Śmigło samolotu składa się z dwóch lub więcej łopatek i centralnego piasty, do którego przymocowane są ostrza. Każde ostrze śmigła samolotu jest zasadniczo obrotowym skrzydłem. W wyniku ich budowy łopatki śmigła są jak płaty i wytwarzają siły, które tworzą nacisk, aby pociągnąć lub popchnąć samolot w powietrzu. Silnik dostarcza mocy potrzebnej do obracania łopatek śmigła w powietrzu przy dużych prędkościach, a śmigło przekształca moc obrotową silnika w ciąg do przodu.

Przekrój typowego łopatki śmigła jest pokazany na

porównywalny z przekrojem skrzydła samolotu. Jedna powierzchnia ostrza jest wygięta lub zakrzywiona, podobnie jak górna powierzchnia skrzydła samolotu, podczas gdy druga powierzchnia jest płaska jak dolna powierzchnia skrzydła. Linia akordów jest wyimaginowaną linią przeciąganą przez ostrze od krawędzi natarcia do krawędzi spływu. Podobnie jak w skrzydle, krawędź natarcia to gruba krawędź ostrza, która styka się z powietrzem podczas obracania się śmigła.

Kąt ostrza, zwykle mierzony w stopniach, to kąt między cięciwą ostrza a płaszczyzną obrotu i jest mierzony w określonym punkcie wzdłuż długości ostrza. [Figure 4-36] Ponieważ większość śmigieł ma płaskie ostrze „twarz”, linia akordów jest często rysowana wzdłuż czoła śmigła. Pochylenie nie jest kątem ostrza, ale ponieważ pochylenie jest w dużej mierze zdeterminowane przez kąt ostrza, te dwa terminy są często używane zamiennie. Wzrost lub spadek jednego jest zwykle związany ze wzrostem lub spadkiem drugiego.

Skok śmigła może być oznaczony w calach. Śmigło oznaczone jako „74-48” miałoby 74 cale długości i efektywne pochylenie 48 cali. Skok to odległość w calach, którą śmigło wkręciłoby w powietrze w jednym obrocie, gdyby nie było poślizgu.

Podczas określania śmigła o stałym skoku dla nowego typu samolotu, producent zwykle wybiera takie z bokiem, który działa wydajnie z oczekiwaną prędkością przelotową samolotu. Każde śmigło o stałym skoku musi być kompromisem, ponieważ może być wydajne tylko przy danej kombinacji prędkości i obrotów na minutę (rpm). Piloci nie mogą zmienić tej kombinacji w locie.

Gdy statek powietrzny znajduje się w spoczynku na ziemi z pracującym silnikiem lub porusza się powoli na początku startu, sprawność śmigła jest bardzo niska, ponieważ śmigło jest powstrzymane przed posuwaniem się z wystarczającą prędkością, aby umożliwić jego łopatki o stałym skoku osiągnięcie pełnej sprawności. W tej sytuacji każde ostrze śmigła obraca się w powietrzu przy AOA, który wytwarza stosunkowo niewielki ciąg dla ilości mocy wymaganej do jej obrócenia.

Aby zrozumieć działanie śmigła, rozważ najpierw jego ruch, który jest zarówno obrotowy, jak i do przodu. Jak pokazują wektory sił śmigła na rysunku 4-36, każda sekcja łopatki śmigła porusza się w dół i do przodu. Kąt, pod jakim to powietrze (względny wiatr) uderza w łopatkę śmigła, jest jego AOA. Ugięcie powietrza wytwarzane tym kątem powoduje, że ciśnienie dynamiczne po stronie silnika łopatki śmigła jest większe niż ciśnienie atmosferyczne, tworząc w ten sposób ciąg.

Kształt ostrza również tworzy ciąg, ponieważ jest wygięty jak kształt płata skrzydła. Gdy powietrze przepływa przez śmigło, ciśnienie z jednej strony jest mniejsze niż z drugiej. Podobnie jak w skrzydle, siła reakcji jest wytwarzana w kierunku mniejszego ciśnienia. Przepływ powietrza nad skrzydłem ma mniejsze ciśnienie, a siła (podnoszenie) jest w górę. W przypadku śmigła, które jest zamontowane w pionie zamiast w płaszczyźnie poziomej, obszar obniżonego ciśnienia znajduje się przed śmigłem, a siła (pchnięcie) jest w kierunku do przodu. Aerodynamicznie nacisk jest wynikiem kształtu śmigła i AOA ostrza.

