De vliegtuigpropeller bestaat uit twee of meer bladen en een centrale hub waaraan de bladen zijn bevestigd. Elk blad van een vliegtuigpropeller is in wezen een roterende vleugel. Als gevolg van hun constructie zijn de propellerbladen als vleugelprofielen en produceren ze krachten die de stuwkracht creëren om het vliegtuig door de lucht te trekken of te duwen. De motor levert het vermogen dat nodig is om de propellerbladen met hoge snelheden door de lucht te draaien, en de propeller transformeert het roterende vermogen van de motor in voorwaartse stuwkracht.

Een doorsnede van een typisch propellerblad wordt getoond in

Vergelijkbaar met een dwarsdoorsnede van een vliegtuigvleugel. Een oppervlak van het blad is gewelfd of gebogen, vergelijkbaar met het bovenoppervlak van een vliegtuigvleugel, terwijl het andere oppervlak plat is zoals het onderste oppervlak van een vleugel. De akkoordlijn is een denkbeeldige lijn die door het blad van de voorrand naar de achterrand wordt getrokken. Net als in een vleugel is de voorrand de dikke rand van het blad die de lucht ontmoet terwijl de propeller draait.

De hoek van het blad, meestal gemeten in graden, is de hoek tussen het akkoord van het blad en het rotatievlak en wordt gemeten op een specifiek punt langs de lengte van het blad. [Figure 4-36] Omdat de meeste propellers een plat blade “gezicht” hebben, wordt de akkoordlijn vaak langs de voorkant van het propellerblad getrokken. Steek is geen bladhoek, maar omdat de steek grotendeels wordt bepaald door de bladhoek, worden de twee termen vaak door elkaar gebruikt. Een toename of afname van de ene wordt meestal geassocieerd met een toename of afname van de andere.

De spoed van een propeller kan in inches worden aangeduid. Een propeller die is aangewezen als een “74-48” zou 74 inch lang zijn en een effectieve steek van 48 inch hebben. De toonhoogte is de afstand in inches, die de propeller in één omwenteling door de lucht zou schroeven als er geen slip was.

Bij het specificeren van een propeller met vaste steek voor een nieuw type vliegtuig, selecteert de fabrikant er meestal een met een pitch die efficiënt werkt met de verwachte kruissnelheid van het vliegtuig. Elke propeller met vaste steek moet een compromis zijn, omdat deze efficiënt kan zijn bij slechts een bepaalde combinatie van luchtsnelheid en omwentelingen per minuut (rpm). Piloten kunnen deze combinatie tijdens de vlucht niet veranderen.

Wanneer het vliegtuig in rust op de grond staat terwijl de motor draait, of langzaam beweegt aan het begin van het opstijgen, is de efficiëntie van de propeller erg laag omdat de propeller niet met voldoende snelheid wordt tegengehouden om zijn vaste bladen te laten bereiken hun volledige efficiëntie. In deze situatie draait elk propellerblad door de lucht bij een AOA die relatief weinig stuwkracht produceert voor de hoeveelheid stroom die nodig is om het te draaien.

Om de werking van een propeller te begrijpen, moet u eerst zijn beweging overwegen, die zowel roterend als voorwaarts is. Zoals blijkt uit de vectoren van propellerkrachten in figuur 4-36, beweegt elke sectie van een propellerblad naar beneden en naar voren. De hoek waaronder deze lucht (relatieve wind) het propellerblad raakt, is zijn AOA. De luchtdoorbuiging die door deze hoek wordt geproduceerd, zorgt ervoor dat de dynamische druk aan de motorzijde van het schroefblad groter is dan de atmosferische druk, waardoor stuwkracht ontstaat.

De vorm van het blad creëert ook stuwkracht omdat het gewelfd is zoals de vorm van een vleugel van een vleugel. Terwijl de lucht langs de propeller stroomt, is de druk aan de ene kant minder dan die aan de andere kant. Net als in een vleugel wordt een reactiekracht geproduceerd in de richting van de mindere druk. De luchtstroom over de vleugel heeft minder druk en de kracht (lift) is naar boven. In het geval van de propeller, die in een verticaal in plaats van een horizontaal vlak is gemonteerd, bevindt het gebied van verminderde druk zich voor de propeller en de kracht (stuwkracht) in een voorwaartse richting. Aerodynamisch, stuwkracht is het resultaat van de propellervorm en de AOA van het blad.

