Der Flugzeugpropeller besteht aus zwei oder mehr Blättern und einer zentralen Nabe, an der die Schaufeln befestigt sind. Jedes Blatt eines Flugzeugpropellers ist im Wesentlichen ein rotierender Flügel. Aufgrund ihrer Konstruktion sind die Propellerblätter wie Schaufeln und erzeugen Kräfte, die den Schub erzeugen, um das Flugzeug durch die Luft zu ziehen oder zu schieben. Der Motor liefert die erforderliche Leistung, um die Propellerblätter bei hohen Geschwindigkeiten durch die Luft zu drehen, und der Propeller wandelt die Drehkraft des Motors in Vorwärtsschub um.
Ein Querschnitt eines typischen Propellerblattes ist in
vergleichbar mit einem Querschnitt eines Flugzeugflügels. Eine Oberfläche des Blattes ist ähnlich der oberen Fläche eines Flugzeugflügels gewölbt oder gekrümmt, während die andere Fläche flach wie die untere Oberfläche eines Flügels ist. Die Akkordlinie ist eine imaginäre Linie, die von ihrer Vorderkante bis zu ihrer Hinterkante durch die Klinge gezogen wird. Wie bei einem Flügel ist die Vorderkante die dicke Kante des Blattes, die beim Drehen des Propellers auf die Luft trifft.
Der Schaufelwinkel, der üblicherweise in Grad gemessen wird, ist der Winkel zwischen der Sehne des Blattes und der Drehebene und wird an einem bestimmten Punkt entlang der Länge der Klinge gemessen. [Figure 4-36] Da die meisten Propeller ein flaches Blatt „Gesicht“ haben, wird die Akkordlinie oft entlang der Stirnseite des Propellerblatts gezogen. Die Steigung ist kein Blattwinkel, aber da die Steigung weitgehend vom Blattwinkel bestimmt wird, werden die beiden Terme häufig austauschbar verwendet. Eine Zunahme oder Abnahme des einen ist normalerweise mit einer Zunahme oder Abnahme des anderen verbunden.
Die Steigung eines Propellers kann in Zoll bezeichnet werden. Ein als „74-48“ bezeichneter Propeller würde 74 Zoll lang sein und eine effektive Steigung von 48 Zoll haben. Die Steigung ist der Abstand in Zoll, den der Propeller in einer Umdrehung durch die Luft schrauben würde, wenn es keinen Schlupf gäbe.
Bei der Angabe eines Propellers mit festem Pitch für einen neuen Flugzeugtyp wählt der Hersteller in der Regel einen mit einem Pitch aus, der bei der erwarteten Reisegeschwindigkeit des Flugzeugs effizient arbeitet. Jeder Propeller mit fester Tonhöhe muss ein Kompromiss sein, da er nur bei einer bestimmten Kombination aus Fluggeschwindigkeit und Drehzahl pro Minute (U/min) effizient sein kann. Piloten können diese Kombination im Flug nicht ändern.
Wenn sich das Flugzeug bei Betrieb des Triebwerks auf dem Boden befindet oder sich zu Beginn des Starts langsam bewegt, ist der Propellerwirkungsgrad sehr gering, da der Propeller mit ausreichender Geschwindigkeit daran gehindert wird, seine feste Steigung zu erreichen, um seinen vollen Wirkungsgrad zu erreichen. In dieser Situation dreht sich jedes Propellerblatt bei einer AOA durch die Luft, die für die zum Drehen erforderliche Leistung relativ wenig Schub erzeugt.
Um die Wirkung eines Propellers zu verstehen, betrachten Sie zunächst seine Bewegung, die sowohl rotierend als auch vorwärts ist. Wie durch die Vektoren der Propellerkräfte in Abbildung 4-36 gezeigt, bewegt sich jeder Abschnitt eines Propellerblatts nach unten und nach vorne. Der Winkel, unter dem diese Luft (relativer Wind) auf das Propellerblatt trifft, ist seine AOA. Die durch diesen Winkel erzeugte Luftumlenkung bewirkt, dass der dynamische Druck auf der Motorseite des Propellerblattes größer ist als der atmosphärische Druck, wodurch Schub entsteht.
