As hélices desempenham um papel fundamental na propulsão das aeronaves, sendo um dos principais componentes do grupo motopropulsor. Elas são responsáveis por transformar a potência efetiva gerada pelo motor em potência útil, impulsionando a aeronave através do ar.
Neste post exploraremos detalhadamente a estrutura, funcionamento e variações das hélices, além de discutir suas classificações, materiais construtivos e a importância de cada um desses fatores para o desempenho da aeronave.
Compreender o funcionamento das hélices é essencial para aqueles que buscam aprofundar seus conhecimentos em aviação, especialmente no que diz respeito ao seu impacto na eficiência e segurança dos voos.
Hélice
A hélice é um dos principais componentes do grupo motopropulsor, sendo responsável por gerar tração ao converter a potência efetiva do motor em potência útil para a propulsão da aeronave.
Composta por duas ou mais pás, a hélice apresenta um perfil aerodinâmico similar ao das asas das aeronaves. Cada pá é subdividida em diferentes estações, o que facilita a identificação dos perfis aerodinâmicos e dos ângulos de torção, que variam da raiz até a ponta das pás.
O fabricante da hélice seleciona uma dessas estações como ponto de referência para determinar o “Ângulo da Pá” da hélice, um parâmetro crucial para o seu desempenho.
Passo das Hélices
Devido à torção das pás, se uma hélice pudesse girar em um meio sólido, como a madeira, ela agiria de maneira semelhante a um parafuso, avançando uma certa distância a cada rotação completa.
Essa distância teórica, que a hélice percorreria em uma única rotação em um meio sólido, é conhecida como passo (“pitch”, em inglês) e constitui uma parte fundamental das especificações técnicas da hélice. O passo é um dos fatores determinantes para a eficiência da propulsão, influenciando diretamente o desempenho da aeronave.
As hélices das aeronaves descrevem trajetórias em espiral, cujas características variam de acordo com a velocidade do voo e a rotação da hélice. Isso é ilustrado nas seguintes condições:
As ilustrações indicam que o ângulo de ataque das pás da hélice se altera em função da velocidade da aeronave e da rotação da hélice. Para assegurar um ângulo de ataque otimizado, geralmente entre 2 a 5 graus, em todas as fases do voo, é necessário que as pás da hélice sejam ajustáveis, permitindo a modificação do ângulo durante o voo.
Entretanto, esse tipo de hélice, que possibilita o ajuste do ângulo em tempo real, tende a ser mais pesado, complexo e caro. Existem, contudo, alternativas que podem ser consideradas, como será discutido a seguir.
Classificação das Hélices quanto à Variação do Passo
As hélices podem ser classificadas de acordo com a capacidade de variação do passo, conforme descrito abaixo:
a) Hélice de Passo Fixo
b) Hélice de Passo Ajustável Manualmente
c) Hélice de Passo Variável
- Aerodinâmica
- Automática
- Hidromática
- Elétrica
Hélice de Passo Fixo: Trata-se de um componente geralmente monobloco, projetado para operar com eficiência ideal apenas nas rotações e velocidades específicas para as quais foi originalmente concebido.
Hélice de Passo Ajustável: O ângulo das pás dessa hélice pode ser modificado enquanto a aeronave está em solo, utilizando ferramentas específicas para realizar o ajuste necessário.
Hélice de Passo Variável (Manual): Nesse tipo de hélice, o ajuste do passo é realizado manualmente pelo piloto durante o voo. Em algumas configurações, existem apenas duas opções de ajuste: passo mínimo e passo máximo.
No entanto, em outros modelos, o passo pode ser ajustado de forma contínua entre esses extremos. O mecanismo de ajuste geralmente utiliza a pressão hidráulica proveniente do sistema de lubrificação do motor para aumentar o passo, enquanto a redução é controlada pela força centrífuga de contrapesos.
Hélice de Passo Variável (Automático): Comumente referida como “Hélice de Passo Controlável” ou “Hélice de Velocidade Constante”, essa hélice se diferencia por seu mecanismo de controle automático.
Ela é equipada com um governador que regula a rotação do motor de forma autônoma, mantendo-a constante, independentemente das variações de carga ou condições de voo.