Stuwkracht kan ook worden beschouwd in termen van de luchtmassa die door de propeller wordt gehanteerd. In deze termen is stuwkracht gelijk aan de massa die wordt gehanteerd vermenigvuldigd met slipstreamsnelheid minus snelheid van het vliegtuig. Het vermogen dat wordt gebruikt om stuwkracht te produceren, hangt af van de snelheid van de luchtmassabeweging. Gemiddeld vormt stuwkracht ongeveer 80 procent van het koppel (totale pk’s geabsorbeerd door de propeller). De andere 20 procent gaat verloren in wrijving en slippen. Voor elke rotatiesnelheid brengt het door de propeller geabsorbeerde vermogen het vermogen van de motor in evenwicht. Voor elke omwenteling van de propeller hangt de hoeveelheid gehanteerde lucht af van de bladhoek, die bepaalt hoe groot een “beet” van de lucht de propeller neemt. De bladhoek is dus een uitstekend middel om de belasting op de propeller aan te passen om het motortoerental te regelen.

De bladhoek is ook een uitstekende methode om de AOA van de propeller aan te passen. Bij propellers met constante snelheid moet de bladhoek worden afgesteld om de meest efficiënte AOA te leveren bij alle motor- en vliegtuigsnelheden. Lift versus sleepcurves, die zijn getekend voor propellers, evenals vleugels, geven aan dat de meest efficiënte AOA klein is, variërend van +2° tot +4°. De werkelijke bladhoek die nodig is om deze kleine AOA te behouden, varieert met de voorwaartse snelheid van het vliegtuig.

Vaste steek- en grondverstelbare propellers zijn ontworpen voor de beste efficiëntie bij één rotatie- en voorwaartse snelheid. Ze zijn ontworpen voor een bepaalde combinatie van vliegtuigen en motoren. Er kan een propeller worden gebruikt die de maximale efficiëntie biedt voor het opstijgen, klimmen, cruisen of snel vliegen. Elke verandering in deze omstandigheden resulteert in het verlagen van de efficiëntie van zowel de propeller als de motor. Aangezien de efficiëntie van elke machine de verhouding is van het bruikbare vermogen tot het werkelijke vermogen, is de efficiëntie van de propeller de verhouding tussen het vermogen van de stuwkracht en het remvermogen. De efficiëntie van de propeller varieert van 50 tot 87 procent, afhankelijk van hoeveel de propeller “slipt”.

Propellerslip is het verschil tussen de geometrische spoed van de propeller en zijn effectieve spoed. [Figure 4-37] Geometrische toonhoogte is de theoretische afstand die een propeller in één omwenteling moet afleggen; Effectieve toonhoogte is de afstand die het daadwerkelijk bevordert. Geometrische of theoretische toonhoogte is dus gebaseerd op geen slippen, maar de werkelijke of effectieve toonhoogte omvat propellerslip in de lucht.

De reden dat een propeller “gedraaid” is, is dat de buitenste delen van de propellerbladen, zoals alle dingen die om een centraal punt draaien, sneller reizen dan de delen in de buurt van de hub. [Figure 4-38] Als de bladen over hun hele lengte dezelfde geometrische toonhoogte hadden, zouden delen in de buurt van de hub negatieve AOA’s kunnen hebben, terwijl de propellerpunten op kruissnelheid zouden worden gestopt. Door te draaien of variaties in de geometrische steek van de bladen kan de propeller werken met een relatief constante AOA over zijn lengte tijdens een kruisvlucht. Propellerbladen zijn gedraaid om de bladhoek te veranderen in verhouding tot de verschillen in rotatiesnelheid over de lengte van de propeller, waardoor de stuwkracht over deze lengte bijna gelijk blijft.

Gewoonlijk biedt 1° tot 4° de meest efficiënte lift/drag-verhouding, maar tijdens de vlucht varieert de propeller AOA van een propeller met vaste steek – normaal gesproken varieert van 0° tot 15°. Deze variatie wordt veroorzaakt door veranderingen in de relatieve luchtstroom, die op zijn beurt het gevolg zijn van veranderingen in de snelheid van het vliegtuig. Propeller AOA is dus het product van twee bewegingen: propellerrotatie om zijn as en zijn voorwaartse beweging.

