Légcsavarok alapjai

Jul 9, 2020

A légcsavar célja, hogy a légcsavar egy meghajtási módszert biztosítson, hogy a repülőgép képes legyen előre haladni a levegőben. Maga a légcsavar két vagy több lapátból áll, amelyeket egy központi hub köt össze, amely a lapátokat a motortengelyhez rögzíti. A légcsavar lapátjai a repülőgép szárnyához hasonlóan vannak kialakítva, a motor forgási erejének felhasználásával a légcsavar lapátjai felhajtóerőt termelnek (ezt a felhajtóerőt nevezik tolóerőnek), amely előre mozgatja a repülőgépet.

Hogyan működnek a légcsavarok

A légcsavarok működésének alapjai a Sir Isaac Newton által több mint kétszáz évvel ezelőtt kidolgozott fizikai mozgáselméletekhez kapcsolódnak. Pontosabban az ő harmadik törvényét, amely szerint minden hatásra egy egyenlő és ellentétes reakció következik (Sir Isaac Newton, 1687).

Ezt az elméletet szem előtt tartva a repülőgépek légcsavarja arra szolgál, hogy a motor forgási teljesítményét előre irányuló tolóerővé alakítsa át. A légcsavar úgy működik, hogy kiszorítja a levegőt, maga mögé húzva azt (a hatás), ez a légmozgás aztán azt eredményezi, hogy a keletkező nyomáskülönbségből a repülőgépet előre tolja (az ellentétes reakció). Minél több levegőt húz a légcsavar mögé, annál nagyobb tolóerő vagy előre irányuló meghajtás keletkezik.

A légcsavarok a különböző repülőgépek hatékonysági igényeinek megfelelően egyetlen lapátból, hat vagy több lapátból állhatnak. A légcsavarlapátok számát leginkább a repülőgép teljesítménykövetelményei és a hajtómű teljesítménye határozza meg. A motorteljesítmény növekedésével további lapátok szükségesek a megnövekedett teljesítmény hatékony kihasználásához. A légcsavar lapátjainak szöge, valamint általános mérete és alakja (a motor teljesítményével együtt) befolyásolja a létrehozott tolóerő nagyságát.

Légcsavarelmélet – A légcsavarra ható erők

A légcsavar lapátjai a szárnyhoz hasonlóan vannak kialakítva, ezért ugyanazok az aerodinamikai erők, például a légellenállás és a felhajtóerő (a szárnyak esetében ez a felhajtóerő, a légcsavar esetében pedig a tolóerő) hatnak rájuk. A különbség az, hogy a légcsavart a forgási sebesség és az előre ható lendület további erői terhelik.

• Centrifugális erők. A centrifugális erő az az erő, amelyet a légcsavar lapátjai sebességgel való forgás közben tapasztalnak. Ez az erő gyakorlatilag elhúzza őket a repülőgéptől.
• Centrifugális és aerodinamikai csavarodás. Minden aszimmetrikusan forgó tárgy centrifugális csavaróerőt generál, a légcsavar sem különbözik ettől, a légcsavar forgási ereje finom állásba csavarja a lapátokat.
• Rezgés. A légcsavarlapátok rezgését a légcsavar aerodinamikájának zavara okozza, ahogy a légcsavar áthalad a levegőben, illetve a szárnyak és a törzs közelében, valamint a hajtómű ingadozásai.
• Nyomatékhajlítás. A nyomatékhajlító erők a levegő természetes ellenállása, amely forgás közben ellenállást fejt ki a lapátokkal szemben, és az ebből eredő hajlam, hogy a légcsavarlapátok a forgással ellentétes irányba akarnak hajlani.
• Tolóerőhajlítás. A légcsavarnak a levegőt hátrafelé nyomó erejét tolóerőnek nevezzük, ez nyomás alá helyezi a légcsavarlapátokat, és előre hajlítja a lapátokat.

Légcsavarok kialakítása

A légcsavarlapátok működése mögött álló alapvető műszaki megoldások nem sokat változtak az évek során, azonban számos jelentős módosítás történt a légcsavarok építéséhez használt anyagokban és a motorok teljesítményének és technológiájának növekedésével összhangban lévő felhasználásukban, ami nagyobb hatékonyságot eredményezett.