Die Form der Klinge erzeugt auch Schub, da sie wie die Flügelform eines Flügels gewölbt ist. Wenn die Luft am Propeller vorbeifließt, ist der Druck auf der einen Seite geringer als der auf der anderen. Wie bei einem Flügel wird eine Reaktionskraft in Richtung des geringeren Drucks erzeugt. Der Luftstrom über den Flügel hat weniger Druck und die Kraft (Lift) ist nach oben. Beim Propeller, der in einer vertikalen statt einer horizontalen Ebene montiert ist, befindet sich der Bereich mit verringertem Druck vor dem Propeller und die Kraft (Schub) in Vorwärtsrichtung. Aerodynamisch ist der Schub das Ergebnis der Propellerform und der AOA der Klinge.
Schub kann auch in Bezug auf die Luftmasse des Propellers berücksichtigt werden. In diesen Begriffen entspricht der Schub der Luftmasse, multipliziert mit der Geschwindigkeit des Gleitstroms minus der Geschwindigkeit des Flugzeugs. Die bei der Erzeugung von Schub verbrauchte Leistung hängt von der Geschwindigkeit der Luftmassenbewegung ab. Im Durchschnitt macht der Schub ungefähr 80 Prozent des Drehmoments aus (Gesamtleistung, die vom Propeller absorbiert wird). Die anderen 20 Prozent gehen in Reibung und Schlupf verloren. Für jede Drehzahl gleicht die vom Propeller absorbierte Pferdestärke die vom Motor gelieferte Leistung aus. Bei jeder einzelnen Umdrehung des Propellers hängt die Menge an Luft vom Blattwinkel ab, der bestimmt, wie groß ein „Biss“ an Luft der Propeller ist. Somit ist der Schaufelwinkel ein hervorragendes Mittel zum Einstellen der Belastung des Propellers zur Steuerung der Motordrehzahl.
Der Flügelwinkel ist auch eine hervorragende Methode zum Einstellen der AOA des Propellers. Bei Propellern mit konstanter Geschwindigkeit muss der Blattwinkel eingestellt werden, um bei allen Triebwerks- und Flugzeuggeschwindigkeiten die effizienteste AOA zu bieten. Die für Propeller gezeichneten Lift-gegen-Drag-Kurven sowie Flügel zeigen an, dass die effizienteste AOA klein ist und von +2 ° bis +4 ° variiert. Der tatsächliche Blattwinkel, der erforderlich ist, um diese kleine AOA aufrechtzuerhalten, variiert mit der Vorwärtsgeschwindigkeit des Flugzeugs.
Fest- und bodenverstellbare Propeller sind für beste Effizienz bei einer Drehung und Vorwärtsgeschwindigkeit ausgelegt. Sie sind für eine bestimmte Flugzeug- und Triebwerkskombination ausgelegt. Es kann ein Propeller verwendet werden, der die maximale Effizienz für Start, Steig, Kreuzfahrt oder Hochgeschwindigkeitsflug bietet. Jede Änderung dieser Bedingungen führt zu einer Verringerung der Effizienz sowohl des Propellers als auch des Motors. Da der Wirkungsgrad einer Maschine das Verhältnis der Nutzleistung zur tatsächlichen Leistungsaufnahme ist, ist der Propellerwirkungsgrad das Verhältnis von Schubleistung zu Bremsleistung. Propellereffizienz variiert zwischen 50 und 87 Prozent, je nachdem, wie viel der Propeller „rutscht“.
