Vrtule letadla se skládá ze dvou nebo více listů a centrálního náboje, ke kterému jsou listy připevněny. Každý list vrtule letadla je v podstatě rotující křídlo. V důsledku jejich konstrukce jsou listy vrtule jako profily křídel a vytvářejí síly, které vytvářejí tah pro tažení nebo tlačení letadla vzduchem. Motor poskytuje výkon potřebný k otáčení listů vrtule vzduchem při vysokých rychlostech a vrtule přeměňuje rotační výkon motoru na přední tah.

průřez typickým listem vrtule je znázorněn v

srovnatelné s průřezem křídla letadla. Jeden povrch čepele je vyklenutý nebo zakřivený, podobně jako horní povrch křídla letadla, zatímco druhý povrch je plochý jako spodní povrch křídla. Čára tětivy je imaginární čára protažená čepelí od její přední hrany k její zadní hraně. Stejně jako u křídla je náběžná hrana tlustý okraj listu, který se setkává se vzduchem, když se vrtule otáčí.

Úhel lopatky, obvykle měřený ve stupních, je úhel mezi tětivou čepele a rovinou rotace a měří se v určitém bodě podél délky čepele. [Figure 4-36] Protože většina vrtulí má plochý list „obličej“, čára tětivy je často tažena podél čela listu vrtule. Rozteč není úhel čepele, ale protože rozteč je do značné míry určena úhlem čepele, tyto dva termíny se často používají zaměnitelně. Zvýšení nebo snížení v jednom je obvykle spojeno se zvýšením nebo snížením druhého.

Rozteč vrtule může být označena v palcích. Vrtule označená jako „74-48“ by byla 74 palců dlouhá a měla by efektivní rozteč 48 palců. Rozteč je vzdálenost v palcích, kterou by vrtule prošroubovala vzduchem během jedné otáčky, pokud by nedošlo k prokluzu.

Při specifikaci vrtule s pevným sklonem pro nový typ letadla si výrobce obvykle vybere jedno s roztečí, které efektivně pracuje při očekávané cestovní rychlosti letadla. Každá vrtule s pevným sklonem musí být kompromisem, protože může být efektivní pouze při dané kombinaci rychlosti vzduchu a otáček za minutu (ot./min.). Piloti nemohou tuto kombinaci v letu změnit.

Když je letoun v klidu na zemi s motorem v provozu nebo se pomalu pohybuje na začátku vzletu, je účinnost vrtule velmi nízká, protože vrtule je zabráněno v postupu s dostatečnou rychlostí, aby umožnily svým lopatkám s pevným sklonem dosáhnout jejich plné účinnosti. V této situaci se každý list vrtule otáčí vzduchem při AOA, která produkuje relativně malý tah pro množství energie potřebné k jejímu otočení.

Chcete-li porozumět působení vrtule, zvažte nejprve její pohyb, který je jak rotační, tak dopředu. Jak ukazují vektory sil vrtule na obrázku 4-36, každý úsek listu vrtule se pohybuje dolů a dopředu. Úhel, pod kterým tento vzduch (relativní vítr) dopadá na list vrtule, je jeho AOA. Průhyb vzduchu způsobený tímto úhlem způsobuje, že dynamický tlak na straně motoru lopatky vrtule je větší než atmosférický tlak, čímž se vytváří tah.

Tvar čepele také vytváří tah, protože je vyklenutý jako profil křídla křídla. Jak vzduch proudí kolem vrtule, tlak na jedné straně je menší než tlak na druhé. Stejně jako v křídle vzniká reakční síla ve směru nižšího tlaku. Proudění vzduchu přes křídlo má menší tlak a síla (zvedání) je nahoru. V případě vrtule, která je namontována ve svislém směru namísto horizontální roviny, je oblast sníženého tlaku před vrtulí a síla (tah) je ve směru vpřed. Aerodynamicky je tah výsledkem tvaru vrtule a AOA listu.

Tah lze uvažovat i z hlediska hmotnosti vzduchu, se kterým se vrtule ovládá. V těchto termínech se tah rovná hmotnosti vzduchu zpracovávaného vynásobeným rychlostí skluzu mínus rychlostí letadla. Výkon vynaložený na produkci tahu závisí na rychlosti pohybu vzduchu. V průměru tvoří tah přibližně 80 procent točivého momentu (celkový výkon absorbovaný vrtulí). Zbylých 20 procent se ztrácí v tření a prokluzu. Pro jakoukoli rychlost otáčení vyrovnává koňská síla absorbovaná vrtulí vyrovnává výkon dodávaný motorem. Pro jakoukoli jednotlivou otáčku vrtule závisí množství nasazeného vzduchu na úhlu listu, který určuje, jak velké „sousty“ vzduchu vrtule snímá. Úhel listu je tedy vynikajícím prostředkem pro nastavení zatížení vrtule pro ovládání otáček motoru.

