Flugzeug: Grundlegende Propellerprinzipien - Aircraft: Basic Propeller Principles

Der Flugzeugpropeller besteht aus zwei oder mehr Blättern und einer zentralen Nabe, an der die Blätter befestigt sind. Jedes Blatt eines Flugzeugpropellers ist im Wesentlichen ein rotierender Flügel. Aufgrund ihrer Konstruktion sind die Propellerblätter wie Tragflächen und erzeugen Kräfte, die den Schub erzeugen, um das Flugzeug durch die Luft zu ziehen oder zu schieben. Der Motor liefert die Kraft, die benötigt wird, um die Propellerblätter mit hoher Geschwindigkeit durch die Luft zu drehen, und der Propeller wandelt die Drehkraft des Motors in Vorwärtsschub um.

Ein Querschnitt durch ein typisches Propellerblatt ist in Abbildung dargestellt. Dieses Profil bzw. Blattelement ist ein Tragflügel vergleichbar mit einem Querschnitt einer Flugzeugtragfläche. Eine Oberfläche des Flügels ist gewölbt oder gekrümmt, ähnlich der oberen Oberfläche eines Flugzeugflügels, während die andere Oberfläche flach wie die untere Oberfläche eines Flügels ist. Die Sehnenlinie ist eine imaginäre Linie, die durch das Blatt von seiner Vorderkante zu seiner Hinterkante gezogen wird. Wie bei einem Flügel ist die Vorderkante die dicke Kante des Flügels, die auf die Luft trifft, wenn sich der Propeller dreht. Der Klingenwinkel, normalerweise in Grad gemessen, ist der Winkel zwischen der Sehne der Klinge und der Rotationsebene und wird an einem bestimmten Punkt entlang der Länge der Klinge gemessen. Da die meisten Propeller ein flaches Blatt-„Gesicht“ haben, wird die Sehnenlinie oft entlang der Oberfläche des Propellerblatts gezogen. Pitch ist nicht Blattwinkel, Da die Neigung jedoch weitgehend vom Blattwinkel bestimmt wird, werden die beiden Begriffe häufig synonym verwendet. Eine Zunahme oder Abnahme des einen ist normalerweise mit einer Zunahme oder Abnahme des anderen verbunden. Die Steigung eines Propellers kann in Zoll angegeben werden. Ein als „74–48“ bezeichneter Propeller wäre 74 Zoll lang und hätte eine effektive Steigung von 48 Zoll. Die Steigung ist die Strecke in Zoll, die der Propeller ohne Schlupf bei einer Umdrehung durch die Luft schrauben würde.

Bei der Spezifikation eines Festpropellers für einen neuen Flugzeugtyp wählt der Hersteller normalerweise einen mit einer Steigung, die bei der erwarteten Reisegeschwindigkeit des Flugzeugs effizient arbeitet. Jeder Festpropeller muss ein Kompromiss sein, da er nur bei einer bestimmten Kombination aus Fluggeschwindigkeit und Umdrehungen pro Minute (U/min) effizient sein kann. Piloten können diese Kombination im Flug nicht ändern.

Wenn das Flugzeug bei laufendem Motor am Boden ruht oder sich zu Beginn des Starts langsam bewegt, ist der Propellerwirkungsgrad sehr gering, da der Propeller daran gehindert wird, sich mit ausreichender Geschwindigkeit fortzubewegen, damit seine Blätter mit fester Steigung ihre volle Leistung erreichen können Effizienz. In dieser Situation dreht sich jedes Propellerblatt mit einem AOA durch die Luft, der relativ wenig Schub für die zum Drehen erforderliche Energiemenge erzeugt.

