Légcsavar
A Wikipédiából, a szabad lexikonból.
A légcsavar, más szóval propeller a repülőgépek körében általánosan használt erőátviteli megoldás, amely a motor teljesítményét közvetíti a hordozó közegre, a levegőre. A légcsavar megforgatására repülőbenzinnel hajtott dugattyús motort vagy kerozinnal üzemelő gázturbinát alkalmaznak.
Tartalomjegyzék |
[szerkesztés] Felépítése
Anyaga lehet fa (ez a régebbi repülőgépeknél volt elterjedt alapanyag), lehet fém, és lehet kompozit szénszálas műgyanta is. A légcsavarnak lapátjai vannak, de a légcsavartoll elnevezés is használatos. A lapátok elrendezésének a tömegközéppontja pontosan a légcsavartengelyre van szabályozva. A nagyon pontos beszabályozás rendkívül fontos, mert ha a légcsavar tömegközéppontja nem forgásszimmetrikus, a légcsavar „üt”, és ezzel a motor, illetve az egész repülőgép biztonságát kockáztatja. A szabályozás mértékét érzékelteti, hogy a finombeállítást a légcsavartollakra felvitt festékrétegek vastagságának változtatásával végzik. A légcsavarlapát tulajdonképpen egy szárny a szó aerodinamikai értelmében: Van profilja, belépő és kilépő éle amelyek a forgási iránynak megfelelően vannak kialakítva, és van állásszöge, ami lehet állandó illetve változtatható. Ez utóbbi a „változtatható állásszögű légcsavar”, röviden az „állítható légcsavar”. Ezen túlmenően a korszerű légcsavarlapátnak nem állandó sem a húrhossza sem az emelkedési szöge. Ez utóbbi jellemző a feltűnőbb, hiszen a lapátok végei már gyakorlatilag a forgási síkkal párhuzamosan, nulla emelkedési szögön állnak és a lapát körül kialakuló áramlás minél csendesebb leválasztásában, kiegyenlítésében vesznek részt. A kisgépes repülésnél nagyon fontos, hogy a légcsavarlapátok kerületi sebessége nem lépheti át a hangsebességet, mert az ilyenkor kialakuló rezonanciák, áramlásleválások tönkretehetik a légcsavart illetve a motort. Belátható, hogy a kerületi sebesség fogalma miatt nem az egész légcsavaron következne be a hanghatár átlépésével járó lökéshullám, hanem csak a lapátvégeken, ami komoly terhelést okozna a lapát azon részén, ahol a szubszonikus és a már szuperszonikus rész találkozik. Természetesen erre is lehet méretezni a légcsavart és annak anyagát, de ez a kisgépes (dugattyús-motoros) repülőgépeknél nem gyakorlat és nem is szükséges.
[szerkesztés] Átmérő, lapátok száma
A légcsavar átmérőjétől függ az egyszerre megmozgatott levegő mennyisége és így a légcsavar vonóereje is. Minél nagyobb levegőtömeget kell egyszerre megmozgatni, annál nagyobb teljesítményű motorra van szükség a meghajtáshoz. Emellett, minél nagyobb a légcsavar átmérője, annál lassabb lehet a maximális fordulatszáma. Az optimális esetben a lapátvégek kerületi sebessége még a kb. 220 m/s értéket sem lépi túl. Ha az átmérőből, a forgatási sebességből, az állásszögből és a standard levegősűrüségből számított vonóerő nem lenne elegendő a repülőgép felszállásához, a következőket lehet tenni: Egy picit rövidebbre veszik az átmérőt és beiktatnak még egy lapátot. Ezáltal növelhető a maximum forgási sebesség, illetve még egy plusz "szárny" azaz légcsavarlapát vesz részt a forgatóerő levegőnek történő átadásában. Ennek természetesen „ára” van, mert minél több lapát van a légcsavaron, annál erősebb motor kell az azonos sebességű megforgatáshoz. Ez a folyamat addig ismételhető amíg végül elfogy a légcsavarkoszorún az újabb lapátok számára a hely, vagy elértük a használt hajtómű maximális erőleadási képességét. A légcsavarátmérő kiszámításánál figyelembe kell venni a lapátvégek repülőgéptörzstől és a talajtól való biztonságos távolságát.
