Ligar as pás da hélice com um anel contínuo reduz o arrasto induzido?

O que você está falando existe, eles são chamados de Q-Tip Hélices.

Lembre-se de que uma lâmina de hélice é apenas um aerofólio - como uma asa - e a aerodinâmica básica não é diferente de uma asa. Mas a rotação da lâmina cria mais fenômenos do que uma asa, em particular o vórtice helicoidal que se vê por trás do suporte e causa todos os tipos de efeitos de hélice .

Em teoria, nada nos impediria de ter winglets nas pontas dos propósitos: as vantagens seriam

1. Tornar o propulsor mais eficiente reduzindo o arrasto induzido (o mesmo que um winglet em uma asa)
2. Reduzindo o ruído
3. Mantendo a velocidade da ponta da hélice subsônica diminuindo seu comprimento

O grande problema está nas tensões aerodinâmicas e, até onde eu sei, tem havido algumas falhas bastante espetaculares durante os testes, então a solução agora é dar uma maior varredura nas pontas (ver isso como equivalente à ponta da asa 777). em comparação com o 787 por exemplo). Tente encontrar artigos sobre o Hartzell Q-tip .

Como as hélices navais são mais largas e capazes de se desenvolver com maiores tensões de torque, as modernas têm winglets. Você pode encontrar algumas fotos na web.

Como outros apontaram, encaixar o anel no suporte aumentará muito a tensão nas lâminas. O mesmo efeito pode ser obtido com uma mortalha bem ajustada.

De fato, houve um avião que usou esse conceito , o RFB FanTrainer (veja a figura abaixo). Para reduzir o peso e a área molhada, o diâmetro do propulsor era muito menor do que com uma hélice regular, então a eficiência geral não era melhor. No entanto, as inércias giratórias menores produziram um efeito mais semelhante à turbina (menos precessão), de modo que o conceito foi usado para um treinador básico para futuros pilotos de jato.

No final, o FanTrainer teve apenas um sucesso limitado e foi descontinuado depois que 50 foram criados. O projeto era leve demais para suportar todos os desejos das forças aéreas para um instrutor básico, e o mercado privado da época estava encolhendo e cheio de aviões mais antigos que atendiam igualmente bem aos clientes conscientes dos custos. No entanto, oferecia características quase semelhantes a jatos por um preço excepcionalmente baixo por hora de voo.

Em geral, se você quiser proteger melhor a hélice, será necessário aceitar a área de superfície mais alta da cobertura, que rapidamente adicionará mais arraste do que provavelmente economizará ao evitar o fluxo em torno das pontas de sustentação.

O que poderia ser salvo encobrindo o suporte? O arrastamento induzido seria o mesmo, isso vem da criação do elevador . A teoria clássica para hélices de perda induzida mínima por A. Betz e L. Prandtl requer um aumento elíptico distribuição por cima do disco de hélice, de modo que o elevador seja suavemente afunilado nas pontas. Aumentar artificialmente só ajudaria se isso pudesse reduzir o acorde da lâmina nas pontas - uma vez que as pontas veem a pressão dinâmica mais alta, isso poderia de fato se traduzir em menor arrasto de fricção. No entanto, esse ganho é pequeno quando comparado ao aumento maciço na resistência ao atrito de um sudário.

Em altas velocidades, as perdas induzidas são pequenas e outros fatores se tornam dominantes. Note que turbofans e hélices altamente carregadas não são projetados para perda induzida mínima, mas para empuxo máximo com um determinado diâmetro. Uma hélice com cobertura pode desfrutar de um carregamento de disco mais alto, de modo que você obtenha o mesmo empuxo com lâminas menores e velocidades de ponta mais baixas, o que ajudará na eficiência de alta velocidade. Lâminas menores se traduzem em menos perdas por fricção no propulsor, e velocidades menores de ponta se traduzem em maior velocidade de cruzeiro antes que as perdas de Mach comecem a picar.

Assim, em alta velocidade, uma cobertura pode ser útil quando não é muito grande. Motores Turbofan sofrem deste dilema. Eles poderiam ter taxas de desvio muito maiores do que hoje, mas isso significaria imensas naceles, e o aumento do arrasto da nacele compensaria os ganhos do aumento da taxa de desvio. O fluxo de nacelas laminar ativamente é o caminho a seguir aqui, mas até agora a implementação prática ainda não aconteceu.

Um ventilador de duto chega perto do que você está descrevendo, embora o anel ao redor da hélice esteja parado em vez de estar conectado para e girando com a hélice.

A principal vantagem de um ventilador com duto é maior eficiência devido a perdas reduzidas na ponta da hélice (essencialmente induzido pelo arrasto), mas essa vantagem de eficiência é perdida em velocidades mais altas e / ou menor demanda por empuxo.

Em aeronaves "normais", as desvantagens de um ventilador de dutos superam os ganhos de eficiência. Os fãs de dutos são usados principalmente em aeronaves e aeronaves VTOL, como o infame Bell X-22 . Eles também são usados na maioria dos aviões modelo a jato.

As dicas Q e os fãs Ducted são os maiores para resolver os problemas que você está pensando.

A ideia do seu anel seria muito difícil de implementar por várias razões, sendo o peso primário. Um anel de metal por toda a hélice acrescentaria uma quantidade significativa de peso à aeronave, o que provavelmente anularia qualquer ganho de eficiência obtido com a estabilização do fluxo de ar. Além disso, as pontas de uma hélice já estão experimentando vários mil G's em RPMs normais de operação. Isso é aceitável porque o suporte fica continuamente mais leve quando você se aproxima das pontas. Mas se você ligasse um anel de metal pesando algumas dúzias de libras, as forças seriam astronômicas, e seu suporte rapidamente falharia.

Uma segunda questão é que, para termos hélices eficientes, giramos as lâminas levemente para alterar o ângulo em que elas morde o ar. Eles são chamados de propulsores de velocidade constante e já são um pouco complicados. Se você for e adicionar um segundo ponto de giro às pontas de sustentação para que elas possam se mover dentro do anel, você estará apenas adicionando um monte de rolamentos, graxa, peso e outro ponto de falha.

Finalmente, equilibrar o anel provavelmente seria uma tarefa difícil. Primeiro, seu anel teria que ser fabricado com tolerâncias muito precisas, o que seria bastante caro. O menor entalhe no anel (que acontece com freqüência nas hélices) fará com que ele se torne desequilibrado e, no mínimo, exigirá trabalho e, no máximo, poderá fazer com que toda a hélice se desfaça. Esta já é uma preocupação menor para adereços, mas quando você coloca seu disco pesado em um braço longo de seu ponto de apoio, então submeta-o a forças G incrivelmente altas, você está apenas amplificando quaisquer falhas que possa ter.

Para uma perspectiva histórica, algumas pesquisas sobre a Ala do Canal de Culver foram produzidas em 1952-53. Este avião bimotor (pusher) possui dois dutos que não envolvem completamente o propulsor, mas fazem parte da asa. Isso levou a uma capacidade de decolagem extremamente curta porque o fluxo de ar sobre a asa não estava vinculado à velocidade de avanço do solo. Eu diria até mesmo que foi um passo inicial nas capacidades de VTOL dos ventiladores.

Este artigo de Doug Robertson postado em 2005 em airport-data.com contém algumas belas fotos, e um que parece ser um história narrativa bem pesquisada da aeronave.