Wie funktioniert ein Propeller mit konstanter Drehzahl?

Bevor wir beginnen, sollte ich erwähnen, dass die einfachsten Propeller mit konstanter Drehzahl durch Ausgleich von Luftdruck und Zentrifugalkraft angetrieben wurden. Die Blätter waren so geformt oder mit einem Gegengewicht ausgestattet, das dazu führte, dass sich das Blatt von Natur aus in eine flache Steigung bewegte. Wenn jedoch Luft über das Blatt bewegt wurde, begann sie, das Gegengewicht zu überwältigen und das Blatt auf eine höhere Steigung zu drücken. Es ist ein ziemlich geniales Design, das bedeutete, dass die Stütze automatisch eine hohe Drehzahl hatte, wenn sich das Flugzeug langsam bewegte (Start, Landung, Steigflug), und sich automatisch auf eine höhere Steigung bewegte, wenn das Flugzeug für den Reiseflug beschleunigte. Es gibt sogar einen Einblattpropeller, der dieses Design sehr effizient für Leichtflugzeuge nutzt. Das Problem ist, dass dieser Propellertyp nicht vom Piloten einstellbar ist,

Beachten Sie im ersten Bild, dass das Vorsteuerventil direkt auf den Fliehgewichten aufliegt (durch ein Lager getrennt). Das zweite Bild zeigt das Ventilsystem besser. Wir sehen also, dass die Speeder-Feder auf die Oberseite der Pilotventilwelle drückt, die wiederum auf den Fliehgewichten ruht.

Zunächst einmal werden die Fliehgewichte von der Kurbelwelle gedreht, sodass auf jede Änderung der Motordrehzahl sofort reagiert wird.

Es gibt einige Möglichkeiten, wie der Propeller am Kolben befestigt ist, und ein Zahnstangengetriebe ist üblich und leicht vorstellbar. Die Zahnstange ist an dem Kolben befestigt, so dass, wenn sie sich bewegt, das Ritzel des Propellerblatts gedreht wird und somit das Blatt gedreht wird. Ein anderer üblicher Typ verwendet einen Zapfen, der von der Mitte der kreisförmigen Basis der Klinge versetzt ist. Wenn sich der Kolben bewegt, drückt oder zieht er am Zapfen, und da der Zapfen versetzt ist, bewirkt er, dass sich die Klinge dreht.

Übergeschwindigkeit: Wenn Ihre Fluggeschwindigkeit zunimmt.

Wenn die Drehzahl steigt, bewirkt die Zentrifugalkraft, dass sich die Fliehgewichte auseinander spreizen wollen, um Schwung zu sparen. Da sie eine L-Form haben und ein Scharnier in der Ecke haben, hebt sich der untere Teil, zieht das Pilotventil nach oben und drückt die Speeder-Feder zusammen. Wenn das Vorsteuerventil angehoben wird, kann unter Druck stehendes Öl von der Pumpe durch ein Rohr, das durch die Mitte des Nabenkolbens verläuft, in die Propellernabe fließen. Das Öl füllt einen Hohlraum vor dem Kolben und drückt ihn nach hinten. Das Propellerblatt wird auf eine höhere Steigung (näher an der Feder) gedreht, was die Motordrehzahl verlangsamt. Wenn die Drehzahl reduziert wird, stehen die Fliehgewichte unter geringerer Zentrifugalkraft, und die Speeder-Feder drückt sie zurück ins Gleichgewicht (auf Drehzahl) und drückt das Pilotventil wieder nach unten, um zu verhindern, dass das Nabenölrohr Öl gewinnt oder verliert.

Untergeschwindigkeit: Wenn Ihre Fluggeschwindigkeit abnimmt.

Wenn die Drehzahl sinkt, wirkt weniger Zentrifugalkraft auf die Fliehgewichte. Aufgrund ihrer zuvor beschriebenen Form können sie die Speeder-Feder nicht mehr mit der gleichen Kraft wie zuvor nach oben drücken, sodass sich die komprimierte Feder ausdehnt. Dies bringt die Oberseite der Fliegengewichte nach innen und ihre Unterseiten nach unten. Wenn sich ihre Böden nach unten bewegen, bewegt sich das Vorsteuerventil ebenfalls nach unten und gibt die Verstopfung des Nabenölschlauchs frei. Positiver Öldruck in der Nabe und die eingebaute Tendenz der Blätter, sich zu einer niedrigen Steigung bewegen zu wollen, drücken das Öl aus der Nabe und zurück in das Ölsystem. Der Kolben bewegt sich nach vorne und die Blätter drehen sich in einen Zustand mit niedriger Steigung. Die Fliehgewichte kehren nicht unbedingt ins Gleichgewicht zurück, insbesondere wenn Sie die Feder manuell mit dem Propellerhebel auf maximale Kompression einstellen: Sie möchten, dass der Propeller auf jeden Fall auf minimaler Steigung bleibt.

