تتكون مروحة الطائرة من شفرتين أو أكثر ومحور مركزي تتصل به الشفرات. كل شفرة من مروحة الطائرة هي في الأساس جناح دوار. نتيجة لبنائها ، تشبه شفرات المروحة الجنيحات وتنتج قوى تخلق الدفع لسحب الطائرة أو دفعها في الهواء. يوفر المحرك الطاقة اللازمة لتدوير شفرات المروحة عبر الهواء بسرعات عالية ، وتحويل المروحة القوة الدوارة للمحرك إلى دفع للأمام.
يظهر مقطع عرضي لشفرة مروحة نموذجية في
يمكن مقارنته بمقطع عرضي لجناح الطائرة. أحد أسطح الشفرة محدب أو منحني ، على غرار السطح العلوي لجناح الطائرة ، بينما السطح الآخر مسطح مثل السطح السفلي للجناح. خط الوتر هو خط وهمي مرسوم من خلال الشفرة من الحافة الأمامية إلى الحافة الخلفية. كما هو الحال في الجناح ، فإن الحافة الأمامية هي الحافة السميكة للشفرة التي تلتقي بالهواء أثناء دوران المروحة.
زاوية الشفرة ، التي تقاس عادة بالدرجات ، هي الزاوية بين وتر الشفرة ومستوى الدوران ويتم قياسها عند نقطة محددة على طول الشفرة. [Figure 4-36] نظرًا لأن معظم المراوح لها “وجه” نصل مسطح ، غالبًا ما يتم رسم خط الوتر على طول وجه شفرة المروحة. الملعب ليس زاوية شفرة ، ولكن نظرًا لأن الملعب يتم تحديده إلى حد كبير بزاوية الشفرة ، غالبًا ما يتم استخدام المصطلحين بالتبادل. عادة ما ترتبط الزيادة أو النقصان في أحدهما بزيادة أو نقصان في الآخر.
يمكن تحديد درجة المروحة بالبوصة. سيكون طول المروحة المسمى “74-48” 74 بوصة ولها درجة 48 بوصة فعالة. الملعب هو المسافة بالبوصة ، والتي ستفسدها المروحة في الهواء في ثورة واحدة إذا لم يكن هناك انزلاق.
عند تحديد مروحة ذات نغمة ثابتة لنوع جديد من الطائرات ، تختار الشركة المصنعة عادةً واحدة ذات خطوة تعمل بكفاءة عند سرعة الانطلاق المتوقعة للطائرة. يجب أن تكون كل مروحة ذات نغمة ثابتة بمثابة حل وسط لأنها يمكن أن تكون فعالة في مجموعة معينة فقط من السرعة الجوية والثورات في الدقيقة (دورة في الدقيقة). لا يمكن للطيارين تغيير هذه المجموعة في الرحلة.
عندما تكون الطائرة في حالة راحة على الأرض مع تشغيل المحرك ، أو تتحرك ببطء في بداية الإقلاع ، تكون كفاءة المروحة منخفضة جدًا لأن المروحة محظورة من التقدم بسرعة كافية للسماح لشفراتها الثابتة بالوصول إلى كفاءتها الكاملة. في هذه الحالة ، تدور كل شفرة مروحة في الهواء في AOA التي تنتج قوة دفع قليلة نسبيًا لكمية الطاقة المطلوبة لتحويلها.
لفهم عمل المروحة ، ضع في اعتبارك أولاً حركتها ، وهي حركية وأمام. كما هو موضح في متجهات قوى المروحة في الشكل 4-36 ، يتحرك كل قسم من شفرة المروحة لأسفل وللأمام. الزاوية التي يضرب بها هذا الهواء (الرياح النسبية) شفرة المروحة هي AOA. يتسبب انحراف الهواء الناتج عن هذه الزاوية في أن يكون الضغط الديناميكي على جانب المحرك لشفرة المروحة أكبر من الضغط الجوي ، مما يؤدي إلى خلق قوة دفع.
