencia inducida al parásito. Esto se hace mediante el AoA correcto en los blades, que tienen un AoA preferido más eficiente, ¿verdad? Además, ¿el par y la potencia no son sinónimos? ¿El hecho de que tenga más potencia no significa necesariamente más par? Y las palas que giran lentamente debido a un AoA alto y RPM bajas en el despegue no pueden producir suficiente empuje porque, a pesar de su AoA alto, no tienen mucha velocidad, ¿verdad?
También. Para hélices de paso fijo. ¿Está limitada su velocidad máxima porque el AoA de su pala se vuelve ineficaz a una velocidad de avance demasiado alta a medida que el viento relativo cambia de dirección? Entonces, ¿puede proporcionar un empuje lo suficientemente alto como para superar la resistencia?
@Flak Power consta tanto de torque como de RPM. En las especificaciones para motores de automóviles, por ejemplo, establece una potencia máxima (@ RPM máximas) y un par máximo a RPM más bajas. En las regiones de RPM más altas, el torque disminuye pero el torque * RPM aumenta debido al aumento de RPM.
Sí, las hélices de paso fijo dejan de proporcionar empuje cuando el AoA local llega a cero. La hélice de velocidad constante sigue ajustando el tono.
@Koyovis ¿Es por eso que tener una hoja AoA alta en el despegue es una tontería? ¿Porque está utilizando tanto torque debido a ese AoA más alto y obteniendo pocas RPM de él? Y dado que tienes un viento relativamente lento, ¿ese AoA alto no da tanta sustentación?
Solo tener un paso de pala demasiado alto sería una tontería. Un AoA alto da como resultado un empuje alto y un par alto requerido, y el motor puede girarlo hasta el límite máximo de potencia. Trate de superar eso exigiendo más AoA de pala, y la demanda de torque es demasiado para el motor y las RPM se reducen => se reduce el empuje.
@Flak, tenga en cuenta que una hélice de velocidad constante significa que selecciona las RPM deseadas y el gobernador selecciona el AoA en el que el motor puede girar hasta esas RPM. En el despegue, necesita potencia, por lo que debe establecer RPM altas, pero el AoA aún resulta moderado, porque el motor está produciendo mucha potencia. Y luego el tono aumenta a medida que aceleras para compensar el viento relativo, pero el AoA permanece más o menos igual.

Una cosa importante a tener en cuenta es que el sistema de control de la hélice no tiene idea de cuál es el ángulo de la pala (excepto en los sistemas de modo BETA, que es otro tema completamente diferente). Es un regulador de peso mosca que simplemente mueve las aspas más gruesas, más finas o las mantiene estáticas basándose únicamente en la velocidad del motor, y el ajuste de velocidad de la palanca de hélice simplemente aumenta o disminuye la precarga en un resorte que tiende a mantener los pesos mosca adentro.

El gobernador simplemente sabe: velocidad demasiado rápida, los pesos mosca se mueven hacia afuera, las rutas presionan para mover las palas más gruesas; velocidad demasiado lenta, los contrapesos se mueven hacia adentro, las rutas ejercen presión para mover las palas más finamente. Cuán tosco o cuán fino, el gobernador no lo sabe ni le importa.

Un ángulo de pala específico y AOA es una función del par que produce el motor y el ajuste de velocidad. Habrá un AOA óptimo en cualquier momento, pero dado que no podemos controlar eso específicamente, solo nos preocupan las RPM y dejamos que el ángulo de la cuchilla se ocupe de sí mismo.

Dado que los HP totales son una función de la presión del múltiple y las RPM, puedo usar un rango de diferentes velocidades del motor y aberturas del acelerador para generar los mismos HP. Habrá una configuración de velocidad/MP que dará como resultado aproximadamente ángulos de pala que son óptimos cuando se genera, por ejemplo, un 85 % de potencia y esta sería la configuración de potencia recomendada para un aumento de potencia del 85 % (por lo general, algo así como 25" y 2500 RPM, digamos) Pero puedo usar un RPM más bajo y un MP más alto para generar la misma potencia si quisiera, como 2400 RPM y 26 ", aún generando un 85% de potencia (solo estoy sacando números de mi cabeza con fines ilustrativos aquí).