Öldruckverlust:

Der Öldruck drückt ständig gegen den Boden des Vorsteuerventils und versucht, es nach oben zu drücken. Die Speeder-Feder leistet Widerstand, und während die Fliehgewichte auf Drehzahl sind, befindet sich das gesamte System im Gleichgewicht, wobei das Ventil das Nabenrohr blockiert. Wenn Sie den Öldruck verlieren, hält dieser Druck das Ventil nicht mehr oben und die Speeder-Feder gewinnt, drückt das Ventil nach unten und lässt das Öl aus der Nabe fließen. Dadurch wird der Propeller auf die niedrige Steigungseinstellung zurückgesetzt, wodurch wir maximale Leistung erhalten, da dies in der wahrscheinlich bevorstehenden Notfallsituation nützlicher ist als die maximale Geschwindigkeit.

Warum tun wir das?

Alle Propeller sind auf eine Steigung eingestellt. Theoretisch ist ein Propeller so eingestellt, dass er sich bei jeder Umdrehung um eine bestimmte Strecke vorwärts bewegt, genau wie eine Schraube, die sich durch Holz bewegt. Aber im Gegensatz zu Holz ist Luft flüssig und schwer zu greifen. Wenn Sie sich vorstellen, eine Schraube in ein Brett zu schrauben, können Sie sie nur schneller drehen, indem Sie sie schneller drehen. Dies liegt daran, dass die Steigung der Schraube festgelegt ist. Wenn Sie die Sprossen auf der Schraube verteilen könnten (die Steigung erhöhen), würde sich die Schraube schneller durch das Holz bewegen, aber es würde viel schwieriger werden, sie zu drehen.

Der Propeller eines Flugzeugs funktioniert ähnlich. Beim ersten Start müssen wir maximale Kraft in die Luft bringen, und es macht nichts, wenn wir uns bei jeder Umdrehung nicht sehr weit vorwärts bewegen, weil wir sowieso nicht sehr schnell fahren. Wir wollen einfach so viel Luft wie möglich bewegen. Aber wir werden einen bestimmten Punkt erreichen, an dem wir nur noch beschleunigen können, indem wir die Anzahl der Propellerumdrehungen erhöhen, und das ist mit unseren Motoren unpraktisch. Die einzige Alternative besteht darin, die Steigung der Klinge zu ändern. Wir ändern es in eine Tonhöhe, die es uns ermöglicht, uns mit jeder Umdrehung um eine größere Distanz vorwärts zu bewegen, im Austausch dafür, dass bei jeder Umdrehung weniger Kraft in die Luft übertragen wird. Glücklicherweise müssen wir nicht so viel Energie abpumpen, gerade genug, um uns davon abzuhalten, langsamer zu werden.

Wenn Sie Zahlen mögen, stellen Sie sich vor, wir hätten einen Motor und einen Propeller, die sich theoretisch (bei perfekter Effizienz) bei jeder Umdrehung 1 Fuß vorwärts bewegen und 1 Umdrehung pro Sekunde machen können, was eine maximale Vorwärtsgeschwindigkeit von 1 Fuß pro Sekunde ergibt. Das ist vollkommen in Ordnung, wenn wir abheben: Wir bewegen uns vielleicht mit 0,5 fps vorwärts, und wir haben etwas Luft, die mit 0,5 fps rückwärts geblasen wird. Wenn wir uns bei Cruise einpendeln, bleiben wir bei 1 fps hängen. Aber wir wollen 3 fps und wir wissen, dass unsere Flugzeugzelle damit umgehen kann. Die einfachste Möglichkeit ist, den Motor dreimal so schnell zu drehen, aber das würde leider dazu führen, dass einige Kolben aus der Motorhaube fliegen. Also müssen wir die Propellersteigung auf eine ändern, die sich bei jeder Umdrehung 3 Fuß vorwärts bewegt, auf diese Weise dreht sie sich immer noch mit der gleichen Geschwindigkeit, aber sie wird uns dreimal so weit vorwärts bewegen. Oder eher wir' Sie laufen immer noch mit 1 fps, aber nur mit 1/3 U / min und verbrauchen 1/3 des Kraftstoffs! Hier können Sie das Problem sehen: Wenn wir 1/3 des Treibstoffs verbrennen, geben wir nur 1/3 der Energie durch die Stütze in die Luft ab, und es gibt keine Möglichkeit, schnell zu steigen oder zu beschleunigen (wenn bei alle) bei dieser Einstellung.

