Por que as pás do suporte não têm o formato de pás do ventilador doméstico?

1) Velocidade no ar, 2) Movimento para frente, 3) Restrições de tamanho. Apenas para começar.

As pás das ventoinhas domésticas são extremamente lentas, por isso precisam de mais acorde para empurrar uma quantidade significativa de ar. As hélices de aeronaves se aproximam da velocidade do som em suas pontas, e o arrasto baixo é fundamental. Todas as coisas são iguais, mais amplitude e menos acorde são mais eficientes. A redução da velocidade no ar dos adereços tem retornos decrescentes, porque as próprias aeronaves avançam no ar, de modo que uma hélice muito grande adiciona resistência à aeronave, por mais lenta que seja.

Nos ventiladores domésticos, as restrições de tamanho são mais críticas que a eficiência. Uma lâmina de palmo alto e acordes baixos (estreita) também seria mais eficiente em um ventilador doméstico - na verdade, você pode encontrar ventiladores domésticos com essas lâminas. Mas eles precisam girar mais rápido para a mesma quantidade de fluxo de ar, o que aumenta o ruído ou têm um diâmetro maior. Os ventiladores de teto, que podem ser maiores, têm pás mais estreitas que os ventiladores de mesa ou de piso.

As hélices dos navios se movem em um meio extremamente denso e viscoso, o que muda ainda mais as coisas. O arrasto de se mover através da água é extremamente alto e proporcional ao V³ em termos de potência. A força de empuxo que eles produzem é no máximo proporcional ao V² e pode ser perdida pela cavitação em alta velocidade. Portanto, a velocidade deles deve ser mantida o mais baixa possível. O custo de arrasto da adição de mais acordes também é relativamente pequeno na água.

Em navios de grande porte, as hélices já são tão grandes quanto podem ser fabricadas sem sair da água com baixo calado (em navios mercantes) ou reduzir o número de eixos que podem caber (em combatentes). Isso lhes permite girar mais devagar e perder menos energia para arrastar.

Alguns ventiladores domésticos têm o formato de hélices de avião, as que precisam movimentar muito ar na velocidade mais alta. Para um determinado motor, eles têm a mais alta eficiência, mas o efeito da ponta os torna barulhentos. Eles são mais adequados para aplicações industriais.

Para dentro da casa da família há outras considerações:

• Silêncio. Melhor se não ouvirmos o ventilador correr.
• Baixa velocidade do ar. Queremos apenas sentir o efeito de resfriamento do ar em movimento, sem que nossos cabelos estejam fora de forma.
• Custo de compra. Este é o que vemos diretamente. Os custos de uso estão ocultos na conta mensal de eletricidade.

Portanto, para esse fim, é melhor uma ponta lenta com muitas lâminas largas.

Eu acho que deveria ser óbvio que uma lâmina de ventilador é basicamente uma asa viajando em círculo. Então a questão é o que faz de uma asa uma boa asa?

Na teoria e na prática (medições de túneis de vento ou medições de consumo de combustível de aviões reais), uma asa longa e fina é significativamente mais eficiente do que uma asa curta e larga. A asa mais eficiente para um determinado aerofólio é na verdade uma com envergadura infinita. Mas como existe apenas um número finito de elétrons no universo, não é possível construir essa asa perfeita. Em vez disso, os engenheiros tentam fazer asas / hélices / pás do ventilador tão longas e magras quanto possível, dadas as limitações dos materiais.

Você verá esse efeito nas pás dos ventiladores domésticos: em situações em que o alcance não é limitado, como ventiladores de teto, as pás tendem a ser longas e finas, em vez de curtas e largas, como as hélices de navios. Então, por que curto e largo? Restrição de espaço.

Quando o ventilador devo caber em uma mesa, você não pode ter lâminas longas do medidor 1. Mas assim que essa restrição for levantada, você verá designers mudarem para pás longas e finas, como o que você pode encontrar em ventiladores industriais de pé ou de parede.

É verdade que existem ventiladores de chão com as mesmas pás que os de mesa, mas isso tem mais a ver com a reutilização de peças e economias de escala do que a aerodinâmica.

