Η έλικα

Α' μέρος

[ Β' μέρος ]

Η έλικα (helix, propeller, airscrew)

Η έλικα του αεροπλάνου παίρνει την ενέργεια που προσφέρεται στον άξονά της και δίνει κινητική ενέργεια στον αέρα. Για την επιτάχυνση της μάζας του αέρα ή έλικα ασκεί πάνω του μία δύναμη. Με την αρχή δράση-αντίδραση και η μάζα του αέρα σπρώχνει την έλικα με μία ίση και αντίθετη δύναμη, που τελικά κινεί το αεροπλάνο και που ονομάζεται "έλξη" (ή ώση). Αυτή μπορεί να είναι σταθερή ή να αυξομειώνεται στην διάρκεια της πτήσης.

Οταν υπάρχει έλξη το μοντέλο πετάει με μεγαλύτερη ταχύτητα από την "φυσιολογική" ταχύτητα ολίσθησης, τα φτερά παράγουν μεγαλύτερη άντωση και μπορεί να κρατηθεί στο ίδιο ύψος ή να κερδίσει ύψος αν περισσεύει ενέργεια.

Για να αντιληφθείς καλύτερα την θεωρία της έλικας, φαντάσου την σαν ένα φτερό. Το σχήμα των φύλλων, η γωνία προσβολής της και η αεροτομή είναι έννοιες κατανοητές. Η μόνη διαφορά είναι ότι η έλικα είναι ένα περιστρεφόμενο φτερό, με τον αριθμό Reynolds να αλλάζει από την ρίζα στο ακροπτερύγιο.

Εξετάζοντας μερικές δεκάδες θεωριών για το ποιά έλικα είναι η καταλληλότερη για κάθε τύπο μοντέλου, καταλήξαμε στο συμπέρασμα ότι τελικά κανείς δεν έχει την "μυστική συνταγή". Θα πρέπει να δοκιμάσεις πολλές έλικες στο ίδιο μοντέλο, και να επιλέξεις πειραματικά την καλύτερη.

ΤΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΗΣ ΕΛΙΚΑΣ

Διάμετρος (diameter)

Βήμα (pitch)

Μία βίδα προχωράει σε κάθε πλήρη περιστροφή της όσο και η απόσταση που έχουν οι βόλτες της, δηλαδή όσο είναι το βήμα της.

Αν και η έλικα δεν βιδώνει σε σκληρό υλικό, αλλά στον αέρα, για την κατανόηση του όρου "βήμα", θα την θεωρήσουμε και αυτή σαν μία βίδα.

Αρα βήμα είναι η απόσταση που θα προχωρούσε η έλικα θεωρητικά, σε μία πλήρη περιστροφή της, αν ακολουθούσε πιστά την κλίση/γωνία που έχουν τα πτερύγιά της.

Με το μικρό ή ψιλό βήμα (μικρή κλίση), έχουμε: Μεγαλύτερη ταχύτητα περιστροφής, γρήγορη επιτάχυνση, και άνοδο σε μεγάλη γωνία. Με το μεγάλο ή χοντρό βήμα (μεγάλη κλίση) έχουμε: Μικρή ταχύτητα περιστροφής, μικρή επιτάχυνση, ήπια άνοδο.
Το ψιλό βήμα μπορεί να συγκριθεί με την πρώτη ταχύτητα του αυτοκινήτου, ενώ το χοντρό βήμα με την τέταρτη ταχύτητα.

Σε τι μονάδες εκφράζεται η διάμετρος και το βήμα;

Εδώ πρέπει να σημειώσουμε το εξής:
Η αντιστοιχία των δύο αυτών μονάδων δεν είναι στρογγυλός αριθμός. Ετσι μία έλικα διαμέτρου 10 ιντσών είναι στην πράξη 25,4 εκατοστά, ενώ αντίστοιχα μία έλικα διαμέτρου 25 εκατοστών είναι στην πράξη 9,84 ίντσες. Οι διαφορές αυτές στις μεγάλες διαμέτρους είναι πρακτικά αμελητέες.

Οσον αφορά τις αντιστοιχίες στα βήματα, δεν παίζει μεγάλο ρόλο αν το ονομαστικό βήμα είναι 6 ίντσες = 15,24 εκ ή 15 εκ = 5,9 ίντσες. Και στις δύο περιπτώσεις το βήμα θεωρείται πρακτικά ίδιο.