Der Propellerschlupf ist der Unterschied zwischen der geometrischen Steigung des Propellers und seiner effektiven Steigung. [Figure 4-37] Die geometrische Steigung ist die theoretische Distanz, die ein Propeller in einer Umdrehung vorrücken sollte; Effektive Tonhöhe ist die Entfernung, die es tatsächlich zurücklegt. Somit basiert die geometrische oder theoretische Steigung auf keinem Schlupf, aber die tatsächliche oder effektive Steigung umfasst Propellerschlupf in der Luft.
Der Grund, warum ein Propeller „verdreht“ ist, ist, dass sich die äußeren Teile der Propellerblätter wie alle Dinge, die sich um einen zentralen Punkt drehen, schneller bewegen als die Teile in der Nähe der Nabe. [Figure 4-38] Wenn die Klingen über ihre Länge die gleiche geometrische Steigung hätten, könnten Teile in der Nähe der Nabe negative AOAs haben, während die Propellerspitzen mit Geschwindigkeitsgeschwindigkeit zum Stillstand kommen würden. Verdrehungen oder Variationen in der geometrischen Steigung der Schaufeln ermöglichen es dem Propeller, im Reiseflug entlang seiner Länge mit einer relativ konstanten AOA zu arbeiten. Die Propellerblätter werden verdreht, um den Flügelwinkel proportional zu den Drehgeschwindigkeitsunterschieden entlang der Länge des Propellers zu ändern, wobei der Schub entlang dieser Länge annähernd ausgeglichen bleibt.
Normalerweise bietet 1 ° bis 4 ° das effizienteste Hub / Zieh-Verhältnis, aber im Flug variiert der Propeller AOA eines Propellers mit fester Tonhöhe – normalerweise von 0 ° bis 15 °. Diese Variation wird durch Änderungen des relativen Luftstroms verursacht, was wiederum auf Änderungen der Flugzeuggeschwindigkeit zurückzuführen ist. Somit ist Propeller AOA das Produkt zweier Bewegungen: Propellerdrehung um seine Achse und seine Vorwärtsbewegung.
Ein Propeller mit konstanter Geschwindigkeit hält den Blattwinkel automatisch für maximale Effizienz für die meisten im Flug auftretenden Bedingungen. Wenn während des Starts maximale Leistung und Schub erforderlich sind, befindet sich der Propeller mit konstanter Geschwindigkeit bei einem niedrigen Propellerwinkel oder einer Neigung. Der niedrige Klingenwinkel hält die AOA klein und effizient in Bezug auf den relativen Wind. Gleichzeitig ermöglicht es dem Propeller, eine kleinere Luftmasse pro Umdrehung zu handhaben. Diese leichte Last ermöglicht es dem Motor, sich bei hoher Drehzahl zu drehen und die maximale Kraftstoffmenge in einer bestimmten Zeit in Wärmeenergie umzuwandeln. Die hohe Drehzahl erzeugt auch einen maximalen Schub, da die Luftmasse pro Umdrehung zwar klein ist, die Drehzahl und die Geschwindigkeit des Schlupfstroms hoch sind und bei der niedrigen Flugzeuggeschwindigkeit der maximale Schub entsteht.
Nach dem Abheben wechselt der Propeller mit zunehmender Geschwindigkeit des Flugzeugs automatisch in einen höheren Winkel (oder eine Steigung). Auch hier hält der höhere Blattwinkel die AOA klein und effizient in Bezug auf den relativen Wind. Der höhere Blattwinkel erhöht die Luftmasse pro Umdrehung. Dies verringert die Motordrehzahl, verringert den Kraftstoffverbrauch und den Motorverschleiß und hält den Schub maximal.
Nachdem der Start des Starts in einem Flugzeug mit einem Propeller mit steuerbarer Tonhöhe eingerichtet ist, reduziert der Pilot die Leistungsabgabe des Triebwerks auf Steigerung der Kraft, indem es zuerst den Verteilerdruck verringert und dann den Schaufelwinkel ansteigt, um die Drehzahl zu senken.
