Letadlová vrtule: název, klasifikace a vlastnosti

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-17 10:22

Základem pohybu vzduchu na principech aerodynamiky je přítomnost síly, která působí proti odporu vzduchu při letu a gravitaci. Všechna moderní letadla, s výjimkou kluzáků, mají motor, jehož výkon se přeměňuje na tuto sílu. Mechanismus, který převádí rotaci hřídele elektrárny na tah, je vrtule letadla.

Popis vrtule

Letecká vrtule je mechanické zařízení s lopatkami, které se otáčí hřídelí motoru a vytváří tah pro pohyb letadla ve vzduchu. Nakláněním lopatek vrtule vrhá vzduch zpět a vytváří oblast nízkého tlaku před sebou a vysokého tlaku za ní. Téměř všichni lidé na Zemi měli alespoň jednou v životě příležitost vidět toto zařízení, takže četné vědecké definice nejsou nutné. Vrtule se skládá z listů, náboje spojeného s motorem přes speciální přírubu, vyvažovacích závaží umístěných na náboji, mechanismu pro změnu stoupání vrtule a kapotáže kryjící náboj.

Jiná jména

Jak se jinak nazývá vrtule letadla? Historicky existovala dvě hlavní jména: skutečná vrtule a vrtule. Později se však objevily další názvy, zdůrazňující buď designové prvky, nebo doplňkové funkce přiřazené této jednotce. Konkrétně:

• Fenestron. Šroub zasunutý do speciálního kanálu v ocasu vrtulníku.
• Oběžné kolo. Šroub uzavřený ve speciálním kroužku.
• Propfan. Jedná se o šrouby ve tvaru šípu nebo šavle ve dvou řadách se zmenšeným průměrem.
• Větrný ventilátor. Systém nouzového záložního napájení z přicházejícího proudu vzduchu.
• Rotor. To se někdy nazývá hlavní rotor vrtulníku a některých dalších.

Teorie vrtule

Ve svém jádru je jakákoliv vrtule letadla druhem pohyblivých křídel v miniaturách, které žijí podle stejných zákonů aerodynamiky jako křídlo. To znamená, že lopatky pohybem v atmosférickém prostředí svým profilem a sklonem vytvářejí proudění vzduchu, které je hnací silou letadla. Síla tohoto proudění, kromě konkrétního profilu, závisí na průměru a rychlosti vrtule. Závislost tahu na otáčkách je přitom kvadratická a na průměru až do 4. stupně. Obecný vzorec tahu je následující: P=αρn²D^4kde:

• α – koeficient tahu vrtule (závisí na konstrukci a profilu listů);
• ρ - hustota vzduchu;
• n - počet otáčekšrouby;
• D je průměr šroubu.

Je zajímavé porovnat s výše uvedeným vzorcem, jiným odvozeným ze stejné šroubové teorie. Toto je požadovaný výkon pro zajištění rotace: T=Βρn³D^{5, kde Β je vypočtený účiník vrtule.}

Porovnáním těchto dvou vzorců lze vidět, že zvýšením rychlosti vrtule letadla a zvětšením průměru vrtule roste požadovaný výkon motoru exponenciálně. Pokud je úroveň tahu úměrná druhé mocnině otáček a 4. mocnině průměru, pak se požadovaný výkon motoru zvyšuje již úměrně třetí mocnině otáček a 5. mocnině průměru vrtule. S rostoucím výkonem motoru roste i jeho hmotnost, která vyžaduje ještě větší tah. Další začarovaný kruh v leteckém průmyslu.

Specifikace vrtule

Jakákoli vrtule nainstalovaná v letadle má následující vlastnosti:

• Průměr šroubu.
• Geometrický pohyb (krok). Tento termín označuje vzdálenost, kterou by šroub urazil a narazil do teoretického pevného povrchu během jedné otáčky.
• Běhoun – skutečná vzdálenost ujetá vrtulí za jednu otáčku. Tato hodnota samozřejmě závisí na rychlosti a frekvenci otáčení.
• Úhel listu – úhel mezi rovinou a skutečným stoupáním vrtule.
• Tvar čepele – Většina moderních čepelí je šavlovitého tvaru, zakřivená.
• Profil čepele - průřez každé čepele má zpravidla tvar křídla.
• střední tětiva čepele –geometrická vzdálenost mezi přední a zadní hranou.

Hlavní charakteristikou letecké vrtule je přitom její tah, tedy to, k čemu je potřeba.

Dignity

Letadla, která používají jako vrtuli vrtuli, jsou mnohem hospodárnější než jejich protějšky s proudovými motory. Účinnost dosahuje 86 %, což je pro proudová letadla nedosažitelná hodnota. To je jejich hlavní výhoda, která je vlastně vrátila do provozu během ropné krize 70. let minulého století. Na krátké vzdálenosti není rychlost ve srovnání s hospodárností kritická, takže většina regionálních letadel je poháněna vrtulí.