يخلق شكل الشفرة أيضًا دفعًا لأنه محدب مثل شكل الجنيح للجناح. عندما يتدفق الهواء بعد المروحة ، يكون الضغط على جانب واحد أقل من ذلك من الجانب الآخر. كما هو الحال في الجناح ، يتم إنتاج قوة رد فعل في اتجاه الضغط الأقل. تدفق الهواء فوق الجناح لديه ضغط أقل ، والقوة (الرفع) لأعلى. في حالة المروحة ، التي يتم تركيبها في عمودي بدلاً من مستوى أفقي ، تكون منطقة الضغط المنخفض أمام المروحة ، والقوة (الدفع) في اتجاه أمامي. من الناحية الديناميكية الهوائية ، يكون الدفع نتيجة لشكل المروحة و AOA للشفرة.
يمكن اعتبار الدفع أيضًا من حيث كتلة الهواء التي تتعامل معها المروحة. في هذه الشروط ، يساوي الدفع كتلة الهواء التي يتم التعامل معها مضروبًا في سرعة الانزلاق مطروحًا منها سرعة الطائرة. تعتمد الطاقة المنفقة في إنتاج الدفع على معدل حركة الكتلة الهوائية. في المتوسط ، يشكل الدفع ما يقرب من 80 في المائة من عزم الدوران (إجمالي القدرة الحصانية التي تمتصها المروحة). 20 في المائة الأخرى تضيع في الاحتكاك والانزلاق. لأي سرعة دوران ، فإن القدرة الحصانية التي تمتصها المروحة توازن القوة الحصانية التي يوفرها المحرك. بالنسبة لأي ثورة واحدة للمروحة ، تعتمد كمية الهواء التي يتم التعامل معها على زاوية الشفرة ، والتي تحدد حجم “لدغة” الهواء التي تأخذها المروحة. وبالتالي ، فإن زاوية الشفرة هي وسيلة ممتازة لضبط الحمل على المروحة للتحكم في عدد دورات المحرك في الدقيقة.
زاوية الشفرة هي أيضًا طريقة ممتازة لضبط AOA للمروحة. على المراوح ذات السرعة الثابتة ، يجب ضبط زاوية الشفرة لتوفير AOA الأكثر كفاءة في جميع سرعات المحرك والطائرة. تشير منحنيات الرفع مقابل السحب ، التي يتم رسمها للمراوح ، وكذلك الأجنحة ، إلى أن AOA الأكثر كفاءة هو صغير ، يتراوح من + 2 إلى +4 °. تختلف زاوية الشفرة الفعلية اللازمة للحفاظ على AOA الصغيرة هذه باختلاف السرعة الأمامية للطائرة.
تم تصميم المراوح ذات الملعب الثابت والقابلة للتعديل الأرضي لتحقيق أفضل كفاءة عند دوران واحد وسرعة أمامية. وهي مصممة لمجموعة معينة من الطائرات والمحركات. يمكن استخدام المروحة التي توفر أقصى قدر من الكفاءة للإقلاع أو التسلق أو الرحلات البحرية أو الطيران عالي السرعة. أي تغيير في هذه الظروف يؤدي إلى خفض كفاءة كل من المروحة والمحرك. نظرًا لأن كفاءة أي آلة هي نسبة خرج الطاقة المفيدة إلى مدخلات الطاقة الفعلية ، فإن كفاءة المروحة هي نسبة القدرة الحصانية للدفع إلى القدرة الحصانية. تتراوح كفاءة المروحة من 50 إلى 87 بالمائة ، اعتمادًا على مقدار “الانزلاق” للمروحة.
انزلاق المروحة هو الفرق بين المروحة الهندسية للمروحة وطبقتها الفعالة. [Figure 4-37] الملعب الهندسي هو المسافة النظرية التي يجب أن تتقدم بها المروحة في ثورة واحدة ؛ الملعب الفعال هو المسافة التي يتقدم بها بالفعل. وبالتالي ، فإن الملعب الهندسي أو النظري يعتمد على عدم وجود انزلاق ، ولكن الملعب الفعلي أو الفعال يتضمن انزلاق المروحة في الهواء.
