Por que existem tantas formas diferentes de hélice?

O melhor design depende do seu objetivo. Isso muda com as condições de operação:

Melhor relação potência / empuxo

Para hélices levemente carregadas, isso seria uma perda mínima induzida. Estas são as hélices em aviões, moinhos de vento ou motoplanadores movidos a humanos. A perda induzida mínima é obtida distribuindo-se elipticamente a circulação através do disco da hélice, e uma consequência típica é uma pequena corda perto das pontas e um baixo número de pás da hélice. Se você quer pesquisar mais, eu recomendo brincar com XRotor por Mark Drela (e talvez lendo esta ). Mark o usou para projetar a hélice MLE (abaixo, foto da NASA EC87-0014-8) e Dedalus .

Empuxo máximo em alta velocidade

As hélices altamente carregadas, que podem ser encontradas em grandes aeronaves turboélice, estão menos preocupadas com a perda induzida, mas precisam lançar o máximo de empuxo possível com uma área de propulsão limitada. O diâmetro é restrito para limitar as velocidades das pontas, e as pontas são tipicamente levemente supersônicas. Para limitar os picos de sucção nas pás, o coeficiente de sustentação local precisa ser baixo, o que é obtido aumentando-se o acorde e o número de pás. Cada vez mais, agora a varredura da ponta também é usada, mas isso aumenta as cargas de torção nas lâminas e leva à distorção na operação. Um exemplo extremo é o pilar P-27 no eixo de turbina D-27 do transporte An-70 (abaixo, foto por Marina Lystseva).

Hélices de navio

Hélices submarinas

Para submarinos, adicione mínima emissão de ruído às metas de design. O calado mínimo não é uma preocupação, portanto, as pás da hélice são menos grossas. Sua varredura distribui o corte através do leme ao longo do tempo, o que ajuda muito a reduzir o ruído.

As formas extravagantes de alguns propulsores de aviões modelo têm mais a ver com marketing ou crenças não-científicas de vodu por alguns amadores. Geralmente, uma forma reta funciona melhor.

Um par de pontos extras para aeronaves com motor a pistão:

O tamanho e a quantidade de pás da hélice dependem principalmente da potência do motor. Um suporte gigante em um motor minúsculo não será bom, porque consome muita energia apenas para girá-lo. Por outro lado, um pequeno suporte em um motor grande iria desperdiçar muito da saída do motor, já que o propulsor iria ultrapassar a velocidade antes que o motor atingisse o desempenho máximo.

A correspondência do tamanho do objeto ao motor é um dos desafios para os designers. Como mencionado na resposta anterior, depende do que a aeronave será usada.

Além disso, a maioria das hélices não movimenta a aeronave “empurrando” o ar para trás. Se fosse esse o caso, não faria sentido tê-los na ponta da asa ou no nariz - você deve colocá-los com ar limpo para trás. A hélice é na verdade um aerofólio, produzindo sustentação usando o mesmo princípio de uma asa. A pressão negativa é criada no lado 'para cima' do suporte, de modo que a hélice 'puxa' a aeronave para frente.