Пропелер літака складається з двох або більше лопатей і центральної маточини, до якої прикріплені лопаті. Кожна лопатка гвинта літака, по суті, є обертовим крилом. В результаті їх конструкції лопаті гвинта схожі на аеродинамічні опори і створюють сили, які створюють тягу, щоб витягнути або проштовхнути літак по повітрю. Двигун забезпечує потужність, необхідну для обертання лопатей гвинта через повітря на високих швидкостях, а пропелер перетворює обертову потужність двигуна на пряму тягу.

Показано поперечний переріз типової лопатки гвинта

Порівняно з поперечним перерізом крила літака. Одна поверхня леза вигнута або вигнута, подібна до верхньої поверхні крила літака, а інша поверхня плоска, як нижня поверхня крила. Лінія акордів — це уявна лінія, проведена через лезо від його переднього краю до заднього краю. Як і в крилі, передня кромка — це товстий край лопаті, який зустрічається з повітрям при обертанні пропелера.

Кут леза, зазвичай вимірюється в градусах, є кутом між хордою леза і площиною обертання і вимірюється в певній точці по довжині леза. [Figure 4-36] Оскільки більшість пропелерів мають плоске «обличчя», лінія хорди часто малюється вздовж лопатки лопатки пропелера. Крок – це не кут леза, але оскільки крок значною мірою визначається кутом леза, два члени часто використовуються як синоніми. Збільшення або зменшення в одному зазвичай пов’язано зі збільшенням або зменшенням в іншому.

Крок пропелера може бути позначений у дюймах. Пропелер, позначений як «74-48», мав би 74 дюйми в довжину і ефективний крок 48 дюймів. Висота — це відстань у дюймах, яку пропелер закрутив би повітря за один оберт, якби не було ковзання.

Визначаючи пропелер нового типу, виробник зазвичай вибирає з кроком, який ефективно працює з очікуваною крейсерською швидкістю літака. Кожен пропелер має бути компромісним, оскільки він може бути ефективним лише при заданій комбінації швидкості повітря та обертів за хвилину (RPM). Пілоти не можуть змінити цю комбінацію в польоті.

Коли літак знаходиться в стані спокою під час роботи двигуна або рухається повільно на початку зльоту, ефективність гвинта дуже низька, оскільки пропелер не може просуватися з достатньою швидкістю, щоб його лопаті з фіксованим кроком досягли повної ефективності. У цій ситуації кожна лопатка пропелера обертається в повітрі при AOA, яка виробляє відносно невелику тягу для кількості потужності, необхідної для його повороту.

Щоб зрозуміти дію пропелера, спочатку розглянемо його рух, який є як обертальним, так і вперед. Як показують вектори сил пропелера на малюнку 4-36, кожна частина лопатки гвинта рухається вниз і вперед. Кут, під яким це повітря (відносний вітер) вдаряє по лопаті пропелера, є його AOA. Прогин повітря, викликаний цим кутом, призводить до того, що динамічний тиск з боку двигуна лопаті гвинта буде більшим, ніж атмосферний, що створює тягу.

Форма леза також створює тягу, оскільки вона вигнута, як крило аеродинамічної форми. Оскільки повітря протікає повз пропелер, тиск з одного боку менший, ніж з іншого. Як і в крилі, у напрямку меншого тиску створюється сила реакції. Повітряний потік над крилом має менший тиск, а сила (підйом) вгору. У випадку з пропелером, який монтується у вертикалі замість горизонтальної площини, площа зниження тиску знаходиться попереду пропелера, а сила (тяга) знаходиться в прямому напрямку. Аеродинамічно тяга є результатом форми пропелера та AOA лопаті.

Удар можна розглядати також з точки зору маси повітря, що обробляється пропелером. У цих термінах тяга дорівнює масі повітря, помноженому на швидкість ковзання мінус швидкість літака. Потужність, витрачена на створення тяги, залежить від швидкості руху повітряної маси. У середньому тяга становить приблизно 80 відсотків крутного моменту (загальна кінська сила, поглинена пропелером). Інші 20 відсотків втрачаються через тертя та ковзання. Для будь-якої швидкості обертання кінські сили, що поглинаються гвинтом, врівноважують кінські сили, що передаються двигуном. Для будь-якого обертання пропелера кількість повітря, що обробляється, залежить від кута лопатки, який визначає, наскільки великий «кус» повітря, який приймає пропелер. Таким чином, кут леза є відмінним засобом регулювання навантаження на пропелер для контролю обертів двигуна.

