Śmigło przestawialne jest to śmigło o regulowanym kącie nastawienia łopat. Wraz z kątem nastawienia łopat zmieniamy także skok śmigła a konkretnie jego skok geometryczny – co to takiego – o tym później.
Na razie zajmiemy się ogólnie zagadnieniem skoku śmigła. W języku eksploatacji samolotu bardzo często spotykamy się z określeniem „zaciążyć śmigło” albo „dać duży skok”. Najprościej mówiąc chodzi tutaj o przestawienie łopat śmigła o taki kąt aby odpychało powietrze wytwarzając większy ciąg niż uprzednio. Określenie „dać mały skok” czy też „odciążyć śmigło” oznacza analogicznie zmniejszenie kąta nastawienia łopat wskutek czego wytwarzany będzie mniejszy ciąg.
Te określenia u niektórych ludzi prowadzą do błędnego rozumowania definicji skoku śmigła. Otóż wielu z nich myśli że jest on równy kątowi nastawienia łopat, a tak wcale nie jest. Udowodnię to na prostym przykładzie. Wyobraźmy sobie samolot który robi próbę silnika czyli stoi w miejscu i miele śmigłem. W takim stanie choćby kąt nastawienia jego łopat był maksymalny to i tak skok śmigła będzie równy… zero! A dlaczego? Dlatego, że samolot stoi, a nie porusza się… Czym zatem jest skok śmigła? Definicja, którą podam na pierwszy rzut oka może wzbudzić zdziwienie, jednak gdy przyjrzymy się jej dokładnie i połączymy wszystko to co napisałem stwierdzimy, że jest ona logiczna. Otóż skok śmigła to droga jaką przebędzie samolot podczas jednego okresu obrotu śmigła. I to wyjaśnia dlaczego skok śmigła samolotu stojącego np. robiącego próbę silnika zawsze wynosi zero niezależnie od kąta nastawienia łopat.
Teraz wytłumaczę co to jest skok rzeczywisty no i jak wcześniej obiecywałem skok geometryczny, bo właśnie na te dwa rodzaje dzielimy skok śmigła. Zacznę od tego pierwszego. Skok rzeczywisty jest to skok który jest uzależniony od parametru zwanego posuwem śmigła. Posuw śmigła jest to
stosunek prędkości postępowej (prędkości lotu) do prędkości obwodowej śmigła (2pi*R*n). Czyli wynika z tego że posuw jest miarą skoku rzeczywistego. Bo jeśli posuw jest duży to oznacza to że samolot leci szybko, a więc pokonuje dużą drogę w krótkim czasie pomimo że śmigło obraca się stosunkowo powoli. Czyli w ciągu jednego
okresu obrotu śmigła droga przebyta przez samolot jest duża czyli duży jest… no właśnie, skok rzeczywisty! Jeszcze jedno co chciałbym dodać, skok ten nawet w samolotach pozbawionych śmigła przestawialnego nie jest wielkością stałą tylko zmiennym parametrem lotu. Stałym parametrem śmigła nieprzestawialnego jest skok geometryczny. Zaś przy przestawialnym śmigle jest on stałym parametrem dla danego kąta nastawienia łopat. Czyli zmieniając kąt nastawienia łopat zmieniamy skok geometryczny. Aby zrozumieć jego definicje muszę jeszcze wspomnieć o definicji kąta natarcia śmigła oraz o tym jak on się zmienia wraz z prędkością.
Otóż kąt natarcia śmigła jest to kąt zawarty pomiędzy wypadkową siłą aerodynamiczną będącą sumą wektorów prędkości postępowej i obwodowej, a cięciwą łopaty. Z tego widzimy, że wraz ze zwiększaniem się prędkości postępowej zmniejsza się kąt natarcia łopaty aż wreszcie pokryje się z jej cięciwą tworząc zerowy kąt natarcia,
przy którym śmigło nie wytwarza ciągu (ciąg zerowy). Skok śmigła przy zerowym kącie natarcia łopaty to jest właśnie skok geometryczny przez wykładowców zwany często żartobliwie skokiem w zmarzniętym maśle właśnie ze względu na to że śmigło nie odpycha powietrza.
Jeśli po osiągnięciu zerowego kąta natarcia prędkość postępowa zwiększać się będzie jeszcze bardziej to wówczas śmigło będzie pracować na ujemnych kątach natarcia, a kierunek siły ciągu zostanie odwrócony czyli śmigło jak wcześniej wytwarzało ciąg tak teraz będzie działać hamująco na samolot (ciąg ujemny).
Różnica pomiędzy skokiem geometrycznym a rzeczywistym jest to tzw. poślizg śmigła i on jest miarą kąta natarcia, dlatego że jeśli skok rzeczywisty równy jest geometrycznemu to wówczas i kąt natarcia i poślizg będą równe zero, a im większa różnica pomiędzy jednym a drugim skokiem (poślizg) tym kąt natarcia będzie większy.
Zajmiemy się jeszcze jednym parametrem, jakim jest sprawność smigla. Sprawność smigla jest to stosunek mocy przekazywanej przez śmigło samolotowi w postaci ciągu do mocy przekazywanej z silnika na śmigło potrzebnej na pokonanie momentu oporowego. Współczynnik sprawności smigla wyraża się wzorem
eta=T/Pm*v/u, gdzie T/Pm jako stosunek sily ciągu do siły obwodowej pełni funkcję doskonałości aerodynamicznej dla smigla. Jak dla platowca doskonałość aerodynamiczna cz/cx wskazuje nam ile razy siła nośna jest większa od oporu, tak dla smigla jest wskazuje nam ile razy wytwarzany ciąg jest większy od siły obwodowej śmigła, którą silnik musi pokonać. Drugi parametr od którego zależy współczynnik sprawnosci to znany nam już z wcześniej części artykułu v/u czyli posuw smigla. Tak więc wspolczynnik sprawnosci smigla rowny jest iloczynowi doskonałości aerodynamicznej i posuwu. Współczynnik ten jest równy zero wówczas gdy doskonałość jest równa zero lub posuw a oznacza a dzieje się to
w dwóch skrajnych przypadkach: podczas próby silnika, gdy samolot stoi i miele śmigłem (prędkość równa zero to i posuw równy zero) lub podczas nurkowania z dużą prędkością (ciąg równy zero a więc i doskonałość aerodynamiczna śmigła równa zero).