Um die Aktion eines Propellers zu verstehen, betrachten Sie zuerst seine Bewegung, die sowohl rotierend als auch vorwärts ist. Wie durch die Vektoren der Propellerkräfte in Abbildung gezeigt, bewegt sich jeder Abschnitt eines Propellerblatts nach unten und nach vorne. Der Winkel, in dem diese Luft (relativer Wind) auf das Propellerblatt trifft, ist sein AOA. Die durch diesen Winkel erzeugte Luftumlenkung bewirkt, dass der dynamische Druck auf der Triebwerksseite des Propellerblatts größer als der atmosphärische Druck ist, wodurch Schub erzeugt wird. 

Die Form der Schaufel erzeugt auch Schub, da sie wie die Tragflächenform eines Flügels gewölbt ist. Wenn die Luft am Propeller vorbeiströmt, ist der Druck auf der einen Seite geringer als auf der anderen. Wie bei einem Flügel entsteht eine Reaktionskraft in Richtung des geringeren Drucks. Der Luftstrom über dem Flügel hat weniger Druck und die Kraft (Auftrieb) ist nach oben gerichtet. Beim Propeller, der in einer vertikalen statt einer horizontalen Ebene montiert ist, befindet sich der Bereich des verringerten Drucks vor dem Propeller und die Kraft (Schub) ist in Vorwärtsrichtung. Aerodynamisch ist der Schub das Ergebnis der Propellerform und der AOA des Blattes.  

Der Schub kann auch in Bezug auf die vom Propeller beförderte Luftmasse betrachtet werden. In dieser Hinsicht ist der Schub gleich der behandelten Luftmasse multipliziert mit der Windschattengeschwindigkeit minus der Geschwindigkeit des Flugzeugs. Die zur Schuberzeugung aufgewendete Leistung hängt von der Geschwindigkeit der Luftmassenbewegung ab. Im Durchschnitt macht der Schub etwa 80 Prozent des Drehmoments aus (vom Propeller aufgenommene Gesamtleistung in Pferdestärken). Die anderen 20 Prozent gehen durch Reibung und Schlupf verloren. Bei jeder Drehzahl gleicht die vom Propeller aufgenommene Leistung die vom Motor abgegebene Leistung aus. Bei jeder einzelnen Umdrehung des Propellers hängt die geförderte Luftmenge vom Blattwinkel ab, der bestimmt, wie viel Luft der Propeller „beißt“. Somit ist der Blattwinkel ein hervorragendes Mittel zur Einstellung der Belastung des Propellers, um die Motordrehzahl zu steuern.

Der Blattwinkel ist auch eine hervorragende Methode zur Einstellung des AOA des Propellers. Bei Propellern mit konstanter Drehzahl muss der Blattwinkel angepasst werden, um bei allen Motor- und Flugzeugdrehzahlen den effizientesten AOA zu bieten. Auftriebs-gegen-Widerstandskurven, die sowohl für Propeller als auch für Flügel gezeichnet werden, zeigen an, dass der effizienteste AOA klein ist und von +2 ° bis +4 ° variiert. Der tatsächliche Blattwinkel, der notwendig ist, um diesen kleinen AOA aufrechtzuerhalten, variiert mit der Vorwärtsgeschwindigkeit des Flugzeugs.

Festpropeller und bodenverstellbare Propeller sind für beste Effizienz bei einer Umdrehung und Vorwärtsgeschwindigkeit ausgelegt. Sie sind für eine bestimmte Flugzeug- und Triebwerkskombination ausgelegt. Es kann ein Propeller verwendet werden, der die maximale Effizienz für Start, Steigflug, Reiseflug oder Hochgeschwindigkeitsflug bietet. Jede Änderung dieser Bedingungen führt zu einer Verringerung der Effizienz sowohl des Propellers als auch des Motors. Da der Wirkungsgrad jeder Maschine das Verhältnis der Nutzleistung zur tatsächlichen Leistungsaufnahme ist, ist der Propellerwirkungsgrad das Verhältnis von Schubleistung zu Bremsleistung. Der Propellerwirkungsgrad variiert zwischen 50 und 87 Prozent, je nachdem, wie stark der Propeller „durchrutscht“. Der Propellerschlupf ist die Differenz zwischen der geometrischen Steigung des Propellers und seiner effektiven Steigung. Die geometrische Steigung ist die theoretische Distanz, die ein Propeller bei einer Umdrehung vorrücken sollte; Die effektive Tonhöhe ist die Entfernung, die sie tatsächlich zurücklegt. Somit basiert die geometrische oder theoretische Steigung auf keinem Schlupf, aber die tatsächliche oder effektive Steigung beinhaltet einen Propellerschlupf in der Luft.  