Ciąg może być rozpatrywany również pod względem masy powietrza obsługiwanego przez śmigło. W tym zakresie ciąg równa się masie obsługiwanej powietrza pomnożonej przez prędkość strumienia poślizgu minus prędkość samolotu. Moc zużywana na wytworzenie ciągu zależy od szybkości ruchu masy powietrza. Średnio ciąg stanowi około 80 procent momentu obrotowego (całkowita moc pochłaniana przez śmigło). Pozostałe 20 procent ginie w tarciu i poślizgu. Dla każdej prędkości obrotowej moc pochłonięta przez śmigło równoważy moc dostarczaną przez silnik. W przypadku każdego pojedynczego obrotu śmigła ilość powietrza obsługiwanego zależy od kąta łopatki, który określa, jak duże jest „ugryzienie” powietrza śmigła. Tak więc kąt łopatki jest doskonałym sposobem regulacji obciążenia śmigła w celu kontrolowania obrotów silnika.

Kąt ostrza jest również doskonałą metodą regulacji AOA śmigła. W przypadku śmigieł o stałej prędkości kąt łopatek musi być regulowany, aby zapewnić najbardziej wydajną AOA przy wszystkich prędkościach silnika i samolotu. Krzywe podnoszenia w funkcji oporu, które są rysowane dla śmigieł, a także skrzydeł, wskazują, że najbardziej wydajny AOA jest mały, wahając się od +2° do +4°. Rzeczywisty kąt ostrza niezbędny do utrzymania tego małego AOA zmienia się wraz z prędkością do przodu samolotu.

Śmigła o stałym skoku i regulowane uziemienie są zaprojektowane dla najlepszej wydajności przy jednym obrocie i prędkości do przodu. Są one przeznaczone dla danej kombinacji samolotu i silnika. Można użyć śmigła, które zapewnia maksymalną wydajność startu, wznoszenia, rejsu lub lotu z dużą prędkością. Każda zmiana tych warunków powoduje obniżenie wydajności zarówno śmigła, jak i silnika. Ponieważ wydajność każdej maszyny jest stosunkiem mocy wyjściowej użytecznej do rzeczywistej mocy, sprawność śmigła jest stosunkiem mocy ciągu do mocy hamowania. Wydajność śmigła waha się od 50 do 87 procent, w zależności od tego, jak bardzo śmigło „poślizguje się”.

Poślizg śmigła to różnica między geometrycznym skokiem śmigła a jego efektywnym skokiem. [Figure 4-37] Skok geometryczny to teoretyczna odległość, jaką śmigło powinno posunąć się w jednym obrocie; Skuteczny skok to odległość, którą faktycznie pokonuje. Tak więc skok geometryczny lub teoretyczny nie opiera się na poślizgu, ale rzeczywisty lub efektywny skok obejmuje poślizg śmigła w powietrzu.

Powodem, dla którego śmigło jest „skręcone”, jest to, że zewnętrzne części łopatek śmigła, podobnie jak wszystkie rzeczy, które obracają się wokół punktu centralnego, poruszają się szybciej niż części w pobliżu piasty. [Figure 4-38] Gdyby łopatki miały ten sam geometryczny skok na całej długości, części w pobliżu piasty mogłyby mieć ujemne AOA, podczas gdy końcówki śmigła byłyby zatrzymywane z prędkością przelotu. Skręcanie lub zmiany w skoku geometrycznym łopatek umożliwiają śmigło działać ze stosunkowo stałym AOA wzdłuż jego długości podczas lotu. Łopatki śmigła są skręcone, aby zmienić kąt łopatki proporcjonalnie do różnic w szybkości obrotu wzdłuż długości śmigła, utrzymując ciąg zbliżony do wyrównania na tej długości.

Zwykle 1° do 4° zapewnia najbardziej wydajny stosunek podnoszenia do oporu, ale w locie AOA śmigła o stałym skoku zmienia się – zwykle od 0° do 15°. Ta zmienność jest spowodowana zmianami względnego strumienia powietrza, co z kolei wynika ze zmian prędkości samolotu. Zatem śmigło AOA jest iloczynem dwóch ruchów: obrotu śmigła wokół jego osi i jego ruchu do przodu.

