Vrtule  je nástrojem pro převod točivého momentu hnacího ústrojí na sílu potřebnou k pohybu letadla v ovzduší země.

Výslednou aerodynamickou sílu vzniklou na rotující vrtuli můžeme rozložit do dvou složek. Do směru letu, tu pak nazýváme  tah.  A do roviny rotace,kde působí na určitém rameni a vytváří tak moment působící proti kroutícímu momentu motoru.

Kdysi dávno se o to pokoušeli pionýři letectví neúspěšně pomocí  parního stroje, později a dnes ze spalovacího nebo elektrického motoru nebo spalovací komory v kombinaci s turbinou nebo také pomocí  lidských svalů a možná ještě i jinak.

Tato síla – tah, může zajistit dopředný pohyb ať již vodorovný, sestupný , svislý nebo stoupavý ( u vrtulníku jsou tyto vrtule nazývány rotory ) letounům lehčím   ( vzducholodě ) i těžším než vzduch ( letadla s pevnými nebo pohyblivými křídly ). V těchto případech je třeba potřebný výkon dodat.

A také je tu lodní šroub ( Ressl ) pro pohon lodí, kola turbin a rotačních kompresorů a  dmychadel. Těm se musí výkon pro provoz také dodat.

Vrtulí (rotorů) může být, ale rovněž využito například k získávání energie z proudících tekutin – v případě vzduchu jsou to větrné elektrárny, mlýny, vodní čerpadla apod. a v případě vody jsou to vodní turbiny ( Kaplanova ). A v těchto případech je možné nějaký výkon získat, když se podaří využít točivého momentu, který zde vzniká, k pohonu jiného rotačního stroje.

Zůstaňme však u vrtule, neboť my jsme ochotni nějaký výkon dodávat a pomocí vzdušného šroubu zvaného vrtule ho přeměnit na sílu, která nám dovolí letadlem v atmosféře Země, pohybovat.

Vrtule jakožto součást pohonných jednotek letadel je známá hodně dlouho. Určitě více než 150 let. Po překonání všelikých nezdarů v 19. století byly potřebné informace pro návrh a výrobu vrtulí zpřesňovány a rozšiřovány. V prvních desetiletích 20. století byly například vrtule většinou vyráběny ze dřeva. Dva z mnoha příkladů jsou v následujících obrázcích. Později, až do dneška, k tomu přibyly vrtule kovové nebo kompozitové.

 

Jak asi pracuje vrtule ?

Posuzujeme-li předmět (vrtuli )vykonávající pouze otáčivý pohyb kolem své osy, který má například tvar kvádru nebo válce nebo disku apod., dochází v jeho bezprostředním okolí  pouze ke změnám tlaku, které jsou charakteristické pro obtékání rotujícího tělesa stojícího na místě. Jediná síla, která tu vzniká, je nám dobře známý, ale nevítaný, zato všudypřítomný, odpor.  Jiná síla mimo rozvířený vzduch a hluk tu není. Vzniklý odpor je překonáván kroutícím momentem motoru pohonné jednotky, pokud dodáme potřebný výkon a vhodně dimenzovaný motor. Otáčky rotujícího tělesa rostou do té doby, dokdy moment vytvořený odporem tohoto tělesa není větší než kroutící moment motoru.

Jestliže však stvoříme těleso, jehož tvary  v jednotlivých  řezech mohou vytvářet vedle odporu ještě i vztlak, máme k dispozici nástroj zvaný vrtule.

Její jednotlivé řezy mají v určité vzdálenosti od osy otáčení tvary velmi podobné profilům křídel. Pokud k nim nabíhá proud vzduchu pod správným úhlem náběhu vzniká nejen odpor, ale i vztlak. Jeho jedna složka ve směru požadovaného pohybu, jak jsme již dříve poznamenali, je tah.

Profily se podél listů vrtule plynule mění. Blízko středu mají, především z pevnostních důvodů, dost značné tloušťky a značné úhly nastavení. Ve středu otáčení by měl mít její profil úhel nastavení rovný 90 stupňům.

Tloušťky profilů se směrem k  okrajům ( koncům ) vrtule zmenšují, obdobně jako úhly nastavení, protože zde velmi rychle narůstají výsledné rychlosti obtékání a poměry již nelze pokládat za jednoduché. Tyto tenčí profily mají totiž příznivější vlastnosti při rychlostech nad cca 450 km/h, které se velmi často u vrtulí vyskytují, včetně již i vrtulí modelářských.