Το Γεωμετρικό Βήμα (geometric pitch)

Το Πραγματικό Βήμα (true pitch) και το γλύστριμα (slip)

Το γλύστρημα είναι επιθυμητό σε ποσοστό περίπου 10-30%. Χωρίς γλύστρημα δεν υπάρχει γωνία προσβολής @ άρα δεν υπάρχει και παραγωγή έλξης. Το γλύστρημα εξαρτάται από το σχήμα της έλικας, την ευκαμψία του υλικού, την αντίσταση του μοντέλου, κ.α. Το πραγματικό βήμα δεν είναι σταθερό και δεν μπορεί να μετρηθεί επάνω στην έλικα.

Η ανάπτυξη των επι μέρους γεωμετρικών βημάτων στα πτερύγια

Παρατήρησε ότι τα ακροπτερύγια (π.χ. σημείο r4), πρέπει να διανύσουν μεγαλύτερη απόσταση στον ίδιο χρόνο, από ότι τα σημεία κοντά στον άξονα περιστροφής (π.χ. σημείο r1), για να καλύψουν όλα μαζί την ίδια απόσταση πάνω στην γραμμή πτήσης B.
Αν τοποθετήσουμε τις αεροτομές κάθε τέτοιου σημείου (στο σχήμα r1, r2, r3, r4) ώστε να συμπέσει η χορδή τους με την κεκλιμένη γραμμή που αντιστοιχεί στην διαδρομή τους, όλα αυτά τα σημεία θα έχουν το ίδιο γεωμετρικό βήμα (Θ1 = Θ2 = Θ3 = Θ4), αφού στοχεύουν στο ίδιο σημείο.Οι έλικες που έχουν το ίδιο γεωμετρικό βήμα σε κάθε σημείο τους λέγονται σταθερού ή ελικοειδούς βήματος.

Παρατηρούμε ότι παρ' όλο ότι έχουν το ίδιο γεωμετρικό βήμα, η κλίση κάθε σημείου είναι διαφορετική. Τα σημεία στα ακροπτερύγια θα έχουν την μικρότερη κλίση, και αυτά της μέσης την μεγαλύτερη.
Ο αρχάριος δεν μπορεί να αντιληφθεί εύκολα πως με σταθερό γεωμετρικό βήμα σε όλο το μήκος του πτερύγιου το κάθε σημείο πρέπει να έχει διαφορετική κλίση. Ο ορισμός έλικα σταθερής γωνίας προσβολής ίσως ήταν πιό σωστός.

Μεταβολή του γεωμετρικού βήματος κατά μήκος των πτερυγίων της έλικας

Υπάρχει μία θεωρητική καμπύλη κατανομής βήματος, όπου το βήμα αυξάνει εμφανώς από την ρίζα έως το 70% της ακτίνας, και με μικρότερο βαθμό από εκεί προς τα ακροπτερύγια (καμπύλη Νο 2). Αυτές είναι οι έλικες προοδευτικού βήματος. Στην πράξη όμως βλέπουμε αποκλίσεις από την θεωρητική κατανομή, όπως δείχνουν οι άλλες τρείς καμπύλες του σχήματος.

Η καμπύλη Νο 3 αντιστοιχεί σε έλικα με προοδευτικά μικρότερο βήμα προς την περιοχή της ρίζας, για να ελαττωθεί η αντίσταση από αυτό το τμήμα που ούτως ή άλλως δεν προσφέρει πολλά στην έλξη.

Η καμπύλη Νο 4 αντιστοιχεί σε έλικα που, εκτός από το μικρότερο βήμα στην περιοχή της ρίζας, έχει και προοδευτικά μικρότερο γεωμετρικό βήμα στα ακροπτερύγια (αρνητική συστροφή - washout), για να ελαττωθεί η αντίσταση και να αναπτύξει περισσότερες στροφές, όπως ταιριάζει σε ένα μοντέλο ταχύτητας.

Η καμπύλη Νο 1 αντιστοιχεί σε έλικα με προοδευτικά μεγαλύτερο γεωμετρικό βήμα στα ακροπτερύγια, ώστε να είναι λιγότερο θορυβώδης.

Οι τέσσερεις καμπύλες εμφανίζονται χωρισμένες μόνο για την ευκολία αντίληψης των μεγεθών. Στην πραγματικότητα συμπίπτουν στην περιοχή του 70% της ακτίνας.

