Em uma hélice de velocidade constante, como o passo da lâmina está relacionado à velocidade e à eficiência do ar?

Uma hélice possui um AoA ideal, onde a razão empuxo / arrasto é mais alta. Um suporte variável pode manter esse AoA ideal em uma ampla faixa de velocidades, reduzindo assim o consumo de combustível. É tudo o que faz.

As hélices de asa fixa têm um dilema de que, na decolagem, exigem impulso máximo e, em vôo de alta velocidade, o motor precisará ser acelerado para trás para evitar a velocidade excessiva. A potência máxima do motor não pode ser utilizada em todas as velocidades do ar.

why is it that if airspeed increases, for a fixed rpm, your blade pitch will increase?

Para manter a lâmina ideal AoA. O aumento da velocidade do ar causa a redução do AoA da lâmina em passo constante.

On takeoff, you want max thrust/power.

Você quer um impulso máximo. Isso é gerado fazendo a hélice girar o mais rápido possível (não excedendo a ponta Mach), com um passo máximo da lâmina em que a lâmina não pára. Reduzir o passo da lâmina para aumentar a RPM resulta em nenhum aumento na pressão: Potência = Pressão * RPM.

If you increase the blade pitch in these flight regimes, you get a smaller AOA with respect to wind

AoA maior. Mais impulso e mais torque no eixo da hélice.

Is it more efficient to give power to blades to move larger loads of air

O motor funciona mais economicamente no RPW, onde o torque máximo é gerado, o controle de velocidade do hélice de velocidade constante deseja manter esse RPM.

would a blade generate more lift if it had a higher AOA, but at the expense of additional drag on the blade which in turn requires more engine power? Is this drag induced drag because it's an airfoil?

Sim e sim :)

Uma coisa importante a ter em mente é que o sistema de controle da hélice não tem idéia de qual é o ângulo da lâmina (exceto nos sistemas no modo BETA, que é outro tópico completamente). É um regulador de peso de mosca que apenas move as lâminas mais grosseiras, mais finas ou as mantém estáticas com base puramente na velocidade do motor, e a configuração de velocidade da alavanca de suporte está apenas aumentando ou diminuindo a pré-carga em uma mola que tende a manter os pesos de mosca.

O governador apenas sabe: Acelere muito rápido, os pesos voam para fora, direciona a pressão para mover as lâminas mais grossas; velocidade muito lenta, os pesos de mosca se movem, direciona a pressão para mover as pás mais finamente. Quão grosseiro ou bom, o governador não sabe nem se importa.

Um ângulo específico da lâmina e AOA é uma função do torque que o motor está produzindo e da configuração da velocidade. Haverá alguma AOA ideal a qualquer momento, mas como não podemos controlar isso especificamente, estamos preocupados apenas com o RPM e deixamos o ângulo da lâmina cuidar de si mesmo.

Como o HP total é uma função da pressão do coletor e da RPM, posso usar uma variedade de diferentes velocidades do motor e aberturas do acelerador para produzir o mesmo HP. Haverá uma configuração de velocidade / MP que resulta aproximadamente em ângulos da lâmina que são ótimos ao obter, digamos, potência de 85% e essa seria a configuração de potência recomendada para a subida de potência 85% (normalmente algo como as linhas de 25 "e dizem as RPM 2500) Mas eu posso usar uma RPM mais baixa e um MP mais alto para obter a mesma potência, como eu quero, como 2400 RPM e 26 ", ainda ganhando a potência 85% (estou apenas tirando números da minha cabeça para fins ilustrativos aqui).

Existe uma serra antiga que diz que configurações "quadradas" (baixa RPM / MP alta) são ruins, mas não é realmente verdade, a menos que seja levada ao extremo. Há um benefício em usar RPM mais baixo, como 2100 RPM e 25 "MP vs 2300 e 23" para produzir o mesmo HP, porque o mecanismo mais se beneficia da lentidão de todas as peças alternativas. Menos atrito e, portanto, menos calor, e muito importante, a velocidade do anel do pistão e a distância percorrida são menores para uma determinada configuração de potência (os anéis do pistão se desgastam com base na distância percorrida; diminua a velocidade e eles não vão tão longe por unidade de Tempo). As pressões internas do cilindro são maiores em excesso no quadrado, mas a menos que as temperaturas estejam altas ou haja detonação (um potencial apenas nos extremos, como WOT a min RPM), isso não é importante (os motores sobrealimentados passam a vida inteira loucamente no exterior).

Operacionalmente, é a potência e o RPM que são a principal preocupação, não otimizando o ângulo da lâmina.

Dê uma olhada na página 148 de Aerodinâmica para aviadores navais, um ótimo livro disponível gratuitamente. https://www.faa.gov/regulations_policies/handbooks_manuals/aviation/media/00-80T-80.pdf

Esta figura do livro mostra como a eficiência do suporte está relacionada ao passo da lâmina e à taxa de avanço (que é proporcional à velocidade). O topo mostra como isso varia para uma série de arremessos fixos.

A parte inferior mostra como a eficiência do suporte varia para um suporte de velocidade constante, que muda $ \ beta $ absorver a energia que sai do suporte, resultando em uma posição de lâmina ideal para essa velocidade específica.

A curva de eficiência ideal para o suporte de velocidade constante pode ser alterada através do design do suporte, com o pico de eficiência no gráfico potencialmente projetado para uma condição de decolagem, cruzeiro, etc.

Observe também no gráfico inferior como impulso varia com a taxa de avanço (mostra a velocidade no eixo horizontal, mas é realmente a taxa de avanço). Para decolagem ou aterrissagem, onde você deseja o máximo de empuxo disponível e está disposto a sacrificar a eficiência por um período de tempo, gostaria de executar o suporte com uma baixa taxa de avanço. Acontece naturalmente que, à medida que você desacelera, a taxa de avanço diminui, mas você pode diminuí-la ainda mais, aumentando a RPM se tiver um motor em que a RPM do motor e do propulsor não esteja diretamente acoplada (por exemplo, turboélice com uma turbina N1 e N2). Se você voou em um Dash-8, notará como eles usam uma RPM mais alta para decolagem e pouso e uma RPM mais baixa uma vez para cima e para longe. Mais impulso disponível no padrão de pouso, mais eficiência no cruzeiro.

Outra boa referência é este livreto de McCauley, no qual

Professor Von Kliptip Answers Your Questions About

The McCAULEY CONSTANT SPEED PROPELLER GOVERNING SYSTEM

FOR NON-COUNTERWEIGHTED PRESSURE TO INCREASE PITCH PROPELLERS ON TYPICAL SINGLE ENGINE AIRCRAFT

Ao lê-lo, pode-se ver que o método de pressão da mola / peso do volante / óleo controla o pistão que determina a quantidade de torção da lâmina.

As condições de velocidade, subavaliação e sobrevelocidade descritas nas páginas 10, 11 discutem como a velocidade constante (RPM) é mantida nas condições de subida e descida.

Desculpe, não vejo uma maneira de anexá-lo, você terá que lidar com o link. A página 6 à esquerda e a 7 à direita permitem ver o diagrama inteiro apresentado.

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

(imprime melhor no 8.5 x 11 quando dimensionado para caber na página).