Der Grund, warum ein Propeller „verdreht“ ist, liegt darin, dass sich die äußeren Teile der Propellerblätter, wie alle Dinge, die sich um einen zentralen Punkt drehen, schneller bewegen als die Teile in der Nähe der Nabe. Wenn die Blätter über ihre gesamte Länge die gleiche geometrische Steigung hätten, könnten Teile in der Nähe der Nabe negative AOAs haben, während die Propellerspitzen bei Reisegeschwindigkeit abgewürgt würden. Verdrehen oder Variationen in der geometrischen Steigung der Blätter ermöglichen es dem Propeller, im Reiseflug mit einem relativ konstanten AOA entlang seiner Länge zu arbeiten. Propellerblätter sind verdreht, um den Blattwinkel proportional zu den Drehzahlunterschieden entlang der Länge des Propellers zu ändern, wodurch der Schub entlang dieser Länge annähernd ausgeglichen bleibt.

Normalerweise bietet 1 ° bis 4 ° das effizienteste Auftriebs-/Widerstandsverhältnis, aber im Flug variiert der Propeller-AOA eines Festpropellers - normalerweise von 0 ° bis 15 °. Diese Schwankung wird durch Änderungen des relativen Luftstroms verursacht, der wiederum aus Änderungen der Flugzeuggeschwindigkeit resultiert. Somit ist der AOA des Propellers das Produkt zweier Bewegungen: der Propellerrotation um seine Achse und seiner Vorwärtsbewegung.

Ein Propeller mit konstanter Geschwindigkeit hält den Blattwinkel automatisch für maximale Effizienz für die meisten Flugbedingungen eingestellt. Während des Starts, wenn maximale Leistung und Schub erforderlich sind, befindet sich der Propeller mit konstanter Drehzahl in einem niedrigen Propellerblattwinkel oder einer geringen Steigung. Der niedrige Blattwinkel hält den AOA klein und effizient in Bezug auf den relativen Wind. Gleichzeitig ermöglicht es dem Propeller, eine geringere Luftmasse pro Umdrehung zu bewältigen. Diese leichte Last ermöglicht es dem Motor, mit hoher Drehzahl zu drehen und in einer bestimmten Zeit die maximale Kraftstoffmenge in Wärmeenergie umzuwandeln. Die hohe Drehzahl erzeugt auch maximalen Schub, da trotz geringer Luftmasse pro Umdrehung die Drehzahl und die Windschattengeschwindigkeit hoch sind und bei der niedrigen Flugzeuggeschwindigkeit maximaler Schub vorhanden ist. Nach dem Start, wenn die Geschwindigkeit des Flugzeugs zunimmt, der Propeller mit konstanter Drehzahl wechselt automatisch zu einem höheren Winkel (oder Steigung). Auch hier hält der höhere Blattwinkel den AOA klein und effizient in Bezug auf den relativen Wind. Der höhere Schaufelwinkel erhöht die pro Umdrehung behandelte Luftmasse. Dies senkt die Motordrehzahl, reduziert den Kraftstoffverbrauch und den Motorverschleiß und hält den Schub auf einem Maximum.

Nachdem der Startsteigflug in einem Flugzeug mit einem Propeller mit steuerbarer Steigung eingerichtet ist, reduziert der Pilot die Ausgangsleistung des Triebwerks auf Steigleistung, indem er zuerst den Krümmerdruck verringert und dann den Blattwinkel erhöht, um die Drehzahl zu senken. 

