Vrtule s proměnným stoupáním (letectví) - Variable-pitch propeller (aeronautics)
V letectví je vrtule s proměnným stoupáním typem vrtule (vrtule) s lopatkami, které lze otáčet kolem jejich dlouhé osy, aby se změnila rozteč listů . Stavitelné vrtule je ten, kde je rozteč ovládat ručně pilotem. Alternativně je vrtule s konstantními otáčkami taková, kde pilot nastavuje požadované otáčky motoru ( RPM ), a rozteč lopatek je řízena automaticky bez zásahu pilota, takže rychlost otáčení zůstává konstantní. Zařízení, které řídí stoupání vrtule a tím i rychlost, se nazývá regulátor vrtule nebo jednotka konstantní rychlosti .
Reverzibilní vrtule jsou ty, u nichž lze rozteč nastavit na záporné hodnoty. To vytváří zpětný tah pro brzdění nebo pro jízdu vzad, aniž by bylo nutné měnit směr otáčení hřídele.
Některá letadla mají pozemní stavitelné vrtule , které však nejsou považovány za proměnné. Ty se typicky nacházejí pouze v lehkých letadlech a mikro letadlech .
Účel
Když letadlo stojí a vrtule se otáčí (v klidném vzduchu), relativní vektor větru je ze strany. Když se však letadlo začne pohybovat vpřed, relativní vektor větru vychází stále více zepředu. Stoupání listu vrtule musí být zvýšeno, aby byl zachován optimální úhel nárazu na relativní vítr.
První vrtule byly s pevnou roztečí, ale tyto vrtule nejsou účinné v celé řadě podmínek. Pokud je úhel listu vrtule nastaven tak, aby poskytoval dobrý výkon při vzletu a stoupání, bude vrtule při plavebním letu neefektivní, protože list bude mít příliš nízký úhel náběhu. Naproti tomu vrtule nastavená pro dobrý výkon při plavbě se může zastavit při nízkých rychlostech, protože úhel náběhu je příliš vysoký.
Vrtule s nastavitelným úhlem listu je účinnější v celé řadě podmínek. Vrtule s proměnným stoupáním může mít téměř konstantní účinnost v rozsahu rychlostí vzduchu.
Mělčí úhel náběhu vyžaduje nejmenší točivý moment, ale nejvyšší otáčky , protože vrtule při každé otáčce nepohybuje příliš vzduchu. Je to podobné jako auto pracující na nízkém rychlostním stupni . Když motorista dosáhne cestovní rychlosti, zpomalí motor přeřazením na vyšší rychlostní stupeň a přitom bude produkovat dostatek energie, aby udržel vozidlo v pohybu. Toho je v letadle dosaženo zvýšením úhlu náběhu vrtule. To znamená, že vrtule pohybuje více vzduchu za otáčku a umožňuje motoru točit pomaleji při pohybu ekvivalentního objemu vzduchu, čímž udržuje rychlost.
Dalším použitím vrtulí s proměnným stoupáním je opeření lopatek vrtule, aby se snížil odpor. To znamená otáčet lopatky tak, aby jejich přední hrany směřovaly přímo dopředu. V případě vícemotorového letadla, pokud jeden motor selže, může být opeřen, aby se snížil odpor, aby letadlo mohlo pokračovat v letu pomocí druhého motoru. V případě jednomotorového letadla, pokud motor selže, osazení vrtule sníží odpor a zvýší klouzavou vzdálenost, což pilotovi poskytne více možností pro umístění nuceného přistání .
Mechanismy
Ke změně výšky tónu se používají tři metody: tlak oleje, odstředivá závaží nebo elektromechanické ovládání.
Tlak motorového oleje je obvyklý mechanismus používaný v komerčních vrtulových letadlech a v motorech Continental a Lycoming montovaných do lehkých letadel. V letadlech bez jednotky konstantní rychlosti (CSU) pilot řídí rozteč vrtule ručně pomocí tlaku oleje.