Úhel listu je také vynikající metodou seřízení AOA vrtule. U vrtulí s konstantní rychlostí musí být úhel listu nastaven tak, aby poskytoval nejúčinnější AOA při všech rychlostech motoru a letadla. Křivky zdvihu versus odpor, které jsou nakresleny pro vrtule, stejně jako křídla, naznačují, že nejúčinnější AOA je malá, pohybující se od +2° do +4°. Skutečný úhel lopatky nezbytný k udržení tohoto malého AOA se mění s dopřednou rychlostí letadla.

Vrtule s pevným sklonem a zemním sklonem jsou navrženy pro nejlepší účinnost při jedné rotaci a rychlosti vpřed. Jsou určeny pro dané letadlo a kombinaci motoru. Může být použita vrtule, která poskytuje maximální účinnost pro vzlet, stoupání, plavbu nebo vysokorychlostní let. Jakákoli změna těchto podmínek má za následek snížení účinnosti vrtule i motoru. Vzhledem k tomu, že účinnost každého stroje je poměr užitečného výkonu ke skutečnému příkonu, účinnost vrtule je poměr tahového výkonu k brzdění výkonu. Účinnost vrtule se pohybuje od 50 do 87 procent, v závislosti na tom, jak moc vrtule „proklouzne“.

Skluz vrtule je rozdíl mezi geometrickým roztečím vrtule a jejím efektivním roztečem. [Figure 4-37] Geometrická výška je teoretická vzdálenost, kterou by vrtule měla posunout během jedné otáčky; Efektivní výška je vzdálenost, kterou ve skutečnosti překročí. Geometrická nebo teoretická rozteč tedy není založena na žádném prokluzu, ale skutečná nebo efektivní rozteč zahrnuje prokluz vrtule ve vzduchu.

Důvod, proč je vrtule „zkroucená“, je ten, že vnější části listů vrtule, stejně jako všechny věci, které se otáčejí kolem centrálního bodu, se pohybují rychleji než části v blízkosti náboje. [Figure 4-38] Pokud by listy měly stejnou geometrickou výšku po celou dobu svých délek, části v blízkosti náboje by mohly mít záporné AOA, zatímco hroty vrtule by se zastavily při cestovní rychlosti. Kroucení nebo změny v geometrickém sklonu listů umožňují vrtuli pracovat s relativně konstantním AOA po jeho délce při cestovním letu. Lopatky vrtule jsou zkroucené, aby se změnil úhel listu v poměru k rozdílům v rychlosti otáčení po délce vrtule, čímž se tah po této délce téměř vyrovná.

Obvykle 1° až 4° poskytuje nejúčinnější poměr zdvih/tah, ale za letu se vrtule AOA vrtule s pevným sklonem mění – normálně od 0° do 15°. Tato změna je způsobena změnami v relativním proudu vzduchu, které zase vyplývají ze změn rychlosti letadla. Vrtule AOA je tedy součinem dvou pohybů: rotace vrtule kolem její osy a jejího pohybu vpřed.

Vrtule s konstantní rychlostí automaticky udržuje úhel listu nastavený pro maximální účinnost pro většinu podmínek, se kterými se setkáte za letu. Během vzletu, když je vyžadován maximální výkon a tah, je vrtule s konstantní rychlostí v nízkém úhlu lopatky vrtule nebo rozteči. Nízký úhel lopatky udržuje AOA malý a účinný s ohledem na relativní vítr. Zároveň umožňuje vrtuli zvládnout menší množství vzduchu na otáčku. Toto lehké zatížení umožňuje motoru otáčet se při vysokých otáčkách a přeměnit maximální množství paliva na tepelnou energii v daném čase. Vysoké otáčky také vytvářejí maximální tah, protože ačkoli je hmotnost vzduchu zpracovávaného na otáčku malé, otáčky a rychlost skluzu jsou vysoké a při nízké rychlosti letadla je maximální tah.

Po vzletu, jak se rychlost letadla zvyšuje, se vrtule s konstantní rychlostí automaticky změní na vyšší úhel (nebo sklon). Opět platí, že vyšší úhel lopatky udržuje AOA malý a účinný s ohledem na relativní vítr. Vyšší úhel lopatky zvyšuje hmotnost vzduchu manipulovaného na otáčku. To snižuje otáčky motoru, snižuje spotřebu paliva a opotřebení motoru a udržuje tah na maximu.

Poté, co je v letadle s ovladatelným stoupáním vrtule nastaveno vzletové stoupání, sníží pilot výkon motoru, aby se zvýšil výkon, tím, že nejprve sníží tlak v potrubí a poté zvýší úhel lopatky, aby se snížily otáčky.