Een propeller met constante snelheid houdt de bladhoek automatisch aangepast voor maximale efficiëntie voor de meeste omstandigheden die tijdens de vlucht worden geconfronteerd. Tijdens het opstijgen, wanneer maximaal vermogen en stuwkracht vereist zijn, bevindt de propeller met constante snelheid zich in een lage hoek of een spoed van de propellerbladen. De lage bladhoek houdt de AOA klein en efficiënt ten opzichte van de relatieve wind. Tegelijkertijd stelt het de propeller in staat om per omwenteling een kleinere luchtmassa te hanteren. Door deze lichte belasting kan de motor bij een hoog toerental draaien en de maximale hoeveelheid brandstof in een bepaalde tijd omzetten in warmte-energie. Het hoge toerental creëert ook maximale stuwkracht omdat, hoewel de massa van de lucht die per omwenteling wordt gehanteerd, klein is, de toerental- en slipstream-snelheid hoog zijn en met de lage vliegtuigsnelheid, er maximale stuwkracht is.

Na het opstijgen, verandert de snelheid van het vliegtuig, naarmate de snelheid van het vliegtuig toeneemt, de propeller met constante snelheid automatisch naar een hogere hoek (of toonhoogte). Nogmaals, de hogere bladhoek houdt de AOA klein en efficiënt ten opzichte van de relatieve wind. De hogere bladhoek verhoogt de massa die wordt gehanteerd per omwenteling. Dit vermindert het motortoerental, waardoor het brandstofverbruik en de slijtage van de motor worden verminderd en de stuwkracht op een maximum blijft.

Nadat de start van de start is vastgesteld in een vliegtuig met een propeller met regelbare steek, vermindert de piloot het vermogen van de motor om het vermogen te verhogen door eerst de spruitstukdruk te verlagen en vervolgens de bladhoek te verhogen om het toerental te verlagen.

Op kruishoogte, wanneer het vliegtuig in een vlakke vlucht is en er minder stroom nodig is dan wordt gebruikt bij het opstijgen of klimmen, vermindert de piloot opnieuw het motorvermogen door de spruitstukdruk te verlagen en vervolgens de bladhoek te verhogen om het toerental te verlagen. Nogmaals, dit biedt een koppelvereiste om te voldoen aan het verminderde motorvermogen. Hoewel de massa die per omwenteling wordt gehanteerd groter is, wordt deze meer dan gecompenseerd door een afname van de slipstreamsnelheid en een toename van de luchtsnelheid. De AOA is nog steeds klein omdat de bladhoek is vergroot met een toename van de luchtsnelheid.

4.8.1 Koppel en P-factor #

Voor de piloot bestaat “koppel” (de neiging tot links draaien van het vliegtuig) uit vier elementen die een draaiende of roterende beweging veroorzaken of produceren rond ten minste één van de vliegtuigen drie assen. Deze vier elementen zijn: koppelreactie van motor en propeller, kurkenbreiend effect van de slipstream, gyroscopische werking van de propeller en asymmetrische belasting van de propeller (P-factor).

4.8.2 Koppelreactie #

Koppelreactie omvat de derde wet van de natuurkunde van Newton – voor elke actie is er een gelijke en tegengestelde reactie. Zoals toegepast op het vliegtuig, betekent dit dat, aangezien de interne motoronderdelen en propeller in één richting draaien, een gelijke kracht probeert het vliegtuig in de tegenovergestelde richting te draaien. [Figure 4-39]

Wanneer het vliegtuig in de lucht is, werkt deze kracht rond de longitudinale as en heeft de neiging om het vliegtuig te laten rollen. Om de roltendens te compenseren, zijn sommige van de oudere vliegtuigen getuigd op een manier om meer lift te creëren op de vleugel die naar beneden wordt geforceerd. De meer moderne vliegtuigen zijn ontworpen met de motoroffset om dit effect van koppel tegen te gaan.

Opmerking: de meeste in de Verenigde Staten gebouwde vliegtuigmotoren draaien de propeller met de klok mee, gezien vanaf de pilotenstoel. De discussie hier gaat over die motoren.

