Anais do 14O Encontro de Iniciao Cientfica e Ps-Graduao do ITA XV ENCITA / 2009 Instituto Tecnolgico de Aeronutica, So Jos dos Campos, SP, Brasil, Outubro, 19 a 22, 2009.

Projeto Preliminar de Rotor de Cauda

Alexandre Guilger Despontin alexandre.gd@hotmail.com

Donizeti de Andrade deandradedoni@gmail.com

Curso de Engenharia Aeronutica

Instituto Tecnolgico de Aeronutica (ITA) 12228-900 So Jos dos Campos, SP, Brasil

Bolsista PIBIC-CNPq

Resumo: Este artigo apresenta as consideraes iniciais que deve ser feitas para o projeto preliminar de um rotor de

cauda, assim como a ligao K.

Palavras chave: Rotor de Cauda, Helicptero, Ligao K

1. Introduo

O rotor de cauda o responsvel pela estabilidade direcional do helicptero, principalmente em baixas velocidades. Seu funcionamento se assemelha ao rotor principal, entretanto, existem diferenas. Ele precisa produzir trao tanto negativa quanto positiva independente da direo do vento que chega a ele.

So conhecidos trs tipos de rotores: Convencional, Fenestron (fan-in-fin)e NoTaR.

O convencional utilizado na grande maioria dos helicpteros, entretanto representa um perigo de coliso com as pessoas no solo, pois a rotao das ps muito elevada e, na maioria dos casos, no possvel v-las.

O Fenestron (ou fan-in-fin) tem essencialmente o mesmo conceito do rotor de cauda convencional (ps que giram e produzem trao), mas difere do convencional no nmero de ps e por se situar num envoltrio que faz parte do estabilizador vertical. A vantagem desse sistema a reduo do arrasto induzido gerado pelas ps devido ao envoltrio, melhorando assim a eficincia aerodinmica, reduzindo arrasto, rudo e vibrao.

O NoTaR, abreviatura de No Tail Rotor um sistema fan-in-boom. Um fan gera ar comprimido que forado a sair por aberturas ao longo do cone de cauda e por um direcionador de fluxo, na extremidade do helicptero, gerando assim a fora antitorque e trao para o controle de guinada.

Fig 1. Rotor Convencional Fig 2. Rotor Fenestron

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Fig 3. Rotor NoTar (McDonnell Douglas, 1989)

Neste artigo tratado o projeto preliminar de um rotor de cauda convencional.

2. Localizao

O rotor de cauda pode ser instalado como tractor ou pusher. Segundo Prouty (R. W. Prouty, 1986), testes mostram que a configurao pusher mais efetiva pois sofre menos interferencia com a empenagem vertical.

A posio longitudinal e vertical do rotor de cauda em relao ao rotor principal influencia na interferncia entre os dois rotores. Quanto maior for a distncia entre eles, menor ser essa interferncia.

3. Sentido de Rotao

Segundo Prouty (R. W. Prouty, 1986), estudos recentes provam que o sentido de rotao, na qual a p do rotor de cauda londitudinalmente mais prxima do rotor pincipal sobe, alivia a instabilidade associada formao de anis de vortex (gerados pelo rotor principal) em voo lateral.

4. Dimetro

Rotores de cauda com grande dimetro possuem as vantagens de necessitar de menos potncia em voo pairado, de ter maior controle direcional e maior estabilidade em voo a frente, enquanto que rotores com pequeno diametro possuem as vantagens de ser mais leve, de ter menor arrasto e de facilitar o posicionamento do c.g. do helicptero.

Aeronaves existentes tendem a seguir a Equao (1) que relaciona a razo entre o dimetro do rotor de cauda (DT) e o dimetro do rotor principal (DM) com o valor da carga no disco do rotor principal (DLM)

DT / DM =1 / (7,15 - 0,27.DLM) (1)

5. Velocidade da Ponta da p

A velocidade da ponta da p influencia diretamente dois fatores: rudo e peso. Velocidades maiores geram maior rudo e possuem menor peso que as menores. Tambm existem problemas aerodinmicos associados com a velocidade, o Mach em altas velocidades e o stall em baixas.

Tipicamente so utilizados valores de velocidades de ponta de p de 600 ft/s a 750 ft/s.