السبب في أن المروحة “ملتوية” هو أن الأجزاء الخارجية من شفرات المروحة ، مثل كل الأشياء التي تدور حول نقطة مركزية ، تتحرك أسرع من الأجزاء القريبة من المحور. [Figure 4-38] إذا كانت الشفرات لها نفس الملعب الهندسي طوال أطوالها ، فقد يكون للأجزاء القريبة من المحور AOAs سلبية بينما ستتوقف أطراف المروحة بسرعة. يسمح الالتواء أو الاختلافات في الملعب الهندسي للشفرات للمروحة بالعمل باستخدام AOA ثابت نسبيًا على طوله عند رحلة الإبحار. يتم تحريف شفرات المروحة لتغيير زاوية الشفرة بما يتناسب مع الاختلافات في سرعة الدوران على طول المروحة ، مع الحفاظ على الدفع مساويًا تقريبًا على طول هذا الطول.
عادةً ما توفر 1 ° إلى 4 ° نسبة الرفع / السحب الأكثر كفاءة ، ولكن في الطيران تختلف المروحة AOA لمروحة ثابتة – عادةً من 0 درجة إلى 15 درجة. يحدث هذا الاختلاف بسبب التغييرات في تيار الهواء النسبي ، والذي ينتج بدوره عن التغيرات في سرعة الطائرة. وبالتالي ، فإن المروحة AOA هي نتاج حركتين: دوران المروحة حول محورها وحركتها للأمام.
تحافظ المروحة ذات السرعة الثابتة تلقائيًا على زاوية الشفرة المعدلة لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة لمعظم الظروف التي تواجهها أثناء الطيران. أثناء الإقلاع ، عندما تكون الطاقة القصوى والدفع مطلوبة ، تكون المروحة ذات السرعة الثابتة بزاوية أو ميل شفرة مروحة منخفضة. تحافظ زاوية الشفرة المنخفضة على AOA صغيرة وفعالة فيما يتعلق بالرياح النسبية. في الوقت نفسه ، يسمح للمروحة بالتعامل مع كتلة أصغر من الهواء لكل ثورة. يسمح هذا الحمل الخفيف للمحرك بالدوران بسرعة عالية في الدقيقة وتحويل أقصى كمية من الوقود إلى طاقة حرارية في وقت معين. تخلق سرعة الدورات العالية أيضًا أقصى قدر من الدفع لأنه على الرغم من أن كتلة الهواء التي يتم التعامل معها لكل ثورة صغيرة ، إلا أن سرعة الدورات في الدقيقة وسرعة التيار المنزلق عالية ، ومع سرعة الطائرة المنخفضة ، يكون هناك حد أقصى للدفع.
بعد الإقلاع ، مع زيادة سرعة الطائرة ، تتغير المروحة ذات السرعة الثابتة تلقائيًا إلى زاوية أعلى (أو خطوة). مرة أخرى ، تحافظ زاوية الشفرة الأعلى على AOA صغيرة وفعالة فيما يتعلق بالرياح النسبية. تزيد زاوية الشفرة الأعلى من كتلة الهواء التي يتم التعامل معها لكل ثورة. هذا يقلل من عدد دورات المحرك في الدقيقة ، ويقلل من استهلاك الوقود وتآكل المحرك ، ويحافظ على الدفع عند الحد الأقصى.
بعد أن يتم إنشاء تسلق الإقلاع في طائرة بها مروحة ذات نغمة يمكن التحكم فيها ، يقلل الطيار من خرج الطاقة للمحرك لتسلق القوة عن طريق تقليل الضغط المشعب أولاً ثم زيادة زاوية الشفرة لخفض عدد الدورات في الدقيقة.
