Ještě (zase už?) o vrtulích

Jedním z nejrozšířenějších pohonů malých i středních létajících strojů, ne-li nejpoužívanějším, je jednotka sestávající z nějakého motoru, na jehož hřídeli je umístěna vrtule.

Na dalších dvou obrázcích jsou dvě napodobeniny dřívějších skutečných dvoulistých vrtulí zobrazeny.

Zůstaneme-li pro začátek u modelů letadel pak můžeme konstatovat, že je dostatek výrobců motorů a také vrtulí.

Vývoji motorů byla a je věnována rozsáhlá pozornost, zatímco u vrtulí je tomu trochu jinak.

Na trhu je nepřeberné množství motorů všelikých druhů, typů, výkonů, tvarů a hmotností. Jejich užitná hodnota neustále roste a s tím také přirozeně i jejich cena.

Vrtulí není na modelářském trhu také nedostatek. Orientace mezi nimi, nemluvě o přepočtech uváděných údajů z anglické soustavy na metrickou, však není pro každého jednoduchá. Může to být i tím, že průměr vrtule, jakožto technický pojem, je sice pro dost velkou část modelářské obce celkem srozumitelný, i když jeho účinky nejsou dostatečně chápány. A tak mnohý při jejím výběru znejistí, protože něco ho nabádá k jisté obezřetnosti, jejíž míru ale nedokáže posoudit. Stoupání vrtule je však již pro značnou část uživatelů pojmem dost tajemným, přestože o tom byly popsány stovky stran v časopisech i knihách a to i česky.

Vrtule jsou pokládány u leteckých modelářů za “spotřební zboží“ s ne příliš velikou životností. Tomu pravděpodobně odpovídá i přístup jak mnoha výrobců, tak i obchodníků a konečně i modelářů.

Vrtule je chápána nezřídka jen jako jakýsi doplněk modelu. Takže dochází k tomu, že je brána jen jako jeho doplňující součást, s vědomím, že motor „přežije“ vrtulí několik. Což bývá pravdou.

Postoj při výběru vrtule je proto také často podřízen její ceně. Proč ničit vrtule drahé, když to mohou zastat vrtule levné ? Toto stanovisko by mohlo být s jistou rezervou doporučováno zejména začátečníkům, kteří si teprve zvykají na to, že mají příležitost uvést do vzduchu stroj s možností pohybovat se všemi směry v trojrozměrném prostoru. A obvykle umějí i správně nasadit a upevnit vrtuli na hřídel motoru či reduktoru.

Navíc zde není totiž vždy přímá souvislost mezi kvalitou vrtule ( tím míním převedení příkonu odebíraného z motoru s dostatečnou účinností na tah, při používaných otáčkách ) a její cenou. Některé, poměrně levné vrtule, pokud jsou použité pro správné podmínky provozu, nelze řadit mezi vysloveně špatné. Na straně druhé, ne všechny dražší vrtule je možné označit jako výtečné.

Všechny vrtule, pokud jsou zhotoveny alespoň s minimální mírou profesního přístupu, vytvářejí při otáčení tah. Dokonce i když jsou nasazeny na hřídeli motoru opačně, což nelze, pokud je to míněno vážně, doporučovat jako příklad vědomého snížení výkonu pohonné jednotky pro úplné začátečníky. Stává s to nevědomky některým začátečníkům, kteří si nepřečtou pořádně návod.

Obecně lze říci, že je velmi vhodné zjistit si jaký tah vrtule vytváří. Není to zase tak úplně nejsložitější a dnes se již můžete dozvědět buď z měření tunelu ( což bylo již možné i dříve) nebo přímo z podmínek za letu modelu ( což je možností jednou z nejnovějších) jakým otáčkám, rychlosti letu a výkonu motoru lze přiřadit účinnost pohonné jednotky. Pokud se týče tahu a účinnosti vrtule dovoluji si znovu připomenout, že při statické zkoušce je tah největší a to tím větší, čím je stoupání vrtule menší. Účinnost vrtule je při tom nulová, protože nekoná žádnou práci přestože spotřebovává nějaký výkon motoru. To stále mnozí stoupenci letectví nechtějí pochopit.