[szerkesztés] Meghajtás
A légcsavar meghajtása lehet közvetlen, vagy áttételes. A közvetlen meghajtás esetében a légcsavar közvetlenül a motor főtengelyének kivezetésére van erősítve, igy a motor fordulatszáma megegyezik a légcsavar fordulatszámával. A kisgépeknél ez az általánosan elterjedt megoldás, lévén, hogy a fogaskerekes áttételek, reduktorok jelentős plusz tömeget képviselnek. A nagyobb lapát-átmérők esetében már szükséges a reduktor alkalmazása, mert a kerületi sebességre érvényes korlátok miatt a légcsavar fordulatszáma alacsonyabb, ez esetben viszont a motorok forgatónyomatéka lehet kevés. Csillagmotorok esetében a bolygókerekes reduktor az általános, míg a soros, vagy boxer elrendezésű repülőgépmotoroknál a fogaskerekes áttétel az elterjedt, ott ahol ez szükséges. A motor és a légcsavar viszonya egyfajta kompromisszum, mivel a légcsavar szempontjából a folyamatos nagy forgatónyomaték lenne az ideális minden fordulatszám-tartományban, de a motorok sajátosságaiból adódóan az alacsony fordulaton kívánt nagy nyomaték csakis az átlagosnál nagyobb űrméret alkalmazásával valósítható meg. Ez persze nagyobb fogyasztást és nagyobb súlyt is jelent. Ha a légcsavarátmérő nagy, abban az esetben hatalmas a megmozgatott levegő mennyisége is, de a légcsavar nem is foroghat túl gyorsan (kerületi sebesség!). Belátható, hogy 1000 lóerő leadásához, kb. 2200-as percenkénti fordulaton kb. 30 000 köbcentis motorra van szükség, miközben esetleg a négylapátos 3,6 méter átmérőjű légcsavar csak 1500-at foroghat maximum. Ez egy konkrét példa, további részletek az An-2 repülőgépről szóló szócikkben.
[szerkesztés] Állásszög
A légcsavarlapát is egy szárny, és mint ilyen csak bizonyos állásszög tartományokban fejti ki a hatását. Nulla állásszögön a légcsavar nem fejt ki húzóerőt. Túl nagy állásszögön pedig – csakúgy mint a repülőgépszárny – átesik. Az optimális határok a légcsavar fizikai kialakításától (profil, húrhossztól, lapáthossztól és a fordulatszámtól) függnek. Főként szállítógépeknél a lapátok negatív állásszögre is állíthatóak, így a leszállás után, kigurulásnál a légcsavart repülőgép fékezésére, a kigurulási úthossz csökkentésére lehet használni. A felszálláskor a lehető legnagyobb teljesítményleadásra van szükség, ez a légcsavar kis állásszögén a leghatékonyabb, azaz így van a légcsavar az álló levegőhöz képest a legoptimálisabb pozícióban, az átesési kritikus állásszögtől távol. A földön álló gép esetében- amely ekkor még a levegőhöz képest nem mozog – valós állásszögről beszélünk, de amikor a légcsavar által felvett levegő már a repülés mindenkori sebességével "érkezik", a dinamikus állásszög kifejezés használatos. Ez relatív fogalom, amely a megfújás sebességével fordítottan arányos. Ebből következik, hogy minden valós állásszöghöz tartozik egy olyan repülési sebesség ahol a dinamikus állásszög nullára csökken. Gyakorlatilag ez a nem változtatható állásszögű légcsavar sebességhatára. A légcsavar ekkor a fordulatszám növelésével sem ad le több vonóerőt (tolólégcsavar esetében tolóerőt), mert a gép repülési sebességvektorával egyenlő de azzal ellentétes irányú megfújás pontosan akkora sebességgel érkezteti a levegőt a légcsavarlapátokhoz, amekkorát azok "kiharapnának" az álló levegőből. A dinamikus állásszög ebben a pillanatban nulla. A repülőgép sebességének további növelése a gravitáció irányába nyomással lehetséges, de ekkor már a légcsavar dinamikus állásszöge negatív lesz, ami erős visszahatást fejt ki és ezzel jelentős terhelést jelent a légcsavarlapátoknak és a motornak egyaránt. Az állítható szögű légcsavar pont ezen jelenségek kiküszöbölésére alkalmazható. Felszállás után, amikor már nem a nagy erőleadás a fő szempont, hanem a folyamatos utazó sebesség, illetve a gyorsítás lényeges, egyre nagyobb szögre kell állítani a légcsavart, megtartva ezzel a dinamikus állásszöget az optimális erőkifejtő tartományban. Ezzel a módszerrel folyamatosan lehet gyorsítani a repülőgépet, amíg a légcsavar eléri a legnagyobb beállítási szögét. Általában úgy választják meg a lehetséges szögállítási tartomány legnagyobb szögű felső határát, hogy a légcsavar a földön álló repülőgép esetében se forogjon folyamatos átesésben.
