Śmigło samolotu: nazwa, klasyfikacja i charakterystyka

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-17 10:38

Podstawą ruchu powietrza na zasadach aerodynamiki jest obecność siły przeciwdziałającej oporowi powietrza w locie i grawitacji. Wszystkie współczesne samoloty, z wyjątkiem szybowców, mają silnik, którego moc zamieniana jest na tę siłę. Mechanizmem, który zamienia obrót wału elektrowni na ciąg, jest śmigło samolotu.

Opis śmigła

Śmigło samolotu to urządzenie mechaniczne z łopatkami, które obraca się przez wał silnika i wytwarza ciąg do ruchu samolotu w powietrzu. Przechylając łopatki, śmigło wyrzuca powietrze z powrotem, tworząc obszar niskiego ciśnienia przed nim i wysokiego ciśnienia za nim. Niemal wszyscy ludzie na Ziemi przynajmniej raz w życiu mieli okazję zobaczyć to urządzenie, więc nie są wymagane liczne naukowe definicje. Śmigło składa się z łopatek, piasty połączonej z silnikiem za pomocą specjalnego kołnierza, obciążników wyważających umieszczonych na piaście, mechanizmu zmiany skoku śruby oraz owiewki osłaniającej piastę.

Inne nazwy

Jaka jest inna nazwa śmigła samolotu? Historycznie istniały dwie główne nazwy: rzeczywiste śmigło i śmigło. Jednak później pojawiły się inne nazwy, podkreślające albo cechy konstrukcyjne, albo dodatkowe funkcje przypisane tej jednostce. W szczególności:

• Fenestron. Śruba włożona w specjalny kanał w ogonie helikoptera.
• Wirnik. Śruba zamknięta w specjalnym pierścieniu.
• Propfan. Są to śruby w kształcie strzały lub szabli w dwóch rzędach o zmniejszonej średnicy.
• Wiatrak. Awaryjny system zasilania awaryjnego z nadchodzącego strumienia powietrza.
• Wirnik. Jest to czasami nazywane głównym wirnikiem helikoptera, a niektórymi innymi.

Teoria śmigła

W swej istocie każde śmigło samolotu jest rodzajem ruchomych skrzydeł w miniaturze, żyjących zgodnie z tymi samymi prawami aerodynamiki co skrzydło. Oznacza to, że poruszając się w środowisku atmosferycznym, łopaty ze względu na swój profil i nachylenie tworzą przepływ powietrza, który jest siłą napędową samolotu. Siła tego przepływu, poza specyficznym profilem, zależy od średnicy i prędkości śmigła. Jednocześnie zależność ciągu od obrotów jest kwadratowa, a od średnicy nawet do 4 stopnia. Ogólny wzór ciągu jest następujący: P=αρn²D^4gdzie:

• α – współczynnik ciągu śruby (zależy od konstrukcji i profilu łopat);
• ρ - gęstość powietrza;
• n - liczba obrotówśruby;
• D to średnica śruby.

Ciekawe jest porównanie z powyższym wzorem, innym wywodzącym się z tej samej teorii śrub. Jest to moc wymagana do zapewnienia obrotu: T=Βρn³D^{5, gdzie Β jest obliczonym współczynnikiem mocy śmigła.}

Porównując te dwa wzory, można zauważyć, że zwiększając prędkość śmigła samolotu i zwiększając jego średnicę, wymagana moc silnika rośnie wykładniczo. Jeżeli poziom ciągu jest proporcjonalny do kwadratu obrotów i 4 potęgi średnicy, to wymagana moc silnika wzrasta już proporcjonalnie do sześcianu obrotów i 5 potęgi średnicy śmigła. Wraz ze wzrostem mocy silnika rośnie jego waga, która wymaga jeszcze większego ciągu. Kolejne błędne koło w przemyśle lotniczym.

Specyfikacje śmigła

Każde śmigło zainstalowane w samolocie ma następujące właściwości:

• Średnica śruby.
• Przesunięcie geometryczne (krok). Termin ten odnosi się do odległości, jaką przebyłaby śruba, uderzając w teoretyczną twardą powierzchnię w jednym obrocie.
• Bieżnik - rzeczywista odległość przebyta przez śmigło w jednym obrocie. Oczywiście wartość ta zależy od prędkości i częstotliwości obrotów.
• Kąt łopat - kąt między płaszczyzną a rzeczywistym skokiem śmigła.
• Kształt ostrza – większość nowoczesnych ostrzy ma kształt szabli, jest zakrzywiony.
• Profil ostrza - przekrój każdego ostrza ma z reguły kształt skrzydeł.
• Średnia cięciwa ostrza –odległość geometryczna między krawędziami natarcia i spływu.

Jednocześnie główną cechą śmigła samolotu jest jego ciąg, czyli to, do czego jest potrzebne.

Godność

Samoloty, które wykorzystują śmigło jako śmigło, są znacznie bardziej ekonomiczne niż ich odpowiedniki turboodrzutowe. Sprawność sięga 86%, co jest wartością nieosiągalną dla samolotów odrzutowych. To ich główna zaleta, która faktycznie przywróciła je do eksploatacji podczas kryzysu naftowego lat 70. ubiegłego wieku. Na krótkich dystansach prędkość nie jest krytyczna w porównaniu z ekonomią, więc większość samolotów lotnictwa regionalnego ma napęd śmigłowy.