 

Nepleťte si však tyto rychlosti obtékání vrtule s rychlostmi letu.  Rychlost letu zde vytváří pouze jednu složku výsledné rychlosti.  Jsou tu ještě další a to  zvýšené rychlosti při proudění kolem profilů listů vrtule, zejména na jejich horních stranách. Snadno mohou nastat místní poměry proudění blízké rychlosti zvuku, což se neobejde bez neočekávaných následků, o razantním zvýšení hluku nemluvě.

Proto je vhodné uplatnit jako jedno z prvních kriterií při výběru vrtule, pokud nejsou vůbec žádná jiná doporučení k dispozici, výpočet výsledné rychlosti konců listů a vynásobit jej 1,3 až 1,6, což by mohly být jejich místní rychlosti proudění na horních stranách profilů listů. Tyto hodnoty  by měly být bezpečně vzdáleny od rychlosti zvuku.

Protože je energeticky všeobecně výhodnější udělovat menší zrychlení větší hmotě vzduchu (což vrtule činí) než opačně, je celkem pochopitelné, že informace o výhodnosti vrtulí větších průměrů ve srovnání s vrtulemi průměrů menších, nemůže být překvapivá. Velikost průměru má však významný vliv na zatížení motoru.

Proto jsou  používány reduktory, které jsou vřazené mezi motor a vrtuli ke snížení jejich otáček. Volba velikosti průměru  vrtule nemůže být však libovolná, protože ji pohání motor, jehož maximální kroutící moment je vždy omezen nějakou konečnou hodnotou.

Jsou dvě důležité geometrické charakteristiky vrtule:

Je to stoupání vrtule a její průměr, které ovlivňují účinnost pohonné jednotky  a tím i její využitelný výkon, zásadně.

Malé stoupání, neodpovídající rychlostním poměrům za letu, je často příčinou nezdůvodněného zvyšování otáček. To má za následek například přehřívání motoru, ač očekávaného zvýšení výkonu pohonné jednotky není  vždy dosaženo. S tím nebudou dozajista souhlasit milovníci „jekotu“ vrtulí, kteří jsou radostí bez sebe, jestliže otáčky stoupají a vrtule kvílí čím dál víc, až je náhle konec, protože něco nebo někdo to nevydržel.

 

Velké stoupání vrtule, vztaženo k toužebně očekávaných podmínkám letu znehodnocuje účinnost soustavy rovněž. Otáčky obvykle klesnou, když před tím bylo možno zcela jasně zaznamenat změnu „tónů“ i intenzitu hluku. Klesne výrazně i tah, protože profily listů vrtulí jsou obtékány při nepříznivých – příliš velkých, úhlech náběhu.

Pokud by někdo nevěřil jak hlučná dokáže být vrtule, ať zkusí jich několik „proběhnout“ na nejvyšší možné otáčky na elektromotoru. Zjistíte, že vrtule mnohdy vydává větší hluk než spalovací motor. Správná vrtule jen „ševelí“ a její zvuk zaslechnete jen v nevelké  vzdálenosti od  modelu nebo i letadla.

Velký průměr vrtule sice přispívá ke zvýšení  účinnosti vrtule, ale zatěžuje motor zbytečně  velkým a škodlivým momentem.  Otáčky vrtule nedosáhnou pak těch, které odpovídají maximálnímu výkonu motoru (pokud není zařazen reduktor). Tah vrtule je pak mnohdy menší, než by mohl být s vrtulí menšího průměru. Životnost motoru také klesá zbytečně rychle.

Příliš malý průměr vrtule má účinky opačné. Otáčky stoupnou ( pokud není použito zároveň nesmyslného stoupání), ale tah se zvýší málokdy. Profily listů vrtule nejsou zase obtékány pod nejpříznivějšímim úhly náběhu.

Při návrhu(výběru) vhodné vrtule je třeba současně posuzovat přenášený výkon, rychlost letu a její otáčky. Určitý vliv zde má i počet listů, jejich tvar i použité profily. Z toho je pak možné určit pro několik průměrů účinnosti vrtule a ještě využitelné tahy v daných podmínkách letu a aerodynamických charakteristikách letadla.

 

Jedna z dalších charakteristik popisující vrtule se týká možnosti natáčení  listů kolem jejich podélných os( ve směru poloměrů). Mluvíme pak o vrtulích pevných nebo stavitelných.

Pevná vrtule je ta, jejíž listy zaujímají stálou polohu v rovině rotace. Ta pracuje optimálně jen v úzkém rozsahu úhlů nastavení. Tomu odpovídá samozřejmě také jen úzký rozsah výhodně použitelných rychlostí letu a otáček soustavy. Pokud se bude měnit skutečný úhel nastavení listů vůči směru letu o více než cca 2 stupně, pak bude účinnost viditelně klesat. Vrtule začne například brzdit let.