Кут лопаті також є чудовим методом регулювання AOA пропелера. На пропелерах з постійною швидкістю кут лопатки повинен бути відрегульований, щоб забезпечити найефективніший AOA на всіх швидкостях двигуна та літака. Криві підйому та опору, які намальовані для пропелерів, а також крил, вказують на те, що найефективніший AOA невеликий, варіюється від +2° до +4°. Фактичний кут лопаті, необхідний для підтримки цього невеликого AOA, залежить від швидкості руху літака вперед.

Пропелери з фіксованим кроком і регульованими наземними гвинтами розроблені для найкращої ефективності при одному обертанні та швидкості вперед. Вони розроблені для даної комбінації літаків і двигунів. Можна використовувати пропелер, який забезпечує максимальну ефективність для зльоту, підйому, круїзу або високошвидкісного польоту. Будь-яка зміна цих умов призводить до зниження ККД як гвинта, так і двигуна. Оскільки ККД будь-якої машини є відношенням корисної потужності до фактичної вхідної потужності, ефективність пропелера — це відношення тягової потужності до потужності гальма. ККД пропелера коливається від 50 до 87 відсотків, залежно від того, наскільки пропелер «ковзає».

Пропелер – це різниця між геометричним кроком гвинта та його ефективним кроком. [Figure 4-37] Геометричний крок – це теоретична відстань, яку пропелер повинен просуватися за один оберт; Ефективний крок – це відстань, яку вона фактично просуває. Таким чином, геометричний або теоретичний крок заснований на відсутності ковзання, але фактичний або ефективний крок включає ковзання пропелера в повітрі.

Причина, чому пропелер «закручується», полягає в тому, що зовнішні частини лопатей гвинта, як і всі речі, які обертаються навколо центральної точки, рухаються швидше, ніж частини поблизу маточини. [Figure 4-38] Якби лопаті мали однаковий геометричний крок по всій довжині, частини біля маточини могли б мати негативний AOA, тоді як наконечники пропелера зупинялися б на крейсерській швидкості. Скручування або зміни геометричного кроку лопатей дозволяють гвинту працювати з відносно постійним AOA по його довжині під час крейсерського польоту. Лопаті гвинта скручуються, щоб змінити кут лопатки пропорційно різниці в швидкості обертання по довжині пропелера, зберігаючи тягу більш майже вирівняною по цій довжині.

Зазвичай від 1° до 4° забезпечує найбільш ефективне співвідношення підйому/перетягування, але під час польоту пропелер AOA пропелера з фіксованим кроком змінюється — зазвичай від 0° до 15°. Ця зміна викликана змінами відносного повітряного потоку, що, у свою чергу, є результатом зміни швидкості літака. Таким чином, пропелер AOA є добутком двох рухів: обертання пропелера навколо своєї осі та його прямого руху.

Пропелер з постійною швидкістю автоматично підтримує кут лопатки для максимальної ефективності для більшості умов, які зустрічаються під час польоту. Під час зльоту, коли потрібна максимальна потужність і тяга, пропелер з постійною швидкістю знаходиться під низьким кутом або кроком лопатки гвинта. Низький кут леза зберігає AOA невеликим і ефективним щодо відносного вітру. У той же час це дозволяє пропелеру обробляти меншу масу повітря за оберт. Це невелике навантаження дозволяє двигуну обертатися на високих обертах і перетворювати максимальну кількість палива в теплову енергію за певний час. Високі обороти також створюють максимальну тягу, оскільки, хоча маса повітря, що обробляється за один оберт, невелика, швидкість обертання та швидкість ковзання високі, а при низькій швидкості літака є максимальна тяга.

Після зльоту, у міру збільшення швидкості літака, гвинт з постійною швидкістю автоматично змінюється на більш високий кут (або крок). Знову ж таки, більший кут леза зберігає AOA невеликим та ефективним щодо відносного вітру. Вищий кут леза збільшує масу повітря, що обробляється за оберт. Це зменшує оберти двигуна, зменшуючи витрату палива та знос двигуна, а також утримує тягу на максимумі.

Після того, як злітний підйом встановлюється в літаку з керованим пропелером, пілот зменшує вихідну потужність двигуна, щоб підняти потужність, спочатку зменшуючи тиск у колекторі, а потім збільшуючи кут лопатки, щоб знизити оберти.