عند ارتفاع الإبحار ، عندما تكون الطائرة في رحلة مستوية وتكون هناك حاجة إلى طاقة أقل مما هو مستخدم في الإقلاع أو التسلق ، يقلل الطيار مرة أخرى من قوة المحرك عن طريق تقليل الضغط المشعب ثم زيادة زاوية الشفرة لتقليل عدد الدورات في الدقيقة. مرة أخرى ، يوفر هذا متطلبات عزم الدوران لمطابقة قوة المحرك المنخفضة. على الرغم من أن كتلة الهواء التي يتم التعامل معها لكل ثورة أكبر ، إلا أنها تقابلها انخفاضًا في سرعة الانزلاق وزيادة سرعة الهواء. لا تزال AOA صغيرة لأن زاوية الشفرة قد زادت مع زيادة سرعة الهواء.
4.8.1 عزم الدوران والعامل P #
بالنسبة للطيار ، يتكون “عزم الدوران” (ميل الانعطاف الأيسر للطائرة) من أربعة عناصر تسبب أو تنتج حركة التواء أو الدوران حول واحدة على الأقل من الطائرات الثلاثة. هذه العناصر الأربعة هي: تفاعل عزم الدوران من المحرك والمروحة ، وتأثير التلويث للتيار المنزلق ، والحركة الجيروسكوبية للمروحة ، والتحميل غير المتماثل للمروحة (عامل P).
4.8.2 تفاعل عزم الدوران #
يتضمن تفاعل عزم الدوران قانون نيوتن الثالث للفيزياء – لكل فعل ، هناك رد فعل مساوٍ ومعاكس. كما هو مطبق على الطائرة ، هذا يعني أنه نظرًا لأن أجزاء المحرك الداخلية والمروحة تدور في اتجاه واحد ، فإن قوة متساوية تحاول تدوير الطائرة في الاتجاه المعاكس. [Figure 4-39]
عندما تكون الطائرة محمولة جواً ، تعمل هذه القوة حول المحور الطولي ، وتميل إلى جعل الطائرة تتدحرج. للتعويض عن ميل التدحرج ، يتم تزوير بعض الطائرات القديمة بطريقة لخلق المزيد من الرفع على الجناح الذي يتم دفعه إلى الأسفل. تم تصميم الطائرات الأكثر حداثة مع إزاحة المحرك لمواجهة تأثير عزم الدوران هذا.
ملاحظة: تقوم معظم محركات الطائرات المبنية في الولايات المتحدة بتدوير المروحة في اتجاه عقارب الساعة ، كما يُرى من مقعد الطيارين. المناقشة هنا بالإشارة إلى تلك المحركات.
بشكل عام ، يتم تعيين عوامل التعويض بشكل دائم بحيث تعوض عن هذه القوة بسرعة الإبحار ، لأن معظم الطائرات التي تعمل بالرفع تكون بهذه السرعة. ومع ذلك ، تسمح علامات تقليم Aileron بمزيد من الضبط للسرعات الأخرى.
عندما تكون عجلات الطائرات على الأرض أثناء لفة الإقلاع ، يتم تحفيز لحظة دوران إضافية حول المحور الرأسي عن طريق تفاعل عزم الدوران. نظرًا لأن الجانب الأيسر من الطائرة يتم إجباره على الهبوط من خلال تفاعل عزم الدوران ، يتم وضع المزيد من الوزن على جهاز الهبوط الرئيسي الأيسر. ينتج عن هذا المزيد من الاحتكاك الأرضي ، أو السحب ، على الإطار الأيسر أكثر من اليمين ، مما يتسبب في لحظة تحول أخرى إلى اليسار. حجم هذه اللحظة يعتمد على العديد من المتغيرات. بعض هذه المتغيرات هي: حجم وقوة المحرك ، وحجم المروحة ودورة في الدقيقة ، وحجم الطائرة ، وحالة سطح الأرض.
يتم تصحيح لحظة التراجع هذه على لفة الإقلاع من خلال الاستخدام السليم للدفة أو تقليم الدفة.
