Как работает пропеллер постоянной скорости?

Прежде чем мы начнем, я должен упомянуть, что самые простые пропеллеры с постоянной скоростью приводились в движение за счет балансировки давления воздуха и центробежной силы. Лопасти имели такую ​​форму или были оснащены противовесом, который заставлял лопасть двигаться с небольшим шагом. Однако, когда воздух проходил над лезвием, он начинал подавлять противовес и толкал лезвие на более высокий шаг. Это довольно оригинальная конструкция, которая означала, что винт автоматически работал на высоких оборотах, когда самолет двигался медленно (взлет, посадка, набор высоты), и автоматически переходил на более высокий шаг, когда самолет ускорялся для крейсерского полета. Существует даже однолопастной винт, в котором эта конструкция очень эффективно использовалась для легких самолетов. Проблема в том, что этот тип пропеллера не регулируется пилотом,

На первом рисунке обратите внимание, что управляющий клапан опирается непосредственно на грузики (разделенные подшипником). На втором рисунке лучше показана система клапанов. Итак, мы видим, что пружина спидера давит на верхнюю часть вала пилотного клапана, который, в свою очередь, опирается на грузики.

Во-первых, маховики вращаются коленчатым валом, поэтому любое изменение оборотов двигателя немедленно реагирует.

Существует несколько способов крепления гребного винта к поршню, и система реечной передачи является обычной и легко вообразимой. Рейка закреплена на поршне таким образом, что при ее движении шестерня опорной лопасти вращается, и, таким образом, лопасть вращается. В другом распространенном типе используется штифт, смещенный от центра круглого основания лезвия. Когда поршень движется, он толкает или тянет штифт, и, поскольку штифт смещен, лезвие скручивается.

Превышение скорости: Когда ваша скорость полета увеличивается.

Когда обороты увеличиваются, центробежная сила заставляет грузики расходиться в стороны, чтобы сохранить импульс. Поскольку они имеют L-образную форму и шарнир в углу, это заставляет нижнюю часть подниматься вверх, поднимая пилотный клапан и сжимая пружину спидера. Когда пилотный клапан поднят, масло под давлением из насоса поступает в ступицу гребного винта через трубку, проходящую через центр поршня ступицы. Масло заполняет полость перед поршнем, толкая его назад. Лопасть винта поворачивается на более высокий шаг (ближе к перу), что снижает обороты двигателя. Когда число оборотов уменьшается, маховики будут испытывать меньшую центробежную силу, и пружина акселератора вернет их в равновесие (на скорости), толкая пилотный клапан обратно вниз, чтобы блокировать масляную трубку ступицы от получения или потери масла.

Пониженная скорость: Когда ваша скорость полета уменьшается.

Когда число оборотов уменьшается, центробежная сила действует на грузы меньше. Из-за своей формы, описанной ранее, они больше не могут давить на пружину спидера с той же силой, что и раньше, поэтому сжатая пружина начнет расширяться. Это приводит к тому, что верхняя часть маховиков входит внутрь, а их нижняя часть опускается. Когда их днища опускаются, управляющий клапан также опускается и разблокирует масляную трубку ступицы. Положительное давление масла в ступице и присущая лопастям склонность двигаться на малый шаг выталкивают масло из ступицы обратно в масляную систему. Поршень движется вперед, а лопасти вращаются с малым шагом. Грузики не обязательно возвращаются в равновесие, особенно если вы вручную устанавливаете пружину на максимальное сжатие с помощью рычага винта: вы хотите, чтобы винт оставался на минимальном шаге, несмотря ни на что.

Потеря давления масла:

Давление масла постоянно давит на нижнюю часть пилотного клапана, пытаясь вытолкнуть его вверх. Пружина спидера сопротивляется, и пока грузики работают на скорости, вся система находится в равновесии с клапаном, блокирующим трубку втулки. Когда вы теряете давление масла, это давление больше не удерживает клапан в поднятом положении, и пружина спидера выигрывает, толкая клапан вниз и позволяя маслу вытекать из ступицы. Это сбрасывает винт на настройку набора высоты с малым шагом, давая нам максимальную мощность, потому что это более полезно, чем максимальная скорость в чрезвычайной ситуации, которая, вероятно, вот-вот произойдет.

Итак, почему мы это делаем?

Все гребные винты установлены на шаг. Теоретически пропеллер должен двигаться вперед на определенное расстояние за каждый оборот, как винт, проходящий сквозь дерево. Но, в отличие от дерева, воздух текуч, и его трудно ухватить. Если вы представляете, как ввинчиваете шуруп в доску, единственный способ заставить его ввинчиваться быстрее — это быстрее закручивать его. Это связано с тем, что шаг винта фиксирован. Если бы вы могли раздвинуть перекладины на винте (увеличить шаг), винт продвинулся бы через дерево быстрее, но его стало бы намного труднее поворачивать.

Пропеллер самолета работает почти так же. Когда мы впервые взлетаем, нам нужно передать максимальную мощность в воздух, и не имеет значения, если мы не будем продвигаться вперед очень далеко за каждый оборот, потому что мы все равно не движемся очень быстро. Мы просто хотим переместить как можно больше воздуха. Но мы достигнем определенного момента, когда единственный способ ускориться — это увеличить количество оборотов винта, а это нецелесообразно с нашими двигателями. Единственная альтернатива - изменить шаг лезвия. Мы меняем его на шаг, который позволяет нам двигаться вперед на большее расстояние с каждым оборотом в обмен на меньшую мощность, передаваемую в воздух с каждым оборотом. К счастью, нам не нужно выкачивать так много энергии, достаточно только для того, чтобы не замедлиться.

