Podstawy śmigła samolotu

9 lipca 2020

Celem śmigła jest zapewnienie metody napędu, aby samolot był w stanie poruszać się do przodu w powietrzu. Samo śmigło składa się z dwóch lub więcej łopat połączonych ze sobą centralną piastą, która mocuje łopaty do wału silnika. Łopaty śmigła są ukształtowane podobnie jak skrzydło samolotu, wykorzystując siłę rotacji silnika obracającego łopaty śmigła wytwarzają siłę nośną (ta siła nośna jest określana jako ciąg), która porusza samolot do przodu.

Jak działają śmigła

Podstawy działania śmigieł są związane z fizycznymi teoriami ruchu opracowanymi ponad dwieście lat temu przez Sir Isaaca Newtona. Dokładniej jego Trzecie Prawo, które mówi, że dla każdej akcji istnieje równa i przeciwna reakcja (Sir Isaac Newton, 1687).

Pamiętając o tej teorii, śmigło samolotu jest używane do przekształcenia mocy obrotowej silnika w ciąg do przodu. Śmigło działa poprzez wypieranie powietrza, ciągnąc je za sobą (działanie), ten ruch powietrza powoduje, że samolot jest popychany do przodu przez powstałą różnicę ciśnień (reakcja przeciwna). Im więcej powietrza jest ciągnięte za śmigłem, tym większy ciąg lub napęd do przodu jest generowany.

Śmigła mogą być wykonane w dowolnym miejscu z jednego ostrza do sześciu lub więcej ostrzy zgodnie z potrzebami wydajności różnych samolotów. Wymagania dotyczące osiągów samolotu i moc silnika są głównymi czynnikami decydującymi o liczbie łopat śmigła. W miarę wzrostu mocy silnika, dodatkowe łopaty są potrzebne do efektywnego wykorzystania zwiększonej mocy. Kąt łopat śmigła oraz jego ogólny rozmiar i kształt (wraz z mocą silnika) wpływają na ilość generowanego ciągu.

Teoria śmigła – Siły działające na śmigło

Łopaty śmigła są skonstruowane w podobny sposób jak skrzydło, jako takie podlegają niektórym z tych samych sił aerodynamicznych, takich jak opór i siła nośna (w skrzydłach jest to siła nośna, w śmigle jest to siła ciągu). Różnica polega na tym, że śmigło posiada dodatkowe siły prędkości obrotowej i pędu działającego do przodu.

• Siły odśrodkowe. Siła odśrodkowa jest siłą doświadczaną przez łopaty śmigła podczas obracania się z prędkością. Siła ta skutecznie odciąga je od samolotu.
• Skręcanie odśrodkowe i aerodynamiczne. Każdy asymetryczny obiekt wirujący generuje odśrodkową siłę skręcającą, śmigło nie jest inne z siłą jego działania wirującego skręcającego łopaty do drobnego skoku.
• Wibracje. Wibracje łopat śmigła są spowodowane zaburzeniami aerodynamiki śmigła, gdy przechodzi ono przez powietrze, w pobliżu skrzydeł i kadłuba, jak również wahaniami silnika.
• Moment zginający. Siły zginające momentu obrotowego to naturalny opór powietrza wytwarzający opór przeciwko łopatom podczas ich obrotu i wynikająca z tego skłonność łopat śmigła do chęci zginania się w kierunku przeciwnym do kierunku obrotu.
• Zginanie ciągu. Siła śmigła wypychającego powietrze do tyłu nazywana jest ciągiem, co powoduje nacisk na łopaty śmigła i wygięcie łopat do przodu.

Aircraft Propeller Design

Podstawowa inżynieria stojąca za tym, jak działają łopaty śmigła, nie zmieniła się bardzo na przestrzeni lat, jednak nastąpiło wiele znaczących modyfikacji w materiałach używanych do budowy śmigieł i modyfikacji ich użycia zgodnych z zyskami w mocy silnika i technologii, co doprowadziło do większej wydajności.