4.8.3 تأثير المفتاح #
يعطي الدوران عالي السرعة لمروحة الطائرة مفتاحًا أو دورانًا متصاعدًا إلى التيار المنزلق. عند سرعات المروحة العالية والسرعة الأمامية المنخفضة (كما هو الحال في الإقلاع والاقتراب من أكشاك التشغيل) ، يكون هذا الدوران المتصاعد مضغوطًا للغاية ويمارس قوة جانبية قوية على سطح الذيل العمودي للطائرات. [Figure 4-40]
عندما يصطدم هذا التيار المنزلق المتصاعد بالزعنفة الرأسية ، فإنه يتسبب في لحظة تحول حول المحور الرأسي للطائرات. كلما كانت اللولب أكثر إحكاما ، كلما كانت هذه القوة أكثر بروزًا. ومع ذلك ، مع زيادة السرعة للأمام ، يطول اللولب ويصبح أقل فعالية ، كما يتسبب تدفق المفتاح في التدفق المنزلق في لحظة متدحرجة حول المحور الطولي.
لاحظ أن هذه اللحظة المتدحرجة الناتجة عن تدفق المفتاح في التيار المنزلق هي إلى اليمين ، في حين أن لحظة التدحرج الناتجة عن تفاعل عزم الدوران هي إلى اليسار – في الواقع قد يكون أحدهما صد الآخر. ومع ذلك ، فإن هذه القوى تختلف اختلافًا كبيرًا وتقع على عاتق الطيارين مسؤولية تطبيق الإجراءات التصحيحية المناسبة باستخدام أدوات التحكم في الطيران في جميع الأوقات. يجب مواجهة هذه القوى بغض النظر عن أيها الأبرز في ذلك الوقت.
4.8.4 العمل الجيروسكوبي #
قبل أن يتم فهم التأثيرات الجيروسكوبية للمروحة ، من الضروري فهم المبدأ الأساسي للجيروسكوب. تعتمد جميع التطبيقات العملية للجيروسكوب على خاصيتين أساسيتين للعمل الجيروسكوبي: الصلابة في الفضاء والتقدم. الأول الذي يهم هذه المناقشة هو التمهيدي.
الاستباقية هي الإجراء الناتج ، أو الانحراف ، للدوار الدوار عندما يتم تطبيق قوة انحراف على حافتها. كما يتضح من الشكل 4-41 ، عند تطبيق القوة ، تسري القوة الناتجة 90 درجة قبل وفي اتجاه الدوران.
المروحة الدوارة للطائرة تصنع جيروسكوبًا جيدًا جدًا وبالتالي لها خصائص مماثلة. في أي وقت يتم فيه تطبيق قوة لإخراج المروحة من مستوى دورانها ، تكون القوة الناتجة قبل 90 درجة واتجاه الدوران وفي اتجاه التطبيق ، مما يتسبب في لحظة نصب ، أو لحظة انعراج ، أو مزيج من الاثنين اعتمادًا على النقطة التي تم فيها تطبيق القوة.
لطالما ارتبط عنصر تأثير عزم الدوران هذا ويعتبر أكثر بروزًا في الطائرات من نوع العجلة الخلفية ، وغالبًا ما يحدث عندما يتم رفع الذيل أثناء لفة الإقلاع. [Figure 4-42] هذا التغيير في موقف الملعب له نفس تأثير تطبيق القوة على الجزء العلوي من مستوى الدوران المراوح. تتسبب القوة الناتجة التي تعمل 90 درجة للأمام في حدوث لحظة انعراج إلى اليسار حول المحور الرأسي. يعتمد حجم هذه اللحظة على عدة متغيرات ، أحدها هو المفاجئ الذي يرتفع به الذيل (مقدار القوة المطبقة). ومع ذلك ، يحدث التمهيدي ، أو الحركية الجيروسكوبية ، عندما يتم تطبيق قوة على أي نقطة على حافة مستوى دوران المراوح ؛ ستظل القوة الناتجة 90 درجة من نقطة التطبيق في اتجاه الدوران. اعتمادًا على مكان تطبيق القوة ، تتسبب الطائرة في الانعراج إلى اليسار أو اليمين ، أو الارتفاع أو الأسفل ، أو مزيج من الرمي والتثاؤب.
يمكن القول أنه نتيجة للحركة الجيروسكوبية ، ينتج عن أي انحراف حول المحور الرأسي لحظة نصب ، وأي نغمة حول المحور الجانبي ينتج عنها لحظة انحراف. لتصحيح تأثير الحركة الجيروسكوبية ، من الضروري للطيار أن يستخدم المصعد والدفة بشكل صحيح لمنع التأرجح والتثاؤب غير المرغوب فيهما.