[szerkesztés] Autorotálás
Ha repülés közben a hajtómű felőli meghajtás lecsökken vagy megszűnik, a légcsavart az érkező megfújó levegő forogni kényszeríti, ezt hívjuk autorotálásnak. Ha eközben a hajtómű kis teljesítményen jár, annak fékező hatása (motorfék) nem engedi túlpörögni a légcsavart. Gond akkor lehet, ha teljes teljesítményen járó motorral zuhan a repülőgép, mert ebben az esetben – a negatív dinamikus állásszögből eredően – az autorotáció túlforgatja a légcsavart és a hajtóművet is. Álló motor esetében az autorotáláshoz szükséges energia erős fékezőhatásként érvényesül, lassítva ezzel a gép repülését. Ez súlyos gond lehet többmotoros repülőgépek esetében, ahol a légcsavarok által kifejtett vonó(toló)erővektor nem esik egybe a gép hossztengelyével. A szárnyon elhelyezett motorok esetében komoly problémát jelent a csak az egyik oldalon jelentkező fékhatás. Kifejezetten erre az esetre találták ki a vitorlába állítás lehetőségét. Ekkor a megfújásra merőleges helyzetbe lehet állítani a légcsavarlapátokat, megakadályozva ezzel az autorotálást és a féloldalas fékezőhatást. Létezik automata vitorlába állító rendszer is, amely a hajtómű repülés közbeni leállása esetén automatikusan vitorlába állítja a légcsavart. Az autorotálás a helikopterek esetében a kényszerleszállás egyetlen túlélhető módja. A helikopter hajtóművének leállásakor a rotorlapátokat gyorsan negatívba állítva kell zuhanni a géppel, ekkor a megfújás alulról érkezik és a negatívban (nem emelő hanem süllyesztő pozícióban) álló rotorlapátokat pontosan a jó irányba forgatja tovább a levegő. A talaj fölött – a kellő pillanatban – a pilóta gyorsan pozitívba állítja a lapátok állásszögét, és a lapátok tehetetlensége miatt kis ideig tovább forgó rotor termel még annyi felhajtóerőt, hogy a helikoptert biztonságosan a talajra lehessen tenni.
[szerkesztés] Precesszió
A hatás-ellenhatás törvénye miatt a forgási iránnyal ellentétes irányú precesszió keletkezik a repülőgépen a légcsavar megforgatásával. A gyakorlatban a pilóta felől nézve a légcsavar forgási irányával ellentétes irányú elfordulás érzékelhető, amely hatás a legnagyobb teljesítményen – felszálláskor – érezhető a legkifejezettebben. Ez a még talajon haladó repülőgép a felszállóegyenesről való kitörését idézheti elő. Ezért ezt az oldalkormány segítségével ellen kell tartani, hogy a felszálló gép megtartsa a helyes pályairányt. Egyes többmotoros szállitó-repülőgép típusokon olyan hatalmas lenne a precesszió ereje, hogy a tervezők úgy küszöbölték ki annak hatását, hogy a légcsavartengelyeken két-két egymással ellentétes irányban forgó légcsavarkoszorút helyeztek el. Erre a legkiválóbb példa az Antonov tervezőiroda An–70-es szállító repülőgépe. A négymotoros gépeknél a túl nagy precesszió a szárnyvégek közelében elhelyezett külső motorok esetében is igen veszélyes lehet, ezért a hosszú erőkaron jelentkező durva csavaró irányú erőre mindenképp méretezni kell a gép szárnyának tartórendszerét.
[szerkesztés] Turbólégcsavaros hajtómű
Repülőgépek hajtására elterjedten alkalmazzák a turbólégcsavaros meghajtást, amikor a légcsavar forgatását egy gázturbina végzi. A turbólégcsavaros hajtómű legelőnyösebb tulajdonsága a magas hatásfoka, míg hátrányai közé az alacsonyabb elérhető maximális sebesség, és főként az utaszállító repülőgépek esetén fontos szempontként szereplő magas zajszint tartozik. Turbólégcsavaros meghajtásnál a légcsavar forgatására leggyakrabban légcsavaros gázturbinát alkalmaznak, amelynél a gázturbina égésteréből kilépő gáz mozgási energiáját a gázturbina tengelyének forgatására használják. A légcsavaros gázturbinában a turbina, a kompresszor és a reduktor egy tengelyre van szerelve. Főként helikoptereknél, de ritkábban repülőgépeknél is alkalmazzák a szabadturbinákat (más néven: tengelyteljesítményt szolgáltató gázturbinás hajtómű), amelyeknél a kompresszort és a reduktort hajtó turbinafokozatok külön tengelyen találhatók. A világ első működő légcsavaros gázturbinájának megalkotása Jendrassik György nevéhez fűződik. Az 1938-ban megtervezett és a Ganznál 1940-ben elkészített Cs-1 típusú légcsavaros gázturbinát a Varga László tervei alapján kifejlesztett X/H és X/G kéthajtóműves felderítő repülőgéphez szánták.
Based on work by