На крейсерській висоті, коли літак перебуває в рівній польоті і потрібно менше потужності, ніж використовується під час зльоту або підйому, пілот знову зменшує потужність двигуна, зменшуючи тиск у колекторі, а потім збільшуючи кут лопатки, щоб зменшити оберти в хвилину. Знову ж таки, це забезпечує вимогу до крутного моменту, щоб відповідати зниженій потужності двигуна. Хоча маса повітря, що обробляється за оберт, більша, ніж компенсується зменшенням швидкості ковзання та збільшенням швидкості повітря. AOA все ще невеликий, оскільки кут леза був збільшений зі збільшенням швидкості повітря.

4.8.1 Крутний момент і P-фактор #

Для пілота «крутний момент» (тенденція повороту вліво літака) складається з чотирьох елементів, які викликають або створюють крутний або обертовий рух навколо принаймні однієї з трьох осей. Ці чотири елементи: реакція крутного моменту від двигуна та пропелера, ефект штопора ковзання, гіроскопічна дія гвинта та асиметричне навантаження пропелера (p-фактор).

4.8.2 Реакція крутного моменту #

Реакція крутного моменту включає третій закон фізики Ньютона — для кожної дії існує рівна і протилежна реакція. Що стосується літака, це означає, що оскільки внутрішні частини двигуна та пропелер обертаються в одному напрямку, рівна сила намагається повернути літак у протилежному напрямку. [Figure 4-39]

Коли літак знаходиться в повітрі, ця сила діє навколо поздовжньої осі, маючи тенденцію до того, щоб літак котився. Щоб компенсувати тенденцію крену, деякі старі літаки сфальсифіковані таким чином, щоб створити більший підйом на крилі, яке штовхається вниз. Більш сучасні літаки розроблені зі зміщенням двигуна, щоб протидіяти цьому ефекту крутного моменту.

Примітка: більшість двигунів літаків, виготовлених у Сполучених Штатах, обертають гвинт за годинниковою стрілкою, якщо дивитися з сидіння пілотів. Обговорення тут стосується цих двигунів.

Як правило, компенсаційні фактори постійно встановлюються так, щоб вони компенсували цю силу з крейсерською швидкістю, оскільки більшість експлуатаційних підйомників літаків знаходиться на такій швидкості. Однак вкладки елеронних обрізок дозволяють додатково налаштувати інші швидкості.

Коли колеса літака знаходяться на землі під час зльоту, додатковим моментом повороту навколо вертикальної осі індукується реакція крутного моменту. Оскільки ліва сторона літака примушена реакцією крутного моменту, більша вага накладається на ліву головну шасі. Це призводить до більшого тертя землі або опору на лівій шині, ніж на правій, що викликає подальший момент повороту вліво. Величина цього моменту залежить від багатьох змінних. Деякі з цих змінних: розмір і потужність двигуна, розмір гвинта та оберти в хвилину, розмір літака та стан поверхні землі.

Цей момент, що потягується під час зльоту, виправляється правильним використанням пілотів керма або керма.

4.8.3 Ефект штопора #

Високошвидкісне обертання гвинта літака дає штопор або обертовий оберт до потоку ковзання. При високій швидкості гвинта та низькій швидкості вперед (як при зльотах і підходах до зупинки з живленням) це обертальне обертання є дуже компактним і чинить сильну бічну силу на вертикальну хвостову поверхню літака. [Figure 4-40]

Коли це спіральне ковзання вдаряється об вертикальний плавник, це викликає поворотний момент навколо вертикальної осі літака. Чим компактніша спіраль, тим більш помітна ця сила. Однак із збільшенням швидкості вперед спіраль подовжується і стає менш ефективним. Потік штопора ковзання також викликає момент кочення навколо поздовжньої осі.

Зауважте, що цей момент кочення, викликаний потоком штопора ковзання, знаходиться праворуч, тоді як момент кочення, викликаний реакцією крутного моменту, знаходиться ліворуч — фактично один може протидіяти іншому. Однак ці сили сильно відрізняються, і пілоти зобов’язані застосовувати належні коригувальні дії, використовуючи контроль польоту в будь-який час. Цим силам потрібно протидіяти, які на той час є найпомітнішими.

4.8.4 Гіроскопічна дія #

Перш ніж можна зрозуміти гіроскопічні ефекти пропелера, необхідно зрозуміти основний принцип роботи гіроскопа. Усі практичні застосування гіроскопа засновані на двох фундаментальних властивостях гіроскопічної дії: жорсткості в просторі та прецесії. Цікавим для цієї дискусії є прецесія.

Прецесія – це результуюча дія, або відхилення обертового ротора, коли до його краю прикладається відхиляюча сила. Як видно на малюнку 4-41, коли прикладена сила, результуюча сила починає діяти на 90° попереду і в напрямку обертання.