Wenn sich das Flugzeug im Flughöhenflug befindet und weniger Leistung als beim Start oder Steigen verwendet wird, reduziert der Pilot die Motorleistung durch Verringern des Verteilerdrucks und dann den Schaufelwinkel, um die Drehzahl zu verringern. Wiederum stellt dies eine Drehmomentanforderung bereit, die der verringerten Motorleistung entspricht. Obwohl die Luftmasse pro Umdrehung größer ist, wird sie durch eine Abnahme der Schlupfgeschwindigkeit und eine Zunahme der Fluggeschwindigkeit mehr als ausgeglichen. Die AOA ist immer noch klein, da der Flügelwinkel mit zunehmender Fluggeschwindigkeit vergrößert wurde.
4.8.1 Drehmoment und P-Faktor #
Für den Piloten besteht „Drehmoment“ (die Neigung des Flugzeugs nach links) aus vier Elementen, die eine Dreh- oder Drehbewegung um mindestens eine der Flugzeuge drei Achsen verursachen oder erzeugen. Diese vier Elemente sind: Drehmomentreaktion von Motor und Propeller, Korkenziehwirkung des Gleitstroms, gyroskopische Wirkung des Propellers und asymmetrische Belastung des Propellers (P-Faktor).
4.8.2 Drehmomentreaktion #
Die Drehmomentreaktion beinhaltet Newtons drittes Gesetz der Physik – für jede Handlung gibt es eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion. Dies bedeutet, dass die internen Triebwerksteile und der Propeller auf das Flugzeug angewendet werden, indem eine gleiche Kraft versucht, das Flugzeug in die entgegengesetzte Richtung zu drehen. [Figure 4-39]
Wenn das Flugzeug in der Luft ist, wirkt diese Kraft um die Längsachse und neigt dazu, das Flugzeug zu rollen. Um die Wurfneigung auszugleichen, werden einige der älteren Flugzeuge so manipuliert, dass der Flügel, der nach unten gedrückt wird, mehr Auftrieb erzeugt. Die moderneren Flugzeuge sind mit dem Triebwerksoffset so ausgelegt, dass sie diesem Drehmomenteffekt entgegenwirken.
HINWEIS: Die meisten Flugzeugtriebwerke in den USA drehen den Propeller im Uhrzeigersinn, wie vom Pilotensitz aus gesehen. Die Diskussion hier ist mit Bezug auf diese Motoren.
Im Allgemeinen werden die Ausgleichsfaktoren so eingestellt, dass sie diese Kraft bei Reisegeschwindigkeit kompensieren, da die meisten Flugzeuge, die den Aufzug betreiben, diese Geschwindigkeit haben. Die Querruder-Tipps ermöglichen jedoch eine weitere Einstellung für andere Geschwindigkeiten.
Wenn sich die Flugzeugräder während des Startrollens auf dem Boden befinden, wird durch eine Drehmomentreaktion ein zusätzliches Drehmoment um die vertikale Achse induziert. Da die linke Seite des Flugzeugs durch eine Drehmomentreaktion gedrückt wird, wird mehr Gewicht auf das linke Hauptfahrwerk gelegt. Dies führt zu mehr Bodenreibung oder Widerstand am linken Reifen als auf der rechten, was zu einem weiteren Drehmoment nach links führt. Die Größe dieses Moments hängt von vielen Variablen ab. Einige dieser Variablen sind: Größe und Leistung des Triebwerks, Größe des Propellers und die Drehzahl, Größe des Flugzeugs und Zustand der Bodenoberfläche.
Dieser Giermoment auf der Startrolle wird durch die ordnungsgemäße Verwendung der Ruder- oder Ruderverkleidung durch die Piloten korrigiert.