Over het algemeen worden de compenserende factoren permanent zo ingesteld dat ze deze kracht bij kruissnelheid compenseren, aangezien de meeste liftende vliegtuigen met die snelheid zijn. Echter, aileron trim tabs maken verdere aanpassing voor andere snelheden mogelijk.

Wanneer de wielen van het vliegtuig tijdens de startrol op de grond liggen, wordt een extra draaimoment rond de verticale as veroorzaakt door een koppelreactie. Omdat de linkerkant van het vliegtuig wordt geforceerd door een koppelreactie, wordt er meer gewicht op het linker hoofdlandingsgestel geplaatst. Dit resulteert in meer grondwrijving of sleep op de linkerband dan aan de rechterkant, waardoor een verder draaimoment naar links ontstaat. De omvang van dit moment is afhankelijk van veel variabelen. Enkele van deze variabelen zijn: grootte en pk’s van de motor, grootte van de propeller en het toerental, de grootte van het vliegtuig en de toestand van het grondoppervlak.

Dit giermoment op de startrol wordt gecorrigeerd door de piloten correct gebruik van het roer of het roerbekleding.

4.8.3 Kurkentrekker-effect #

De snelle rotatie van een vliegtuigpropeller geeft een kurkentrekker of spiraalvormige rotatie aan de slipstream. Bij hoge propellersnelheden en lage voorwaartse snelheid (zoals bij het opstijgen en benaderen van power-on-stallingen), is deze spiraalvormige rotatie zeer compact en oefent een sterke zijwaartse kracht uit op het verticale staartoppervlak van het vliegtuig. [Figure 4-40]

Wanneer deze spiraalvormige slipstream de verticale vin raakt, veroorzaakt dit een draaiend moment rond de verticale as van het vliegtuig. Hoe compacter de spiraal, hoe prominenter deze kracht is. Naarmate de voorwaartse snelheid echter toeneemt, verlengt de spiraal en wordt minder effectief. De kurkentrekkerstroom van de slipstream veroorzaakt ook een rollend moment rond de lengteas.

Merk op dat dit rolmoment veroorzaakt door de kurkentrekkerstroom van de slipstream naar rechts is, terwijl het rolmoment veroorzaakt door een koppelreactie naar links is – in feite kan de ene de andere tegengaan. Deze krachten variëren echter sterk en het is de verantwoordelijkheid van de piloten om te allen tijde de juiste corrigerende actie uit te voeren door gebruik te maken van de vluchtbedieningen. Deze krachten moeten worden tegengegaan, ongeacht welke op dat moment de meest prominente is.

4.8.4 Gyroscopische actie #

Voordat de gyroscopische effecten van de propeller kunnen worden begrepen, is het noodzakelijk om het basisprincipe van een gyroscoop te begrijpen. Alle praktische toepassingen van de gyroscoop zijn gebaseerd op twee fundamentele eigenschappen van gyroscopische werking: stijfheid in ruimte en precessie. Het enige dat interessant is voor deze discussie is precessie.

Precessie is de resulterende actie, of afbuiging, van een draaiende rotor wanneer een afbuigkracht op zijn rand wordt uitgeoefend. Zoals te zien is in figuur 4-41, wanneer een kracht wordt uitgeoefend, treedt de resulterende kracht 90° voor en in de draairichting in.

De roterende propeller van een vliegtuig maakt een zeer goede gyroscoop en heeft dus vergelijkbare eigenschappen. Telkens wanneer een kracht wordt uitgeoefend om de propeller uit zijn rotatievlak af te buigen, is de resulterende kracht 90 ° voor en in de draairichting en in de richting van aanbrengen, waardoor een pitching-moment, een krijsmoment of een combinatie van de twee ontstaat, afhankelijk van het punt waarop de kracht werd uitgeoefend.