Śmigło o stałej prędkości automatycznie utrzymuje kąt łopatki wyregulowany w celu uzyskania maksymalnej wydajności w większości warunków napotykanych w locie. Podczas startu, gdy wymagana jest maksymalna moc i ciąg, śmigło o stałej prędkości znajduje się przy niskim kącie łopatek śmigła lub skoku. Niski kąt ostrza utrzymuje AOA małe i wydajne w odniesieniu do względnego wiatru. Jednocześnie pozwala śmigła obsługiwać mniejszą masę powietrza na obrót. To lekkie obciążenie pozwala silnikowi obracać się przy wysokich obrotach i zamieniać maksymalną ilość paliwa w energię cieplną w danym czasie. Wysokie obroty generują również maksymalny ciąg, ponieważ chociaż masa powietrza obsługiwanego na obrót jest niewielka, prędkość obrotowa i strumień poślizgu są wysokie, a przy niskiej prędkości samolotu występuje maksymalny ciąg.

Po starcie, wraz ze wzrostem prędkości samolotu, śmigło o stałej prędkości automatycznie zmienia się na wyższy kąt (lub skok). Ponownie, wyższy kąt ostrza utrzymuje AOA małe i wydajne w odniesieniu do względnego wiatru. Wyższy kąt ostrza zwiększa masę powietrza obsługiwanego na obrót. Zmniejsza to prędkość obrotową silnika, zmniejszając zużycie paliwa i zużycie silnika oraz utrzymuje maksymalny ciąg.

Po ustaleniu wznoszenia startowego w samolocie z śmigłem sterowanym sterowanym, pilot zmniejsza moc wyjściową silnika, aby wznieść moc, najpierw zmniejszając ciśnienie w kolektorze, a następnie zwiększając kąt łopatki, aby obniżyć prędkość obrotową.

Na wysokości przelotowej, gdy statek powietrzny jest w locie poziomym i wymaga mniej mocy niż jest używany podczas startu lub wznoszenia, pilot ponownie zmniejsza moc silnika, zmniejszając ciśnienie w kolektorze, a następnie zwiększając kąt ostrza, aby zmniejszyć obroty. Ponownie, zapewnia to wymóg momentu obrotowego, aby dopasować się do zmniejszonej mocy silnika. Chociaż masa powietrza obsługiwanego na obrót jest większa, jest więcej niż zrównoważona przez spadek prędkości strumienia poślizgu i wzrost prędkości lotu. AOA jest wciąż mały, ponieważ kąt ostrza został zwiększony wraz ze wzrostem prędkości.

4.8.1 Moment obrotowy i współczynnik P #

Dla pilota „Moment obrotowy” (tendencja do skręcania w lewo samolotu) składa się z czterech elementów, które powodują lub powodują ruch skręcający lub obracający się wokół co najmniej jednego z trzech osi samolotu. Te cztery elementy to: reakcja momentu obrotowego silnika i śmigła, efekt zacinania korkociągu strumienia poślizgu, działanie żyroskopowe śmigła i asymetryczne obciążenie śmigła (czynnik P).

4.8.2 Reakcja momentu obrotowego #

Reakcja momentu obrotowego obejmuje trzecie prawo fizyki Newtona — dla każdego działania występuje równa i przeciwna reakcja. W odniesieniu do samolotu oznacza to, że ponieważ wewnętrzne części silnika i śmigło obracają się w jednym kierunku, równa siła próbuje obrócić statek powietrzny w przeciwnym kierunku. [Figure 4-39]

Gdy statek powietrzny jest w powietrzu, siła ta działa wokół osi podłużnej, mając tendencję do toczenia samolotu. Aby zrekompensować tendencję przechyłu, niektóre starsze samoloty są uzbrojone w taki sposób, aby uzyskać większą siłę nośną na skrzydle, które jest wypychane w dół. Bardziej nowoczesne samoloty są zaprojektowane z przesunięciem silnika, aby przeciwdziałać temu efektowi momentu obrotowego.

Uwaga: większość silników lotniczych zbudowanych w Stanach Zjednoczonych obraca śmigło zgodnie z ruchem wskazówek zegara, jak widać z siedzenia pilotów. Dyskusja tutaj dotyczy tych silników.