4.8.3 Korkenzieher-Effekt #
Die Hochgeschwindigkeitsdrehung eines Flugzeugpropellers verleiht dem Schubstrom einen Korkenzieher oder eine spiralförmige Drehung. Bei hohen Propellergeschwindigkeiten und niedriger Vorwärtsgeschwindigkeit (wie bei den Starts und Annäherungen an Einschaltstände) ist diese spiralförmige Drehung sehr kompakt und übt eine starke seitliche Kraft auf die vertikale Heckfläche der Flugzeuge aus. [Figure 4-40]
Wenn dieser spiralförmige Gleitstrom auf die vertikale Flosse trifft, verursacht er ein Drehmoment um die vertikale Achse des Flugzeugs. Je kompakter die Spirale ist, desto stärker ist diese Kraft. Wenn die Vorwärtsgeschwindigkeit jedoch zunimmt, verlängert sich die Spirale und wird weniger effektiv. Der Korkenzieherstrom des Gleitstroms verursacht auch ein Rollmoment um die Längsachse.
Beachten Sie, dass sich dieses durch den Korkenzieherstrom des Gleitstroms verursachte Rollmoment nach rechts befindet, während das durch Drehmomentreaktion verursachte Rollmoment nach links liegt – tatsächlich kann eine dem anderen entgegenwirken. Diese Kräfte variieren jedoch stark und es liegt in der Verantwortung des Piloten, jederzeit die richtigen Korrekturmaßnahmen durchzuführen, indem die Flugsteuerung jederzeit verwendet wird. Diesen Kräften muss entgegengewirkt werden, unabhängig davon, welche zu dieser Zeit am bekanntesten ist.
4.8.4 Gyroskopische Wirkung #
Bevor die gyroskopischen Wirkungen des Propellers verstanden werden können, ist es notwendig, das Grundprinzip eines Gyroskops zu verstehen. Alle praktischen Anwendungen des Gyroskops basieren auf zwei grundlegenden Eigenschaften der gyroskopischen Wirkung: Steifheit im Raum und Präzession. Das Interesse für diese Diskussion ist die Präzession.
Die Präzession ist die resultierende Wirkung oder Auslenkung eines sich drehenden Rotors, wenn eine Umlenkkraft auf ihren Rand aufgebracht wird. Wie in Abbildung 4-41 zu sehen ist, wirkt die resultierende Kraft um 90° vor und in der Drehrichtung.
Der rotierende Propeller eines Flugzeugs bildet ein sehr gutes Gyroskop und hat somit ähnliche Eigenschaften. Jedes Mal, wenn eine Kraft aufgebracht wird, um den Propeller aus seiner Drehebene herauszulenken, liegt die resultierende Kraft um 90° vor und in der Drehrichtung und in der Anwendungsrichtung, was ein Nickmoment, ein Giermoment oder eine Kombination der beiden in Abhängigkeit von dem Punkt verursacht, an dem die Kraft aufgebracht wurde.
Dieses Element des Drehmomenteffekts wurde immer mit Flugzeugen vom Heckradtyp assoziiert und als stärker angesehen und tritt am häufigsten auf, wenn das Heck während der Startrolle angehoben wird. [Figure 4-42] Diese Änderung der Neigungslage hat den gleichen Effekt wie das Aufbringen einer Kraft auf die Oberseite der Rotationsebene der Propeller. Die um 90° voraus wirkende Kraft bewirkt ein gieriges Moment um die vertikale Achse. Die Größe dieses Moments hängt von mehreren Variablen ab, von denen eine die Abruptheit ist, mit der der Schwanz angehoben wird (Windung der Kraft ausgeübt). Eine Präzession oder gyroskopische Wirkung tritt jedoch auf, wenn eine Kraft auf einen Punkt auf dem Rand der Rotationsebene der Propeller ausgeübt wird; Die resultierende Kraft wird immer noch 90° vom Anwendungspunkt in Drehrichtung sein. Je nachdem, wo die Kraft ausgeübt wird, wird das Flugzeug dazu gebracht, nach links oder rechts zu gieren, nach oben oder unten zu neigen oder eine Kombination aus Pitching und Gieren.