In Reiseflughöhe, wenn sich das Flugzeug im Horizontalflug befindet und weniger Leistung benötigt wird, als beim Start oder Steigflug verwendet wird, reduziert der Pilot die Motorleistung erneut, indem er den Krümmerdruck verringert und dann den Blattwinkel erhöht, um die Drehzahl zu verringern. Dies stellt wiederum eine Drehmomentanforderung bereit, die der reduzierten Motorleistung entspricht. Obwohl die pro Umdrehung behandelte Luftmasse größer ist, wird dies durch eine Verringerung der Windschattengeschwindigkeit und eine Erhöhung der Fluggeschwindigkeit mehr als ausgeglichen. Die AOA ist immer noch klein, da der Blattwinkel mit zunehmender Fluggeschwindigkeit erhöht wurde.

Drehmoment und P-Faktor

Für den Piloten besteht „Drehmoment“ (die Tendenz des Flugzeugs nach links zu drehen) aus vier Elementen, die eine Dreh- oder Rotationsbewegung um mindestens eine der drei Achsen des Flugzeugs verursachen oder erzeugen. Diese vier Elemente sind:

1. Drehmomentreaktion von Motor und Propeller 

2. Korkenzieher-Effekt des Windschattens

3. Kreiselbewegung des Propellers

4. Asymmetrische Belastung des Propellers (P-Faktor)

Drehmomentreaktion

Die Drehmomentreaktion beinhaltet Newtons Drittes Gesetz der Physik – für jede Aktion gibt es eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion. Übertragen auf das Flugzeug bedeutet dies, dass, wenn sich die inneren Motorteile und der Propeller in eine Richtung drehen, eine gleiche Kraft versucht, das Flugzeug in die entgegengesetzte Richtung zu drehen.

Wenn sich das Flugzeug in der Luft befindet, wirkt diese Kraft um die Längsachse und neigt dazu, das Flugzeug zum Rollen zu bringen. Um die Rolltendenz auszugleichen, sind einige der älteren Flugzeuge so manipuliert, dass sie mehr Auftrieb auf dem Flügel erzeugen, der nach unten gedrückt wird. Die moderneren Flugzeuge sind mit einem Motorversatz konstruiert, um diesem Drehmomenteffekt entgegenzuwirken.

HINWEIS: Die meisten in den Vereinigten Staaten gebauten Flugzeugtriebwerke drehen den Propeller im Uhrzeigersinn, vom Pilotensitz aus gesehen. Die Diskussion hier bezieht sich auf diese Motoren. 

Im Allgemeinen werden die Kompensationsfaktoren fest eingestellt, so dass sie diese Kraft bei Reisegeschwindigkeit kompensieren, da die meiste Betriebszeit des Flugzeugs bei dieser Geschwindigkeit liegt. Querruder-Trimmklappen ermöglichen jedoch eine weitere Anpassung für andere Geschwindigkeiten. Wenn die Räder des Flugzeugs während des Startlaufs auf dem Boden sind, wird ein zusätzliches Drehmoment um die vertikale Achse durch Drehmomentreaktion induziert. Da die linke Seite des Flugzeugs durch die Drehmomentreaktion nach unten gedrückt wird, wird mehr Gewicht auf das linke Hauptfahrwerk gelegt. Dies führt zu mehr Bodenreibung oder Luftwiderstand auf dem linken Reifen als auf dem rechten, was zu einem weiteren Drehmoment nach links führt. Die Größe dieses Moments hängt von vielen Variablen ab. Einige dieser Variablen sind: 

1. Größe und Leistung des Motors

2. Propellergröße und Drehzahl

3. Größe des Flugzeugs

4. Beschaffenheit der Bodenoberfläche

Dieses Giermoment auf der Startrolle wird durch die richtige Verwendung des Seitenruders oder der Seitenrudertrimmung durch den Piloten korrigiert.