Governador – O dispositivo conhecido como governador é responsável por regular o passo da hélice, garantindo a manutenção de uma rotação constante do motor. Funciona da seguinte maneira: caso a rotação aumente, o governador ajusta o passo da hélice para uma configuração mais difícil de girar, o que faz com que o motor retorne à rotação desejada.
Da mesma forma, se a rotação do motor diminuir, o governador ajusta o passo da hélice para facilitar o giro, permitindo que a rotação aumente novamente até atingir o valor estabelecido.
As hélices com passo controlável podem ser classificadas em aeromáticas, hidromáticas ou elétricas. Entretanto, as hélices aeromáticas, que utilizam ar comprimido, não foram amplamente desenvolvidas e, por essa razão, o foco do estudo recairá sobre as hélices hidromáticas e elétricas.
Hélices Hidromáticas – As hélices hidromáticas são dispositivos de passo controlável que operam automaticamente utilizando a pressão do óleo lubrificante do motor. Esse tipo de hélice é mais comumente utilizado em comparação às hélices elétricas.
O sistema inclui um cilindro atuador hidráulico localizado dentro do cubo da hélice, enquanto o governador, responsável pelo controle do passo, é instalado no motor.
Hélices Elétricas – As hélices elétricas são controladas por meio de um governador elétrico, que atua através de um atuador elétrico localizado no cubo da hélice. No passado, esses governadores eram frequentemente associados a incidentes de disparo da hélice, onde falhas no sistema resultavam na redução do passo da hélice, levando a uma rotação excessiva e, em alguns casos, à destruição da hélice.
No entanto, com o avanço da tecnologia, os governadores elétricos foram significativamente aprimorados e, atualmente, são utilizados de forma segura e confiável.
Nomenclaturas de Ângulos da Pá
Existem diferentes ângulos de inclinação das pás da hélice, cada um com uma função específica, sendo denominados como Passo Chato, Bandeira e Reverso. A seguir, apresentamos uma breve descrição dessas configurações:
Passo Bandeira: Neste ângulo, as pás da hélice ficam alinhadas paralelamente ao fluxo de ar. Essa configuração é utilizada para minimizar o arrasto aerodinâmico quando o motor está inoperante durante o voo, contribuindo para uma redução da resistência ao avanço da aeronave.
Passo Chato: Aqui, o ângulo das pás é nulo ou próximo de zero. Essa configuração pode ser empregada no solo, com o motor em marcha lenta, permitindo a manutenção da rotação sem gerar tração significativa. Quando utilizado em voo, o Passo Chato pode gerar uma tração negativa.
Passo Reverso: O ângulo das pás é ajustado para uma posição negativa, o que inverte a direção da tração. Esse ajuste é crucial durante a fase de pouso, sendo utilizado para auxiliar na desaceleração da aeronave após o toque na pista.
Essas diferentes configurações de ângulo das pás da hélice são essenciais para o controle e a eficiência das operações da aeronave em diversas fases do voo, especialmente em situações críticas como o pouso e a falha de motor.
Materiais e Aspectos Construtivos das Hélices
Na construção de hélices aeronáuticas, são utilizados diversos materiais, selecionados com base em suas propriedades mecânicas e em considerações de desempenho. Os materiais mais comumente empregados incluem ligas de alumínio, madeira, fibras de carbono e Kevlar® (também conhecidos como “compósitos”, em inglês).
A escolha do material da hélice é crucial para o desempenho geral da aeronave, influenciando diretamente sua eficiência, durabilidade e custo operacional.
O estudo das hélices revela a complexidade e a importância desse componente vital para a aviação. Desde a aerodinâmica das pás até os materiais utilizados em sua construção, cada aspecto da hélice contribui diretamente para a eficiência, segurança e desempenho das aeronaves.
Com as inovações tecnológicas, as hélices evoluíram para oferecer maior controle e adaptabilidade, como observado nas hélices de passo variável e nas opções automáticas.
Para profissionais da aviação, entender essas nuances é crucial, pois permite uma melhor aplicação dos conhecimentos técnicos em operações reais, garantindo que a aeronave opere de maneira otimizada em todas as fases do voo.