V cestovní výšce, když letadlo letí na vodorovné poloze a je potřeba méně energie, než je použito při vzletu nebo stoupání, pilot opět snižuje výkon motoru snížením tlaku v potrubí a následným zvýšením úhlu lopatky, aby se snížily otáčky. Opět to poskytuje požadavek na točivý moment, aby odpovídal sníženému výkonu motoru. Přestože je hmotnost vzduchu zpracovávána na otáčku větší, je více než kompenzována snížením rychlosti skluzu a zvýšením rychlosti vzduchu. AOA je stále malá, protože úhel lopatky byl zvýšen se zvýšením rychlosti vzduchu.

4.8.1 Točivý moment a P-faktor #

Pro pilota se „točivý moment“ (vlevo otáčecí tendence letadla) skládá ze čtyř prvků, které způsobují nebo vytvářejí kroucený nebo otáčející se pohyb kolem alespoň jedné ze tří os letounu. Tyto čtyři prvky jsou: reakce točivého momentu z motoru a vrtule, efekt vývrtky proudu skluzu, gyroskopické působení vrtule a asymetrické zatížení vrtule (P-faktor).

4.8.2 Reakce točivého momentu #

Reakce točivého momentu zahrnuje Newtonův třetí fyzikální zákon – pro každou akci existuje stejná a opačná reakce. Jak je aplikováno na letadlo, znamená to, že jak se vnitřní části motoru a vrtule otáčejí v jednom směru, stejná síla se snaží otáčet letadlo v opačném směru. [Figure 4-39]

Když je letoun ve vzduchu, tato síla působí kolem podélné osy a má tendenci přimět letoun, aby se převaloval. Aby se kompenzovala tendence k válcování, některá starší letadla jsou upravena způsobem, aby vytvořily větší zdvih na křídle, které je tlačeno dolů. Modernější letouny jsou navrženy s posunem motoru, aby působily proti tomuto účinku točivého momentu.

Poznámka: Většina leteckých motorů vyrobených ve Spojených státech otáčí vrtulí ve směru hodinových ručiček, jak je při pohledu ze sedadla pilotů. Diskuse je zde s odkazem na tyto motory.

Obecně jsou kompenzační faktory trvale nastaveny tak, aby kompenzovaly tuto sílu při cestovní rychlosti, protože většina letadel provozujících vztlak je při této rychlosti. Avšak lišty křidélek umožňují další úpravu pro jiné rychlosti.

Když jsou kola letadla během vzletu na zemi, další otáčecí moment kolem svislé osy je vyvolán reakcí točivého momentu. Vzhledem k tomu, že levá strana letadla je tlačena dolů reakcí točivého momentu, na levém hlavním podvozku se přikládá větší hmotnost. To má za následek větší tření nebo tažení na zemi na levé pneumatikě než vpravo, což způsobuje další otáčení doleva. Velikost tohoto okamžiku závisí na mnoha proměnných. Některé z těchto proměnných jsou: velikost a výkon motoru, velikost vrtule a otáčky, velikost letadla a stav povrchu země.

Tento odklápěcí moment na vzletové roli je korigován správným použitím pilotního kormidla nebo kormidla.

4.8.3 Efekt vývrtky #

Vysokorychlostní rotace vrtule letadla dává vývrtce nebo spirálovitou rotaci do skluzového proudu. Při vysokých rychlostech vrtule a nízkých rychlostech vpřed (jako při vzletech a přístupech k zapnutí napájení) je tato spirálovitá rotace velmi kompaktní a působí silnou silou na vertikální ocasní plochu letadla. [Figure 4-40]

Když tento spirálovitý proud narazí na vertikální ploutev, způsobí otočný moment kolem svislé osy letadla. Čím kompaktnější je spirála, tím výraznější je tato síla. Jak se však dopředná rychlost zvyšuje, spirála se prodlužuje a stává se méně účinným. Proud vývrtky proudu také způsobuje pohyblivý moment kolem podélné osy.

Všimněte si, že tento valivý moment způsobený tokem vývrtky proudu je vpravo, zatímco válcovací moment způsobený reakcí točivého momentu je doleva – ve skutečnosti jeden může působit proti druhému. Tyto síly se však velmi liší a je odpovědností pilotů za použití řádných nápravných opatření vždy pomocí řízení letu. Těmto silám je třeba čelit bez ohledu na to, která je v té době nejvýraznější.

4.8.4 Gyroskopické působení #

Než pochopíme gyroskopické účinky vrtule, je nutné porozumět základnímu principu gyroskopu. Všechny praktické aplikace gyroskopu jsou založeny na dvou základních vlastnostech gyroskopického působení: tuhosti v prostoru a precesi. Pro tuto diskusi je zajímavá precese.

Precese je výsledná akce nebo průhyb rotujícího rotoru, když na jeho okraj působí vychylovací síla. Jak je vidět na obrázku 4-41, když působí síla, výsledná síla působí 90° před a ve směru rotace.