Korkenzieher-Effekt

Die Hochgeschwindigkeitsrotation eines Flugzeugpropellers verleiht dem Windschatten eine Korkenzieher- oder Spiralrotation. Bei hohen Propellerdrehzahlen und niedriger Vorwärtsgeschwindigkeit (wie bei Starts und Annäherungen an Power-On-Stalls) ist diese spiralförmige Drehung sehr kompakt und übt eine starke seitliche Kraft auf die vertikale Heckfläche des Flugzeugs aus.

Wenn dieser spiralförmige Windschatten auf die vertikale Flosse trifft, verursacht er ein Giermoment um die vertikale Achse des Flugzeugs. Je kompakter die Spirale ist, desto ausgeprägter ist diese Kraft. Wenn die Vorwärtsgeschwindigkeit jedoch zunimmt, verlängert sich die Spirale und wird weniger effektiv. Die Korkenzieherströmung des Windschattens verursacht auch ein Rollmoment um die Längsachse.

Beachten Sie, dass dieses durch die Korkenzieherströmung des Windschattens verursachte Rollmoment rechts ist, während das durch die Drehmomentreaktion verursachte Giermoment links ist - tatsächlich kann das eine dem anderen entgegenwirken. Diese Kräfte sind jedoch sehr unterschiedlich und es liegt in der Verantwortung des Piloten, jederzeit die richtigen Korrekturmaßnahmen durch die Verwendung der Flugsteuerung vorzunehmen. Diesen Kräften muss entgegengewirkt werden, unabhängig davon, welche gerade am stärksten ausgeprägt ist.

Gyroskopische Aktion  

Bevor die Kreiseleffekte des Propellers verstanden werden können, ist es notwendig, das Grundprinzip eines Kreisels zu verstehen. Alle praktischen Anwendungen des Kreisels basieren auf zwei grundlegenden Eigenschaften der Kreiselwirkung: Starrheit im Raum und Präzession. Das Interessante für diese Diskussion ist die Präzession. 

Präzession ist die resultierende Aktion oder Ablenkung eines sich drehenden Rotors, wenn eine Ablenkkraft auf seinen Rand ausgeübt wird. Wie in Abbildung zu sehen ist, wirkt bei Krafteinwirkung die resultierende Kraft 90° vor und in Drehrichtung. Der rotierende Propeller eines Flugzeugs ist ein sehr guter Kreisel und hat daher ähnliche Eigenschaften. Jedes Mal, wenn eine Kraft aufgebracht wird, um den Propeller aus seiner Rotationsebene abzulenken, ist die resultierende Kraft 90° vor und in der Rotationsrichtung und in der Angriffsrichtung und verursacht ein Nickmoment, ein Giermoment oder eine Kombination davon der beiden abhängig von dem Punkt, an dem die Kraft aufgebracht wurde.

Dieses Element des Drehmomenteffekts wurde schon immer mit Spornradflugzeugen in Verbindung gebracht und als wichtiger angesehen und tritt am häufigsten auf, wenn das Heck während des Startrollens angehoben wird. Diese Änderung der Steigungslage hat den gleichen Effekt wie das Aufbringen einer Kraft auf die Oberseite der Rotationsebene des Propellers. Die um 90° nach vorne wirkende resultierende Kraft verursacht ein Giermoment nach links um die Hochachse. Die Größe dieses Moments hängt von mehreren Variablen ab, von denen eine die Plötzlichkeit ist, mit der die auf das Heck ausgeübte Kraft angehoben wird (Menge der ausgeübten Kraft). Eine Präzession oder Kreiselwirkung tritt jedoch auf, wenn eine Kraft auf einen beliebigen Punkt am Rand der Rotationsebene des Propellers ausgeübt wird. die resultierende Kraft beträgt immer noch 90° vom Angriffspunkt in Drehrichtung. Je nachdem, wo die Kraft angreift,  

Man kann sagen, dass infolge der Kreiselwirkung jedes Gieren um die Hochachse zu einem Nickmoment und jedes Nicken um die Querachse zu einem Giermoment führt. Um den Effekt der Kreiselbewegung zu korrigieren, ist es für den Piloten erforderlich, Höhenruder und Seitenruder richtig zu verwenden, um unerwünschtes Nicken und Gieren zu verhindern.

