Minha explicação de como funciona uma hélice de velocidade constante sempre foi um pouco instável. Eu sei sobre a "mola do acelerador", "contrapesos" e como ela utiliza a pressão do óleo do motor, mas eu adoraria saber de um diagrama e explicação simples e fácil de entender que eu possa usar para realmente entender e depois ensiná-lo a outras pessoas?
Antes de começarmos, devo mencionar que as hélices de velocidade constante mais básicas eram acionadas equilibrando a pressão do ar e a força centrífuga. As lâminas foram modeladas dessa maneira ou equipadas com um contrapeso que faria com que a lâmina se movesse intrinsecamente para um tom raso. No entanto, quando o ar era movido sobre a lâmina, começava a sobrecarregar o contrapeso e empurrava a lâmina para um passo mais alto. É um design bastante engenhoso que significava que o suporte estaria automaticamente em alta rotação quando o avião estivesse se movendo lentamente (decolagem, aterrissagem, escalada) e mudaria automaticamente para um tom mais alto quando o avião acelerasse para o cruzeiro. Existe até uma hélice de pá única que utilizou esse projeto com muita eficiência em aeronaves leves. O problema é que esse tipo de hélice não é ajustável pelo piloto, e suponho que você esteja se perguntando sobre adereços ajustáveis, e é sobre isso que falaremos daqui em diante.
Na primeira foto, observe que a válvula piloto está apoiada diretamente nos pesos volantes (separados por um rolamento). A segunda figura ilustra melhor o sistema de válvulas. Então, vemos que a mola do acelerador está empurrando para baixo na parte superior do eixo da válvula piloto, que por sua vez está apoiada nos pesos volantes.
Primeiro, os pesos do volante são girados pelo eixo de manivela, de modo que qualquer alteração nas RPMs do motor é reagida imediatamente.
Existem algumas maneiras pelas quais a hélice é acoplada ao pistão, e um sistema de engrenagem do tipo rack e pinhão é comum e fácil de imaginar. O rack é fixado ao pistão para que, quando ele se mova, o pinhão da lâmina do suporte seja girado e, assim, a lâmina seja girada. Outro tipo comum usa uma estaca deslocada do centro da base circular da lâmina. Quando o pistão se move, ele empurra ou puxa o pino e, como o pino está deslocado, faz com que a lâmina torça.
Quando as RPMs aumentam, a força centrífuga faz com que os pesos volantes desejem se espalhar para preservar o momento. Como estão em forma de L e têm uma dobradiça no canto, isso faz com que a parte inferior se levante, puxando a válvula piloto para cima e comprimindo a mola do acelerador. Quando a válvula piloto é elevada, é permitido que o óleo pressurizado da bomba flua para o cubo do suporte através de um tubo que passa pelo centro do pistão do cubo. O óleo preenche uma cavidade na frente do pistão, empurrando-o para trás. A lâmina do suporte é girada para um passo mais alto (mais próximo à pena), o que diminui a rotação do motor. Quando a RPM é reduzida, os pesos de mosca ficam com menos força centrífuga e a mola do acelerador os empurra de volta ao equilíbrio (na velocidade), empurrando a válvula piloto de volta para baixo para impedir que o tubo de óleo do cubo gere ou perca óleo.
Quando as RPMs diminuem, há menos força centrífuga atuando nos pesos volantes. Devido à sua forma, conforme descrito anteriormente, eles não são mais capazes de empurrar a mola do acelerador com a mesma força que antes, portanto, a mola comprimida começará a se expandir. Isso coloca o topo dos pesos livres e o fundo deles para baixo. Quando o fundo se move para baixo, a válvula piloto também se move para baixo e destrava o tubo de óleo do cubo. A pressão positiva do óleo no cubo e a tendência interna das pás de querer mudar para um passo baixo empurram o óleo para fora do cubo e de volta ao sistema de óleo. O pistão se move para frente e as pás giram para uma condição de passo baixo. Os pesos volantes não retornam necessariamente ao equilíbrio, especialmente se você definir manualmente a mola para a compressão máxima com a alavanca do suporte: você deseja que o suporte permaneça no passo mínimo, não importa o que aconteça.
A pressão do óleo está constantemente pressionando o fundo da válvula piloto, tentando forçá-la para cima. A mola do acelerador está resistindo e, enquanto os pesos de mosca estão na velocidade, todo o sistema está em equilíbrio com a válvula bloqueando o tubo do cubo. Quando você perde a pressão do óleo, essa pressão não está mais segurando a válvula e a mola do acelerador vencerá, empurrando a válvula para baixo e permitindo que o óleo flua para fora do cubo. Isso redefine o suporte para a configuração de subida em tom baixo, fornecendo potência máxima, porque é mais útil que a velocidade máxima na situação de emergência que provavelmente está prestes a ocorrer.
Todas as hélices são colocadas em um campo. Teoricamente, uma hélice é lançada para avançar uma certa distância a cada rotação, como um parafuso movendo-se através da madeira. Mas, diferentemente da madeira, o ar é fluido e difícil de manusear. Se você imaginar parafusar um parafuso em uma placa, a única maneira de fazê-lo entrar mais rápido é transformá-lo mais rápido. Isso ocorre porque o passo do parafuso é fixo. Se você pudesse espaçar os degraus do parafuso (aumentar o passo), o parafuso passaria pela madeira mais rapidamente, mas seria muito mais difícil girar.