Wykres zależności współczynnika sprawności od prędkości postępowej ma kształt paraboli i wynika z niego że największą wartość przyjmuje współczynnik przy pośredniej prędkości. Zaciążanie śmigła czyli zmiana skoku geometrycznego na większy przesuwa charakterystyke w prawo
tj. w kierunku większych prędkości. Wynika z tego że śmigło przestawialne na małym skoku pracuje najsprawniej przy małych prędkościach, na dużym skoku analogicznie – przy dużych prędkościach. Ma to oczywiście zastosowanie w pilotażu, bo np. podczas startu czy lądowania kiedy prędkość nie jest duża, a jednocześnie musimy mieć możliwość swowodnej manipulacji przyspieszeniem dajemy mały skok. Analogicznie przy zwiększeniu prędkości do przelotowej śmigło zaciążamy.
Smiglo przestawialne jest smiglem staloobrotowym tzn. utrzymuje zadana przez pilota prędkość obrotowa za pośrednictwem specjalnego regulatora prędkości obrotowej. Dzieje się to w ten sposób że podczas spadku lub wzrostu obrotów regulator odciaza lub zaciaza smiglo po to aby obroty powróciły do poprzednich. Wyobraźmy sobie samolot, który lecąc wpada w duszenie. Pilot w celu uniknięcia utraty wysokości ciągnie za ster wysokości. Wzrasta wówczas opór i maleje prędkość lotu. Z powodu mniejszej prędkości wzrasta kąt natarcia na lopatach do ponadkrytycznego co wytwarza dodatkowe opory na lopatach i w konsekwencji prędkość obrotowa też spada. Regulator to zauważa dlatego że zmaleje siła odsrodkowa umieszczonych na smigle przeciwciezarkow które odchyla się ku sobie. Sprężyna ktora przy ustalonych obrotach rownowazy siłę odsrodkowa ciężarków w tym przypadku będzie rozciągnieta, co spowoduje ruch połączonego z nią tloczka w dół i dopływ oleju do cylindra smigla zmniejszając jego skok. Efektem tego będzie wzrost obrotów, które wcześniej spadły. Podczas wzrostu obrotów przeciwciezarki analogicznie rozchyla się pod wpływem wzrostu siły odsrodkowej, ktora scisnie sprezyne powodując uniesienie tloczka, dzięki czemu olej z cylindra smigla ulegnie odplywowi, skok smigla zostanie zwiększony, a obroty spadną do ustalonych.
Utrzymywanie przez regulator stałych, zadanych przez pilota obrotów odbywa się tylko w pewnym zakresie mocy i prędkości obrotowej np. 2100-2400 obr/min. Bo jeśli np. zmniejszymy gaz maksymalnie to oczywistym jest ze obroty spadną do obrotów biegu jałowego. Jeśli już wspomniałem o gazie to pora teraz omówić jego znaczenie przy smigle przestawialnym. Czym on tak naprawdę jest? Co my właściwie zmieniamy manipulujac nim oprócz położenia przepustnicy? Wiemy z fizyki że moc jest to iloczyn siły i prędkości. W przypadku silnika siła to moment, zaś prędkość to prędkość obrotowa. Jak już wspominałem prędkość obrotowa smigla staloobrotowego jest w pewnym zakresie mocy wielkością stałą. Jeśli chcemy zmienić obroty to robimy to manetka skoku smigla, zaś niewielkie ruchy przepustnica nie zmienia prędkości obrotowej oczywiście w pewnym jej zakresie. Czyli obrotów w takiej sytuacji nie zmieniamy, a mimo to zmienia nam się moc to znaczy ze zmieni nam się ten pierwszy parametr jakim jest moment siły, który jest proporcjonalny do tempa spalania mieszanki. A to z kolei jest proporcjonalne do jej podciśnienia w kolektorze ssacym silnika w przypadku silników bez sprężarki. W przypadku silników ze sprężarka parametr ten zwany jest cisnieniem ładowania. W obu przypadkach wymagają one obecności dodatkowego zegara na pulpicie, który w połączeniu z obrotomierzem daje pilotowi pośrednio informacje czy smiglo pracuje ekonomicznie. Ale po czym to poznać nasuwa się pytanie. Otoz kombinacje ciśnienia ładowania i prędkości obrotowej znajdują się w specjalnych tabelach zawartych w instrukcji każdego samolotu wyposażonego w smiglo przestawialne i niestety ale wymagają pamięciowej znajomości przynajmniej pierwszych z wartości.
Jest jednak pocieszenie dla pilotów latających maszynami z silnikami Lycoming i Continental ze smiglem staloobrotowym. Otóż tak się ładnie składa że silniki te mają dość zbliżone wartości liczbowe ciśnienia ładowania wyrażonego w calach słupa rtęci i dziesiątek obrotów na minutę. Np. 2200 obr/min odpowiada cisnieniu 22”.
Tak więc z powodu takiego a nie innego postępowania, dzięki któremu śmigło wytwarza ciąg a nie bezsensownie miesza powietrze uzyskujemy efekt w postaci oszczędności paliwa.
Opracował Karol Niećko