Vrtule vytváří tah tím, že urychluje proud vzduchu procházející její rovinou rotace směrem dozadu. Takto vzniklá síla má největší hodnotu, když vrtule stojí na místě.

Na pohybujícím se letounu je využitelný tah téže pohonné jednotky podstatně menší. Ten tah, zjištěný při statické zkoušce motoru s vrtulí, který přes všechna dosavadní vysvětlování pokládají někteří výrobci motorů za veledůležitý, nemá pro posouzení jednotky valného významu. Napoví například pouze jakých asi otáček může motor s vrtulí různých průměrů dosáhnout.

Každý „provozovatel“ pohonné vrtulové jednotky by měl znát průběh otáček a tahu na rychlosti letu svého létajícího stroje v souladu s výkonovou charakteristikou motoru. Takovouto snahu je možné občas nalézt u výrobců elektromotorů. Je to dáno zřejmě tím, že zásoba energie u těchto motorů je mnohem omezenější ve srovnání s motory tepelnými.

Když by měly modely letadel přejmout měřítko hospodárnosti, tj. účinnosti přeměny spotřebovávané energie na let, jaké používají skutečná letadla, ubylo by jich nemálo. Většina motorových modelů je totiž motoricky předimenzována, což sice umožňuje ledaskomu při létání s nimi zvyšovat si hladinu adrenalinu v krvi, ale odporuje to základním přírodním procesům, při nichž je na jakoukoliv změnu stavu vynakládána jen nezbytně potřebná energie.

Pokusme se nyní projít některými skutečnostmi, kdy bychom rádi věděli, zdali již umíme posoudit jakou vrtuli přiřadit motoru, když jsme již před tím rozhodli o tom, že je to ten správný pro náš létající stroj.

Začněme s tím-

jak nalézt nesprávnou vrtuli ?

Je několik způsobů jak toho „dosáhnout“ a zřejmě jsou i další než jenom ty, které nyní uvedu :

1. Někde jsem slyšel, že k tomuto motoru by se měla používat vrtule s takovýmto průměrem a takovýmto stoupáním . Třeba se to dozvíte v prodejně. Tak ji sháním.
2. Jinde jsem se zase dozvěděl, že k tomu samému nebo velmi podobnému motoru by se měla používat jiná vrtule (následuje údaj o průměru a stoupání).
3. Protože vrtule nejsou příliš levné a já mám z dřívějška nebo od někoho jiného podobnou, odloženou vrtuli, tak se ji snažím použít.
4. Nesehnal jsem v dostupných prodejnách nebo u výrobců takovou, která by mi vyhovovala cenově i svými parametry. Tak použiji tu, kterou jsem nějak sehnal.
5. Věřím tomu, že výrobcem uváděné údaje o stoupání vrtule ( průměr se dá snadno přeměřit ) odpovídají skutečnostem. To je dost naivní víra, protože není málo výrobců vrtulí pro modely, kteří neudávají správné údaje o stoupáních. Někteří o tom ani nevědí, že jejich údaje jsou nesprávné.
6. Jsem si jist, že teorie je natolik vzdálena skutečnosti tak , že moje přání a některá z prve nějak nabytých „informací“ mi pomůže zajistit let modelu, protože „co má motor, musí letět“. To je sice pravda, ale jak?!

Nesprávnou vrtuli, pokud není úplně k ničemu například proto, že je značně poškozená, není snadné poznat, zejména používáme-li pouze jednu jedinou. To snad ani většina modelářů nedělá, protože mají naštěstí dost odvahy i peněz k odzkoušení alespoň jedné další. Někteří jich na jednom modelu odzkouší i více. A tak se postupně přibližují známou metodou „pokus-omyl“ k optimální situaci. Přesto mohou, po všech chvályhodných pokusech, ztrácet mnoho z výkonnosti motoru, kterou jim může správně zvolená vrtule zajistit.