A hélice de um avião funciona da mesma maneira. Quando decolamos pela primeira vez, precisamos transmitir potência máxima ao ar e não importa se não avançarmos muito longe a cada revolução, porque não estamos indo muito rápido de qualquer maneira. Nós apenas queremos mover o máximo de ar possível. Mas chegaremos a um certo ponto em que a única maneira de acelerar é aumentar o número de rotações de hélices, e isso é impraticável com nossos motores. A única alternativa é alterar o tom da lâmina. Nós mudamos para um tom que nos permite avançar uma distância maior a cada revolução, em troca de menos energia sendo transmitida ao ar a cada revolução. Felizmente, não precisamos bombear tanta energia, apenas o suficiente para nos impedir de diminuir a velocidade.
Se você gosta de números, imagine que temos um motor e uma hélice que teoricamente (com eficiência perfeita) avançam o pé 1 a cada revolução e podem fazer a rotação 1 por segundo, proporcionando uma velocidade de avanço máxima de pé 1 por segundo. Isso é perfeitamente bom quando estamos decolando: podemos estar avançando a 0.5 fps, e temos um pouco de ar soprando para trás a um 0.5 fps. Quando, quando nivelamos o cruzeiro, estamos paralisados no 1 fps. Mas queremos usar o 3 fps e sabemos que nossa estrutura pode lidar com isso. A opção mais fácil é ligar o motor três vezes mais rápido, mas infelizmente isso faria com que alguns pistões escapassem da capota. Portanto, temos que mudar o tom do suporte para um que avance os pés 3 a cada revolução, dessa forma ainda está girando na mesma taxa, mas nos moverá adiante três vezes mais. Ou, mais provavelmente, ainda estamos indo para o 1 fps, mas apenas o 1 / 3 RPM e queimando o combustível 1 / 3! É aqui que você pode ver o problema: se estamos queimando o combustível 1 / 3, estamos apenas fornecendo energia ao 1 / 3 no ar através do suporte, e não há como subir ou acelerar rapidamente (se em todos) nessa configuração.
Uma maneira final de pensar sobre isso é como as engrenagens de um carro. Sua transmissão permite que você, no 1500RPM, vá 10mph ou 60mph ou qualquer velocidade intermediária. O problema é que, se você tentar acelerar do 10mph para o 60mph enquanto mantém o 1500RPM, levará muito mais tempo do que se você aumentasse para o 2500RPM. Engrenagens altas são ótimas para cruzeiro e manutenção velocidade, mas não são ótimos para acelerar. Eles permitem que você mantenha seus RPMs baixos, seu torque baixo e seu combustível queimem baixo, porque você não precisa dessa energia extra. Um tom alto é exatamente o mesmo.
Eles são exatamente o oposto de solteiros. Onde os solteiros requerem pressão positiva do óleo para aumentar o passo da lâmina, os multis exigem pressão positiva para diminuí-lo. Isso ocorre porque, em um multi, você deseja que a hélice aplique automaticamente se perder a pressão do óleo (devido a uma falha do motor). Isso remove uma quantidade significativa de arrasto desse lado da aeronave.
Eles são equipados com uma mola ou uma carga de nitrogênio no cubo pressurizado, empurrando o pistão do cubo de volta para a posição emplumada. O regulador do hélice funciona da mesma maneira, mas a válvula piloto direciona o óleo para empurrar contra a parte traseira do pistão, movendo-o para a frente e comprimindo a mola / nitrogênio, movendo o hélice para um passo mais baixo.
Alguns também estão equipados com um acumulador de não embaçamento. Trata-se de uma garrafa com um piton no topo (também carregado com nitrogênio) que se enche de óleo quando o motor está funcionando. Quando você tira o suporte de alta RPM, a garrafa é selada do resto do sistema. Se você perder a pressão do óleo, a hélice ficará como deveria, mas ainda haverá óleo pressurizado no acumulador. Dessa forma, se você conseguir resolver os problemas do motor, poderá empurrar a alavanca do propulsor para a frente, abrir a válvula no acumulador e o nitrogênio pressurizado forçará o óleo para fora da garrafa a colocar todo o sistema sob pressão positiva por alguns segundos. Essa pressão positiva move o pistão do cubo para frente e desembainha o suporte.
Agora você pode pensar: "Se multis penas quando perdem a pressão do óleo, por que todos os gêmeos na rampa estão sentados lá com adereços de baixa frequência?" Bem, eles têm pinos de travamento centrífugos que desaparecem quando a rotação do motor é alta o suficiente. Se ficar baixo, eles cairão novamente em uma ranhura ao redor do pistão do cubo ou de seu eixo e travarão em um estado de baixa frequência. No entanto, este não é um sistema à prova de idiotas, porque os pinos aderem e sabe-se que as pessoas desligam o motor com a alavanca de propulsão menor que a frente. Nesse caso, você precisa de alguns caras fortes para torcer manualmente o suporte, ou precisa desperdiçar uma parte da vida preciosa do seu acionador de partida, ligando o motor para criar pressão de óleo para desamarrar o suporte. A maioria dos motores não pode dar partida em um estado emplumado, devido ao enorme arrasto das pás sendo perpendicular ao seu sentido de rotação.
Embora possa variar de motor para motor, os turboélices usam sistemas semelhantes aos de aeronaves multimotores, mas com pressões muito mais altas e com a capacidade de entrar no modo beta (passo reverso). Isso introduz problemas principalmente porque o motor irá acelerar rapidamente demais com o passo da lâmina é 0 e o suporte não está gerando empuxo / carga. Não vou tentar explicar porque nunca trabalhei com um. Esse cara parece fazer um bom trabalho, no entanto.