Definição:
Na geometria uma hélice é uma forma traçada como uma mola, parafuso ou espiral, ou, mais corretamente helicoidal.
Em matemática, a hélice é descrita como uma curva no espaço tridimensional que combina um movimento de rotação em torno de um ponto com um movimento de translação deste ponto. Hélice é um termo andrógino que designa um conjunto de pás com um mesmo centro, que ao ser girado segundo o seu eixo causa propulsão e cada pá descreve no espaço uma trajetória que de fato é uma hélice geométrica. Este instrumento de propulsão ou tração que converte energia mecânica em movimento.
Introdução:
A hélice de uma aeronave consiste de duas ou mais pás conectadas ao cubo central no qual essas pás são fixadas. Cada pá é essencialmente uma asa rotativa, toda pá é um perfil aerodinâmico capaz de gerar uma sustentação. Essa força de sustentação no plano em que a pá se desloca recebe o nome de tração ou propulsão. A força necessária para girar a hélice é retirada da parte motopropulsora. A hélice é montada na extensão do eixo de manivelas dos motores alternativos de baixa potência, ou no eixo da hélice, nos motores alternativos de maior potência e nos motores tubo-hélices, sendo que este eixo é conectado a uma caixa redutora ligada ao eixo do motor; o objetivo é reduzir a rotação do motor para uma rotação na qual a hélice consiga trabalhar, com isso esses motores são capazes de desenvolver um torque maior.
Fatores Aerodinâmicos:
Uma aeronave se deslocando no ar cria uma força oposta ao seu movimento conhecida como força de arrasto (drag force). Para uma aeronave manter-se em vôo é necessário uma força de igual intensidade e em sentido contrário, essa força é conhecida como tração, o trabalho realizado pela força de tração nada mais é que essa força de tração multiplicado pela distância deslocada.
(W= T x D). Uma hélice bem projetada tem uma eficiência de 50% a 87% quando está trabalhando no melhor regime. Há vários fatores que contribuem para a eficiência de uma hélice como o ângulo de ataque das pás, ou o ângulo entre a direção da velocidade resultante do escoamento e a direção de rotação das pás. Um ângulo de ataque das pás pequeno tem um bom desempenho em relação à resistência mas gera pouco impulso enquanto que ângulos grandes têm o efeito contrário. O melhor ângulo de ataque das pás é quando estas atuam como pequenas asas, gerando mais sustentação do que resistência. As hélices são semelhantes em seção de perfil alar a asas de baixa resistência e como tal não são eficientes quando operam em ângulos de ataque que não o ótimo. São necessários sistemas de controle para sincronizar com precisão o ângulo de ataque das pás com a velocidade de vôo e com a velocidade do motor. Outro fator com influência na eficiência de uma hélice é a energia consumida por esta na conversão de potências, na transformação de BHP (“BRAKE HORSEPOWER”), que é fornecida a hélice pelo motor, em THP (“THRUST HORSEPOWER”) que é a potência desenvolvida pela hélice. Parte dessa energia se perde na transformação devido a variáveis, tais como, arrasto aerodinâmico, densidade do ar, direção de ar de impacto, dentre outros. Mediante essas perdas tomou-se conhecimento de um fenômeno ocorrido na hélice que está ligado diretamente com sua eficiência, o RECUO, sendo assim quanto menor for o recuo de uma hélice maior será sua eficiência. A Eficiência da hélice varia de acordo com o recuo da mesma.
O recuo da hélice é a diferença entre o passo geométrico e o passo efetivo da hélice.
O passo geométrico é a distância que uma hélice deveria avançar em uma revolução.
O passo efetivo é a distância real percorrida por uma revolução da hélice.

Recuo de uma hélice: 



A pá de qualquer hélice pode ser descrita como um aerofólio de perfil irregular com uma torção. Para facilitar a análise de uma pá de hélice esta pode ser dividida, tal qual uma aeronave, em segmentos, os quais são localizados por estações numeradas em polegadas, sempre da raiz para ponta a cada 6”(seis polegadas).