Eine letzte Möglichkeit, darüber nachzudenken, ist wie bei den Zahnrädern eines Autos. Ihr Getriebe ermöglicht es Ihnen, bei 1500 U / min 10 oder 60 Meilen pro Stunde oder jede beliebige Geschwindigkeit dazwischen zu fahren. Das Problem ist, dass es viel länger dauert, wenn Sie versuchen, von 10 km/h auf 60 km/h zu beschleunigen, während Sie 1500 U/min beibehalten, als wenn Sie es auf 2500 U/min beschleunigen würden. Hohe Gänge eignen sich hervorragend zum Cruisen und Halten der Geschwindigkeit, eignen sich jedoch nicht zum Beschleunigen. Sie ermöglichen es Ihnen, Ihre Drehzahl niedrig, Ihr Drehmoment niedrig und Ihren Kraftstoffverbrauch niedrig zu halten, da Sie diese zusätzliche Energie nicht benötigen. Eine hohe Propellersteigung ist genau dasselbe.

Hinweis zu mehrmotorigen Flugzeugen:

Sie sind genau das Gegenteil von Singles. Wo Singles einen positiven Öldruck benötigen, um die Blattsteigung zu erhöhen, benötigen Multis positiven Druck, um ihn zu verringern. Dies liegt daran, dass Sie bei einem Multi möchten, dass der Propeller automatisch ausfedert, wenn Sie den Öldruck verlieren (aufgrund eines Motorschadens). Dadurch wird eine erhebliche Menge an Luftwiderstand von dieser Seite des Flugzeugs entfernt.

Sie sind entweder mit einer Feder oder einer Stickstoffladung in der Nabe ausgestattet, die unter Druck gesetzt wird und den Nabenkolben zurück in die gefiederte Position drückt. Der Prop-Regler funktioniert auf die gleiche Weise, aber das Pilotventil leitet Öl, um gegen die Rückseite des Kolbens zu drücken, ihn nach vorne zu bewegen und die Feder / den Stickstoff zusammenzudrücken, wodurch der Prop auf eine niedrigere Steigung bewegt wird.

Einige sind auch mit einem entfederten Akku ausgestattet. Dies ist eine Flasche mit einem Haken oben (ebenfalls mit Stickstoff gefüllt), die sich bei laufendem Motor mit Öl füllt. Wenn Sie den Propeller aus der hohen Drehzahl bringen, wird die Flasche vom Rest des Systems abgedichtet. Wenn Sie den Öldruck verlieren, federt der Propeller wie vorgesehen, aber im Akkumulator befindet sich immer noch unter Druck stehendes Öl. Auf diese Weise können Sie, wenn Sie es schaffen, Ihre Motorprobleme zu lösen, den Propellerhebel ganz nach vorne drücken, das Ventil zum Druckspeicher öffnen, und der unter Druck stehende Stickstoff drückt das Öl aus der Flasche, um das gesamte System unter Überdruck zu setzen für einige Sekunden. Dieser positive Druck bewegt den Nabenkolben nach vorne und entfedert die Stütze.

Jetzt denken Sie vielleicht: "Wenn Multis federn, wenn sie den Öldruck verlieren, warum sitzen dann all diese Zwillinge draußen auf der Rampe mit niedrigen Propellern?" Nun, sie haben Fliehkraftsperrstifte, die verschwinden, wenn die Motordrehzahl hoch genug ist. Wenn es niedrig wird, fallen sie zurück in eine Nut um den Nabenkolben oder seine Welle und verriegeln ihn in einem Zustand mit niedriger Steigung. Dies ist jedoch kein narrensicheres System, da bekannt ist, dass die Stifte hängen bleiben, und es ist bekannt, dass Leute den Motor abstellen, wenn der Propellerhebel weniger als ganz nach vorne geschoben wird. In diesem Fall müssen Sie entweder einige starke Jungs da draußen finden, um die Stütze manuell zurückzudrehen, oder Sie müssen einen Teil des kostbaren Lebens Ihres Anlassers verschwenden, indem Sie den Motor drehen, um Öldruck zu erzeugen, um die Stütze zu entfedern.

Bei Turboprops:

Obwohl es von Motor zu Motor variieren kann, verwenden Turboprops ähnliche Systeme wie mehrmotorige Flugzeuge, jedoch mit viel höherem Druck und mit der Möglichkeit, in den Beta-Modus (Reverse Pitch) zu wechseln. Das führt hauptsächlich insofern zu Problemen, als der Motor sehr schnell überdreht, wenn die Blattsteigung 0 ist und der Propeller keinen Schub / keine Last erzeugt. Ich werde nicht versuchen, es zu erklären, weil ich nie wirklich mit einem gearbeitet habe. Dieser Typ scheint aber einen guten Job zu machen.