Základy letecké vrtule

9. července 2020

Účelem vrtule je zajistit způsob pohonu, aby se letadlo mohlo pohybovat vzduchem vpřed. Samotná vrtule se skládá ze dvou nebo více listů spojených centrálním nábojem, který připevňuje listy k hřídeli motoru. Listy vrtule mají podobný tvar jako křídlo letadla, pomocí rotační síly motoru otáčením listů vrtule vzniká vztlak (tento vztlak se označuje jako tah), který pohybuje letadlem vpřed.

Jak vrtule fungují

Základy fungování vrtulí souvisejí s fyzikálními teoriemi pohybu, které před více než dvěma sty lety vypracoval sir Isaac Newton. Konkrétně jeho třetí zákon, který říká, že na každou akci existuje stejná a opačná reakce (Sir Isaac Newton, 1687).

S ohledem na tuto teorii se vrtule letadla používá k přeměně rotační síly motoru na dopředný tah. Vrtule pracuje tak, že vytlačuje vzduch a táhne ho za sebou (akce), tento pohyb vzduchu pak vede k tomu, že letadlo je výsledným tlakovým rozdílem tlačeno vpřed (opačná reakce). Čím více vzduchu je vtahováno za vrtuli, tím větší tah nebo dopředný pohon vzniká.

Vrtule mohou být tvořeny od jedné lopatky až po šest nebo více lopatek v souladu s potřebami účinnosti různých letadel. Požadavky na výkon letadla a výkon motoru jsou hlavními určujícími faktory počtu vrtulových listů. S rostoucím výkonem motoru jsou k efektivnímu využití zvýšeného výkonu potřeba další lopatky. Úhel listů vrtule a její celková velikost a tvar (spolu s výkonem motoru) ovlivňují velikost vytvářeného tahu.

Teorie vrtule – síly působící na vrtuli

Listy vrtule jsou konstruovány podobně jako křídlo, a proto na ně působí některé stejné aerodynamické síly, jako je odpor a vztlak (u křídel je to vztlak, u vrtule se tomu říká tah). Rozdíl je v tom, že na vrtuli působí navíc síly rychlosti otáčení a dopředu působící hybnost.

• Odstředivé síly. Odstředivá síla je síla, kterou působí listy vrtule při otáčení rychlostí. Tato síla je účinně odtahuje od letadla.
• Odstředivé a aerodynamické kroucení. Jakýkoli asymetrický rotující objekt vytváří odstředivou kroutící sílu, vrtule na tom není jinak, síla jejího otáčení kroutí lopatky do jemného stoupání.
• Vibrace. Vibrace vrtulových listů jsou způsobeny narušením je aerodynamiky vrtule při jejím průletu vzduchem a v blízkosti křídel a trupu a také kolísáním motoru.
• Ohyb točivého momentu. Krouticí ohybové síly jsou přirozeným odporem vzduchu, který vytváří odpor proti listům při jejich otáčení, a výslednou tendencí vrtulových listů chtít se ohnout v opačném směru otáčení.
• Tahové ohýbání. Síla, kterou vrtule tlačí vzduch dozadu, se nazývá tah, ten působí na vrtulové listy tlakem a ohýbá je dopředu.

Konstrukce vrtule letadla

Základní technická podstata fungování vrtulových listů se v průběhu let příliš nezměnila, došlo však k řadě významných úprav materiálů používaných ke konstrukci vrtulí a k úpravám jejich použití v souladu s nárůstem výkonu motorů a technologií, což vedlo k vyšší účinnosti.

• Dřevěné listy. Dřevo bylo hlavním materiálem používaným k výrobě vrtulí pro letadla před druhou světovou válkou. Nyní jsou obvykle k vidění pouze u hobby nebo historických letadel v souladu s dobou restaurování. Při konstrukci dřevěné vrtule se používá několik vrstev (5-9) dřeva slepených dohromady, aby byla vrtule pevnější, pružnější a méně se kroutila. Běžně používané druhy dřeva jsou žlutá bříza, černá třešeň, cukrový javor a černý ořech
• Lopatky z hliníkové slitiny. Zavedením výkonnějších leteckých motorů se používání dřevěných vrtulí ve větších letadlech stalo téměř zastaralým. Lopatky z hliníkové slitiny jsou pevnější, lehčí, snadněji se opravují a mají vyšší rychlost otáčení, takže jsou oblíbenější volbou.
• Kompozitní lopatky. Kompozitní vrtulové listy jsou vyrobeny z uhlíkových vláken, tyto listy nabízejí nižší hmotnost, nižší hlučnost a nižší vibrace a jsou odolnější a snadněji opravitelné než jiné typy vrtulí.