Asymmetrische Belastung (P-Faktor)  

Wenn ein Flugzeug mit einem hohen AOA fliegt, ist der „Biss“ des sich nach unten bewegenden Blattes größer als der „Biss“ des sich nach oben bewegenden Blattes. Dadurch verlagert sich der Schubmittelpunkt nach rechts aus dem Bereich der Propellerscheibe, wodurch ein Giermoment nach links um die Hochachse entsteht. Der Nachweis dieser Erklärung ist komplex, da es notwendig wäre, Windvektorprobleme an jedem Blatt zu bearbeiten, während sowohl der AOA des Flugzeugs als auch der AOA jedes Blatts berücksichtigt werden.

Diese asymmetrische Belastung wird durch die resultierende Geschwindigkeit verursacht, die durch die Kombination der Geschwindigkeit des Propellerblatts in seiner Rotationsebene und der Geschwindigkeit der horizontal durch die Propellerscheibe strömenden Luft erzeugt wird. Wenn das Flugzeug mit positiven AOAs geflogen wird, passiert das rechte (von hinten gesehen) oder nach unten schwingende Blatt einen Bereich mit resultierender Geschwindigkeit, die größer ist als diejenige, die das linke oder nach oben schwingende Blatt beeinflusst. Da das Propellerblatt ein Tragflügel ist, bedeutet eine erhöhte Geschwindigkeit einen erhöhten Auftrieb. Das nach unten schwingende Blatt hat mehr Auftrieb und neigt dazu, die Nase des Flugzeugs nach links zu ziehen (gieren).

Wenn das Flugzeug mit einem hohen AOA fliegt, hat das sich nach unten bewegende Blatt eine höhere resultierende Geschwindigkeit und erzeugt mehr Auftrieb als das sich nach oben bewegende Blatt. Dies ist möglicherweise einfacher zu visualisieren, wenn die Propellerwelle senkrecht zum Boden montiert ist (wie bei einem Hubschrauber). Wenn es überhaupt keine Luftbewegung gäbe, außer der vom Propeller selbst erzeugten, hätten identische Abschnitte jedes Blattes die gleiche Fluggeschwindigkeit. Wenn sich Luft horizontal über diesen vertikal montierten Propeller bewegt, hat das Blatt, das sich vorwärts in den Luftstrom bewegt, eine höhere Fluggeschwindigkeit als das Blatt, das sich mit dem Luftstrom zurückzieht. Somit erzeugt das Blatt, das in den horizontalen Luftstrom vordringt, mehr Auftrieb oder Schub und bewegt das Schubzentrum in Richtung dieses Blattes. Stellen Sie sich vor, wie Sie die vertikal montierte Propellerwelle relativ zur sich bewegenden Luft in flachere Winkel drehen (wie in einem Flugzeug). Dieser Ungleichgewichtsschub wird dann proportional kleiner und wird immer kleiner, bis er den Wert Null erreicht, wenn die Propellerwelle in Bezug auf die bewegte Luft genau horizontal steht. 

Die Auswirkungen jedes dieser vier Drehmomentelemente variieren im Wert mit Änderungen in den Flugsituationen. In einer Flugphase kann eines dieser Elemente stärker ausgeprägt sein als ein anderes. In einer anderen Flugphase kann ein anderes Element stärker hervortreten. Das Verhältnis dieser Werte zueinander variiert bei verschiedenen Flugzeugen in Abhängigkeit von der Flugzeugzelle, dem Triebwerk und den Propellerkombinationen sowie anderen Konstruktionsmerkmalen. Um eine positive Kontrolle über das Flugzeug unter allen Flugbedingungen aufrechtzuerhalten, muss der Pilot die Flugsteuerung nach Bedarf anwenden, um diese variierenden Werte zu kompensieren.