Ogólnie rzecz biorąc, współczynniki kompensacyjne są ustawiane na stałe tak, aby kompensowały tę siłę przy prędkości przelotowej, ponieważ większość statków powietrznych dźwigowych jest z tą prędkością. Jednak wypustki trymowe lotek umożliwiają dalsze regulacje dla innych prędkości.

Gdy koła statków powietrznych znajdują się na ziemi podczas toczenia startu, dodatkowy moment obrotowy wokół osi pionowej jest wywoływany przez reakcję momentu obrotowego. Ponieważ lewa strona samolotu jest wypychana w dół przez reakcję momentu obrotowego, na lewym głównym podwoziu jest większy ciężar. Skutkuje to większym tarciem gruntu lub oporem na lewej oponie niż po prawej, co powoduje dalszy moment skrętu w lewo. Wielkość tego momentu zależy od wielu zmiennych. Niektóre z tych zmiennych to: rozmiar i moc silnika, wielkość śmigła i obrotów, wielkość samolotu oraz stan powierzchni gruntu.

Ten moment odchylania na rolce startowej jest korygowany przez właściwe użycie steru lub steru steru przez pilotów.

4.8.3 Efekt korkociągu #

Szybki obrót śmigła samolotu daje korkociąg lub spiralny obrót do strumienia poślizgu. Przy wysokich prędkościach śmigła i niskiej prędkości do przodu (jak w startach i podejściach do przestojów włączania), ten spiralny obrót jest bardzo kompaktowy i wywiera silną siłę boczną na pionową powierzchnię ogona samolotu. [Figure 4-40]

Kiedy ten spiralny strumień poślizgu uderza w pionowe żebra, powoduje moment skrętu wokół pionowej osi samolotu. Im bardziej zwarta spirala, tym bardziej widoczna jest ta siła. Jednak wraz ze wzrostem prędkości do przodu spirala wydłuża się i staje się mniej skuteczna. Przepływ korkociągu strumienia poślizgu powoduje również moment toczenia wokół osi wzdłużnej.

Zauważ, że ten moment toczenia spowodowany przez przepływ korkociągu strumienia poślizgu jest w prawo, podczas gdy moment toczenia spowodowany reakcją momentu obrotowego jest w lewo – w efekcie jeden może przeciwdziałać drugiemu. Jednak siły te znacznie się różnią i obowiązkiem pilotów jest stosowanie odpowiednich działań naprawczych za pomocą kontroli lotu przez cały czas. Siły te muszą być przeciwdziałane bez względu na to, który jest najbardziej widoczny w tamtym czasie.

4.8.4 Działanie żyroskopowe #

Zanim zrozumiemy efekty żyroskopowe śmigła, konieczne jest zrozumienie podstawowej zasady żyroskopu. Wszystkie praktyczne zastosowania żyroskopu opierają się na dwóch podstawowych właściwościach działania żyroskopowego: sztywności w przestrzeni i precesji. Interesujące dla tej dyskusji jest precesja.

Precesja to wynikowe działanie lub ugięcie wirującego wirnika, gdy siła odchylająca jest przyłożona do jego obręczy. Jak widać na rysunku 4-41, po przyłożeniu siły, siła wynikowa działa o 90° przed iw kierunku obrotu.

Obrotowe śmigło samolotu sprawia, że żyroskop jest bardzo dobry, a tym samym ma podobne właściwości. Za każdym razem, gdy siła jest przykładana do odchylenia śmigła z płaszczyzny obrotu, uzyskana siła jest o 90° przed i w kierunku obrotu i w kierunku przyłożenia, powodując moment pochylania, moment odchylania lub kombinację tych dwóch w zależności od punktu, w którym siła została przyłożona.

Ten element efektu momentu obrotowego zawsze był kojarzony i uważany za bardziej widoczny w samolotach typu tylnego koła i najczęściej występuje, gdy ogon jest podnoszony podczas rzutu na start. [Figure 4-42] Ta zmiana położenia pochylenia ma taki sam efekt, jak przyłożenie siły do górnej płaszczyzny obrotu śmigła. Wynikowa siła działająca o 90° do przodu powoduje moment odchylenia w lewo wokół osi pionowej. Wielkość tego momentu zależy od kilku zmiennych, z których jedną jest gwałtowność, z jaką ogon jest podniesiony (ilość przyłożonej siły). Jednak precesja lub działanie żyroskopowe występuje, gdy siła jest przyłożona do dowolnego punktu na obrzeżu płaszczyzny obrotu śmigła; Siła wypadkowa nadal będzie wynosić 90° od punktu przyłożenia w kierunku obrotu. W zależności od tego, gdzie siła jest przyłożona, samolot ma odchylać w lewo lub w prawo, w górę lub w dół lub kombinację pochylenia i odchylenia.