Takto si ale nezřídka počínají i majitelé skutečných letounů do nichž usedají a pilotují je.

Je to stav v němž se nalézá hodně létajících strojů, protože pevná vrtule umožňuje dosáhnout optimální účinnosti dané pohonné jednotky jen v úzkém rozmezí rychlostí letu. A tak stačí sáhnout po vrtuli s jiným průměrem či stoupáním nebo tvarem listů a poměry za letu se změní. Pokud to není činnost systematická je to obvykle k horšímu.

Změna stoupání a průměru vrtule, když pro jednoduchost nyní přiřadíme průběhu zkroucení podél jejího poloměru menší důležitost, jsou neopomenutelnými příčinami ovlivňujícími její výkony, vlastnosti a účinnosti. Nelze také opomíjet plochu a tvar listů, stejně tak jako jejich počet.

Pokud nevíme jaké jsou výkonové parametry motoru – výkon, kroutící moment nebo vstupní napětí, v poměru k otáčkám, jsme na cestě použít nesprávnou vrtuli dost jistě. Zejména když si necháme zasvěceně poradit od stejně „zkušeného“ kolegy.

V tomto postavení se nachází více než 80% leteckých modelářů bez ohledu na množství modelů postavených nebo zakoupených. A také nemalý díl pilotů lehkých letadel, zejména těch co si postavili stroj „svépomocí“.

Jak tedy nalézt správnou, tu pokud možno pravou,

vrtuli???

Způsoby a činnosti uvedené v bodech předchozí kapitoly, může jich být více, zaznamenáme, vyslechneme a posoudíme a pak můžeme postupovat stejně(nesprávně) nebo využijeme například tento postup:

1. S nějakou, přibližně velmi geometricky podobnou vrtulí, prověříme otáčky pohonné jednotky, s cílem zjistit jejich maximální provozní hodnotu, jež by mohla být využívána během letu alespoň několik desítek sekund, bez poškození motoru. Tento údaj postačí k prvnímu hrubému odhadu hodnoty provozních otáček za letu. Ty jsou vždy o něco vyšší než otáčky zjištěné při prve zmíněné statické zkoušce na zemi.
2. K těmto otáčkám je třeba znát výkon motoru(reduktoru) na jehož hřídeli je upevněna vrtule.
3. Pak je velmi vhodné, přímo nutné, zvolit rychlost letu, jež bude pro daný létající stroj rozhodující. Obvykle je to maximální hodnota rychlosti letu.
   Obdobně postupujeme i skutečných letadel, kde mohou být uplatněna poněkud odlišná kriteria.
   Nezapomeňte ale, že je nutné nakonec dát do souladu využitelný výkon a rychlost letu. Využitelný výkon s rostoucí rychlostí letu klesá, s čímž s nemíní smířit hodně stoupenců letectví, a proto může být dosaženo jen takové maximální rychlosti vodorovného letu, kdy je odpor letounu roven dosažitelnému tahu.
4. Nyní nezbývá než rozhodnout o průměru vrtule, tvaru a velikosti jejich listů, jejich počtu a úhlech nastavení ve zvolených řezech podél jejich poloměrů.

Na dalším obr. je příklad dvoulisté vrtule modelu letadla pro malý model létající kolem pylonů.. Doporučuje se kontrolovat hodnotu výsledné rychlosti zejména na okrajích listů, zdali se příliš neblíží rychlosti zvuku. Zřejmě by měla obecně postačovat její hodnota menší než asi 200 m/s. Místní rychlosti proudění na profilech listů jsou totiž výrazně vyšší.

