Grunderna om flygplanspropellrar

Jul 9, 2020

Syftet med propellern är att tillhandahålla en metod för framdrivning så att flygplanet kan röra sig framåt i luften. Själva propellern består av två eller flera blad som är sammankopplade med ett centralt nav som fäster bladen vid motoraxeln. Propellerbladen är formade ungefär som en vinge på ett flygplan, med hjälp av rotationskraften från en motor roterar propellerbladen och producerar lyft (detta lyft kallas dragkraft) som förflyttar flygplanet framåt.

Hur propellrar fungerar

Grundprinciperna bakom hur propellrar fungerar är relaterade till de fysikaliska teorier om rörelse som utvecklades för över tvåhundra år sedan av Sir Isaac Newton. Mer specifikt hans tredje lag, dvs. att för varje handling finns det en lika stor och motsatt reaktion (Sir Isaac Newton, 1687).

Med denna teori i åtanke används propellern i ett flygplan för att omvandla motorns rotationskraft till framåtgående dragkraft. Propellern fungerar genom att förskjuta luften och dra den bakom sig (verkan). Denna luftrörelse leder sedan till att flygplanet skjuts framåt av den resulterande tryckskillnaden (den motsatta reaktionen). Ju mer luft som dras bakom propellern, desto mer dragkraft eller framdrift genereras.

Propellrar kan bestå av allt från ett enda blad till sex eller fler blad i linje med olika flygplans effektivitetsbehov. Kraven på flygplanets prestanda och motoreffekten är de viktigaste avgörande faktorerna för antalet propellerblad. När motoreffekten ökar behövs ytterligare blad för att effektivt utnyttja den ökade effekten. Vinkeln på en propellers blad och dess totala storlek och form (tillsammans med motorns effekt) påverkar hur mycket dragkraft som genereras.

Propellerteori – Krafter som verkar på en propeller

Propellerbladen är konstruerade på samma sätt som en vinge, och är därför utsatta för några av samma aerodynamiska krafter, till exempel dragkraft och lyftkraft (hos vingar är detta lyftkraft, hos en propeller kallas det dragkraft). Skillnaden är att en propeller har ytterligare krafter i form av rotationshastighet och framåtriktad drivkraft.

• Centrifugalkrafter. Centrifugalkraften är den kraft som propellerbladen upplever när de roterar med hög hastighet. Denna kraft drar effektivt bort dem från flygplanet.
• Centrifugalkraft och aerodynamisk vridning. Alla asymmetriska föremål som snurrar genererar en centrifugal vridkraft, och propellern är inte annorlunda, eftersom kraften från dess snurrande verkan vrider bladen till en fin stigning.
• Vibrationer. Propellerbladens vibrationer orsakas av störningar i propellerns aerodynamik när den passerar genom luften och nära vingarna och skrovet samt av motorvariationer.
• Vridning av vridmomentet. De böjande krafterna är luftens naturliga motstånd som skapar motstånd mot bladen när de roterar och den resulterande benägenheten hos propellerbladen att vilja böja sig i motsatt riktning mot rotationen.
• Skjutböjning. Kraften från propellern som trycker luften bakåt kallas dragkraft, vilket sätter propellerbladen under tryck och böjer bladen framåt.

Flygplanspropellerkonstruktion

Den grundläggande tekniken bakom hur propellerbladen fungerar har inte förändrats särskilt mycket under årens lopp, men det har skett ett antal betydande ändringar av de material som används för att bygga propellrar och ändringar av användningen av dem som överensstämmer med ökningar av motoreffekten och tekniken, vilket har lett till högre effektivitet.