Если вам нравятся цифры, представьте, что у нас есть двигатель и пропеллер, который теоретически (при идеальной эффективности) перемещается вперед на 1 фут за каждый оборот и может совершать 1 оборот в секунду, обеспечивая максимальную скорость движения вперед 1 фут в секунду. Это совершенно нормально, когда мы взлетаем: мы можем двигаться вперед со скоростью 0,5 кадра в секунду, и у нас есть воздух, выдуваемый назад со скоростью 0,5 кадра в секунду. Когда мы выравниваемся в круизе, мы застреваем на 1 кадре в секунду. Но мы хотим работать со скоростью 3 кадра в секунду, и мы знаем, что наш планер может с этим справиться. Самый простой вариант — крутить двигатель в три раза быстрее, но, к сожалению, это приведет к тому, что некоторые поршни вылетят из капота. Таким образом, мы должны изменить шаг винта на такой, который перемещается вперед на 3 фута за каждый оборот, таким образом, он по-прежнему вращается с той же скоростью, но он будет перемещать нас вперед в три раза дальше. Или, что более вероятно, мы' re по-прежнему работает со скоростью 1 кадр/с, но только на 1/3 оборотов в минуту и ​​сжигает 1/3 топлива! Именно здесь вы можете увидеть проблему: если мы сжигаем 1/3 топлива, мы передаем только 1/3 энергии в воздух через пропеллер, и мы никак не можем быстро набрать высоту или разогнаться (если на все) при этой настройке.

Последний способ думать об этом — это как о шестеренках в автомобиле. Ваша трансмиссия позволяет вам при 1500 об/мин разогнаться до 10 миль в час или 60 миль в час или на любой промежуточной скорости. Проблема в том, что если вы попытаетесь разогнаться с 10 миль в час до 60 миль в час, поддерживая 1500 об/мин, это займет гораздо больше времени, чем если бы вы разогнали его до 2500 об/мин. Высокие передачи хороши для движения и поддержания скорости, но не для ускорения. Они позволяют поддерживать низкие обороты, низкий крутящий момент и низкое потребление топлива, потому что вам не нужна дополнительная энергия. Высокий шаг пропеллера точно такой же.

Примечание о многомоторных самолетах:

Они просто противоположны одиночкам. В то время как одинарным требуется положительное давление масла для увеличения шага лопастей, многоцелевым требуется положительное давление для его уменьшения. Это потому, что в мультиварке вы хотите, чтобы пропеллер автоматически флюгировался, если вы теряете давление масла (из-за отказа двигателя). Это устраняет значительное сопротивление с этой стороны самолета.

Они оснащены либо пружиной, либо зарядом азота во втулке, которая находится под давлением, толкая поршень втулки обратно в флюгерное положение. Регулятор винта работает так же, но пилотный клапан направляет масло на заднюю часть поршня, перемещая его вперед и сжимая пружину/азот, перемещая винт на более низкий шаг.

Некоторые также оснащены аккумулятором без оперения. Это бутылка с крюком наверху (также заправленная азотом), которая наполняется маслом при работающем двигателе. Когда вы выводите винт из режима высоких оборотов, бутылка изолируется от остальной системы. Если вы потеряете давление масла, гребной винт будет двигаться как положено, но в аккумуляторе все еще будет находиться масло под давлением. Таким образом, если вам удастся позаботиться о проблемах с двигателем, вы можете нажать рычаг винта до упора вперед, открыть клапан аккумулятора, и сжатый азот вытеснит масло из бутылки, чтобы поставить всю систему под положительное давление. на несколько секунд. Это положительное давление перемещает поршень втулки вперед и освобождает опору.

Теперь вы можете подумать: «Если мультипликаторы падают, когда они теряют давление масла, почему все эти близнецы сидят на рампе с низкочастотными винтами?» Ну, у них есть центробежные стопорные штифты, которые исчезают, когда обороты двигателя достаточно высоки. Если он станет низким, они упадут обратно в канавку вокруг поршня втулки или его вала и зафиксируют его в состоянии низкого шага. Однако это не надежная система, потому что штифты, как известно, заедают, и люди, как известно, выключают двигатель, когда рычаг винта не полностью выдвинут вперед. В этом случае вам либо нужно найти несколько сильных парней, чтобы вручную повернуть винт назад, либо вам нужно потратить часть драгоценной жизни вашего стартера, переворачивая двигатель, чтобы создать давление масла, чтобы раскрутить винт.

На турбовинтовых:

Хотя турбовинтовые двигатели могут варьироваться от двигателя к двигателю, они используют системы, аналогичные многодвигательным самолетам, но при гораздо более высоком давлении и с возможностью перехода в бета-режим (обратный шаг). Это создает проблемы, главным образом, в том, что двигатель очень быстро разгоняется, когда шаг лопастей равен 0, а винт не создает тяги/нагрузки. Я не буду пытаться объяснить это, потому что я никогда не работал с ним. Тем не менее, этот парень, кажется, делает хорошую работу.