Dit element van koppeleffect is altijd in verband gebracht met en wordt als prominenter beschouwd in vliegtuigen van het staartwiel, en komt meestal voor wanneer de staart wordt verhoogd tijdens de startrol. [Figure 4-42] Deze verandering in toonhoogte heeft hetzelfde effect als het uitoefenen van een kracht op de bovenkant van het rotatievlak van de propellers. De resulterende kracht die 90° vooruit werkt, veroorzaakt een gierend moment naar links rond de verticale as. De grootte van dit moment hangt af van verschillende variabelen, waarvan er één de abrupteheid is waarmee de staart wordt verhoogd (hoeveelheid wordt uitgeoefend). Precessie, of gyroscopische werking, treedt echter op wanneer een kracht wordt uitgeoefend op een punt op de rand van het rotatievlak van de propellers; De resulterende kracht zal nog steeds 90° zijn vanaf het punt van toepassing in de draairichting. Afhankelijk van waar de kracht wordt uitgeoefend, wordt het vliegtuig veroorzaakt om naar links of rechts te gieren, omhoog of omlaag te werpen, of een combinatie van pitchen en gieren.

Men kan zeggen dat, als gevolg van gyroscopische actie, elk gewiegd rond de verticale as resulteert in een pitching-moment, en elke pitch rond de laterale as resulteert in een gierend moment. Om het effect van gyroscopische werking te corrigeren, is het noodzakelijk dat de piloot lift en roer goed gebruikt om ongewenste pitching en gieren te voorkomen.

4.8.5 Asymmetrische belasting (P-factor) #

Wanneer een vliegtuig met een hoge AOA vliegt, is de “beet” van het naar beneden bewegende blad groter dan de “beet” van het opwaarts bewegende blad. Dit verplaatst het midden van de stuwkracht naar de rechterkant van het gebied van de propschijf, waardoor er een giermoment naar links rond de verticale as ontstaat. Om deze verklaring te bewijzen is het complex omdat het nodig zou zijn om windvectorproblemen op elk blad te bewerken, rekening houdend met zowel de AOA van het vliegtuig als de AOA van elk blad.

Deze asymmetrische belasting wordt veroorzaakt door de resulterende snelheid, die wordt gegenereerd door de combinatie van de snelheid van het propellerblad in zijn rotatievlak en de snelheid van de lucht die horizontaal door de schroefschijf gaat. Met het vliegtuig dat met positieve AOAS wordt gevlogen, gaat het rechter (van achteren gezien) of neerwaartse slingerblad door een gebied met de resulterende snelheid die groter is dan die welke het linker- of opzwellende blad beïnvloedt. Omdat het propellerblad een vleugelprofiel is, betekent een verhoogde snelheid een verhoogde lift. Het downswinging mes heeft meer lift en heeft de neiging om de neus van het vliegtuig naar links te trekken (yaw).

Wanneer het vliegtuig met een hoge AOA vliegt, heeft het naar beneden bewegende blad een hogere resulterende snelheid, waardoor meer lift ontstaat dan het opwaarts bewegende blad. [Figure 4-43] Dit is misschien gemakkelijker te visualiseren als de schroefas loodrecht op de grond was gemonteerd (zoals een helikopter). Als er helemaal geen luchtbeweging was, behalve die gegenereerd door de

propeller zelf, zouden identieke secties van elk blad dezelfde luchtsnelheid hebben. Met lucht die horizontaal over deze verticaal gemonteerde propeller beweegt, heeft het blad dat naar voren gaat in de luchtstroom een hogere luchtsnelheid dan het blad dat zich terugtrekt met de luchtstroom. Dus het blad dat in de horizontale luchtstroom terechtkomt, creëert meer lift of stuwkracht, waardoor het midden van de stuwkracht naar dat blad wordt verplaatst. Visualiseer het roteren van de verticaal gemonteerde schroefas naar ondiepere hoeken ten opzichte van de bewegende lucht (zoals op een vliegtuig). Deze ongebalanceerde stuwkracht wordt dan verhoudingsgewijs kleiner en wordt steeds kleiner totdat deze de waarde van nul bereikt wanneer de schroefas precies horizontaal is ten opzichte van de bewegende lucht.

De effecten van elk van deze vier elementen van koppel variëren in waarde met veranderingen in vliegsituaties. In de ene fase van de vlucht kan een van deze elementen prominenter zijn dan de andere. In een andere fase van de vlucht kan een ander element prominenter zijn. De relatie van deze waarden met elkaar varieert met verschillende vliegtuigen, afhankelijk van de combinaties van het casco, de motor en de propeller, evenals andere ontwerpkenmerken. Om het vliegtuig onder alle vliegomstandigheden positief te beheersen, moet de piloot de vluchtcontroles toepassen om deze variërende waarden te compenseren.