Aircraft Propeller Basics

Jul 9, 2020

Het doel van de propeller is om een methode van voortstuwing te verschaffen zodat het vliegtuig in staat is om zich voort te bewegen door de lucht. De propeller zelf bestaat uit twee of meer bladen die met elkaar zijn verbonden door een centrale naaf waarmee de bladen aan de motoras zijn bevestigd. De propellerbladen hebben de vorm van een vleugel van een vliegtuig, met behulp van de rotatiekracht van een motor draaien de propellerbladen produceren lift (deze lift wordt aangeduid als stuwkracht) die het vliegtuig vooruit beweegt.

Hoe propellers werken

De grondbeginselen achter hoe propellers werken zijn gerelateerd aan de natuurkundige theorieën van beweging meer dan tweehonderd jaar geleden ontwikkeld door Sir Isaac Newton. Meer in het bijzonder zijn Derde Wet, dat wil zeggen voor elke actie is er een gelijke en tegengestelde reactie (Sir Isaac Newton, 1687).

Met deze theorie in het achterhoofd, wordt de propeller van een vliegtuig gebruikt om de rotatiekracht van een motor om te zetten in voorwaartse stuwkracht. De propeller werkt door de lucht te verplaatsen en achter zich aan te trekken (de actie), deze luchtverplaatsing heeft vervolgens tot gevolg dat het vliegtuig door het resulterende drukverschil naar voren wordt geduwd (de tegengestelde reactie). Hoe meer lucht achter de propeller wordt getrokken, hoe meer stuwkracht of voorwaartse aandrijving wordt gegenereerd.

Propellers kunnen bestaan uit een enkel blad tot zes of meer bladen, afhankelijk van de efficiëntie-eisen van verschillende vliegtuigen. De prestatie-eisen van het vliegtuig en het motorvermogen zijn de belangrijkste bepalende factoren voor het aantal propellerbladen. Naarmate het motorvermogen toeneemt, zijn meer bladen nodig om het toegenomen vermogen efficiënt te benutten. De hoek van de propellerbladen en de totale grootte en vorm (samen met het motorvermogen) beïnvloeden de hoeveelheid stuwkracht die wordt gegenereerd.

Propellertheorie – Krachten die op een propeller werken

Propellerbladen zijn op dezelfde manier geconstrueerd als een vleugel, en als zodanig zijn ze onderhevig aan een aantal van dezelfde aërodynamische krachten zoals luchtweerstand en lift (bij vleugels is dit lift, bij propellers wordt dit stuwkracht genoemd). Het verschil is dat een propeller de extra krachten van draaisnelheid en voorwaarts werkend momentum heeft.

• Centrifugale krachten. De middelpuntvliedende kracht is de kracht die de propellerbladen ondervinden wanneer zij op snelheid draaien. Deze kracht trekt ze effectief weg van het vliegtuig.
• Centrifugale en aërodynamische verdraaiing. Elk asymmetrisch draaiend voorwerp genereert een centrifugale verdraaiingskracht, de propeller is niet anders met de kracht van zijn draaiende actie die de bladen tot een fijne spoed verdraait.
• Trillingen. De trilling van de propellerbladen wordt veroorzaakt door verstoring is de aërodynamica van de propeller als hij door de lucht, en dicht bij de vleugels en de romp, alsmede motor variaties.
• Torque Bending. De koppelbuigkrachten zijn de natuurlijke weerstand van de lucht die weerstand produceert tegen de bladen als ze draaien en de resulterende neiging van de propellerbladen om te willen buigen in de tegenovergestelde richting van de rotatie.
• Stuwkrachtbuigen. De kracht van de propeller die de lucht naar achteren duwt wordt de stuwkracht genoemd, deze zet de propellerbladen onder druk en buigt de bladen naar voren.

Aircraft Propeller Design

De basistechniek achter de werking van propellervleugels is in de loop der jaren niet veel veranderd, maar er zijn een aantal belangrijke wijzigingen geweest in de materialen die worden gebruikt om propellers te bouwen en wijzigingen in het gebruik ervan in overeenstemming met de toename van het motorvermogen en de technologie die tot een grotere efficiëntie heeft geleid.