• Träblad. Trä var det främsta materialet som användes för att tillverka propellrar till flygplan före andra världskriget. Nu ses de oftast bara på hobby- eller veteranflygplan i enlighet med restaureringsepoken. Konstruktionsprocessen för träpropellrar består av flera lager (5-9) trä som limmas ihop för att göra den starkare, mer motståndskraftig och mindre benägen att varva. Vanliga träslag som används är gul björk, svart körsbär, sockerlönn och svart valnöt
• Blad av aluminiumlegering. Införandet av kraftfullare flygplansmotorer har gjort användningen av träpropellrar så gott som överflödig i större flygplan. Blad av aluminiumlegering är starkare, lättare och lättare att reparera samt har högre rotationshastigheter, vilket gör dem till ett mer populärt val.
• Kompositblad. Kompositpropellerblad är tillverkade av kolfiber, dessa blad ger minskad vikt, mindre buller och lägre vibrationer och är mer hållbara och lättare att reparera än andra typer av propellrar.

Typer av flygplanspropellrar

Det finns tre grundtyper av flygplanspropellrar, var och en med sina egna varianter – propellrar med fast stigning, propellrar med konstant hastighet eller markjusterbara propellrar.

• Propellrar med fast stigning. Dessa propellrar tillverkas med vinkeln (stigningen) inbyggd i propellern, den kan inte ändras. De är konstruerade för optimal drift under optimala förhållanden, vilket innebär att luftfartygets prestanda kommer att påverkas under varierande förhållanden. Propellrar med fast stigning ses ofta på enmotoriga flygplan som flyger i låga hastigheter, med begränsad räckvidd eller höjd.
• Propellrar med konstant hastighet. Dessa propellrar, som ibland kallas propellrar med reglerbar stigning, är konstruerade med en variabel stigning (vinkel) som kan ändras under flygning medan propellern roterar. Detta innebär att propellern kan justeras under flygning för att bättre passa de förändrade förhållandena.
• Markjusterbara propellrar. Som namnet antyder kan dessa propellrar justeras endast på marken när propellern inte används. Bladets vinkel eller stigning ändras manuellt, dessa propellrar ses inte ofta i dagens moderna flygplan.

Propellens grunder

Samtidigt som det har gjorts många justeringar i propellerkonstruktionen under det senaste århundradet är grunderna för denna relativt enkla del av ett flygplan i stort sett oförändrade. Här är de grundläggande termerna förknippade med driften av flygplanspropellrar.

• Chord Line. En propellers ackordlinje är en tänkt linje som dras genom bladets centrum från dess framkant (vid navet) till dess bakkant (spetsen).
• Pitch. En propellers blad är inte raka, utan har en vinkel som liknar en skruv. Stigningen är i praktiken ett mått på hur långt propellern skulle röra sig framåt under ett varv. Stigningen används för att styra hastigheten på luften som lämnar propellerns baksida. Propellerbladets stigning förändras när man rör sig längs dess yta från den ena änden till den andra. Den är brantast eller kortast vid det centrala navet och ytligast vid den yttre spetsen. Stigningen beräknas med hjälp av formeln: Stigning = 2,36 diameterhöjd/bredd.
• Bladvinkel. Detta är vinkeln mellan ackordlinjen och rotationsplanet och mäts (i grader) vid en specifik punkt längs bladets längd. Även om termerna stigning och vinkel ofta används omväxlande är stigningen tekniskt sett inte vinkeln på propellerbladet. Stigningen bestäms dock till stor del av bladvinkeln, varför de två termerna ofta används omväxlande. En ökning eller minskning av den ena är vanligtvis förknippad med en ökning eller minskning av den andra.
• Angle Of Attack. Detta definieras som den vinkel i vilken luften träffar propellerbladet. Enkelt uttryckt kan angreppsvinkeln beskrivas som skillnaden mellan var en vinge pekar och vart den är på väg. En ökning av anfallsvinkeln resulterar i en ökning av både lyftkraft och inducerat motstånd, fram till stall. Vridningen på ett propellerblad används för att bibehålla en mer konstant anfallsvinkel längs bladets längd för att motverka skillnaderna i bladhastighet vid navet och spetsen av propellern.

För mer information om de aerodynamiska krafterna under flygning, om att lära sig flyga på Nya Zeeland, om vindens effekter på ett flygplan eller om många andra flygrelaterade ämnen, se Southern Wings blogg.