Agora, em teoria, você também pode ter uma ventoinha magra e eficiente em uma ventoinha de mesa: basta olhar para as hélices de avião zangão / RC - elas geralmente são muito mais curtas do que as pás das ventoinhas de mesa. Mas você precisará mover as lâminas muito rápido para mover uma determinada quantidade de ar. Isso é muito barulhento (você já viu um drone voar?). Portanto, a segunda consideração é o ruído. Para reduzir o ruído, você move as lâminas lentamente. Uma lâmina lenta não move muito ar, então você aumenta o acorde para ampliá-lo. Isso resulta em uma ventoinha muito ineficiente, mas a eficiência não é sua principal preocupação: você está projetando uma máquina sem movimento, sentada em uma mesa, consumindo energia de um soquete na parede. A redução e tamanho do ruído são mais importantes.

Aprendendo a pilotar e modelar uma lâmina de ventilador, ambos giram no ar, mas a hélice tenta mover o avião, e o ventilador tenta mover o ar.

Como isso se reflete no design? As hélices ficam acima e afastadas dos ventiladores, na medida em que geram sustentação não apenas desviando o ar (sustentação inferior), mas também pelo movimento através do ar (sustentação superior). Isso é melhor explicado pela visualização da curva de sustentação versus AOA de um aerofólio dos graus 0 a 45. A elevação aumentará para parar, depois diminuirá e aumentará novamente até os graus 45. Isso significa que você precisa mover menos ar para obter o mesmo elevador com um aerofólio para parar.

O ventilador é realmente o oposto, a menos que você queira puxá-lo pela sala. A lâmina do ventilador foi projetada para mover o ar, ponto final. O design sensato o tornaria compacto e as lâminas planas finas com um acorde mais amplo seriam boas, como se estivesse apenas procurando uma brisa refrescante em seu produto. Manter o estilo original do ventilador na "antiguidade" pode torná-lo mais valioso.

O preço é a principal razão. Os ventiladores de teto apenas agitam o ar e as pás planas são o caminho mais barato.

As pás do ventilador mais caras podem ter formato de aerofólio e até winglets nas pontas, mas isso é principalmente para mostrar, já que essas pás não têm torção.

A maioria das outras respostas já está correta. Apenas mais um aspecto: comprimento do acorde da lâmina.

Com algo que gira tão rápido quanto uma hélice de avião, as pás precisam ser o mais leves possível, para minimizar as cargas centrífugas. Portanto, é melhor fornecer a eles um comprimento de corda de perfil curto e alta carga de área (quanta força eles produzem por área de superfície da lâmina), o que significa comprimento de corda pequeno e rotação do fluxo comparativamente acentuada, o que exige uma grande diferença de pressão entre a pressão e lado de sucção das pás do ventilador. Para um ventilador de mesa, qualquer plástico velho será forte o suficiente, de modo que essas lâminas possam trabalhar com uma carga superficial muito baixa (comprimento de corda de perfil longo) e girar o fluxo lentamente, com uma pequena diferença de pressão, que é mais silenciosa.

O mesmo se aplica às hélices de navios: como a água é muito densa, a carga estrutural nessas pás é bastante alta. Se você tentasse obter o mesmo impulso de uma hélice com acordes curtos (em raio igual), as pás teriam problemas para transportar as cargas de flexão e a rotação mais acentuada também levaria à cavitação [1] mais rapidamente.

[1]: a cavitação ocorre quando a pressão no lado de sucção de uma hélice subaquática cai tão baixo que a água evapora. Isso efetivamente separa o fluxo, o que reduz a sucção, para que a água recém-evaporada condense novamente, a água volta para onde estava a bolha de vapor ... Isso pode quebrar uma hélice muito rapidamente.

Alguns designs raros parecem mais com uma lâmina de ventilador. o Antonov AN-70 é um bom exemplo disso, com enormes pás de ventilador em seu propfan D-27. o adereços de cimitarra produzem um design bastante eficiente, mas são extremamente barulhentos, o que limita sua usabilidade em muitos aeroportos comerciais.

Crédito da imagem: Por Tangopaso - Trabalho próprio, CC BY-SA 3.0

Alguma discussão adicional pode ser encontrada nesta pergunta:

Quais são as vantagens de mais do que as pás da hélice 4?