Обертовий пропелер літака робить дуже хороший гіроскоп і, таким чином, має подібні властивості. Кожного разу, коли прикладається сила, щоб відбити пропелер від його площини обертання, отримана сила знаходиться на 90° попереду і в напрямку обертання і в напрямку застосування, викликаючи момент подачі, момент посіву або комбінацію двох залежно від точки, в якій була прикладена сила.

Цей елемент ефекту крутного моменту завжди асоціювався і вважався більш помітним у літаках типу хвостового колеса і найчастіше виникає, коли хвіст піднімається під час зльоту. [Figure 4-42] Ця зміна ставлення до кроку має той самий ефект, що й прикладення сили до верхньої частини площини обертання пропелерів. Результуюча сила, що діє на 90° вперед, викликає момент потягування ліворуч навколо вертикальної осі. Величина цього моменту залежить від кількох змінних, однією з яких є різкість, з якою піднімається хвіст (кількість прикладеної сили). Однак прецесія, або гіроскопічна дія, відбувається, коли сила прикладена до будь-якої точки на краю площини обертання пропелерів; Отримана сила все одно буде 90° від точки застосування в напрямку обертання. Залежно від того, де прикладена сила, літак викликаний рисканням ліворуч або праворуч, подачем вгору або вниз або комбінацією подачі та потягу.

Можна сказати, що в результаті гіроскопічної дії будь-яке потягування навколо вертикальної осі призводить до моменту подачі, а будь-яке похитування навколо бічної осі призводить до моменту похилення. Щоб виправити ефект гіроскопічної дії, пілоту необхідно правильно використовувати елеватор і кермо, щоб запобігти небажаному подачу та позіхання.

4.8.5 Асиметричне навантаження (p-фактор) #

Коли літак летить з високим AOA, «укус» рухомого леза, що рухається вниз, більший, ніж «укус» леза, що рухається вгору. Це переміщує центр тяги праворуч від області диска опори, викликаючи момент посіву вліво навколо вертикальної осі. Щоб довести це пояснення, є складним, оскільки необхідно було б працювати з векторними проблемами на кожному лопаті, враховуючи як AOA літака, так і AOA кожного лопаті.

Це асиметричне навантаження викликається результуючим швидкістю, яка генерується комбінацією швидкості лопатки гвинта в його площині обертання і швидкості повітря, що проходить горизонтально через диск пропелера. Оскільки літак летить на позитивному AOA, правий (ззаду) або лезо, що розмахується вниз, проходить через область результуючої швидкості, яка більша, ніж та, що впливає на ліву або вгору. Оскільки лопатка пропелера є аеродинамічним, збільшення швидкості означає збільшення підйому. Лезо, що розгойдується, має більший підйом і має тенденцію тягнути (потяг) ніс літака вліво.

Коли літак летить з високим AOA, рухоме лезо, що рухається вниз, має більшу результуючу швидкість, створюючи більшу підйомну силу, ніж рухоме лезо, що рухається вгору. [Figure 4-43] Це було б легше уявити, якби карданний вал був встановлений перпендикулярно землі (як гелікоптер). Якщо взагалі не було руху повітря, за винятком тих, що генеруються

Сам пропелер, ідентичні секції кожної лопаті будуть мати однакову швидкість повітря. Коли повітря рухається горизонтально через цей вертикально встановлений пропелер, лопатка, що рухається вперед у потік повітря, має вищу повітряну швидкість, ніж лопатка, що відступає з повітряним потоком. Таким чином, лезо, що рухається в горизонтальний потік повітря, створює більший підйом або тягу, переміщаючи центр тяги до цього лопаті. Візуалізуйте обертання вертикально встановленого гвинта пропелера на менші кути відносно рухомого повітря (як на літаку). Ця незбалансована тяга потім стає пропорційно меншою і продовжує зменшуватися, поки не досягне значення нуля, коли вал гвинта знаходиться точно горизонтально по відношенню до рухомого повітря.

Вплив кожного з цих чотирьох елементів крутного моменту змінюється за величиною зі зміною ситуацій польоту. На одній фазі польоту один з цих елементів може бути більш помітним, ніж інший. В іншому етапі польоту інший елемент може бути більш помітним. Зв’язок цих значень один з одним залежить від різних літаків — залежно від комбінацій планера, двигуна та гвинта, а також інших конструктивних особливостей. Щоб підтримувати позитивний контроль над літаком у всіх умовах польоту, пілот повинен застосувати засоби керування польотом, якщо це необхідно, щоб компенсувати ці різні значення.