Vrtuľa lietadla: názov, klasifikácia a vlastnosti

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy zmenené: 2023-12-17 10:39

Základom pohybu vzduchu na princípoch aerodynamiky je prítomnosť sily, ktorá pôsobí proti odporu vzduchu pri lete a gravitácii. Všetky moderné lietadlá, s výnimkou vetroňov, majú motor, ktorého výkon sa premieňa na túto silu. Mechanizmus, ktorý premieňa rotáciu hriadeľa elektrárne na ťah, je vrtuľa lietadla.

Popis vrtule

Letecká vrtuľa je mechanické zariadenie s lopatkami, ktoré sa otáča hriadeľom motora a vytvára ťah pre pohyb lietadla vo vzduchu. Naklonením lopatiek vrhá vrtuľa vzduch späť, čím sa pred sebou vytvorí oblasť nízkeho tlaku a za ňou vysoký tlak. Takmer všetci ľudia na Zemi mali aspoň raz v živote možnosť vidieť toto zariadenie, takže nie sú potrebné početné vedecké definície. Vrtuľa sa skladá z lopatiek, náboja spojeného s motorom cez špeciálnu prírubu, vyvažovacích závaží umiestnených na náboji, mechanizmu na zmenu stúpania vrtule a kapotáže kryjúcej náboj.

Iné mená

Aký je iný názov pre vrtuľu lietadla? Historicky existovali dva hlavné názvy: skutočná vrtuľa a vrtuľa. Neskôr sa však objavili aj iné názvy, ktoré zdôrazňovali buď dizajnové vlastnosti, alebo doplnkové funkcie priradené tejto jednotke. Konkrétne:

• Fenestron. Skrutka vložená do špeciálneho kanála v chvoste vrtuľníka.
• Obežné koleso. Skrutka uzavretá v špeciálnom krúžku.
• Propfan. Sú to skrutky v tvare šípu alebo šabľového tvaru v dvoch radoch so zmenšeným priemerom.
• Windfan. Systém núdzového záložného napájania z prichádzajúceho prúdu vzduchu.
• Rotor. Toto sa niekedy nazýva hlavný rotor vrtuľníka a niektoré ďalšie.

Teória vrtule

Vo svojej podstate je každá vrtuľa lietadla akýmsi miniatúrnym pohyblivým krídlom, ktoré žije podľa rovnakých zákonov aerodynamiky ako krídlo. To znamená, že lopatky pohybom v atmosférickom prostredí vďaka svojmu profilu a sklonu vytvárajú prúdenie vzduchu, ktorý je hnacou silou lietadla. Sila tohto prúdenia okrem konkrétneho profilu závisí od priemeru a rýchlosti vrtule. Súčasne je závislosť ťahu od otáčok kvadratická a od priemeru - dokonca až 4. stupeň. Všeobecný vzorec ťahu je nasledujúci: P=αρn²D^4kde:

• α – koeficient ťahu vrtule (závisí od konštrukcie a profilu listov);
• ρ - hustota vzduchu;
• n - počet otáčokskrutky;
• D je priemer skrutky.

Je zaujímavé porovnať s vyššie uvedeným vzorcom, ďalším odvodeným z tej istej skrutkovej teórie. Toto je požadovaný výkon na zabezpečenie rotácie: T=Βρn³D^{5, kde Β je vypočítaný účinník vrtule.}

Porovnaním týchto dvoch vzorcov je možné vidieť, že zvýšením rýchlosti vrtule lietadla a zväčšením priemeru vrtule rastie požadovaný výkon motora exponenciálne. Ak je úroveň ťahu úmerná štvorcu otáčok a 4. mocnine priemeru, potom sa požadovaný výkon motora zvyšuje už úmerne tretej mocnine otáčok a 5. mocnine priemeru vrtule. S rastúcim výkonom motora rastie aj jeho hmotnosť, ktorá si vyžaduje ešte väčší ťah. Ďalší začarovaný kruh v leteckom priemysle.

Špecifikácie vrtule

Akákoľvek vrtuľa nainštalovaná v lietadle má nasledujúce vlastnosti:

• Priemer skrutky.
• Geometrický pohyb (krok). Tento výraz sa vzťahuje na vzdialenosť, ktorú by skrutka prekonala a narazila do teoretického pevného povrchu za jednu otáčku.
• Behúň – skutočná vzdialenosť, ktorú prejde vrtuľa pri jednej otáčke. Je zrejmé, že táto hodnota závisí od rýchlosti a frekvencie otáčania.
• Uhol listu – uhol medzi rovinou a skutočným sklonom vrtule.
• Tvar čepele – Väčšina moderných čepelí má šabľovitý tvar, je zakrivená.
• Profil čepele - prierez každej čepele má spravidla tvar krídla.
• Stredná struna čepele –geometrická vzdialenosť medzi nábehovou a zadnou hranou.

Hlavnou charakteristikou leteckej vrtule je zároveň jej ťah, teda to, na čo je potrebná.

Dignity

Lietadlá, ktoré používajú vrtuľu ako vrtuľu, sú oveľa hospodárnejšie ako ich prúdové náprotivky. Účinnosť dosahuje 86 %, čo je pre prúdové lietadlá nedosiahnuteľná hodnota. To je ich hlavná výhoda, ktorá ich vlastne opäť uviedla do prevádzky počas ropnej krízy v 70. rokoch minulého storočia. Na krátke vzdialenosti nie je rýchlosť kritická v porovnaní s ekonomikou, takže väčšina regionálnych lietadiel je poháňaná vrtuľou.