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6. Aeroflio

A escolha do aeroflio para a p do rotor de cauda importante pois um dos nicos fatores que pode reduzir as caracateristicas adversas de um rotor de grande trao. So elas: necessidade de muito torque no rotor, elevado peso estrutural e sensibilidade com rajadas. A principal caracterstica requerida para o perfil um elevado Clmax para o nmero de Mach e Reynolds utilizados. Baixo coeficiente de arrasto desejado entretanto, as caractersticas de stall so mais importantes. Coeficiente de momento zero ou pequeno so usualmente utilizados, mas valores maiores podem ser utilizados.

7. Nmero de Ps

O nmero de ps influencia no custo e no rudo da aeronave. Enquanto menores nmero de ps so mais baratas na produo e na manuteno, maiores nmeros de ps reduzem a fora aerodinmica em cada p, aliviando as diferenas de presses, produzindo um rudo menor.

8. Toro

Valores negativos de toro nas ps so utilizados para o rotor de cauda, para aumentar o carregamento ao longo da envergadura. Para voo pairado e a baixas velocidades, a toro reduz o torque necessrio no rotor de cauda para elevadas traes, enquanto que para altas velocidades, a toro no vantajosa. Portanto, para helicpteros de baixa velocidade, a toro deve ser considerada.

9. Controle de Pitch

O passo coletivo do rotor de cauda deve ser tal que possa fornecer uma capacidade de balancear o torque do rotor e permitir um adequado controle em todo o envelope de vo da aeronave. Tipicamente so utilizados valores de -15 a 20.

10. A ligao K

Para reduzir o efeito do batimento em um rotor de cauda utilizado um dispositivo conhecido como ligao

K ou delta trs ( 3d ). O clculo correto do ngulo utilizado por ele reduz a amplitude do batimento, o que possibilita a reduo na distncia entre o rotor e o cone de cauda do helicptero.

O efeito de uma ligao K no batimento de um rotor de cauda similar a um sistema mecnico livre como apresentado na Fig 4.

Fig 4. Sistema massa-mola com amortecimento

A equao clssica do movimento para esse sistema a mostrada na Equao (2):

sin( )Mx Cx Kx F t+ + = W&& & , (2)

C

F

K x

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onde M est relacionado com a massa, C com o amortecimento, K com a constante da mola e F com a fora. A soluo do tipo:

sin( )x A t f= W - , (3)

onde:

2tan

KC

MK M

f =- W

(4)

( ) ( )2 22

FMA

K M C=

- W + W (5)

Para ser possvel reduzir a distncia entre o rotor e o cone de cauda preciso que no momento em que o rotor bip esteja na horizontal a amplitude do batimento seja mnima. A Fig 10.2 esquematiza o rotor e o cone de cada:

Fig 5. Vista superior do cone de cauda

Segundo Gaffey (Troy M. Gaffey, 2000), para um rotor bip, a equao que descreve o movimento a

seguinte:

22 2

32

81 1 tan sin( )

8 8 9 3HKI I I I t

Ig g g

b b m d b mq W + W +W + + + = W W

&& &

com:

b = ngulo de batimento

I = Momento de inrcia do rotor no baitmento

W = Freqncia de rotao do rotor

g = Lock Number

HK = Flapping spring

Cone de cauda

Rotor Wb

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m = Fator de avano do rotor

3d = ngulo 3d

q = ngulo de passo coletivo do rotor

Portanto, sua fase e sua amplitude mxima so:

232

8tan8

1 1 tan 18 9

H

I

KI

I

g

fg m d

= + + + - W

2 22

32

3

81 1 tan 1

8 9 8H

AK

I II

g mq

g gm d

= + + + - + W

11. Agradecimentos

Ao inestimvel professor e orientador Donizeti de Andrade por seu apoio e dedicao, durante esse ano como orientador.

Ao CNPq pela oportunidade de realizao desse trabalho, o que possibilitou um grande aprendizado e contato com trabalhos acadmicos.

12. Referncias

Lynn, R. R.; Robinson, F. D.; Batra, N. N.; Duhon, J. M. e Bell Helicopter Company; Tail Rotor Design, Maio

1969.

Prouty, R. W.; Helicopter Aerodinamicsn. Revista Rotor and Wing International

Vieira Cruz, Ronaldo; Fundamentos da Engenharia de Helicpteros e Aeronaves de Asas rotativas. Instituto

Tecnolgico de Aeronutica.

Prouty, R. W.; Helicopter Performance, Stability, and Control, Krieger Publishing Company, 1986