4.8.5 التحميل غير المتماثل (عامل P) #
عندما تطير طائرة بـ AOA عالية ، تكون “عضة” الشفرة المتحركة لأسفل أكبر من “عضة” الشفرة المتحركة لأعلى. يؤدي هذا إلى تحريك مركز الدفع إلى يمين منطقة قرص الدعامة ، مما يتسبب في لحظة انعراج باتجاه اليسار حول المحور الرأسي. لإثبات هذا التفسير أمر معقد لأنه سيكون من الضروري حل مشاكل ناقلات الرياح على كل شفرة مع مراعاة كل من AOA للطائرة و AOA لكل شفرة.
ينتج هذا التحميل غير المتماثل عن السرعة الناتجة ، والتي تتولد عن طريق الجمع بين سرعة شفرة المروحة في مستوى دورانها وسرعة الهواء الذي يمر أفقيًا عبر قرص المروحة. مع تحليق الطائرة في AOAS الإيجابي ، يمر اليمين (المنظر من الخلف) أو الشفرة المتأرجحة لمنطقة السرعة الناتجة والتي تكون أكبر من تلك التي تؤثر على الشفرة اليسرى أو الصاعدة. نظرًا لأن شفرة المروحة عبارة عن جنيح ، فإن السرعة المتزايدة تعني زيادة الرفع. تحتوي الشفرة المتأرجحة على مزيد من الرفع وتميل إلى سحب (الانعراج) من أنف الطائرات إلى اليسار.
عندما تحلق الطائرة بسرعة عالية AOA ، يكون للشفرة المتحركة لأسفل سرعة ناتجة أعلى ، مما يخلق رفعًا أكبر من الشفرة المتحركة لأعلى. [Figure 4-43] قد يكون من الأسهل تخيل هذا إذا كان عمود المروحة مثبتًا بشكل عمودي على الأرض (مثل طائرة هليكوبتر). إذا لم تكن هناك حركة جوية على الإطلاق ، باستثناء تلك التي تم إنشاؤها بواسطة
المروحة نفسها ، سيكون للأقسام المتطابقة من كل شفرة نفس السرعة الجوية. مع تحرك الهواء أفقيًا عبر هذه المروحة المثبتة رأسياً ، فإن الشفرة التي تتقدم إلى الأمام في تدفق الهواء لها سرعة هواء أعلى من الشفرة التي تتراجع مع تدفق الهواء. وبالتالي ، فإن الشفرة التي تدخل في تدفق الهواء الأفقي تخلق المزيد من الرفع أو الدفع ، مما يؤدي إلى تحريك مركز الدفع نحو تلك الشفرة. تصور تدوير عمود المروحة المثبت عموديًا إلى زوايا ضحلة بالنسبة للهواء المتحرك (كما في الطائرة). يصبح هذا الدفع غير المتوازن أصغر نسبيًا ويستمر في الصغر حتى يصل إلى قيمة الصفر عندما يكون عمود المروحة أفقيًا تمامًا فيما يتعلق بالهواء المتحرك.
تختلف تأثيرات كل عنصر من عناصر عزم الدوران الأربعة هذه في القيمة مع التغييرات في مواقف الطيران. في إحدى مراحل الطيران ، قد يكون أحد هذه العناصر أكثر بروزًا من الآخر. في مرحلة أخرى من الرحلة ، قد يكون هناك عنصر آخر أكثر بروزًا. تختلف علاقة هذه القيم ببعضها البعض باختلاف الطائرات – اعتمادًا على مجموعات هيكل الطائرة والمحرك والمروحة ، بالإضافة إلى ميزات التصميم الأخرى. للحفاظ على التحكم الإيجابي في الطائرة في جميع ظروف الطيران ، يجب على الطيار تطبيق عناصر التحكم في الطيران حسب الضرورة للتعويض عن هذه القيم المتفاوتة.