Není nesprávné, spíše naopak, zahrnout do prve uvedených zadání ještě následující okolnosti:

• vrtule nepostoupí ze jednu otáčku, ani za žádnou jinou, během letu do vzdálenosti určené úhly nastavení. Nebo jak je obvyklejší v „odborném jazyce“, do vzdálenosti určené jejím geometrickým stoupáním. Je to vždy o něco méně. Přibližně o cca ( 12 – 20 )%. O nějakou takovou hodnotu je doporučeno zvětšit vypočtené úhly nastavení.
• vrtule dosáhne, jak již napovězeno, vyšších otáček během letu ve srovnání s těmi, kterých bylo dosahováno, za obvykle velké radosti zkoušejícího, při statickém testu. Toto zvýšení může se pohybovat v rozmezí ( 8 – 15 )% . To je příznivá situace, jež může zčásti kompenzovat předchozí „sklouznutí“ při každé otáčce. Jak mnoho se otáčky za letu zvýší se dá odhadovat jen přibližně, pokud nemáme k dispozici věrohodný záznam z jeho průběhu.
• pokud se týče profilů listů vrtulí je velmi vhodné posoudit kriteriální poměry jejich obtékání, k nimž za letu dojde. Je účelné využít poznatků a informací z proudění kolem křídel modelů charakterizovaných Reynoldsovým číslem. Dovoluji si skromně připomenout, že tyto hodnoty pro všechny hloubky listů jakékoliv modelářské vrtule by neměly klesnout pod hodnotu asi 55 000. Určitá tolerance je z nouze přípustná blízko středů otáčení kvůli jejich praktické vyrobitelnosti a použitelnosti ( pevnosti ). Čím menší je Reynoldsovo číslo, tím horší očekávejte ztráty ve výkonu přebíraném z hřídele motoru. U vrtulí skutečných letadel se Re čísla pohybují v hodnotách nad cca 800 000( u velkých letadel to může být i několik milionů), což jsou již podmínky pro jejich obtékání dost dobré.

Z předchozího textu plyne, ač někteří by mohli mít dojem opačný, že zvolit nebo zhotovit správnou vrtuli pro daný létající stroj, ať již model či stroj skutečný, s motorem o němž toho víme co nejvíce, není zas tak složitý úkol. Určitě by k tomu mělo postačit jedno nebo dvě roční období. To v poměru k množství práce vynaložené a vydané finanční částky, není zase až tak příliš.

Pokud se týče materiálů, je možné v podstatě zhotovit vrtule z čehokoliv, co má dostatečnou pevnost pro daný účel. U modelů vyjma kovů.

U modelů to může to být bambusová štěpina potažená mikrofilmem ( F1D ), balza ( F1B ), další dřeva – buk, lípa, jasan, olše, topol, vrba apod. Dále jsou vhodné i plasty nebo kompozity, jejichž použití je mnohostranné.

Výroba vrtulí, podle současných znalostí trhu a potřeb, i když o nich buď nevědí nebo slyšet nechtějí, poskytuje ještě značný prostor pro tvořivou iniciativu, a konec konců, i obchod několika menším skupinám.

A pak je tady jiný návrh pro dvoulistou vrtuli velmi lehkého letadla, s motorem o výkonu cca 20KW s otáčkami 3 000 1/min, s nímž bychom chtěli dosahovat rychlosti kolem 125km/h.

Zvolme v prvním přiblížení průměr vrtule 1 150mm.

Použitím vhodného programu nebo i bez něj dospějeme k návrhu vrtule, která je na dalším obrázku.

Ještě jsem zapomněl doplnit, že pro jednodušší výrobu vrtule budou mít oba její listy profily s převážně rovnou spodní stranou a prohnutím do 3,5%. Tloušťka profilů se bude měnit podle průměru a očekávaných podmínek obtékání listů.

A nakonec je tu jedno neobvyklé francouzské řešení vrtulové jednotky s jednolistou vrtulí na upoutaném akrobatickém modelu se čtyřtaktním motorem.