Alternativně nebo dodatečně mohou být odstředivá závaží připevněna přímo na vrtuli jako v Jakovlev Jak-52 . První pokusy o vrtule s konstantní rychlostí se nazývaly vrtule s protizávažím, které byly poháněny mechanismy, které působily na odstředivou sílu . Jejich provoz je shodný s odstředivým regulátorem, který James Watt použil k omezení rychlosti parních strojů . Excentrická závaží byla umístěna poblíž nebo v rozmetači, přidržovaná pružinou. Když vrtule dosáhla určitých otáček, odstředivá síla způsobila kývání závaží směrem ven, což by pohánělo mechanismus, který stočil vrtuli do strmějšího stoupání. Když vrtule zpomalila, otáčky by se dostatečně snížily, aby pružina zatlačila závaží zpět dovnitř, čímž se vrtule vyrovnala s mělčím stoupáním.
Malé moderní motory s jednotkou konstantních otáček (CSU), jako je Rotax 912 , mohou používat buď konvenční hydraulickou metodu, nebo elektrický mechanismus řízení sklonu.
Hydraulický provoz může být pro mikrolety příliš drahý a objemný . Místo toho mohou používat vrtule, které se aktivují mechanicky nebo elektricky.
Vrtule s konstantní rychlostí
Vrtule s konstantní rychlostí je vrtule s proměnným stoupáním, která automaticky mění rozteč listů , aby udržela zvolenou rychlost otáčení, bez ohledu na provozní podmínky letadla. Toho je dosaženo použitím jednotky CSU nebo regulátoru vrtule , která automaticky mění rozteč listů vrtule .
Většina motorů produkuje svůj maximální výkon v úzkém pásmu otáček. CSU umožňuje motoru pracovat v jeho nejhospodárnějším rozsahu otáček bez ohledu na to, zda letadlo startuje nebo křižuje. CSU lze říci, že je pro letadlo to, co je plynule měnitelný převod pro motorové vozidlo: motor může být udržován v chodu na své optimální rychlosti, bez ohledu na rychlost, jakou letadlo letí vzduchem. CSU také umožňuje konstruktérům leteckých motorů udržovat zapalovací systém jednoduchý: automatické předstih jisker pozorovaný u motorů motorových vozidel je zjednodušený, protože letecké motory běží zhruba na konstantní otáčky.
Prakticky všechna vysoce výkonná letadla poháněná vrtulemi mají vrtule s konstantní rychlostí, protože výrazně zlepšují účinnost paliva a výkon, zejména ve vysokých nadmořských výškách.
První pokusy o vrtule s konstantní rychlostí se nazývaly vrtule s protizávažím, které byly poháněny mechanismy, které působily na odstředivou sílu . Jejich provoz je shodný s odstředivým regulátorem, který používá James Watt k řízení rychlosti parních strojů . Excentrická závaží byla umístěna poblíž nebo v rozmetači, přidržovaná pružinou. Když vrtule dosáhla určitých otáček, odstředivá síla způsobila kývání závaží směrem ven, což by pohánělo mechanismus, který vrtuli stočil do strmějšího stoupání. Když vrtule zpomalila, otáčky by se dostatečně snížily, aby pružina zatlačila závaží zpět dovnitř, čímž se vrtule vyrovnala s mělčím stoupáním.
Většina CSU používá ke kontrole sklonu vrtule tlak oleje. Jednotky s konstantní rychlostí na jednomotorovém letadle obvykle používají ke zvýšení hřiště tlak oleje. Pokud CSU selže, vrtule se automaticky vrátí do jemného stoupání, což umožní letadlo provozovat při nižších rychlostech. Naproti tomu u vícemotorových letadel bude CSU obvykle používat tlak oleje ke snížení výšky tónu. Tímto způsobem, pokud CSU selže, vrtule se automaticky opeří, což sníží odpor, zatímco letadlo bude nadále létat na dobrém motoru. „Nepálící akumulátor “ umožní takovéto vrtuli vrátit se do jemné výšky pro restart motoru za letu.
Provoz v jednomotorovém letadle je následující: Olej je čerpán přes hnací hřídel, aby tlačil na píst, který pohání mechanismus a mění výšku. Průtok oleje a stoupání jsou řízeny regulátorem, který se skládá z pružiny urychlovače, setrvačníků a pilotního ventilu . Napětí pružiny se nastavuje ovládací pákou vrtule, která nastavuje otáčky. Guvernér bude toto nastavení otáček udržovat, dokud nedojde k podmínkám překročení rychlosti nebo nedostatečné rychlosti motoru. Dojde -li k překročení rychlosti, vrtule se začne otáčet rychleji, než je požadované nastavení otáček. K tomu by došlo, když letadlo klesá a rychlost vzduchu se zvyšuje. Setrvačníky se začnou táhnout směrem ven v důsledku odstředivé síly, která dále stlačuje pružinu urychlovače. Jak se to stane, píst se pohybuje dopředu, což umožňuje otevření pilotního ventilu a protékání oleje z olejové vany do náboje. Toto zvýšení tlaku oleje zvýší stoupání úhlu vrtule, což způsobí zpomalení zpět na požadované nastavení otáček. Dojde -li k nedostatečné rychlosti, například při stoupání se ztrátou rychlosti, dojde k opaku. Rychlost klesne, což způsobí zpomalení vrtule. To způsobí, že se setrvačníky přesunou dovnitř kvůli nedostatku odstředivé síly a napětí bude uvolněno z pružiny urychlovače. Když se to stane, píst se bude pohybovat v opačném směru, což způsobí, že pilotní ventil umožní oleji proudit z náboje zpět do olejové vany. Úhel listu vrtule se nyní sníží na nižší rozteč, což vrtuli umožní zrychlit zpět na požadované nastavení otáček. Tento proces obvykle probíhá často během letu.
Pilot vyžaduje určité dodatečné školení a ve většině jurisdikcí formální odhlášení, než bude moci létat s letadly vybavenými CSU. CSU není povoleno montovat do letadel certifikovaných podle předpisů pro lehká sportovní letadla ve Spojených státech.
Dějiny
Řada raných průkopníků letectví, včetně AV Roe a Louis Breguet , používala vrtule, které bylo možné upravit pouze tehdy, když bylo letadlo na zemi . To byl také případ na konci první světové války s jedním testovacím příkladem „R.30/16“ s nízkou produkcí (56 příkladů v letech 1917 a 1918) Zeppelin-Staaken R.VI německý „obří“ čtyřmotorový těžký bombardér.
V roce 1919 si LE Baynes nechal patentovat první automatický šroub s proměnným stoupáním. Wallace Rupert Turnbull ze Saint John, New Brunswick, Kanada je v Kanadě připsán za vytvoření první vrtule s proměnným stoupáním v roce 1918.
Francouzská letecká firma Levasseur vystavila na pařížské letecké show v roce 1921 vrtuli s proměnným stoupáním . Firma tvrdila, že francouzská vláda testovala zařízení v desetihodinovém provozu a že může měnit výšku při jakýchkoli otáčkách motoru.
Dr. Henry Selby Hele-Shaw a TE Beacham patentovali v roce 1924 hydraulicky ovládanou vrtuli s proměnným stoupáním (na základě čerpadla s proměnným zdvihem) a před Královskou leteckou společností v roce 1928 přednesli příspěvek na toto téma ; setkalo se to se skepticismem, pokud jde o jeho užitečnost. Vrtule byla vyvinuta společností Gloster Aircraft Company jako vrtule s proměnlivým stoupáním Gloster Hele-Shaw Beacham a byla předvedena na Gloster Grebe , kde byla použita k udržení téměř konstantních otáček.
