Lentokoneen potkurin perusteet

Jul 9, 2020

Lentokoneen potkurin tarkoitus on tarjota propulsiomenetelmä, jonka avulla lentokone voi liikkua eteenpäin ilmassa. Itse potkuri koostuu kahdesta tai useammasta siivestä, jotka on yhdistetty toisiinsa keskinavalla, joka kiinnittää siivet moottorin akseliin. Potkurin lavat on muotoiltu aivan kuten lentokoneen siipi, moottorin pyörimisvoiman avulla potkurin lavat pyörivät ja tuottavat nostetta (tätä nostetta kutsutaan työntövoimaksi), joka liikuttaa lentokonetta eteenpäin.

Kuinka potkurit toimivat

Potkureiden toiminnan perusteet liittyvät fysiikan teorioihin liikkeelle, jotka Sir Isaac Newton kehitti yli kaksisataa vuotta sitten. Tarkemmin sanottuna hänen kolmanteen lakiinsa, jonka mukaan jokaiseen toimintaan liittyy yhtä suuri ja vastakkainen reaktio (Sir Isaac Newton, 1687).

Tämä teoria mielessä pitäen lentokoneen potkuria käytetään muuttamaan moottorin pyörimisvoima eteenpäin suuntautuvaksi työntövoimaksi. Potkuri toimii syrjäyttämällä ilmaa, joka vetää sitä itsensä taakse (vaikutus), ja tämä ilman liike johtaa sitten siihen, että lentokone työntyy eteenpäin syntyneestä paine-erosta (vastakkainen reaktio). Mitä enemmän ilmaa potkurin taakse vedetään, sitä enemmän työntövoimaa tai eteenpäin suuntautuvaa työntövoimaa syntyy.

Potkurit voivat koostua mistä tahansa yhdestä siivestä kuuteen tai useampaan siipeen erilaisten lentokoneiden tehokkuusvaatimusten mukaisesti. Lentokoneen suorituskykyvaatimukset ja moottorin teho ovat tärkeimmät potkurin lapojen lukumäärää määräävät tekijät. Moottorin tehon kasvaessa tarvitaan lisää siipiä, jotta lisääntynyt teho voidaan hyödyntää tehokkaasti. Potkurin lapojen kulma sekä potkurin yleinen koko ja muoto (yhdessä moottorin tehon kanssa) vaikuttavat tuotetun työntövoiman määrään.

Potkuriteoria – Potkuriin vaikuttavat voimat

Potkurin lavat ovat rakenteeltaan samanlaiset kuin siipi, joten niihin kohdistuu joitain samoja aerodynaamisia voimia, kuten vetovastusta ja nostovoimaa (siipien kohdalla kyse on nostovoimasta, potkurin kohdalla taas työntövoimasta). Erona on, että potkurissa on lisäksi pyörimisnopeuden ja eteenpäin vaikuttavan momentin aiheuttamat voimat.

• Keskipakovoimat. Keskipakovoima on voima, jonka potkurin lavat kokevat pyöriessään nopeudella. Tämä voima vetää niitä tehokkaasti poispäin lentokoneesta.
• Keskipakovoima ja aerodynaaminen vääntö. Mikä tahansa epäsymmetrisesti pyörivä esine synnyttää keskipakovääntövoiman, eikä potkuri poikkea tästä, sillä sen pyörimisvoima vääntää lavat hienojakoisiksi.
• Tärinä. Potkurin lapojen värähtely johtuu häiriöstä on potkurin aerodynamiikka sen kulkiessa ilmassa ja lähellä siipiä ja runkoa sekä moottorin vaihteluista.
• Vääntömomentin taivutus. Vääntömomentin taivutusvoimat ovat ilman luonnollista vastusta, joka tuottaa vastusta lapoja vastaan niiden pyöriessä, ja siitä johtuva potkurin lapojen taipumus haluta taipua pyörimissuunnan vastaisesti.
• Työntövoiman taivutus. Potkurin voimaa, joka työntää ilmaa taaksepäin, kutsutaan työntövoimaksi, joka asettaa potkurin lavat paineen alle ja taivuttaa lavat eteenpäin.

Lentokoneiden potkurien suunnittelu

Potkurin lapojen toiminnan perustekniikka ei ole muuttunut kovinkaan paljon vuosien varrella, mutta potkurien rakentamiseen käytetyissä materiaaleissa on kuitenkin tehty useita merkittäviä muutoksia ja niiden käyttöä on muutettu moottoreiden tehon ja tekniikan kehittymisen myötä, mikä on johtanut suurempaan tehokkuuteen.