Επομένως:Σε έλικα με μεταβλητό γεωμετρικό βήμα, όλα τα σημεία θα προχωρούν μαζί (όσο και η πραγματική μετατόπιση της έλικας), όμως θα έχουν διαφορετική γωνία προσβολής, άρα άλλα από αυτά θα έχουν μεγαλύτερο και άλλα μικρότερο γλύστριμα, δηλαδή διαφορετικό πραγματικό βήμα.

Το Ονομαστικό Βήμα (nominal pitch)

Είναι απλά ένα μέγεθος με το οποίο ο κατασκευαστής βαφτίζει το βήμα της έλικας και βάσει του οποίου εσύ την αγοράζεις.

Αν δεις σε έλικα δύο νούμερα βήματος π.χ. 6-10, σημαίνει ότι η ρίζα έχει βήμα 6 και το ακροπτερύγιο 10. Δεν μπορούμε να γνωρίζουμε ποιό θα ήταν το ονομαστικό βήμα της αν την χαρακτηρίζαμε βάσει της προαναφερθείσας συνθήκης (στο 75-80%).

Αν δεις το νούμερο 8+1 ή 8+2 σημαίνει ότι το ονομαστικό βήμα (στο 75-80%) είναι 8 και στα ακροπτερύγια το βήμα είναι αντίστοιχα 1 ή 2 ίντσες μεγαλύτερο.

Το σχήμα

Είναι όλο το πτερύγιο αποδοτικό;

Η αεροτομή των πτερυγίων

Ο σκληρός δίσκος

Ο αριθμός των φύλλων

Η πλειονότητα των ελίκων των αερομοντέλων είναι δίφυλλες. Οι τρίφυλλες και οι τετράφυλλες επιλέγονται στα μοντέλα scale αν το πρωτότυπο είχε τέτοια έλικα, και στα λοιπά μοντέλα αν το σύστημα προσγείωσης είναι κοντό, ή για να περιορίσουμε την ταχύτητα των ακροπτερύγιων. Ειδικά σε μοντέλα ταχύτητας και μηχανοκίνητα ελεύθερης πτήσης συναντάμε και μονόφυλλες.

Θόρυβος

Π.χ. 11Χ11 = τετράγωνη, 11Χ12, 11Χ13, 11Χ14 = υπερτετράγωνες, 11Χ8, 11Χ9, 11Χ10 υποτετράγωνες.

Ταχύτητα ακροπτερύγιου

• Ελικα διαμέτρου 15 ιν = 8.500 σαλ
• Ελικα διαμέτρου 14 ιν = 9.000 σαλ
• Ελικα διαμέτρου 13 ιν = 9.500 σαλ
• Ελικα διαμέτρου 12 ιν = 10.000 σαλ

Το σχήμα των ακροπτερύγιων

Αριστερά: έλικα APC. Δεξιά: έλικα BOLLY.

Μονόφυλλες

Τις μονόφυλλες τις ζυγίζουμε στατικά προσθέτοντας αντίβαρο στο κομμένο άκρο, που κρύβεται μέσα στον κώνο. Δεν μπορούμε να κάνουμε τίποτε για την δυναμική ασσυμετρία που αν και είναι ένα αρνητικό στοιχείο στην απόδοση, κυρίως του κινητήρα, παραβλέπεται μπροστά στα άλλα πλεονεκτήματα.

Εστω ότι έχουμε μία μικρή δίφυλλη έλικα ταχύτητας 5,8 Χ 5,8 με χορδή 12 χιλ που γυρίζει πάνω από 25.000 σαλ. Αυτή θα έχει μικρό βαθμό απόδοσης, γιατί πρώτον έχει δύο περιοχές εκατέρωθεν του ομφαλού (25%) που δεν αποδίδουν τίποτε και δεύτερον έχει δύο ακροπτερύγια με μεγάλη αντίσταση και μειωμένη απόδοση.
Μεταφέροντας μόνο την αποδοτική επιφάνεια του ενός πτερύγιου στο άλλο, αυξάνοντας περισσότερο την χορδή και λιγότερο την διάμετρο, καταλήγουμε σε μία ισότιμη (ως φορτίο) μονόφυλλη 6,2 Χ 5,7 με χορδή 17 χιλ.

