Avion - Tractiunea produsa de elice

Avion - Tractiunea produsa de elice

Un motor cu piston necesita o elice pentru a transforma puterea in tractiune. Puterea este realizata de motorul cu piston, si este transmisa elicei, printr-un ax, denumit cuplu motor sau efect de rotatie. Acesta este folosit pentru a roti elicea, care transforma cea mai mare partea a acestui efect de rotire intr-o forta de tragere numita tractiune. Elicea face acest lucru prin generarea unei forte care rezulta din miscarea sa prin aer.

Elicea trage avionul prin aer prin generarea unei forte de portanta practic orizontale, numita tractiune.

O sectiune transversala printr-o pala a elicei este pur si simplu o sectiune a unui profil aerodinamic, si putem studia aerodinamica in aceeasi termeni ca oricare alta suprafata portanta, cum ar fi o aripa.

Pala elicei face ca aerul sa se deplaseze astfel incat presiunea statica din fata palei sa fie mai mica decat cea din spate. Rezultatul este o forta de tractiune pe pala elicei care trage avionul mai departe.

Considerati doar o sectiune a palei, sau o singura pala asa cum se numeste cateodata, la o distanta radiala de ax sau de linia de centru a rotarii elicei. Sectiune palei este o suprafata portanta si are un bord de atac, un bord de fuga, o linie de coarda si o curbura exact ca oricare alta suprafata portanta.

Unghiul pe care linia de coarda a sectiunii elicei il face cu planul de rotire se numeste unghiul palei.

Unghiul palei, asa cum vom vedea, variaza de la un unghi de pala mare la radacina palei langa ax, devenind treptat mai mic spre varful elicei. Partea curbata a palei se numeste spatele palei si latura mai plata se numeste fata palei.

Miscarea elicei

Viteza de rotatie

Daca avionul stationeaza, miscarea sectiunii elicei este pur rotativa. Cu cat sectiunea se afla mai departe pe pala, cu atat este mai rapida viteza de rotatie. De asemenea, cu cat turajul ( rpm = rotatii pe minut ) elicei este mai mare, cu atat este mai rapida viteza de rotatie a sectiunii.

Viteza de inaintare

Pe masura ce avionul se deplaseaza spre inainte in zbor, sectiunea elicei va avea o viteza de inaintare dar si o viteza de rotatie. Aceasta miscare spre inainte este suprapusa miscarii de rotatie a sectiunii palei pentru a-i da o viteza totala asa cum se arata in Figura 6-3. Unghiul dintre viteza rezultanta a palei elicei si planul de rotatie se numeste unghiul de inclinare al palei sau unghi de panta sau unghi de inaintare.

Miscarea elicoidala

Fiecare sectiune a palei elicei urmeaza un traseu in spirala prin aer, numit elicoid ( asemanator unui arc spiral ), ca rezultat al combinarii vitezei de rotatie cu cea de inaintare. Cel mai usor mod de a reda acest lucru este de a considera elicoidul ca traseul pe care il urmeaza bordul de fuga al sectiunii elicei.

Sectiunea palei resimte un curent de aer relativ direct opus propriului traseu prin aer. Unghiul dintre linia de coarda a sectiunii palei elicei si curentul de aer relativ este unghiul de atac. Notati ca unghiul de atac plus unghiul de inclinare formeaza unghiul palei.

Cand avionul se afla in zbor fiecare sectiune a palei elicei va avea aceeasi componenta a vitezei de inaintare. Totusi, ceea ce va diferi, este componenta rotativa a vitezei - cu cat fiecare sectiune a palei se afla mai departe de axul elicei, cu atat se misca mai repede. Daca unghiul palei a fost acelasi de-a lungul intregii lungimi a elicei ( ceea ce evident nu se intampla niciodata ), unghiul de atac ar fi diferit in toate punctele.

Pentru o elice cu acelasi unghi al palei pe toata lungimea sa, unghiul de atac s-ar modifica functie de distanta de la axul elicei, si tractiunea nu s-ar produce intr-o maniera eficienta. Pala elicei ar putea fi ineficienta langa varf.

La fel ca si la celelalate suprafete portante, exista acel unghi de atac care este cel mai eficient al elicei. Daca elicea este proiectata sa fie cea mai eficienta la o anumita viteza a avionului si turaj al elicei, atunci proiectantul va dori sa aiba acest unghi care este cel mai eficient de-a lungul intregii lungimi a palei elicei cand opereaza cu viteza proiectata si in conditiile de turatie recomandate.

Pentru a obtine acest lucru, unghiul palei la ax trebuie sa fie mult mai mare decat unghiul palei la varf. Acesta este cunoscut ca torsiunea palei sau torsiunea elicoidala.

Sectiunile elicei

Vor exista pierderi aerodinamice atat langa axul elicei cat si la varf. Langa ax sectiunile elicei trebuie sa fie groase si puternice structural, ceea ce poate influenta proiectarea aerodinamica. De asemenea, va exista o cantitate de interferenta in curentul de aer de la motorul din apropiere si structurile asociate.

La varful elicei, vor exista vartejuri formate pe masura ce aerul se deplaseaza in jur de la zona de mare presiune de pe fata plata a palei pana la zona de presiune scazuta din fata sa, in fata portiunii curbate a palei. Formarea vartejurilor la varfurile elicei duce la cresterea rezistentei induse si o scadere in consecinta a eficientei tractiunii la varf.

Varful elicei este partea elicei care se misca cel mai repede - si intr-adevar a intregului avion, deoarece viteza sa de rotatie este suprapusa pe viteza de inaintare a avionului ca intreg.

Numai o mica portiune a intregii pale a elicei este eficienta in producerea tractiunii partea cuprinsa intre aproximativ 60% si 90% a razei varfului. Cea mai importanta tractiune este produsa la aproximativ 75% din raza varfului. Astfel, cand unghiul de pala al elicei este marcat, de obicei se refera la pozitia de 75%.

Fortele pe o sectiune a palei

Curentul de aer din jurul unei suprafete portante, schimbarile de presiune frecvente, determina o forta de reactie totala pe suprafata portanta. In cazul unei aripi, descompunem aceasta reactie totala intr-o componenta perpendiculara pe curentul de aer relativ, numita portanta, si o alta componenta paralela directiei de zbor, numita rezistenta la inaintare. Curentul de aer relativ este paralel cu directia de zbor, dar in directia opusa.

Pentru elice, lucrurile sunt putin diferite. Din cauza vitezei sale de rotatie, directia curentului de aer relativ care loveste elicea si directia de zbor a avionului nu sunt paralele. In vreme ce curentul de aer relativ care loveste toate sectiunile unei aripi principale vine dintr-o directie constanta, curentul de aer relativ care loveste o pala a elicei isi schimba directia in functie de cat de departe de ax se afla acea sectiune.

In loc de a descompune reactia totala pe o pala a elicei intr-o componenta de portanta perpendiculara pe curentul de aer relativ si o componenta de rezistenta la inaintare paralela curentului de aer relativ ( ceea ce ar fi foarte complicat cand vine vorba sa adaugam efectele de-a lungul palei ), este mult mai convenabil sa descompunem reactia totala in doua componente:

1.     Forta de cuplu a elicei, in planul rotatiei.

2.     Forta de tractiune, in directia perpendiculara planului de rotatie.

Pentru scopurile noastre, putem presupune in general directia perpendiculara pe planul rotatiei elicei ca fiind aceeasi cu directia de zbor, si prin urmare putem considera ca forta de tractiune actioneaza in directia zborului.

Cuplul elicei este rezistenta la miscare in planul de rotatie.

Pentru o aripa, rezistenta la inaintare trebuie sa fie depasita pentru a se produce portanta. Pentru o elice, forta cuplului elicei trebuie depasita sau echilibrata de cuplul motorului pentru ca elicea sa ofere tractiune. Cresterea puterii motorului si implicit a cuplului motorului, face ca elicea sa se roteasca mai repede.

NOTA - Daca avionul este pus in picaj, curentul de aer relativ este schimbat din cauza vitezei de inaintare mai mari, si ca rezultat, forta de cuplu al elicei este redusa. Rezultatul este o crestere a turajului motorului ( adica rpm ) desi pozitia manetei de gaz nu a fost modificata.

Eficacitatea elicei

Variatia eficacitatii elicei

Considerati o pala a elicei bine-proiectata cu pas fix. Deoarece majoritatea fortei de tractiune ( si cuplu al elicei ) este produsa pe sectiunile palei la o locatie de 75%, referitor la unghiul palei, unghiul de atac, etc. putem spune ca la aceasta parte a palei elicei este cea mai eficienta. ( Termenul pas fix inseamna ca unghiul palei in sectiunea discutata este fix si nu poate fi schimbat ).

Daca turajul elicei este constant, atunci directia curentului de aer relativ si unghiul de atac vor fi determinate de viteza de inaintare.

Pe masura ce viteza de inaintare creste, unghiul de atac al unei pale de elice cu pas fix la o turatie constanta va scadea. La o anumita viteza de inaintare ridicata, unghiul de atac al palei va produce putina sau deloc forta de tractiune.

Pentru un turaj dat, va exista o singura viteza de aer la care elicea va opera la cel mai eficient unghi de atac al sau. Proiectantul alege o elice cu pas fix a carei combinatie viteza aerului / turaj avand cea mai buna eficienta se potriveste intentiei de utilizare a avionului.

O situatie de preferat ar fi de a avea o elice al carei unghi de pala ar putea fi modificat astfel incat la orice viteza a aerului va opera la un unghi de atac eficient, adica o elice cu pas variabil. Desi acest subiect nu va aparea la examinarea pentru nivelul PPL, majoritatea veti pilota un avion cu o elice cu pas variabil astfel incat am inclus informatia de mai jos.

Elicele cu pas variabil si regulatoarele de turatie constanta

In faza initiala de dezvoltare a tehnologiei elicei a fost elicea cu pas dublu un pas mic pentru decolare si operatiuni la viteze reduse, si un pas marit pentru viteze mai mari.

Prin urmare a fost dezvoltata elicea la viteza constanta, cu un unghi al palei care ar putea ocupa orice pozitie ( variabil la infinit ) in timpul zborului in interiorul gamei de variatie a pasului. Mecanismele de schimbare a pasului sunt de obicei actionate electric sau hidraulic.

La viteze mici, unghiul palei trebuie sa fie mic pentru ca unghiul de atac sa fie optim. Aceasta este pasul mic. Pe masura ce viteza de inaintare creste, unghiul palei trebuie sa creasca, pentru ca unghiul de atac sa ramana optim. Acesta este pasul mare.

Mecanismul folosit pentru a obtine acest lucru, este regulatorul de turatie constanta ( CSU ), numit uneori si regulatorul de pas al elicei ( PCU ). Contine un regulator de turatie ( governor ) a carui functie este de a regla viteza elicei ( RPM ) la aceea selectata de pilot. Face acest lucru prin ajustarea automata a unghiului palei, electric sau hidraulic, astfel incat turatia este mentinuta constanta indiferent de viteza si de puterea furnizata de motor.

Scopul este de a face ca elicea sa funtioneze in apropierea celui mai bun unghi de atac si la o eficienta maxima pe toata raza sa de actiune.

In cazul extrem de putere scazuta a motorului, unghiul palei va ajunge la limita inferioara, cunoscuta ca limita pasului mic. De acolo mai departe, elicea actioneaza ca o elice cu pas fix alte reduceri ale puterii genereaza o scadere a turatiei datorita limitei maxime a pasului mic.

Avantaje ale elicelor cu pas variabil

O elice cu pas variabil ( viteza constanta ) opereaza la cel mai eficient unghi de atac pe o gama larga de turaje si viteze de zbor. O elice cu pas fix opereaza eficient doar la un anumit turaj si viteza de zbor.

Modificarea puterii

Pilotul selecteaza turatia dorita folosind maneta de pas. Pasul elicei creste automat pentru a absorbi excedentul de putere al motorului si mentine aceeasi turatie, adica viteza constanta. Tractiunea crescuta ofera performante mai bune avionului si isi poate mari viteza sau creste rata de urcare.

Daca puterea motorului se reduce, elicea selecteaza automat pasul corespunzator pentru a echilibra excedentul de putere care ii este oferita de motor si turajul va ramane constant. Reducerea tractiunii determina o scadere a performantelor avionului.

Modificarea vitezei de zbor

Daca avionul este pus in panta de urcare, fara ca pilotul sa modifice puterea, pala isi va modifica automat unghiul de atac astfel incat sa opreasca scaderea turajului motor/ elice si puterea motorului va ramane neschimbata. In mod asemanator, daca avionul este pus in picaj fara ca pilotul sa reduca din puterea motorului, viteza avionului va creste si pala isi va mari unghiul de atac pentru a preveni supraturarea elicei si a motorului.

Alte doua avantaje ale unor elice cu pas variabil sunt:

1.     Capacitatea de a fi puse pe pas mic la sol sau pas reversibil pentru a oferi un efect de frinare sau mers inapoi la rulajul pe sol.

2.     Capacitatea de a fi puse in pas drapel: in timpul zborului pentru a reduce rezistenta la inaintare si daunele motorului ca urmare a defectarii acestuia.

Efectele produse de elice la decolare

Efectul curentului produs de elice

O elice care se roteste in sensul acelor de ceasornic ( asa cum este vazuta din cabina ) va genera o rotatie in sensul acelor de ceasornic a curentului elicei pe masura ce se deplaseaza spre inapoi in jurul avionului. Aceasta genereaza un curent asimetric in jurul ampenajului vertical si directiei, indeosebi in cazul unui avion cu un singur motor. Atunci cind motorul este dus catre in plin curentul elicei se va lovi de partea stanga a ampenajului vertical ( un unghi de atac ar exista intre ampenajul vertical si curentul de aer produs de elice ), generind o forta portanta aerodinamica care impinge coada la dreapta si vireaza botul avionului la stanga. Unele aeronave sunt prevazute cu sistem de compensare a ampenajului vertical pentru a invinge acest efect.

Reactia cuplului elicei

Daca elicea se roteste in sensul acelor de ceasornic ( cand este vazuta din spate ) reactia cuplului va avea tendinta de a roti avionul in sens invers acelor de ceasornic si sa il roteasca spre stanga. Acest efect este cel mai pronuntat in conditii de putere crescuta si turaj ridicat al elicei, asa cum se intampla in timpul decolarii ( vezi fig.6-9 ).

La sol aceasta rotatie la stanga este oprita de roata stanga, care va trebui sa suporte mai mult efort decat roata dreapta. Aceasta va creste frictiunea fortei de rotatie pe roata stanga, avind tendinta de a o incetini, si in consecinta avionul va avea tendinta de a vira la stinga. Notati ca acest efect vireaza avionul in aceeasi directie ca efectul curentului elicei. ( Daca elicea se roteste in celalalt sens, ca la unele avioane mai vechi, atunci aceasta miscare laterala va avea efect invers ). Urmatoarele doua efecte sunt aplicabile in mod deosebit la avioanele cu roata de coada ( bechie ).