• Houten bladen. Hout was het belangrijkste materiaal dat werd gebruikt om propellers te maken voor vliegtuigen vóór de Tweede Wereldoorlog. Ze worden nu meestal alleen gezien in hobby of vintage vliegtuigen in overeenstemming met de restauratie tijdperk. Het hout propeller constructieproces bestaat uit verschillende lagen (5-9) van hout aan elkaar gelijmd om het sterker, veerkrachtiger en minder waarschijnlijk te maken kromtrekken. Gebruikelijke houtsoorten zijn gele berk, zwarte kers, suiker esdoorn, en zwarte walnoot
• Aluminium Alloy Blades. De introductie van krachtigere vliegtuigmotoren heeft het gebruik van houten propellers in grotere vliegtuigen zo goed als overbodig gemaakt. De bladen van de aluminiumlegering zijn sterker, lichter en gemakkelijker te herstellen evenals het hebben van hogere omwentelingssnelheden makend tot hen een populairdere keus.
• Composiet Bladen. Composiet propellerbladen zijn gemaakt van koolstofvezel, deze bladen bieden een lager gewicht, minder lawaai en minder trillingen, en zijn duurzamer en gemakkelijker te repareren dan andere soorten propellers.

Types van vliegtuig propeller

Er zijn drie basistypes van een vliegtuig propeller, elk met zijn eigen variaties – de vaste toonhoogte propeller, constante snelheid propeller of de grond verstelbare propeller.

• Fixed Pitch Propeller. Deze propellers zijn gemaakt met de hoek (pitch) ingebouwd in de propeller, het kan niet worden veranderd. Ze zijn ontworpen voor een optimale werking onder optimale omstandigheden, wat betekent dat de prestaties van het vliegtuig zal worden beïnvloed onder verschillende omstandigheden. Vaste spoed propellers worden vaak gezien op eenmotorige vliegtuigen die vliegen bij lage snelheden, met een beperkt bereik, of hoogte.
• Constante snelheid propellers. Soms ook wel een Controllable-Pitch propeller genoemd, zijn deze propellers ontworpen met een variabele spoed (hoek) die tijdens de vlucht kan worden gewijzigd terwijl de propeller draait. Dit betekent dat de propeller tijdens de vlucht kan worden aangepast om beter aan de veranderende omstandigheden te voldoen.
• Grond-stelbare propellers. Zoals de naam al doet vermoeden, kunnen deze propellers alleen op de grond worden afgesteld wanneer de propeller niet in gebruik is. De hoek of toonhoogte van het blad wordt handmatig gewijzigd, deze propellers zijn niet vaak gezien in de moderne vliegtuigen van vandaag.

Propeller Basics

Hoewel er veel tweaks in propeller ontwerp in de afgelopen eeuw zijn geweest, de fundamenten van dit relatief eenvoudige onderdeel van een vliegtuig blijven grotendeels ongewijzigd. Hier zijn de basistermen in verband met de werking van vliegtuigpropellers.

• Koordelijn. De koordelijn van een propeller is een denkbeeldige lijn die door het midden van de schoep wordt getrokken van de voorrand (bij de naaf) tot de achterrand (tip).
• Pitch. De bladen van een propeller zijn niet recht, maar staan onder een hoek die lijkt op die van een schroef. De spoed is in feite een maat voor hoe ver de propeller in één omwenteling voorwaarts kan bewegen. De spoed wordt gebruikt om de snelheid te regelen van de lucht die de achterkant van de propeller verlaat. De spoed van een propellerblad verandert naarmate je langs het oppervlak beweegt van het ene uiteinde naar het andere. De steek is het steilst of kortst bij de centrale naaf en het ondiepst bij de buitenste tip. De spoed wordt berekend met de formule: spoed = 2,36 diameter hoogte/breedte.
• Bladhoek. Dit is de hoek tussen de koordelijn en het rotatievlak en wordt gemeten (in graden) op een specifiek punt langs de lengte van het blad. Hoewel de termen spoed en hoek vaak door elkaar worden gebruikt, is de spoed technisch gezien niet de hoek van het propellerblad. Hoewel de spoed grotendeels wordt bepaald door de bladhoek, worden de twee termen vaak door elkaar gebruikt. Een verhoging of verlaging van de ene gaat meestal gepaard met een verhoging of verlaging van de andere.
• Angle Of Attack. Dit wordt gedefinieerd als de hoek waaronder de lucht het propellerblad raakt. Eenvoudig gezegd kan de invalshoek worden omschreven als het verschil tussen waar een vleugel heen wijst en waar hij heen gaat. Het vergroten van de invalshoek resulteert in een toename van zowel de lift als de geïnduceerde weerstand, tot het punt van overtrekken. De verdraaiing van een propellerblad wordt gebruikt om een meer constante invalshoek te behouden over de lengte van het blad om de verschillen in snelheid van het blad bij de naaf en de tip van de propeller tegen te gaan.

Voor meer informatie over de aërodynamische krachten tijdens de vlucht, leren vliegen in Nieuw-Zeeland, de effecten van wind op een vliegtuig of vele andere vlieggerelateerde onderwerpen zie de Southern Wings blog.