Można powiedzieć, że w wyniku działania żyroskopowego każde odchylenie wokół osi pionowej powoduje moment pochylania, a każde pochylenie wokół osi bocznej powoduje moment odchylenia. Aby skorygować efekt działania żyroskopowego, pilot musi prawidłowo korzystać z windy i steru, aby zapobiec niepożądanemu pochyleniu i odchyleniu.

4.8.5 Obciążenie asymetryczne (współczynnik P) #

Gdy samolot leci z wysokim AOA, „ugryzienie” ostrza poruszającego się w dół jest większe niż „ugryzienie” ostrza poruszającego się w górę. Spowoduje to przesunięcie środka ciągu w prawo od obszaru tarczy podpory, powodując moment odchylenia w lewo wokół osi pionowej. Aby udowodnić, że to wyjaśnienie jest złożone, ponieważ konieczne byłoby rozwiązywanie problemów z wektorem wiatru na każdym ostrzu, biorąc pod uwagę zarówno AOA samolotu, jak i AOA każdego ostrza.

To asymetryczne obciążenie jest spowodowane wynikającą z tego prędkością, która jest generowana przez połączenie prędkości łopatki śmigła w jego płaszczyźnie obrotu i prędkości powietrza przechodzącego poziomo przez tarczę śmigła. Gdy statek powietrzny leci z dodatnim AOAS, prawy (widziany od tyłu) lub ostrze downwinging przejeżdża przez obszar wypadkowej prędkości, który jest większy niż ten wpływający na lewą lub unoszącą się w górę łopatkę. Ponieważ łopatka śmigła jest płatem, zwiększona prędkość oznacza zwiększoną siłę nośną. Ostrze downswing ma więcej podnoszenia i ma tendencję do ciągnięcia (odchylania) nosa samolotu w lewo.

Gdy samolot leci z wysokim poziomem AOA, ostrze poruszające się w dół ma wyższą prędkość wypadkową, tworząc większą siłę nośną niż ostrze poruszające się w górę. [Figure 4-43] Może to być łatwiejsze do wizualizacji, gdyby wał napędowy był zamontowany prostopadle do podłoża (jak helikopter). Gdyby w ogóle nie było ruchu powietrza, z wyjątkiem tych generowanych przez

Samo śmigło, identyczne sekcje każdego ostrza miałyby taką samą prędkość lotu. Gdy powietrze porusza się poziomo w poprzek tego pionowo zamontowanego śmigła, ostrze biegnące do przodu do przepływu powietrza ma większą prędkość lotu niż ostrze cofające się wraz z przepływem powietrza. W ten sposób ostrze prowadzące do poziomego przepływu powietrza tworzy więcej podnoszenia lub nacisku, przesuwając środek ciągu w kierunku tego ostrza. Wizualizuj obracanie pionowo zamontowanego wału napędowego do płytszych kątów względem poruszającego się powietrza (jak w samolocie). Ten niezrównoważony nacisk staje się następnie proporcjonalnie mniejszy i nadal się zmniejsza, aż osiągnie wartość zero, gdy wał napędowy jest dokładnie poziomy w stosunku do poruszającego się powietrza.

Efekty każdego z tych czterech elementów momentu obrotowego różnią się pod względem wartości wraz ze zmianami sytuacji w locie. W jednej fazie lotu jeden z tych elementów może być bardziej widoczny niż inny. W innej fazie lotu inny element może być bardziej widoczny. Związek tych wartości ze sobą różni się w zależności od samolotu — w zależności od kombinacji płatowca, silnika i śmigła, a także innych cech konstrukcyjnych. Aby utrzymać pozytywną kontrolę nad statkiem powietrznym w każdych warunkach lotu, pilot musi zastosować kontrole lotu w razie potrzeby, aby zrekompensować te różne wartości.