Efectul giroscopic

Pe timpul decolarii cu un avion cu bechie, coada este ridicata de la sol pentru a scadea rezistenta la inaintare si al aduce intr-o atitudine optima de zbor. Pe masura ce coada este ridicata, forta cuplului se manifesta in partea de jos a planului de rotatie al elicei. Deoarece un corp care se roteste tinde sa se opuna oricarei incercari de a-i schimba planul de rotatie, orice interventie de schimbare asupra sa, va genera o miscare de precesie giroscopica.

Miscarea de precesie giroscopica modifica directia fortei rezultate cu 90 in directia de rotatie acest fenomen fiind numit efect giroscopic. Cand cuplul din partea de jos a elicei are efect asupra avionului atunci cind ridica coada la decolare, efectul giroscopic da nastere unei forte similare actionind la 90 in directia rotatiei elicei. Aceasta va fi ca o forta de inaintare care actioneaza pe partea dreapta a planului de rotatie al elicei, facind ca avionul sa vireze. Directia de virare depinde de directia rotatiei elicei.

Cantitatea de efect giroscopic depinde de masa elicei, de modul in care masa este distribuita de-a lungul palelor si de cat de repede se roteste elicea ( toate acestea fiind combinate intr-o cantitate fizica numita moment de inertie ). Va depinde de asemenea si de cat de repede incercati sa schimbati planul de rotatie.

Efectul curentului in spirala al elicei - Curentul in spirala al elicei in sensul acelor de ceasornic ( de la elicea care se roteste in sensul acelor de ceasornic ) loveste ampenajul vertical in partea stanga. Aceasta tinde sa vireze botul avionului la stanga.

Balansarea datorata cuplului - Motorul roteste elicea in sensul acelor de ceasornic privind din cabina ( la avioanele moderne ) cuplul elicei. Reactia cuplului incearca sa rasuceasca motorul si celula avionului in sens opus in sens invers acelor de cesornic. Forta descendenta (A) apasa roata stanga puternic pe pista (B). Franarea cu solul diferentiata care rezulta pe rotile principale produce furatura spre stanga.

Balansarea datorata precesiei giroscopice - Ridicarea cozii la decolare genereaza anumite forte ( 1 ). Rotatia rapida a elicei urmeaza principiul giro-precesiei. Efectul are loc la ( 2 ), 90 grade in directia de rotatie. In consecinta, botul avionului vireaza la stanga.

Evident, ridicarea cozii unui avion cu un motor mai puternic la decolare produce un efect giroscopic mult mai mare decat ridicarea cozii unui avion echipat cu un motor de putere mica.

Efectul asimetric al palei elicei

La inceputul rulajului decolarii cand coada se afla inca pe sol, axul elicei este inclinat ascendent si planul de rotatie al elicei nu este vertical.

Avionul se deplaseaza orizontal si pala elicei care coboara va avea prin urmare un unghi de atac mai mare decat pala ascendenta, facind ca pala descendenta sa produca mai multa tractiune si ca avionul sa vireze.

Pala descendenta se va deplasa catre in fata decat pala ascendenta facind ca viteza dintre pala descendenta si curentul de aer relativ sa fie mai mare si prin urmare sa produca mai multa tractiune. De aceea jumatatea descendenta a discului elicei va produce mai multa tractiune decat jumatatea ascendenta, facind ca un avion a carui elice se roteste in sensul acelor de ceasornic ( vazuta din cabina ) sa vireze la stanga chiar si atunci cind roata din spate se afla inca la sol.

NOTA. Cele patru efecte de mai sus genereaza un curent lateral la stanga la un avion a carui elice se roteste in sensul acelor de ceasornic ( vazuta din cabina ), pe care pilotul o va contracara cu bracarea directiei ( picior dreapta ) in partea dreapta atit cit este necesar pentru a se mentine pe directie. Pentru avioanele cu elice care se rotesc in sens invers acelor de ceasornic furatura la decolare va fi la dreapta.

Acum completati Exercitiul 6 Forta de tractiune a elicei