Typy leteckých vrtulí

Existují tři základní typy leteckých vrtulí, z nichž každý má své vlastní varianty – vrtule s pevným stoupáním, vrtule s konstantními otáčkami nebo vrtule s nastavitelnými otáčkami na zemi.

• Vrtule s pevným stoupáním. Tyto vrtule se vyrábějí s úhlem (stoupáním) zabudovaným ve vrtuli, nelze jej měnit. Jsou navrženy pro optimální provoz za optimálních podmínek, což znamená, že výkon letadla bude ovlivněn za různých podmínek. Vrtule s pevným stoupáním se často vyskytují u jednomotorových letadel, která létají při nízkých rychlostech, s omezeným doletem nebo výškou.
• Vrtule s konstantní rychlostí. Tyto vrtule, někdy nazývané vrtule s řízeným stoupáním, jsou konstruovány s proměnným stoupáním (úhlem), které lze měnit za letu při otáčení vrtule. To znamená, že vrtuli lze během letu nastavit tak, aby lépe vyhovovala měnícím se podmínkám.
• Vrtule s nastavitelným úhlem otáčení. Jak název napovídá, tyto vrtule lze seřizovat pouze na zemi, když se vrtule nepoužívá. Úhel nebo stoupání listů se mění ručně, tyto vrtule se v dnešních moderních letadlech často nevyskytují.

Základy vrtulí

Přestože v průběhu minulého století došlo k mnoha vylepšením v konstrukci vrtulí, základy této relativně jednoduché součásti letadla se v podstatě nezměnily. Zde jsou uvedeny základní pojmy spojené s fungováním leteckých vrtulí.

• Kordová čára. Chordová čára vrtule je pomyslná čára vedená středem listu od jeho náběžné hrany (v náboji) k jeho odtokové hraně (špičce).
• Stoupání. Listy vrtule nejsou rovné, svírají úhel podobný úhlu šroubu. Stoupání je vlastně mírou toho, jak daleko se vrtule posune dopředu za jednu otáčku. Stoupání se používá k řízení rychlosti vzduchu opouštějícího zadní část vrtule. Stoupání vrtulového listu se mění při pohybu po jeho povrchu od jednoho konce k druhému. Nejstrmější nebo nejkratší je ve středním náboji a nejmělčí na vnějším konci. Stoupání se vypočítá podle vzorce: stoupání = 2,36 výška/šířka průměru
• Úhel lopatek. Jedná se o úhel mezi linií kordů a rovinou otáčení a měří se (ve stupních) v určitém bodě podél délky lopatky. Ačkoli se pojmy stoupání a úhel často používají zaměnitelně, stoupání není technicky vzato úhel vrtulového listu. Stoupání je však do značné míry určeno úhlem lopatek, proto se oba termíny často používají zaměnitelně. Zvýšení nebo snížení jednoho z nich je obvykle spojeno se zvýšením nebo snížením druhého.
• Úhel náběhu. Je definován jako úhel, pod kterým vzduch dopadá na vrtulový list. Zjednodušeně lze úhel náběhu popsat jako rozdíl mezi tím, kam křídlo směřuje a kam letí. Zvyšování úhlu náběhu má za následek zvýšení vztlaku i indukovaného odporu, a to až do bodu přetažení. Zkrut vrtulového listu slouží k udržení konstantnějšího úhlu náběhu po celé délce listu, aby se vyrovnaly rozdíly v rychlosti listů v náboji a na špičce vrtule.

Další informace o aerodynamických silách za letu, výuce létání na Novém Zélandu, účincích větru na letadlo nebo mnoha dalších tématech souvisejících s létáním najdete na blogu Southern Wings.

.