Rotující vrtule letadla tvoří velmi dobrý gyroskop a má tedy podobné vlastnosti. Kdykoli je síla aplikována k vychýlení vrtule z její roviny otáčení, výsledná síla je o 90° před a ve směru otáčení a ve směru aplikace, což způsobí moment naklonění, moment stáčení nebo kombinaci obojího v závislosti na bodu, ve kterém byla síla aplikována.

Tento prvek efektu točivého momentu byl vždy spojen a považován za výraznější u letadel typu ocasních kol a nejčastěji nastává, když se ocas zvedá během vzletu. [Figure 4-42] Tato změna polohy stoupání má stejný účinek jako použití síly na horní část roviny otáčení vrtule. Výsledná síla působící o 90° před sebou způsobuje vychýlení momentu vlevo kolem svislé osy. Velikost tohoto okamžiku závisí na několika proměnných, z nichž jednou je náhlost, se kterou je ocas zvednut (množství působící síly). K precesi nebo gyroskopickému působení však dochází, když síla působí na jakýkoli bod na okraji vrtule v rovině rotace; Výsledná síla bude stále 90° od bodu aplikace ve směru otáčení. V závislosti na tom, kde je síla aplikována, je letadlo způsobeno vybočením doleva nebo vpravo, nadhozením nebo dolů nebo kombinací nadhozu a vybočení.

Dá se říci, že v důsledku gyroskopického působení má jakékoli vychýlení kolem svislé osy za následek pitching moment a jakékoli nadhozování kolem boční osy má za následek moment zatáčení. Pro korekci účinku gyroskopického působení je nutné, aby pilot správně použil výtah a kormidlo, aby se zabránilo nežádoucímu naklánění a vybočení.

4.8.5 Asymetrické zatížení (P-faktor) #

Když letadlo letí s vysokou AOA, „kousnutí“ dolů pohybující se čepelí je větší než „kousnutí“ vzhůru pohybující se čepelí. Tím se posune střed tahu napravo od oblasti vrtule, což způsobí vychýlení moment směrem doleva kolem svislé osy. Dokázat toto vysvětlení je složité, protože by bylo nutné zpracovat problémy s vektorem větru na každé lopatce při zohlednění jak AOA letadla, tak AOA každé lopatky.

Toto asymetrické zatížení je způsobeno výslednou rychlostí, která je generována kombinací rychlosti lopatky vrtule v její rovině otáčení a rychlosti vzduchu procházejícího vodorovně kotoučem vrtule. Vzhledem k tomu, že letoun létá v kladných AOA, pravá (při pohledu zezadu) nebo sestupná čepel prochází oblastí s výslednou rychlostí, která je větší než ta, která ovlivňuje levou nebo stoupající lopatku. Vzhledem k tomu, že list vrtule je profil, zvýšená rychlost znamená zvýšený vztlak. Klesající čepel má větší zdvih a má tendenci tahat (vybočit) nosem letadla doleva.

Když letadlo letí vysokou AOA, má klesající lopatka vyšší výslednou rychlost, což vytváří větší zdvih než vzhůru pohybující se lopatka. [Figure 4-43] To by mohlo být snazší vizualizovat, pokud byl hřídel vrtule namontován kolmo k zemi (jako vrtulník). pokud by nedocházelo k žádnému pohybu vzduchu, kromě pohybu generovaného

Vrtule samotná, identické části každého listu by měly stejnou rychlost vzduchu. Se vzduchem pohybujícím se vodorovně přes tuto vertikálně namontovanou vrtuli má list postupující vpřed do proudění vzduchu vyšší rychlost vzduchu než lopatka ustupující s proudem vzduchu. Čepel, která postupuje do horizontálního proudění vzduchu, tedy vytváří větší zdvih neboli tah a pohybuje se středem tahu směrem k této čepeli. Vizualizujte otáčení svisle namontované hřídele vrtule do mělčích úhlů vzhledem k pohybujícímu se vzduchu (jako u letadla). Tento nevyvážený tah se pak úměrně zmenšuje a stále se zmenšuje, dokud nedosáhne hodnoty nuly, když je hřídel vrtule ve vztahu k pohybujícímu se vzduchu přesně vodorovně.

Účinky každého z těchto čtyř prvků točivého momentu se liší v hodnotě se změnami v letových situacích. V jedné fázi letu může být jeden z těchto prvků výraznější než jiný. V jiné fázi letu může být výraznější další prvek. Vzájemný vztah těchto hodnot se u různých letadel liší – v závislosti na kombinacích draku, motoru a vrtule a také na dalších konstrukčních prvcích. Pro zachování pozitivní kontroly nad letadlem za všech letových podmínek musí pilot použít řízení letu podle potřeby, aby kompenzoval tyto různé hodnoty.