Hay un viejo dicho que dice que los ajustes "oversquare" (bajo RPM/alto MP) son malos, pero no es realmente cierto a menos que se lleve al extremo. Hay un beneficio al usar RPM más bajas, como 2100 RPM y MP de 25" frente a 2300 y 23" para generar el mismo HP, porque el motor se beneficia más al reducir la velocidad de todas las partes recíprocas. Menos fricción y, por lo tanto, menos calor y, lo que es más importante, la velocidad de los segmentos del pistón y la distancia recorrida es menor para un ajuste de potencia determinado (los segmentos del pistón se desgastan según la distancia recorrida; disminuyan la velocidad y no llegan tan lejos por unidad de tiempo). Las presiones internas de los cilindros son más altas en el cuadrado, pero a menos que las temperaturas sean altas o haya una detonación (un potencial solo en los extremos, como WOT a min RPM) es

Operacionalmente, la principal preocupación es la potencia y las RPM, no la optimización del ángulo de la hoja.

Eche un vistazo a la página 148 de Aerodynamics for Naval Aviators , un gran libro disponible gratuitamente. https://www.faa.gov/regulations_policies/handbooks_manuals/aviation/media/00-80T-80.pdf

Esta imagen del libro muestra cómo la eficiencia de la hélice está relacionada con el paso de las palas y la relación de avance (que es proporcional a la velocidad). La parte superior muestra cómo varía para una serie de tonos fijos.

La parte inferior muestra cómo varía la eficiencia de la hélice para una hélice de velocidad constante, que cambia β para absorber la potencia que sale de la hélice, lo que resulta en una posición de pala que es ideal para esa velocidad en particular.

ingrese la descripción de la imagen aquí

La curva de eficiencia ideal para la hélice de velocidad constante se puede cambiar a través del diseño de la hélice, con la eficiencia máxima en el diagrama potencialmente diseñada para una condición de despegue, crucero, etc.

También tenga en cuenta en el gráfico inferior cómo varía el empuje con la relación de avance (muestra la velocidad en el eje horizontal, pero en realidad es la relación de avance). Para el despegue o el aterrizaje, donde desea tener el máximo empuje disponible y está dispuesto a sacrificar la eficiencia durante un período de tiempo, le gustaría hacer funcionar la hélice con una relación de avance baja. Naturalmente, sucede que a medida que reduce la velocidad, la relación de avance disminuye, pero puede disminuirla aún más aumentando las RPM si tiene un motor en el que las RPM del motor y la hélice no están directamente acopladas (por ejemplo, turbohélice con una turbina N1 y N2). Si ha volado en un Dash-8, notará cómo usan RPM más altas para despegar y aterrizar, y RPM más bajas una vez arriba y lejos. Más empuje disponible en el patrón de aterrizaje, más eficiencia en crucero.

Otra buena referencia es este folleto de McCauley en el que

El profesor Von Kliptip responde a sus preguntas sobre

El SISTEMA DE GOBIERNO DE HÉLICE DE VELOCIDAD CONSTANTE McCAULEY

PARA PRESIÓN SIN CONTRAPESO PARA AUMENTAR EL PASO DE LAS HÉLICES EN AVIONES TÍPICOS DE UN SOLO MOTOR

Al leerlo, uno puede ver el método de resorte/pesos voladores/presión de aceite controla el pistón que determina la cantidad de giro de la hoja.

Las condiciones de Onspeed, Underspeed y Overspeed descritas en las páginas 10, 11 explican cómo se mantiene una velocidad constante (RPM) en condiciones de ascenso y descenso.

Lo siento, no veo una forma de adjuntarlo, tendrás que lidiar con el enlace. La página 6 a la izquierda y la 7 a la derecha le permiten ver el diagrama completo presentado.

https://www.airtreknorth.com/uploads/4/7/2/4/4724302/von_klip_tip_cs_propeller.pdf

(se imprime mejor en 8,5 x 11 cuando se escala para ajustarse a la página).

En una hélice de velocidad constante, ¿cómo se relaciona el paso de las palas con la velocidad aerodinámica y la eficiencia?
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