Es kann gesagt werden, dass aufgrund der gyroskopischen Wirkung jedes Gieren um die vertikale Achse zu einem Nickmoment führt und jede Nickung um die Seitenachse zu einem Giermoment führt. Um die Wirkung der Kreiselwirkung zu korrigieren, muss der Pilot den Aufzug und Ruder ordnungsgemäß verwenden, um unerwünschtes Pitten und Gieren zu verhindern.
4.8.5 Asymmetrische Belastung (P-Faktor) #
Wenn ein Flugzeug mit einer hohen AOA fliegt, ist der „Biss“ des sich nach unten bewegenden Blattes größer als der „Bissen“ der sich nach oben bewegenden Klinge. Dies bewegt die Schubmitte nach rechts von der Propellerscheibe und verursacht ein gieriges Moment nach links um die vertikale Achse. Der Nachweis dieser Erklärung ist komplex, da es notwendig wäre, Windvektorprobleme an jeder Klinge zu beheben, während sowohl die AOA des Flugzeugs als auch die AOA jeder Klinge berücksichtigt werden.
Diese asymmetrische Belastung wird durch die resultierende Geschwindigkeit verursacht, die durch die Kombination der Geschwindigkeit des Propellerblattes in seiner Drehebene und der Geschwindigkeit der Luft erzeugt wird, die horizontal durch die Propellerscheibe hindurchgeht. Wenn das Flugzeug mit positiven AOAs geflogen wird, passiert das rechte (von hinten gesehen) oder das abschwingende Blatt einen Bereich mit resultierender Geschwindigkeit, der größer ist als der, der das linke oder aufsteigende Blatt betrifft. Da das Propellerblatt ein Schaufelblatt ist, bedeutet eine erhöhte Geschwindigkeit einen erhöhten Auftrieb. Das abschwenkende Blatt hat mehr Auftrieb und neigt dazu, die Nase des Flugzeugs nach links zu ziehen (gieren).
Wenn das Flugzeug mit einer hohen AOA fliegt, hat das sich nach unten bewegende Blatt eine höhere resultierende Geschwindigkeit, wodurch mehr Auftrieb entsteht als das sich nach oben bewegende Blatt. [Figure 4-43] Dies könnte leichter sichtbar sein, wenn die Propellerwelle senkrecht zum Boden montiert wurde (wie ein Hubschrauber). Wenn es überhaupt keine Luftbewegung gab, außer der von der
Propeller selbst würden identische Abschnitte jedes Blattes die gleiche Fluggeschwindigkeit haben. Wenn sich die Luft horizontal über diesen vertikal montierten Propeller bewegt, hat das Blatt, das in den Luftstrom vordringt, eine höhere Luftgeschwindigkeit als das Blatt, das sich mit dem Luftstrom zurückzieht. Somit erzeugt das in den horizontalen Luftstrom fließende Blatt mehr Auftrieb oder Schub und bewegt die Mitte des Schubes zu dieser Klinge. Stellen Sie sich die Drehung der vertikal montierten Propellerwelle in flachere Winkel relativ zur bewegten Luft (wie bei einem Flugzeug) vor. Dieser unausgeglichene Schub wird dann proportional kleiner und wird immer kleiner, bis er den Wert Null erreicht, wenn die Propellerwelle in Bezug auf die bewegte Luft genau horizontal ist.
Die Auswirkungen jedes dieser vier Elemente des Drehmoments variieren mit Änderungen in den Flugsituationen. In einer Flugphase kann eines dieser Elemente stärker ausgeprägt sein als ein anderes. In einer anderen Flugphase kann ein anderes Element stärker ausgeprägt sein. Die Beziehung dieser Werte zueinander variiert mit verschiedenen Flugzeugen – abhängig von der Flugzeugzelle, Triebwerk- und Propellerkombinationen sowie anderen Konstruktionsmerkmalen. Um das Flugzeug unter allen Flugbedingungen positiv zu kontrollieren, muss der Pilot die Flugkontrollen nach Bedarf anwenden, um diese variierenden Werte auszugleichen.