První praktická vrtule pro letadla s regulovatelným stoupáním byla představena v roce 1932. Francouzská firma Ratier byla od roku 1928 průkopníkem vrtulí s proměnným stoupáním různých konstrukcí a spoléhala se na speciální šroubovicovou rampu s kuličkovými ložisky v kořeni lopatek pro snadnou obsluhu. Patent Waltera S Hoovera na vrtuli s proměnným stoupáním byl podán na americký patentový úřad v roce 1934.
Bylo vyzkoušeno několik návrhů, včetně malého měchýře stlačeného vzduchu v náboji vrtule poskytujícího potřebnou sílu odolávající pružině, která by poháněla lopatky z jemného stoupání (vzlet) do hrubého stoupání (jízda na úrovni). Při vhodné rychlosti vzduchu by kotouč na přední straně rozmetače dostatečně přitlačil na ventil pro uvolnění vzduchu močového měchýře, aby uvolnil tlak a umožnil pružině pohánět vrtuli do hrubého stoupání. Tyto „pneumatické“ vrtule byly osazeny na letounech de Havilland DH.88 Comet , vítězi proslulého dálkového závodu MacRobertson Air Race 1934 a vítěze Caudron C.460 národních leteckých závodů 1936 , které pilotoval Michel Détroyat . Použití těchto pneumatických vrtulí vyžadovalo přednastavení vrtule na jemné stoupání před vzletem. To bylo provedeno natlakováním močového měchýře pomocí cyklistické pumpy, a proto se náladová přezdívka Gonfleurs d'hélices (chlapci nafukovacích podpěr ), která se pozemní mechanice letadel ve Francii až do dnešního dne dávala.
Běžný typ vrtule s regulovatelným stoupáním je ovládán hydraulicky; Frank W. Caldwell ze standardní divize Hamilton United Aircraft Company původně vyvinul tento design, což vedlo k udělení Collier Trophy roku 1933. de Havilland následně koupil práva na výrobu vrtulí Hamilton ve Velké Británii, zatímco Rolls-Royce a Bristol Engines založili v roce 1937 britskou společnost Rotol k výrobě vlastních návrhů. Francouzská společnost Pierre Levasseur a Smith Engineering Co. ve Spojených státech také vyvinula vrtule s řiditelným stoupáním. Wiley Post (1898-1935) použil na některé ze svých letadel vrtulníky Smith.
Další elektricky ovládaný mechanismus byl původně vyvinut společností Wallace Turnbull a vylepšen společností Curtiss-Wright Corporation . Toto bylo poprvé testováno 6. června 1927 v Camp Borden, Ontario, Kanada, a patent obdržel v roce 1929 ( americký patent 1828 348 ). Někteří piloti ve druhé světové válce (1939-1945) to upřednostňovali, protože i když už motor neběžel, vrtule mohla být opeřená . U hydraulicky ovládaných vrtulí muselo k opeření dojít před ztrátou hydraulického tlaku v motoru.
Viz také
Reference
- vývoj leteckých motorů , Kimble D. McCutcheon
- Gunston, Bille. Vývoj pístových leteckých motorů . Cambridge, Anglie. Patrick Stephens Limited, 2006. ISBN 0-7509-4478-1
- Další technické informace o prvním mechanismu regulátoru vrtule s konstantní rychlostí vynalezeném Elmerem E. Woodwardem najdete v patentu USA 2 204 639
externí odkazy
- Popis externího regulátoru vrtule
- 1941 Výkres řezu operace hydromatické proměnné výšky vrtule na bombardéru B-24
- Současná diskuse o výhodách vrtulí s proměnným stoupáním v časopise Flight magazine 1935
- LETECKÉ ŘÍZENÍ S ŘÍDITELNÝM PITCHEM vysvětlené v letu 2. května 1935 a 9. května 1935