Chyby

Vrtuľové lietadlá majú aj nevýhody. V prvom rade ide o čisto „kinetické“nevýhody. Počas rotácie má na telo lietadla vplyv vrtuľa lietadla, ktorá má svoju vlastnú hmotnosť. Ak sa čepele napríklad otáčajú v smere hodinových ručičiek, potom má kryt tendenciu otáčať sa proti smeru hodinových ručičiek. Turbulencie vytvárané vrtuľou aktívne interagujú s krídlami a opornými plochami lietadla a vytvárajú rôzne prúdenie doprava a doľava, čím destabilizujú dráhu letu.

Napokon, rotujúca vrtuľa je druh gyroskopu, to znamená, že má tendenciu udržiavať svoju polohu, čo sťažuje zmenu dráhy letu na vzduchsúd. Tieto nedostatky leteckej vrtule sú známe už dlho a konštruktéri sa s nimi naučili vysporiadať zavedením určitej asymetrie do konštrukcie samotných lodí alebo ich riadiacich plôch (kormidla, spojlery a pod.). Pre spravodlivosť treba poznamenať, že prúdové motory majú tiež podobné „kinetické“nedostatky, ale v o niečo menšom rozsahu.

K mínusom možno pripísať aj takzvaný blokovací efekt, kedy zväčšenie priemeru a rýchlosti otáčania vrtule lietadla do určitých limitov prestane vyvolávať efekt v podobe zvýšenia ťahu. Tento efekt je spojený s výskytom prúdov vzduchu v určitých častiach lopatiek s blízkou alebo nadzvukovou rýchlosťou, čo vytvára vlnovú krízu, to znamená vytváranie vzduchových rázov. V skutočnosti prekonávajú zvukovú hranicu. V tomto smere maximálna rýchlosť lietadla s vrtuľou nepresahuje 650-700 km/h.

Azda jedinou výnimkou bol bombardér Tu-95, ktorý dosahuje rýchlosť až 950 km/h, teda takmer zvukovú rýchlosť. Každý z jeho motorov je vybavený dvoma koaxiálnymi vrtuľami rotujúcimi v opačných smeroch. No a posledným problémom lietadiel s vrtuľovým pohonom je ich hlučnosť, ktorej požiadavky letecké úrady neustále sprísňujú.

Klasifikácia

Existuje mnoho spôsobov, ako klasifikovať vrtule lietadiel. Delia sa do skupín v závislosti od materiálu, z ktorého sú vyrobené, od tvaru lopatiek, ich priemeru, množstva, ako aj množstva ďalších.vlastnosti. Najdôležitejšia je však ich klasifikácia podľa dvoch kritérií:

• Po prvé – existujú vrtule s premenlivým a pevným stúpaním.
• Po druhé – sú tu ťahacie a tlačné skrutky.

Prvá je inštalovaná v prednej časti lietadla a druhá v zadnej časti. Lietadlo s tlačnou vrtuľou vzniklo skôr, no potom sa naň na nejaký čas zabudlo a na oblohe sa objavilo len relatívne nedávno. Teraz je toto usporiadanie široko používané na malých lietadlách. Existujú dokonca aj celkom exotické možnosti, vybavené ťažnými aj tlačnými čepeľami súčasne. Lietadlo so zadnou vrtuľou má množstvo výhod, medzi ktoré patrí predovšetkým vyšší pomer vztlaku k odporu vzduchu. Avšak kvôli nedostatku dodatočného prúdenia vzduchu z vrtule má krídlo najhoršie vzletové a pristávacie charakteristiky.

Skrutky s premenlivým rozstupom

Vrtule s premenlivým stúpaním sú inštalované na takmer všetkých moderných stredných a veľkých lietadlách. Pri veľkom rozstupe lopatiek sa dosiahne veľký ťah, ale ak sú otáčky motora dosť nízke, zrýchlenie bude extrémne pomalé. Je to veľmi podobné situácii s autom, keď sa snaží naštartovať na vyšší prevodový stupeň.

Vysoká rýchlosť a malé stúpanie vrtule vytvára nebezpečenstvo zastavenia a poklesu ťahu na nulu. Preto sa počas letu výška tónu neustále mení. Teraz to robí automatizácia, ale predtým to musel sám pilot neustále manuálne sledovať.upravte uhol. Mechanizmus zmeny stúpania vrtule je špeciálna objímka s hnacím mechanizmom, ktorý otáča listy voči osi otáčania o požadovaný stupeň.

Moderný vývoj v Rusku

Práca na zlepšovaní zariadení sa nikdy nezastavila. V súčasnosti prebiehajú skúšky novej vrtule lietadla AB-112. Používa sa na ľahkých vojenských dopravných lietadlách Il-112V. Jedná sa o 6-listú vrtuľu s účinnosťou 87%, priemerom 3,9 metra a rýchlosťou otáčania 1200 ot./min. a variabilným stúpaním vrtule. Bol vyvinutý nový profil čepele a jej dizajn bol odľahčený.