Toho lze s výhodou využít, abychom upozornili alespoň na nějakou výhodu vrtulových pohonů  související s jejich nedokonalostí, zejména při náhlém snížení otáček, ke zpomalení rychlosti letu. Když proud vzduchu nabíhá nyní k vrtulovým listům pod menším nebo dokonce záporným úhlem nastavení se tah nejen  zmenšuje, ale postupně se přetváří v zápornou hodnotu a letící stroj brzdí. Je třeba při tom počítat s tím, že výkony modelu ( letadla ) se rázem zhorší – klesne klouzavost a stoupne klesavost. Je třeba počítat se změnami seřízení letadla na nosné ploše i plochách ocasních. Pokud však někdo nacvičí takovýto manévr dobře, dokáže přistávat na mnohem menší ploše než ti ostatní.

Stavitelné vrtule jsou konstruovány tak, že se jejich úhel nastavení může měnit . A to buď na Zemi před letem, když očekáváme změnu letových poměrů nebo automaticky v závislosti na otáčkách a rychlostech letu. Změna úhlu nastavení na Zemi s sebou přináší určité výhody v jednoduchosti,  když však správně odhadneme změny  za letu, které letoun očekávají během jeho pohybu ve vzduchu. Přesto je to však pouze poněkud jiná vrtule než ta původní pevná a má proto zase jenom omezené možnosti k optimálnímu  využití energie přebírané z hřídele motoru.

Automaticky stavitelná vrtule reaguje změnou stoupání na změny rychlostí rotace a letu tak, že její účinnost  se snaží být za daných podmínek optimální. Proud vzduchu nabíhající k vrtulovým listům vytváří společně s jejich úhly nastavení podmínky pro dosažení co možná nejlepších poměrů vztlaku a odporu. Tyto vrtule jsou označovány jako „constant speed propellers“.

Otáčky motoru jsou při tom ovládány pilotem podle potřeby odpovídající danému letovému režimu – stoupání, klesání, vodorovný let atd. Tyto vrtule, pokud správně a spolehlivě pracují, vytvářejí podmínky pro nejúčinnější přenos energie z motoru na pohyb letounu. Není jednoduché je sestrojit a zajistit jejich spolehlivý provoz. Jsou však jednou z cest kudy se bude ubírat, a někde již tomu tak zčásti je, budoucí využívání vrtulových pohonů.

Jak dlouho to bude trvat,  než se to bude týkat v širší míře i leteckého modelářství, je dnes obtížné říci. Připomenu například pouze velmi krátkou a úspěšnou historii vývoje reduktorů modelářských motorů, o nichž nebylo před nějakými 25 lety téměř potuchy.

Jak to asi může být s profily listů vrtulí nebo rotorů vrtulníků či vírníků? V zásadě je možné použít širokou paletu profilů k těmto účelům. Ale jen některé z nich jsou ty vhodné až nejlepší.

Nezapomeňte také, že velmi důležitým údajem pro návrh nebo volbu vrtule je velikost Reynoldsova čísla na daném poloměru listu. U valné části vrtulí, na příklad pro modelářské účely, jsou jeho hodnoty nedostatečné a výsledné výkony vrtule – vztlak a odpor, neradostné. Určitou náplastí by snad mohl být poznatek, že v rovině otáčení vrtule, kde se všechny její listy pohybují, vznikají  víry, které vytvářejí turbulentní prostředí, jež zčásti napravuje nevýhody malých Reynoldsových čísel. Příliš se na to ale nespoléhejte.

Reynoldsovo číslo, přiblížíme to velmi stručně, jakoby o tom ještě čtenář těchto stránek neslyšel, je údaj, který nás uvádí do poměrů proudění kolem těles – profilů, křídel, trupů, vrtulí, rotorů, motorových gondol, podvozků atd. A napovídá co asi můžeme očekávat pokud se týče vztlaku, odporu a momentů.

Protože zázraky, pokud se dějí, tak  mimo naši vůli a vliv, nelze očekávat převratně příznivé výsledky při malých hodnotách Reynoldsova čísla, právě naopak. To je bohužel skutečnost pro mnohé modely typická. Proudění je málo vyvinuté, vztlak ne příliš velký, zato odpor značný. Mimoto se za určitých podmínek, jichž se u modelů vyskytuje nemálo, mění jejich hodnoty skokem . Potíže pak nastávají nemalé. V případě vrtulí, podobně jako u křídel či ocasních ploch, pak používáme obvykle pro nízká Reynoldsova čísla profily tenčí a opačně.