Σε περιοχές στροφών που λειτουργούν οι αγωνιστικοί κινητήρες, (25-30000) η μεγάλη διάμετρος δεν είναι πρακτική επειδή φορτίζεται με μεγάλες δυνάμεις, το αντίβαρο που χρειάζεται είναι μεγάλο και τα ακροπτερύγιά της πλησιάζουν το πρακτικό όριο των mach 0,7 (εξαιρούνται οι μονόφυλλες των λαστιχοκίνητων).

Τρίφυλλες και τετράφυλλες

Οι πολύφυλλες από νήματα άνθρακα ή υάλου, μπορούν να κατασκευαστούν πολύ λεπτές και στενές, και να πλησιάσουν την διάμετρο της αντίστοιχης δίφυλλης, ακόμα και να αποδόσουν καλύτερα από αυτή.

Δεν υπάρχει κάποιος τύπος που να αντικατοπτρίζει την σχέση δίφυλλων και πολύφυλλων. Για να πας από δίφυλλη σε τρίφυλλη, σίγουρα θα επιλέξεις το ίδιο βήμα, αλλά θα πρέπει να επιλέξεις μικρότερη διάμετρο. Το πόσο εξαρτάται από την μάρκα και το υλικό.
Εστω ότι έχουμε ένα ακροβατικό με μία 60άρα που έχει ικανοποιητική άνοδο με μία 12Χ6. Αν πρέπει να επιλέξουμε τρίφυλλη από εμπλουτισμένο ναϋλον που θα γυρίζει στις ίδιες στροφές, θα πάμε στην 10Χ6, που ουτε κατά διάνοια μπορεί να πλησιάσει την ανάγκη έλξης για άνοδο εξ αιτίας της μικρής της διαμέτρου.
Αντίθετα μία σωστά σχεδιασμένη και κατασκευασμένη τρίφυλλη από ίνες άνθρακα ή υάλου μπορεί να έχει διάμετρο έως και 90-95% της αρχικής δίφυλλης, δηλαδή 11,25 Χ 6.

Ελικες με διπλούμενα φύλλα (folding props)

Ελικες με μεταβαλλόμενο βήμα στην πτήση (variable pitch)

Ελικες με ανάποδο βήμα (pushers)

Διευκρίνηση: ανάποδη δεν είναι η έλικα που απλά την βιδώνουμε ανάποδα (μπρός - πίσω). Ανάποδη είναι η έλικα που έχει βήμα αντίθετης φοράς από ότι η κλασσική.

Δυστυχώς η προσφερόμενες στο εμπόριο ανάποδες έλικες δεν έχουν μεγάλη ποικιλία διαμέτρου/βήματος.

Τα ηλεκτρικά μοτέρ δεν χρειάζονται ανάποδη έλικα για να σπρώξουν. Αρκεί να αντιστρέψεις την πολικότητα της τροφοδοσίας τους και αυτά θα γυρίσουν αντίστροφα, οπότε δέχονται τις κλασσικές έλικες. Η μόνη περίπτωση να χρειαστεί ανάποδη έλικα στα ηλεκτροκίνητα είναι σε δικηνιτήρια, που επιθυμούμε η μία να έχει αντίστροφη περιφορά από την άλλη (counter rotation).

Στατικές έλικες (static props)

Τι είναι η γρήγορη έλικα;

• μικρότερο γεωμετρικό βήμα (κατά λάθος ή ξεπίτηδες για διαφημιστικούς λόγους)
• προοδευτική μείωση γεωμετρικών βημάτων προς τα ακροπτερύγια
• μικρότερη επιφάνεια φύλλων
• λεπτότερη αεροτομή
• πιό συμμετρική αεροτομή
• διαφορετική κατανομή επιφάνειας (λιγότερη στα ακροπτερύγια)
• ελλειπτικό ή φάλτσο ακροπτερύγιο

Επάνω: φάλτσο ακροπτερύγιο. Κάτω: τετράγωνο ακροπτερύγιο

Φτερωτές (impellers)

Τα ακροπτερύγια της φτερωτής εκτείνονται έως το εσωτερικό τοίχωμα του αγωγού, ίσα-ίσα να μην τον ακουμπούν. Ετσι μειώνονται οι στρόβιλοι στα ακροπτερύγια σαν να είχαμε δισδιάστατη ροή. Για να αυξηθεί η ικανότητα απορρόφησης της ενέργειας του κινητήρα ή μοτέρ που την γυρίζει η φτερωτή έχει: