Légcsavar vagy propeller?

A légcsavar vagy propeller kérdésben Edömér nem téved, bármelyiket is használja. A propeller az eredeti angol kifejezés, míg a légcsavar annak pontos magyar megfelelője. Monoklival sütemény mellett ötórai teázó briteknek engedélyezett csak a "propellor" régi kifejezés használata.

A légcsavar a repülő eszközök esetében alkalmazott erőátviteli megoldás, mely segítségével a motorból teljesítményt lehet közvetíteni az alkalmazott közeg, esetünkben a levegő felé.

RC "iparban" használt légcsavar példák

(Forrás: championhobby.com)

Születése

Tekintettel arra, hogy a légcsavarok tervezése egy külön, precíziós számolásokat igénylő iparág (annak ellenére, hogy a Wright-fivérek 1903-ban egy bicikliműhelyben találták ki), emiatt ezen cikkben csak a legszükségesebb, a használatot érintő tulajdonságait fogjuk sorra venni.

A Wright-fivérek, akik a repülés úttörői voltak, felismerték, hogy a légcsavar lapátok is szárnyként viselkednek, és a légcsavar saját profilja számítható aerodinamikai tulajdonságokkal rendelkezik. Megállapításaik annyira helyénvalóknak bizonyultak, hogy több mint száz évvel utána, ma is ezen elvek mentén tervezünk légcsavarokat és pontosan emiatt a helikoptereket nevezik másképpen "forgószárnyú" repülőnek is.

Felépítése

Anyaga lehet fa, fém, kompozit szénszálas műanyag, vagy mint ahogy esetünkben bőségesen megfelelő, sorjás kínai fröccsöntött műanyag.

A legfontosabb követelmény egy légcsavarral szemben, hogy a lapátok elrendezésének tömegközéppontja pontosan a légcsavartengelyre van szabályozva. A pontos beszabályozás nagyon fontos, ugyanis ennek hiányában a légcsavar "üt", ami károsítja a motort illetve felesleges rezgéseket visz be az egész gépvázba.

A légcsavar aerodinamikáját tekintve szárny. Van profilja, belépő és kilépő éle. Ezen profilok a forgási iránynak megfelelően vannak kialakítva. Van állásszöge, húrhossza, emelkedési szöge.

A légcsavar fontos tulajdonsága továbbá, hogy a lapátok végei felé elvékonyodnak, illetve fokozatosan belesimulnak a forgási síkba (nulla emelkedési szögön állnak). Erre azért van szükség, hogy a lapát körül kialakuló légáramlás a légcsavar végeinél minél csendesebb leválasztással történjenek meg. A forgási síkba való belesimulást jól szemlélteti az alábbi légcsavar kialakítás:

Nem csak a csendesebb légáramlás leválasztás miatt simul a légcsavar a forgási síkba, hanem mivel a légcsavar különböző pontjai különböző kerületi sebességgel forognak, a középponthoz közeli alacsonyabb kerületi sebességhez tartozó magasabb emelkedési szög illetve a nagyobb kerületi sebességű pont alacsonyabb emelkedési szöge egy homogénebb légáramlást hoz létre a légcsavar teljes felületén (vagy ez nagy, vagy az).

A csendesebb légcsavar nem pusztán komfort kérdése, hanem minőségi kérdés is, ugyanis a lapát mögötti légörvények nem csak úgy "kialakulnak", hanem azokat a lapának létre kell hoznia ami veszteségként jelentkezik. A hatásfok még mindig kulcsfontosságú paraméter!

A légcsavarok tervezésére számos tervezőszoftver rendelkezésre áll, ám semmi szükség nincs erre, ezek tömeggyártásban (tehát olcsón) készülnek és igen széles választékban hozzáférhetők.

A nagy fordulatszámú és nagyméretű légcsavaroknál figyelembe kell venni, hogy a légcsavar lapátvégei forgás közben milyen sebességet érnek el. Nagyobb légcsavarok esetén a légcsavar lapátvégei elérhetik a hangsebességet, mely komoly terhelést jelent a légcsavarra nézve. Hogy a légcsavarunk és a gép érintett-e ebben? Számítsuk ki 9045-ös (9"-os) légcsavar esetében:

A kör kerülete: K = 2*r*PI azaz K = 9"*PI = 71 cm = 0,71 méter

Max fordulatszáma: 1100KV*-s motor esetén: ~ 12200 fordulat/perc
* erről később

Ebből következően a sebesség: 12200 RPM*0,71m/60s = 144,36 méter/sec
A hangsebesség +20°C-on 343,4 m/s, azaz a kiválasztott légcsavar lapátvégei meg sem közelítik még a hangsebesség felét sem.

Fontos továbbá, hogy a légcsavar subszonikus (hanghatár alatti) és a szuperszonikus (hanghatár feletti) részei folyamatosan találkoznak egymással (ha nem lépjük túl a hanghatárt akkor is eltérő sebességűek), így egy optimális és egyben maximális kerületi sebességet célszerű tartani minden légcsavar esetén, ez a 220 m/s, azaz egy biztonságos határ a hangsebesség alatt, mely az eltérő forgási sebességű részek között is biztosítja, hogy ne legyen nagy légáramlás különbség.

Átmérő, lapátok száma

A légcsavar átmérője határozza meg az egyszerre megmozgatott levegő mennyiségét, tehát meghatározza a légcsavar vonóerejét is. Sajnos minél nagyobb egy légcsavar átmérője, annál kisebb lehet a maximális fordulatszáma (számos okból, egyik a fentebbi hangsebesség számítás). Amennyiben az átmérőből, a forgatási sebességből és az állásszögből (illetve a levegő sűrűségéből számított) vonóerő nem elegendő egy gép felszállásához, akkor kisebbre kell venni a légcsavar átmérőjét, és be kell iktatni egy újabb lapátot. Ezáltal a sebesség növelhető már és egy újabb lapát segít a légtömeg megmozgatásában.

Mint tudjuk, mindennek ára van, így a több lapát nagyobb súly, melynek megmozgatásához nagyobb motor - mindazonáltal nagyobb súly is - társul.

Míg hagyományos repülőgéphez légcsavar átmérő választáskor a tengely és a talaj közötti biztonságos távolságot kell figyelembe venni, multicopter repülőgépek esetében a karok közötti távolság az, ami legvégsőbb esetben meghatározza a legnagyobb alkalmazható légcsavar átmérőt (elkerülve, hogy összeérjenek, illetve az egymás mellett lévő két légcsavar ellenkező irányú forgásából eredő turbulens áramlásokat)

Állásszög - légcsavar emelkedés

Mivel a légcsavar is szárny, ezért a szárnyhoz hasonlatosan csak meghatározott állásszög tartományokban fejti ki hatását. Nulla állásszögön a légcsavar nem fejt ki húzóerőt (és tolóerőt - ez multicopter felépítés esetén fontos), túl nagy állásszög esetén a repülőgépekhez hasonlóan pedig átesik.

Minden valós állásszöghöz tartozik egy repülési sebesség, ahol a dinamikus állásszög a nullára csökken. Tehát a légcsavar által felvett levegő a repülés sebességével érkezik, azaz a légcsavar nem ad le vonóerőt (tolólégcsavar esetén tolóerőt), ugyanis az ellentétes irányú megfújás pontosan akkora sebességgel érkeznek a légcsavarhoz, mint amekkorát azok "harapnának" a levegőből. Ezen esetet elkerülve (ez az áteséshez vezető út), a motorok sebességét kell növelni. Amennyiben nem növelhető, hagyományos repülőpép esetében a gép orrát a gravitáció irányába nyomva lehetőség van a nulla dinamikus állásszögtől eltérni, ám ebben az esetben a dinamikus állásszög negatív lesz, ez pedig hatalmas terhelést jelent a légcsavarnak és a motornak is egyaránt. Ez kerülendő.

Szerencsére multicopter gépeknél ez a jelenség nem, illetve egészen pontosan nem ilyen formában jelentkezik.

Átesés

Az átesés egy aerodinamikai kifejezés, mely azt az eseményt takarja, amikor az aerodinamika törvényei szerinti légáramlással körülvett szárnyon valamilyen oknál fogva megszűnik a szabályos lamináris áramlás, így helyi turbulencia és áramlásleválás történik.

(Egy áramlás lehet lamináris vagy turbulens)

Részletesen nem kívánok kitérni az átesésre, ugyanis multicopter témában ez nem a hagyományos módon van értelmezve, állásszög hibából (kormányzás), repülési sebesség csökkenésből/növelésből vagy jegesedésből eredő átesés szinte kizárt.

Fordított állásszögű légcsavar

Pár oldallal előbb felmerült a kérdés, hogy fordított állásszögű légcsavarra van szükségünk az ellentétes forgásirányú motorokhoz.

A motor forgásirányával a pozitív állásszögű légcsavar húzóirány helyett tolóirányú levegőt hozna létre, ami nekünk nem jó. Ha az ellentétes forgásirányú motorra negatív állásszögű légcsavart helyezünk, az ugyan olyan irányba fogja tolni a levegőt, mint a többi légcsavar.

A légcsavarok húzó irányhoz viszonyított forgásirányát a korábban már ismertetett CW és CCW jelzésekkel látják el, azaz a húzó irányú légszállításhoz, az óra járásának irányával megegyező, vagy azzal ellentétes irányú forgatás szükséges.

Remélem az átszellemült olvasó már a CD lemezre is úgy tekint majd, mint egy extrém nagy lapátszámú és extrém kis állásszögő (vagyis teljesen alkalmatlan) légcsavarra