Zatím jsme mluvili pouze o vrtulích působících ve volném prostoru, bez vlivu okolních těles. Ale jak to asi je, velmi stručně, když je vrtule nasazena na trupu?

Tvary a velikosti trupů hned za vrtulí by neměly dávat podnět k dalším deformacím proudům vzduchu urychlovaných vrtulí. Je třeba je tvarovat tak( ty trupy), aby bezdůvodně nebrzdily urychlený proud vzduchu, jehož rychlost je vyšší než rychlost letu.  Například velké plochy trupů, blízko za vrtulemi, kolmé ke směru letu, třeba u některých maket, významně snižují účinnost pohonné jednotky a maří dodávanou energii. Nezřídka i více než o 12%.

Co provází vrtule ještě?

Vzpomeňte na  již více než 3,5 století starý 3.Newtonův zákon, který  upozorňuje na to, že každá akce vzbuzuje stejně velikou opačně působící reakci. Což platí nejen o silách, ale i o momentech.

A tak se dostáváme k existenci reakčního momentu točící se vrtule.

Působí  to tak, že pravotočivá vrtule má snahu naklápět model doleva a tím se ho snaží přimět k zatáčení na tutéž stranu. Levotočivá vrtule zase naopak. Protože jen ve výjimečných případech s tím můžeme souhlasit, musíme se s tím nějak vypořádat. Jednoduše proto natočíme osu rotace  ve vodorovné rovině u pravotočivé vrtule doprava. A sice  o tolik , aby  tah vrtule na vzniklém rameni vůči těžišti vytvořil stejně veliký moment opačného smyslu k prve uvedenému momentu reakčnímu. Tah pohonné jednotky je při pohledu shora nyní směrován vlevo od těžiště modelu. Letoun ( i jeho model) pak letí rovně v celkem přijatelném rozsahu otáček vrtule, jestliže byl úhel vyosení hřídele motoru právě vhodný. To je třeba odzkoušet. Obvykle postačí hodnoty do 3°.

Pokud se týče momentů, jež vyvozuje tah pohonné jednotky , upozorním ještě na ten, který může velmi ovlivnit lety ve svislé rovině. Jestliže působí tah hluboko pod těžištěm modelu, má ten snahu stoupat více než je pro něj zdrávo.  To může být i velmi nebezpečné. Tyto případy nastávají zejména u hornoplošníků. Tento nežádoucí jev je možné eliminovat potlačením osy vrtule dolů a tím zmenšit rameno na němž tah vůči těžišti působí. U dolnoplošníků může nastat opačná situace. Zde je však třeba natočení osy vrtule ve vertikální rovině volit opatrněji, protože výšková poloha těžišť těchto modelů se obvykle příliš neliší od obdobné polohy tahu vrtule.

Podobně je to u vyklápěných vrtulových pohonných jednotek nad trup. U nich působí tah vysoko nad těžištěm stroje. Při prudkém zvýšení otáček dochází k nerovnováze mezi vzniklým klopivým momentem od tahu a klopivým momentem od vztlaku, protože k potřebnému nárustu rychlosti ještě nedošlo. Pomalu zrychlující stroj se naklopí směrem k Zemi a teprve za několik okamžiků se začne rovnat. V malých výškách to může být velmi nebezpečné.

A  je tu ještě jeden moment vytvářený rotující vrtulí a tím je gyroskopický moment. Velmi stručně a zjednodušeně napovím, že každé rotující těleso, tedy i všechny otáčející se vrtule a rotory, jsou také setrvačníky, jejichž účinek je tím větší, čím jsou jejich hmotnosti a otáčky větší. Gyroskopický moment vytváří překážku při zatáčení létajících strojů.

Potíže s tím dříve měly zejména letouny využívající rotační motory, které společně s vrtulemi tvořily mohutné setrvačníky. Jak poznáte snadno gyroskopický moment , chcete-li ?

Trup modelu s elektromotorem a   vrtulí, který budete držet pevně v ruce, zapněte na zdroj proudu. V prvním okamžiku ucítíte prudší cuknutí působící proti směru roztáčející se vrtule – to je dříve zmíněný reakční moment. Pak, když  začněte pohybovat pohonnou jednotkou ve vodorovné rovině  zřetelně ucítíte, že u pravotočivé vrtule bude při pohybu zprava doleva kladen tomuto pohybu nezanedbatelný odpor. To je účinek gyroskopického momentu, který může v některých případech působit potíže i mnoha létajícím strojům.