• Łopaty drewniane. Drewno było podstawowym materiałem używanym do produkcji śmigieł dla samolotów przed II Wojną Światową. Obecnie są one zazwyczaj spotykane tylko w samolotach hobbystycznych lub zabytkowych, zgodnie z epoką renowacji. Proces budowy śmigła z drewna składa się z kilku warstw (5-9) drewna sklejonych razem aby uczynić je mocniejszym, bardziej odpornym i mniej podatnym na wypaczenia. Powszechnie stosowane rodzaje drewna to żółta brzoza, czarna wiśnia, klon cukrowy i czarny orzech
• Łopaty ze stopu aluminium. Wprowadzenie mocniejszych silników lotniczych spowodowało, że śmigła drewniane stały się przestarzałe w większych samolotach. Łopaty ze stopu aluminium są mocniejsze, lżejsze i łatwiejsze do naprawy, jak również mają większe prędkości obrotowe, co czyni je bardziej popularnym wyborem.
• Łopaty kompozytowe. Łopaty śmigieł kompozytowych są wykonane z włókna węglowego, łopaty te oferują zmniejszoną wagę, mniejszy hałas i mniejsze wibracje, są bardziej wytrzymałe i łatwiejsze do naprawy niż inne typy śmigieł.

Types Of Aircraft Propeller

Są trzy podstawowe typy śmigieł lotniczych, każdy z własnymi odmianami – śmigło o stałym skoku, śmigło o stałej prędkości lub śmigło z regulacją terenu.

• Śmigło o stałym skoku. Te śmigła są wykonane z kątem (skokiem) wbudowanym w śmigło, nie może on być zmieniony. Są one zaprojektowane dla optymalnej pracy w optymalnych warunkach, co oznacza że osiągi samolotu będą miały wpływ w zmiennych warunkach. Śmigła o stałym skoku są często spotykane w samolotach jednosilnikowych, które latają przy niskich prędkościach, z ograniczonym zasięgiem lub wysokością.
• Śmigła o stałej prędkości. Czasami nazywane śmigłami o stałym skoku, śmigła te są zaprojektowane ze zmiennym skokiem (kątem) który może być zmieniany w locie gdy śmigło się obraca. Oznacza to że śmigło może być wyregulowane podczas lotu aby lepiej pasowało do zmieniających się warunków.
• Śmigła nastawne do gruntu. Jak sama nazwa wskazuje śmigła te mogą być regulowane tylko na ziemi kiedy śmigło nie jest w użyciu. Kąt lub skok łopaty jest zmieniany ręcznie, te śmigła nie są często widziane w dzisiejszych nowoczesnych samolotach.

Podstawy śmigła

Podczas gdy było wiele poprawek w projekcie śmigła w ciągu ostatniego stulecia, podstawy tej stosunkowo prostej części samolotu pozostają w dużej mierze niezmienione. Oto podstawowe pojęcia związane z działaniem śmigieł lotniczych.

• Linia cięciwy. Linia cięciwy śmigła to wyimaginowana linia poprowadzona przez środek łopaty od jej krawędzi natarcia (przy piaście) do krawędzi spływu (czubka).
• Skok. Łopaty śmigła nie są proste, są ustawione pod kątem podobnym do kąta śruby. Skok jest efektywnie miarą tego, jak daleko śmigło może się poruszyć do przodu podczas jednego obrotu. Skok jest używany do kontrolowania prędkości powietrza opuszczającego tylną część śmigła. Skok łopaty śmigła zmienia się w miarę przesuwania się wzdłuż jej powierzchni od jednego końca do drugiego. Jest on najbardziej stromy lub najkrótszy w centralnej części i najpłytszy na zewnętrznym końcu. Skok jest obliczany za pomocą wzoru: skok = 2,36 wysokość średnicy/szerokość.
• Kąt łopaty. Jest to kąt pomiędzy linią cięciwy a płaszczyzną obrotu i jest mierzony (w stopniach) w określonym punkcie na długości łopatki. Chociaż pojęcia skoku i kąta są często używane zamiennie, skok nie jest technicznie kątem łopaty śmigła. Jednak skok jest w dużej mierze zdeterminowany przez kąt łopaty, te dwa terminy są często używane zamiennie. Wzrost lub spadek jednego z nich jest zwykle związany ze wzrostem lub spadkiem drugiego.
• Angle Of Attack. Jest to zdefiniowane jako kąt, pod którym powietrze uderza w łopatkę śmigła. W prostych słowach kąt natarcia może być opisany jako różnica między tym, gdzie skrzydło jest skierowane i gdzie zmierza. Zwiększenie kąta natarcia skutkuje wzrostem zarówno siły nośnej jak i oporu indukowanego, aż do punktu przeciągnięcia. Skręt łopaty śmigła jest używany do utrzymania bardziej stałego kąta natarcia wzdłuż długości łopaty, aby przeciwdziałać różnicom w prędkości łopaty na piaście i końcówce śmigła.

Aby uzyskać więcej informacji na temat sił aerodynamicznych podczas lotu, nauki latania w Nowej Zelandii, wpływu wiatru na samolot lub wielu innych tematów związanych z lotem, zobacz blog Southern Wings.