Seção de uma Hélice:
Uma pá, assim como todo perfil aerodinâmico, possui:
                                         Cambra inferior (Parte Ventral)
                                         Cambra superior (Parte Dorsal)
                                         Corda
                                         Bordo de Ataque
                                         Bordo de Fuga


Ângulo da Pá:
O ângulo de uma pá de hélice é dado em graus, e é determinado pelo ângulo entre a corda da pá e o plano de rotação da hélice. Esse ângulo é medido em uma estação determinada pelo fabricante da hélice, uma vez que esta varia ao longo de seu comprimento devido a sua construção. É nesse ponto que são medidos todos os ângulos da pá( reverso, passo mínimo, passo bandeira)
Ângulo da Pá:


Ângulo e Passo de uma Pá:
Passo não é a mesma coisa que ângulo da pá, mas como o passo é determinado pelo ângulo da pá, muitas vezes os dois termos são trocados um pelo outro, pelo fato de o ângulo da pá determinar o passo da hélice. Passo: É a distância percorrida pela hélice em uma revolução.

Ângulo: É a inclinação da pá da hélice em relação ao seu plano rotacional, sendo este determinante para o passo, pois quanto maior o ângulo maior será o passo e quanto menor também o passo será.

Forças Atuantes em uma Hélice:

Uma hélice girando está sob ação de forças, centrífugas, de torção e de flexão.

Força centrífuga: É uma força que tende a expulsar as pás do cubo da hélice, jogando-as para for a do centro de rotação da hélice.

Força de flexão: Causada pela tração tende a dobrar as pontas das pás para frente ou para trás quando está estão em operação normal ou em reverso. Esta também pode ser causada pelo torque, flexionando as pás no sentido contrário ao giro da mesma.
Existe ainda uma força de torção que tende a levar a pá para ângulo mínimo, sempre que esta superar a força de torção aerodinâmica.
Por esses motivos uma hélice deve ter resistência elevada a tantos esforços, sendo esses com maior intensidade no cubo da hélice, que vão aumentando com o aumento da rotação. Vimos, então, que uma hélice esta sujeita a diversos esforços e por esse motivo deve-se verificar, sempre, a integridade física de suas pás contra trincas, arranhões, mossas e qualquer outro tipo de dano que após análise junto ao AMM (Aircraft Maintenance Manual) e ao CMM (Component Maintenance Manual) encontre-se fora dos limites permitidos.

Tipos de Hélice:

Existem vários tipos de hélices da mais simples, que possui um ângulo fixo até a mais complexa, que ajusta automaticamente o ângulo das pás. Cada qual tem sua aplicabilidade em um tipo de aeronave. A escolha da melhor hélice esta diretamente ligado ao tipo de operação da aeronave.
-Passo fixo:
Já dito no próprio nome, esse tipo de hélice não possui variação do ângulo de suas pás, como consequência imediata não varia o passo. Esse tipo de hélice é fabricada com um passo pré-determinado, podendo ser construída de madeira, liga de alumínio ou materiais compostos, esse tipo de hélice é empregada em aeronaves de baixa performance que voam a uma altitude limitada. É produzida para ter uma melhor eficiência em condições específicas.

-Ajustável no Solo:
Também já explicitado no próprio nome, esse tipo de hélice permite um ajuste do ângulo das pás somente no solo, com a hélice parada, permitindo uma melhor performance para a aeronave em condições de vôos já previstas. Uma vez ajustado o ângulo esse não mais poderá ser alterado, funcionando como uma hélice de passo fixo. Esse tipo de hélice é também utilizado em aeronaves de baixa performance que voam a baixas altitudes. Podemos encontrar esse tipo de hélice em madeira, materiais compostos (carbon fiber) ou liga metálica (alumínio).