• Fa lapátok. A II. világháború előtt a repülőgépek légcsavarjainak gyártásához elsősorban fát használtak. Ma már általában csak hobbi- vagy vintage repülőgépeken találkozhatunk velük a restaurálási korszaknak megfelelően. A fa légcsavarok építési folyamata több réteg (5-9) ragasztott fából áll, hogy erősebb, rugalmasabb és kevésbé vetemedik. A leggyakrabban használt fafajták a sárga nyírfa, a fekete cseresznye, a cukorfa juhar és a fekete dió
• Alumíniumötvözet lapátok. A nagyobb teljesítményű repülőgépmotorok bevezetésével a nagyobb repülőgépeknél a fa légcsavarok használata szinte teljesen elavulttá vált. Az alumíniumötvözetből készült lapátok erősebbek, könnyebbek és könnyebben javíthatók, valamint nagyobb fordulatszámmal rendelkeznek, így egyre népszerűbb választássá válnak.
• Kompozit lapátok. A kompozit légcsavarlapátok szénszálból készülnek, ezek a lapátok kisebb súlyt, kisebb zajt és alacsonyabb rezgést biztosítanak, valamint tartósabbak és könnyebben javíthatók, mint más típusú légcsavarok.

A légcsavar típusai

A légcsavarnak három alapvető típusa van, mindegyiknek megvannak a maga változatai – a fix állású légcsavar, az állandó sebességű légcsavar vagy a földön állítható légcsavar.

• Fix állású légcsavar. Ezek a légcsavarok úgy készülnek, hogy a szög (állásszög) be van építve a légcsavarba, ez nem változtatható. Optimális körülmények közötti optimális működésre tervezték őket, ami azt jelenti, hogy a repülőgép teljesítményét változó körülmények között befolyásolják. A fix állású légcsavarokat gyakran látjuk olyan egyhajtóműves repülőgépeken, amelyek alacsony sebességgel, korlátozott hatótávolsággal vagy magassággal repülnek.
• Állandó sebességű légcsavarok. Néha vezérelhető állású légcsavarnak is nevezik, ezeket a légcsavarokat változó állásszöggel (szöggel) tervezték, amely repülés közben, a légcsavar forgása közben változtatható. Ez azt jelenti, hogy a légcsavar repülés közben is beállítható, hogy jobban megfeleljen a változó körülményeknek.
• Földön állítható légcsavarok. Ahogy a neve is mutatja, ezek a légcsavarok csak a földön állíthatóak, amikor a légcsavar nincs használatban. A lapát szögét vagy állásszögét kézzel változtatják, ezeket a légcsavarokat nem gyakran látni a mai modern repülőgépeken.

A légcsavarok alapjai

Míg az elmúlt évszázadban sok finomítás történt a légcsavarok tervezésében, a repülőgép e viszonylag egyszerű részének alapjai nagyrészt változatlanok maradtak. Íme a repülőgépek légcsavarjainak működésével kapcsolatos alapvető kifejezések.

• Akkordvonal. A légcsavar húrvonala egy képzeletbeli vonal, amely a lapát középpontján keresztül húzódik a lapát elülső élétől (a hubnál) a hátulsó éléig (csúcsáig).
• Tengelytáv. A légcsavar lapátjai nem egyenesek, hanem a csavarhoz hasonló szögben állnak. A tengelytáv gyakorlatilag azt méri, hogy a légcsavar egy fordulat alatt mennyit mozdulna előre. Az osztás a légcsavar hátuljából kilépő levegő sebességének szabályozására szolgál. A légcsavar lapátjának állásszöge úgy változik, ahogy a lapát felületén az egyik végétől a másikig haladunk. A legmeredekebb vagy legrövidebb a középső tengelycsúcsnál, és a legalacsonyabb a külső csúcsnál. A meredekség kiszámítása a következő képlettel történik: Meredekség = 2,36 átmérő magasság/szélesség.
• Lapátszög. Ez az akkordvonal és a forgási sík közötti szög, amelyet a lapát hosszának egy adott pontján mérnek (fokban). Bár a tengelytáv és a lapátszög kifejezéseket gyakran felváltva használják, a tengelytáv technikailag nem a légcsavarlapát szöge. Mivel azonban a meredekséget nagyrészt a lapát szöge határozza meg, a két kifejezést gyakran felváltva használják. Az egyik növekedése vagy csökkenése általában a másik növekedésével vagy csökkenésével jár együtt.
• Angle Of Attack. Ezt úgy határozzák meg, mint azt a szöget, amelyben a levegő a légcsavarlapátra csapódik. Egyszerűen fogalmazva a támadási szöget úgy lehet leírni, mint a szárny iránya és iránya közötti különbséget. A támadási szög növelése mind a felhajtóerő, mind az indukált légellenállás növekedését eredményezi, egészen az elakadásig. A légcsavarlapát csavarását arra használják, hogy a lapát hossza mentén állandóbb támadási szöget tartsanak fenn, hogy ellensúlyozzák a lapát sebessége közötti különbségeket a légcsavar orrában és csúcsán.

A repülés közbeni aerodinamikai erőkről, a repülés tanulásáról Új-Zélandon, a szél repülőgépre gyakorolt hatásairól vagy sok más repüléssel kapcsolatos témáról további információkat talál a Southern Wings blogon.