Vady

Vrtulová letadla mají také nevýhody. Za prvé, toto jsou čistě „kinetické“nevýhody. Při rotaci má na tělo letadla vliv vrtule letadla, která má svou vlastní hmotnost. Pokud se čepele například otáčejí ve směru hodinových ručiček, má pouzdro tendenci otáčet se proti směru hodinových ručiček. Turbulence vytvářené vrtulí aktivně interagují s křídly a ocasními plochami letadla, vytvářejí různé proudění doprava a doleva, čímž destabilizují dráhu letu.

A konečně, rotující vrtule je druh gyroskopu, to znamená, že má tendenci udržovat svou polohu, což ztěžuje změnu dráhy letu pro vzduchsoud. Tyto nedostatky letecké vrtule jsou známy již dlouhou dobu a konstruktéři se s nimi naučili vypořádat zavedením určité asymetrie do konstrukce samotných lodí nebo jejich řídicích ploch (kormidla, spoilery atd.). Pro spravedlnost je třeba poznamenat, že proudové motory mají také podobné „kinetické“nedostatky, ale v poněkud menší míře.

K mínusům lze přičíst i tzv. locking efekt, kdy zvětšení průměru a rychlosti otáčení vrtule letadla do určitých mezí přestává vykazovat efekt v podobě zvýšení tahu. Tento efekt je spojen s výskytem proudů vzduchu v určitých úsecích lopatek o rychlosti blízké nebo nadzvukové, což vytváří vlnovou krizi, to znamená tvorbu vzduchových rázů. Ve skutečnosti překonávají zvukovou hranici. V tomto ohledu maximální rychlost letadla s vrtulí nepřesahuje 650-700 km/h.

Snad jedinou výjimkou byl bombardér Tu-95, který dosahuje rychlosti až 950 km/h, tedy téměř zvukové rychlosti. Každý z jeho motorů je vybaven dvěma souosými vrtulemi otáčejícími se v opačných směrech. No a posledním problémem vrtulových letadel je jejich hlučnost, na kterou letecké úřady neustále zpřísňují požadavky.

Klasifikace

Existuje mnoho způsobů, jak klasifikovat vrtule letadel. Dělí se do skupin podle materiálu, ze kterého jsou vyrobeny, podle tvaru lopatek, jejich průměru, množství, ale i řady dalších.vlastnosti. Nejdůležitější je však jejich klasifikace podle dvou kritérií:

• Za prvé – existují vrtule s proměnným a pevným stoupáním.
• Za druhé – jsou tam tažné a tlačné šrouby.

První je instalován v přední části letadla a druhý v tomto pořadí v zadní části. Letoun s tlačnou vrtulí vznikl již dříve, ale pak byl na nějakou dobu zapomenut a teprve relativně nedávno se znovu objevil na obloze. Nyní je toto uspořádání široce používáno na malých letadlech. Existují dokonce i docela exotické možnosti, vybavené jak tažnými, tak tlačnými čepelemi současně. Letoun se zadní vrtulí má řadu výhod, z nichž hlavní je vyšší poměr vztlaku a odporu vzduchu. Kvůli nedostatku přídavného proudění vzduchu z vrtule má však křídlo nejhorší vlastnosti pro vzlet a přistání.

Šrouby s variabilním stoupáním

Vrtule s proměnným stoupáním jsou instalovány na téměř všech moderních středních a velkých letadlech. S velkým stoupáním listů je dosaženo velkého tahu, ale pokud jsou otáčky motoru docela nízké, zrychlení bude extrémně pomalé. To je velmi podobné situaci s autem, když se snaží nastartovat na vyšší rychlostní stupeň.

Vysoká rychlost a malé stoupání vrtule vytváří nebezpečí zastavení a poklesu tahu na nulu. Proto se během letu výška tónu neustále mění. Nyní to dělá automatika, ale předtím to musel sám pilot neustále ručně sledovat.upravit úhel. Mechanismus pro změnu stoupání vrtule je speciální pouzdro s hnacím mechanismem, který otáčí listy vůči ose otáčení o požadovaný stupeň.

Moderní vývoj v Rusku

Práce na vylepšování zařízení nikdy nekončí. V současné době probíhají zkoušky nové vrtule letounu AB-112. Bude použit na lehkém vojenském transportním letounu Il-112V. Jedná se o 6listou vrtuli s účinností 87%, průměrem 3,9 metru a rychlostí otáčení 1200 ot/min a vrtulí s proměnným stoupáním. Byl vyvinut nový profil čepele a její design byl odlehčen.