Wady

Samoloty śmigłowe mają również wady. Przede wszystkim są to wady czysto „kinetyczne”. Podczas obrotu śmigło samolotu, mając swoją masę, oddziałuje na korpus samolotu. Jeśli na przykład ostrza obracają się zgodnie z ruchem wskazówek zegara, obudowa ma tendencję do obracania się odpowiednio w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. Turbulencje wytworzone przez śmigło aktywnie oddziałują ze skrzydłami i usterzeniem samolotu, tworząc różne przepływy w prawo i w lewo, destabilizując w ten sposób tor lotu.

Wreszcie wirujące śmigło jest rodzajem żyroskopu, to znaczy ma tendencję do utrzymywania swojej pozycji, co utrudnia zmianę toru lotu na powietrzeSąd. Te wady śmigła samolotu były znane od dawna, a projektanci nauczyli się sobie z nimi radzić, wprowadzając pewną asymetrię w konstrukcji samych statków lub ich powierzchni sterowych (sterów, spojlerów itp.). Należy uczciwie zauważyć, że silniki odrzutowe również mają podobne wady „kinetyczne”, ale w nieco mniejszym stopniu.

Tak zwany efekt blokowania można również przypisać minusom, gdy zwiększenie średnicy i prędkości obrotowej śmigła samolotu do pewnych granic przestaje dawać efekt w postaci wzrostu ciągu. Efekt ten jest związany z pojawieniem się na niektórych odcinkach łopatek przepływów powietrza o prędkości bliskiej lub ponaddźwiękowej, co powoduje kryzys falowy, czyli powstawanie wstrząsów powietrznych. W rzeczywistości pokonują granicę dźwięku. W związku z tym maksymalna prędkość samolotu ze śmigłem nie przekracza 650-700 km/h.

Być może jedynym wyjątkiem był bombowiec Tu-95, który osiąga prędkość do 950 km/h, czyli prędkość prawie dźwiękową. Każdy z jego silników jest wyposażony w dwa współosiowe śmigła obracające się w przeciwnych kierunkach. Otóż ostatnim problemem samolotów śmigłowych jest ich hałas, którego wymagania są stale zaostrzane przez władze lotnicze.

Klasyfikacja

Istnieje wiele sposobów klasyfikacji śmigieł samolotów. Dzieli się je na grupy w zależności od materiału z jakiego są wykonane, od kształtu ostrzy, ich średnicy, ilości, a także wielu innych.cechy. Najważniejsza jest jednak ich klasyfikacja według dwóch kryteriów:

• Po pierwsze - istnieją śmigła o zmiennym i stałym skoku.
• Drugie - są śruby ciągnące i pchające.

Pierwszy jest zainstalowany z przodu samolotu, a drugi odpowiednio z tyłu. Samolot ze śmigłem pchającym powstał wcześniej, ale potem na jakiś czas został zapomniany i dopiero stosunkowo niedawno pojawił się na niebie. Teraz ten układ jest szeroko stosowany w małych samolotach. Istnieją nawet dość egzotyczne opcje, wyposażone jednocześnie w ostrza ciągnące i pchające. Samolot z tylnym śmigłem ma wiele zalet, z których główną jest wyższy współczynnik siły nośnej do oporu. Jednak ze względu na brak dodatkowego dopływu powietrza ze śmigła skrzydło ma najgorszą charakterystykę startu i lądowania.

Śruby o zmiennym skoku

Śmigła o zmiennym skoku są instalowane na prawie wszystkich nowoczesnych średnich i dużych samolotach. Przy dużym skoku łopatek uzyskuje się duży ciąg, ale jeśli prędkość silnika jest dość niska, przyspieszenie będzie bardzo wolne. Jest to bardzo podobne do sytuacji z samochodem, gdy próbujemy odpalić na wyższych biegach.

Wysoka prędkość i mały skok śruby napędowej stwarzają niebezpieczeństwo przeciągnięcia i spadku ciągu do zera. Dlatego podczas lotu wysokość tonu ciągle się zmienia. Teraz odbywa się to za pomocą automatyki, ale wcześniej sam pilot musiał to stale monitorować ręcznie.dostosować kąt. Mechanizm zmiany skoku śmigła to specjalna tuleja z mechanizmem napędowym, który obraca łopaty względem osi obrotu o wymagany stopień.

Nowoczesny rozwój w Rosji

Prace nad ulepszaniem urządzeń nigdy się nie skończyły. Obecnie trwają testy nowego śmigła samolotu AB-112. Będzie on używany w lekkim wojskowym samolocie transportowym Ił-112V. Jest to 6-łopatowe śmigło o sprawności 87%, średnicy 3,9 metra i prędkości obrotowej 1200 obr/min oraz o zmiennym skoku. Opracowano nowy profil ostrza, a jego konstrukcja została lżejsza.