A jak asi působí gyroskopický moment rotující vrtule(a případně jiných rotujících částí  na letounu) na letové vlastnosti ukazuje obrázek následující.

Teď ještě několik jiných poznámek.

1. Přední části listů jsou vystavovány prudkým nárazům nečistot, dešťových kapek, sněhu nebo hmyzu, s nimiž se vrtule na své pouti vzduchem potká. Tyto částice mají velký dynamický účinek a vrtule ničí. Podívejte se na některé vrtule skutečných letadel, jež jsou vybaveny na náběžných částech kováním nebo jinak ochráněny, třeba odolnými plasty. Je to nutné, neboť tomu, aby „mnohokrát nic neumořilo osla“, je třeba co nejvíce zabránit.

2. Zásadně se nedoporučuje neodborně upravovat vrtule od spolehlivých výrobců například zkracováním jejich průměrů, změnou tvaru profilů a listů, nebo nějak jinak. Téměř vždy se dostanete k horším výkonům.

Pokud však zjistíte, že :

– odtokové hrany mají například u modelářských vrtulí tloušťky větší než asi 0,6 mm

– náběžné hrany vrtulí jsou tvořeny plochou kolmou ke směru letu

– je vrtule staticky nevyvážená

– má hrubý povrch a značné změny tvaru profilů nebo atd.,

pak, když jste již udělali tu chybu a takovou vrtuli koupili, napravte co se dá. A příště si již dejte pozor.

3. Nikdy se nedoporučuje používat poškozené nebo neodborně opravené vrtule. Nebezpečí poranění je opravdu veliké. Nejjistější je poškozené vrtule nikdy neopravovat a raději je odložit, i když jste s nimi dosáhli jen prvního pokusu o let.

4. Nestůjte také, pokud nemusíte, raději však nikdy, v malé vzdálenosti od točící vrtule v rovině jejího otáčení a nebo mírně před ní ( tou rovinou otáčení ). To je prostor kam vždy odlétají její části, když je její pevnost porušena.

5. Pokud dostatečně a jistě neupevníte vrtuli na hřídel motoru nebo reduktoru, může dojít během její činnosti k uvolnění . Vrtule se pak pohybuje po  šroubovicovité dráze kupředu a ničí všechno, co jí přijde do cesty. Tím více, čím je těžší a otáčky jsou vyšší. Sám jsem to zažil.   Vrtule byla čtyřlistá, o hmotnosti cca 2,5 kg a průměru 600 mm. Několik tabulí překližky u stěny vzdálené 4,5 m vzalo za své.

6. Naproti tomu se nezřídka doporučuje překontrolovat údaje o geometrickém stoupání uvedeném jeho výrobcem na vrtuli a to asi v 70 až75 %  poloměru všech jejich listů. Je však třeba vědět co kontrolujete a s jakou přesností jste schopni určit například rovinu otáčení vrtule a tětivy profilů jejich listů v tomto místě. Bez použití goniometrických funkcí se asi neobejdete, takže sinus , cosinus a tangens doporučuji zopakovat.

A ještě  je tu jakási skica toho, jak asi probíhá vrtulový proud kolem trupu dozadu a doráží na ocasní plochy. V místě nosné plochy je deformován nosným vírem křídla.

Měl jsem se ještě asi zmínit o tom, že existují vrtule se stálým nebo proměnným stoupáním podél svých listů nebo o vrtulích sklopných. Nebo o statických a dynamických způsobech vyvažování vrtulí. Pak i tom, že je chybné neztotožnit osu hnacího hřídele s osou vrtule nebo o tom, že vrtule je špatně upevněná na hnacím hřídeli, jestliže její okraje neopisují totožné kružnice, o jiných příčinách vibrací a pod.

Bylo by toho jistě více, ale snad bude lépe přestat v „nejlepším“.

Tak tedy nakonec několik ilustračních obrázků.

Následující dva jsou z loňské výstavy AERO ve Friedrichshafenu a ukazují jaké se mohou například vyrábět vrtule pro sportovní letouny.

 

 Další fotografie demonstruje na „houfu“ modelářských vrtulí jejich pohyb během jedné otáčky.

A pak je tu detailní ukázka vrtule skutečného akrobatického letounu z kategorie „unlimited“, včetně okrajového profilu listu.

A na posledních dvou obrázcích pohleďte na příklady tvarů kořenového a koncového profilu rotoru větrné elektrárny.

 

Vrtule jsou tu proto, aby poháněly létající stroje a ne proto, aby jenom rozháněly vzduch na všechny strany za nemalého hluku. Jak se to ještě mnohým stoupencům letectví „daří“.

23. 2. 2012 © Jaroslav Lněnička