-Passo Variável:

Nesse tipo de hélice é possível controlar o seu ângulo, logo o seu passo, com esta em movimento, ou seja, em operação. Com isso podemos adequar a hélice para uma condição de vôo particular, retirando dela uma melhor eficiência. Essa mudança de ângulo pode ser limitada ou poderá apenas ter seu limite mínimo e máximo. Com isso podemos controlar a rotação de nossa hélice e também o torque. Adequando essas variáveis para cada condição de vôo.
Em uma decolagem por exemplo colocamos no menor ângulo possível para que o motor possa mandar toda sua potência
Já em uma situação de descida precisamos aumentar esse passo de hélice afim de evitar um disparo da mesma.



-Automáticas (Velocidade Constante):
Nesse tipo de hélice não há necessidade de intervenção do piloto no ajuste do ângulo das pás, uma vez que este já pré-selecionou a rotação desejada do motor. Por menores que sejam as tendências de variações de r.p.m da hélice o sistema é capaz de corrigi-las. Esse tipo de hélice comumente recebe o nome de hélice de velocidade constante. Afim de melhor as características operacionais, esse tipo de hélice ainda pode contar com passo reverso e passo bandeira. Auxiliando na parada da aeronave no solo e o segundo como forma de redução do arrasto aerodinâmico caso haja uma perda de motor.


-Passo Reversível:
Uma hélice de passo reversível é aquela que pode atingir um passo negativo durante sua operação. O propósito de uma operação com passo reverso é a produção de uma tração negativa para auxiliar na parada durante a corrida de pista, poupando freio e reduzindo a distância de pouso.
-Passo Bandeira:
Uma hélice com passo bandeira é um tipo de hélice automática que produz o mínimo de efeito cata-vento quando o motor está “apagado” e a aeronave deslocando-se no ar.
Hélices com passo bandeira são largamente utilizadas em aeronaves multi-motores para redução de arrasto em caso de falha em um dos motores, evitando uma tendência da aeronave.


Classificação das Hélices:
Existem no meio aeronáutico dois tipos de hélices utilizadas como meio de produzir a força capaz de efetivar o deslocamento da aeronave:

- Hélices Tratoras

- Hélices Propulsoras


-Tratoras:
Utilizada nas mais diversas aeronaves turbo-hélice e com motores convencionais. A sua maior vantagem é o baixo nível de stress que é induzido para hélice quando voando em um ar relativamente perturbado. São as mais utilizadas, podemos encontrar esse tipo de hélice na maioria das aeronaves.


-Propulsoras:
São hélices instaladas na parte posterior do motor com o propósito de empurrar a aeronave. Construídas, também, com hélices de passo fixo, variável ou automáticas. Largamente utilizadas em aeronaves anfíbias e hidroaviões devido a distância da superfície. Nesse tipo de configuração é muito comum os danos por objetos estranhos (F.O.D.) pelo fato de estarem na parte posterior da aeronave recebendo todos detritos jogados pelos pneus, e tamb'em os jatos d'agua jogados pelo casco da aeronave durante pousos e decolagens.




Aeronaves Push-Pull:

Uma aeronave contruída com a configuração “Push-pull” é uma mistura de uma aeronave equipada com hélice tratora e propulsora.
Enquanto as aeronaves puramente equipadas com hélices propulsoras caiam em desuso após a guerra a configuração “push-pull”continuava em desenvolvimento. A grande vantagem era garantir uma aeronave bimotora com baixa geração de arrasto e grande manobrabilidade, e ainda, na perda de um dos motores a operação monomotor é facilitada pela montagem dos motores na mesma linha de centro.

Governador de Hélice:


A unidade Governador de Hélice é acionada pelo motor e recebe também o nome de CSU (Constant Speed Unit) esta recebe óleo do sistema de lubrificação do motor e aumenta a pressão do óleo através de uma bomba interna, para a pressão operacional do sistema de mudança de ângulo das pás da hélice. Consiste basicamente de um conjunto de contrapesos centrífugos que acionam uma válvula chamada de piloto, válvula beta, que definirá o ângulo ótimo para a hélice e uma válvula de alívio para o sistema.

Para maiores informações sobre o sistema de controle de uma hélice acesse nosso post sobre Governador de Hélice no link abaixo:

Governador de Hélice