• Puiset siivet. Puu oli ensisijainen materiaali, jota käytettiin lentokoneiden potkureiden valmistukseen ennen toista maailmansotaa. Nykyään niitä näkee yleensä vain harraste- tai vuosikertakoneissa restaurointiaikakauden mukaisesti. Puupotkurin rakennusprosessi koostuu useista puukerroksista (5-9), jotka on liimattu yhteen, jotta se olisi vahvempi, joustavampi ja vääntyisi vähemmän. Yleisesti käytettyjä puulajeja ovat keltainen koivu, musta kirsikka, sokerivaahtera ja musta saksanpähkinä
• Alumiiniseoksesta valmistetut terät. Tehokkaampien lentokonemoottoreiden käyttöönotto on tehnyt puisten potkureiden käytön lähes tarpeettomaksi suuremmissa lentokoneissa. Alumiiniseoksesta valmistetut lavat ovat vahvempia, kevyempiä ja helpommin korjattavia, ja niiden pyörimisnopeus on suurempi, mikä tekee niistä suositumman valinnan.
• Komposiittilavat. Komposiittipotkurin lavat on valmistettu hiilikuidusta, nämä lavat tarjoavat pienemmän painon, pienemmän melun ja pienemmän tärinän, ja ne ovat kestävämpiä ja helpommin korjattavia kuin muuntyyppiset potkurit.

Lentokoneen potkurityypit

Lentokoneen potkurissa on kolme perustyyppiä, joista jokaisella on omat variaationsa – kiinteän kierrosluvun potkuri, vakionopeuslentokoneen potkuri tai maasäädettävä potkuri.

• Kiinteän kierrosluvun potkuri. Nämä potkurit valmistetaan siten, että kulma (pitch) on sisäänrakennettu potkuriin, sitä ei voi muuttaa. Ne on suunniteltu toimimaan optimaalisesti optimaalisissa olosuhteissa, mikä tarkoittaa, että lentokoneen suorituskykyyn vaikuttavat vaihtelevat olosuhteet. Kiinteäkärkisiä potkureita näkee usein yksimoottorisissa lentokoneissa, jotka lentävät alhaisilla nopeuksilla, rajoitetulla kantamalla tai korkeudella.
• Vakiokäyntiset potkurit. Näitä potkureita kutsutaan toisinaan nimellä Controlable-Pitch Propeller, ja ne on suunniteltu siten, että potkurin korkeutta (kulmaa) voidaan muuttaa lennon aikana potkurin pyöriessä. Tämä tarkoittaa, että potkuri voidaan säätää lennon aikana paremmin muuttuviin olosuhteisiin sopivaksi.
• Maassa säädettävät potkurit. Nimensä mukaisesti näitä potkureita voidaan säätää vain maassa, kun potkuri ei ole käytössä. Lavan kulmaa tai nousukulmaa muutetaan manuaalisesti, ja näitä potkureita ei useinkaan nähdä nykyaikaisissa lentokoneissa.

Potkurin perusteet

Vaikka potkurin suunnittelussa on viime vuosisadan aikana tapahtunut monia hienosäätöjä, tämän suhteellisen yksinkertaisen lentokoneen osan perusteet ovat säilyneet suurelta osin ennallaan. Tässä ovat lentokoneiden potkurien toimintaan liittyvät perustermit.

• Akordilinja. Potkurin sointulinja on kuvitteellinen viiva, joka kulkee lavan keskipisteen kautta sen etureunasta (navan kohdalta) sen takareunaan (kärkeen).
• Pitch. Potkurin lavat eivät ole suorat, vaan ne ovat samanlaisessa kulmassa kuin ruuvi. Pitch on käytännössä mitta siitä, kuinka pitkälle potkuri liikkuu eteenpäin yhdellä kierroksella. Asentoa käytetään potkurin takaosasta lähtevän ilman nopeuden säätämiseen. Potkurin siiven korkeus muuttuu, kun sen pintaa pitkin liikutaan sen toisesta päästä toiseen. Se on jyrkimmillään tai lyhimmillään keskikohdassa ja matalimmillaan ulkokärjessä. Korkeus lasketaan kaavalla: korkeus = 2,36 halkaisijan korkeus/leveys.
• Lapakulma. Tämä on jousilinjan ja pyörimistason välinen kulma, ja se mitataan (asteina) tietyssä pisteessä lavan pituudelta. Vaikka termejä lapakulma ja lapakulma käytetään usein vaihdellen, lapakulma ei ole teknisesti potkurin lapakulma. Lavan kulma määrittää kuitenkin suurelta osin nousukulman, joten näitä kahta termiä käytetään usein keskenään vaihdettavina. Toisen lisääntyminen tai väheneminen liittyy yleensä toisen lisääntymiseen tai vähenemiseen.
• Angle Of Attack. Tämä määritellään kulmaksi, jossa ilma osuu potkurin lapaan. Yksinkertaistettuna kohtauskulma voidaan kuvata siiven suunnan ja suunnan välisenä erotuksena. Hyökkäyskulman kasvattaminen johtaa sekä nostovoiman että indusoidun ilmanvastuksen kasvuun aina sakkauskohtaan asti. Potkurin lavan kierrettä käytetään pitämään kohtauskulma tasaisempana koko lavan pituudelta, jotta voidaan tasoittaa lavan nopeuseroja potkurin navan ja kärjen kohdalla.

Lisätietoa aerodynaamisista voimista lennon aikana, lentämisen oppimisesta Uudessa-Seelannissa, tuulen vaikutuksista lentokoneeseen tai monista muista lentämiseen liittyvistä aiheista löydät Southern Wings -blogista.