lukeaksesi lehdessä julkaistut artikkelit
Kirjaudu jäsentunnuksilla

Potkurin valinta on tasapainoilua ominaisuuksien välillä

maanantai 12.04.2021
TEKSTI JARI LYYTINEN
KUVAT JARI LYYTINEN
Tämän nelilapaisen kiintopotkurin ominaisuudet painottuvat lentoonlähtösuorituskykyyn.

 

Lentokoneen potkurin tulee antaa mahdollisimman hyvä hyötysuhde suunnittelupisteessä, eli yleensä matkalennossa, mutta myös riittävän hyvä suorituskyky muissakin lentotiloissa. Potkuri tarvitsee riittävän maavaran rullatessa, sen tulee tuottaa mahdollisimman vähän melua, potkuri ei saa sakata lentoonlähdössä koneen seisoessa lentoonlähtötehoilla paikallaan eikä nostovoimakerroin saa olla liian pieni ja aiheuttaa matkalennolla turhaa kitkavastusta. Moottori-potkuriyhdistelmä ei saa värähdellä haitallisesti millään normaalisti käytettävällä kierrosluvulla, ettei moottori ja potkuri vaurioidu.

 

 

Kuten monet tietävät, paras hyötysuhde potkurille, eli suurin työntövoima annetulla moottoriteholla, saavutetaan, kun potkuri antaa suurelle ilmamäärälle pienen nopeuslisän. Työntövoimahan on yhtä suuri kuin massavirta (kg/s) kertaa nopeuslisä (m/s), kun taas tehon tarve on massavirta kertaa nopeuslisä kolmanteen potenssiin. Yksinkertaisen potkurikiekkoteorian mukaan siis mahdollisimman suuri potkurin halkaisija on eduksi, jolloin potkurin kiekon läpi virtaa mahdollisimman suuri massavirta.

 

Rajoituksia potkurin halkaisijalle asettaa paitsi käytettävissä oleva tila, eli maavara rullatessa, niin myös käytettävän moottorin ominaisuudet. Erityisesti mäntämoottorin teho riippuu voimakkaasti kierrosluvusta ja se antaa parhaan tehonsa vain tietyllä kierrosluvulla. Transsoonisten tiivistysaaltojen syntymisen välttämiseksi potkurin kärkinopeus tulisi pitää alle 0,8 kertaa äänennopeuden. Transsooninen tarkoittaa lähellä äänennopeutta olevaa virtausta, jossa äänennopeus ylittyy paikallisesti. Melun kannalta vieläkin pienempi kärkinopeus olisi eduksi. Alennusvaihteen avulla voidaan mahdollistaa potkurin pyöriminen moottoria hitaammin, jolla voidaan parantaa potkurin työntövoimaa etenkin hitailla lentonopeuksilla, kun lentonopeuden tuoma massavirta on pieni.

 

 

Lapojen lukumäärä vaikuttaa hyötysuhteeseen

Yksinkertaisella potkurikiekkoteorialla on kuitenkin rajoituksensa: Se pätee vain tasaiselle potkurikiekolle, eli tilanteeseen, jossa potkurin antama nopeuslisä on yhtä suuri koko kiekon alueella. Todellisessa potkurissahan näin ei ole. Potkurin sisäkehällä lavan kehänopeus on pieni ja lavan profiilin nostovoima jää siksi pieneksi, sekä lavan kärjen ympäri paine-ero pääsee tasoittumaan, mikä vähentää nopeuslisää tällä alueella.

 

Lisäksi potkurikiekon alueella on lapoja epätasaisesti. Mitä vähemmän lapoja, sitä epätasaisempi nopeuslisä ja suuremmat häviöt. Tästä näkökulmasta potkurissa tulisi siis olla mahdollisimman paljon lapoja. Kaksilapaisella kiintopotkurilla on kuitenkin etuinaan helppo valmistettavuus yhdestä palkista tai alumiiniharkosta työstämällä sekä pieni tilantarve kuljetuksessa ja varastoinnissa.

 

Lapojen pinta-ala vaikuttaa nostovoimaan ja vastukseen

Aivan kuin lentokoneen siipipinta-ala, myös potkurin lapojen pinta-ala tulee mitoittaa siten, että lavat toimivat järkevällä nostovoimakertoimen arvolla. Potkuri ei saisi sakata lentoonlähtöteholla koneen seistessä paikallaan ja toisaalta matkalennolla nostovoimakerroin ei saisi olla liian pieni, jotta ei syntyisi turhaa kitkavastusta. Lisäksi kiintopotkurin tapauksessa suuri lapojen pinta-ala lisää potkurin herkkyyttä kierrosluvun muuttumiselle lentonopeuden mukaan. Kierrosluvun tulisi kuitenkin pysyä moottorin toiminnan kannalta järkevissä lukemissa koko lentokoneen lentonopeusalueella niillä tehoasetuksilla, mitä kussakin lentotilassa tarvitaan.

 

Kun lapojen (yhteen laskettu) pinta-ala on rajallinen ja halutaan mahdollisimman suuri potkurin halkaisija, saadaan suurin lapojen määrä tekemällä mahdollisimman hoikkia lapoja. Vastaavasti lentokoneen siivessäkin suurempi sivusuhde on parempi. Rakenneinsinöörillä kuitenkin on sanottavansa siinä, miten hoikkia lapoja voidaan tehdä. Materiaalin lujuus ja jäykkyys asettaa tässä suhteessa rajat mahdollisuuksille. Flutterin estämisen kannalta tärkeän lavan vääntöjäykkyyden määräävä materiaalin liukumoduli on tyypillisistä potkurimateriaaleista erityisen hyvä alumiinilla, mikä selittänee sen suosion muihin yleisiin materiaaleihin verrattuna suuresta painosta huolimatta. Flutteri tarkoittaa aeroelastista värähtelyä aerodynaamisten voimien ja rakenteen joustavuuden yhteisvaikutuksesta.

 

Suurella lapojen pinta-alalla saadaan suuri staattinen työntövoima, mutta se edellyttää pientä potkurin nousua, jotta mäntämoottori jaksaisi pyörittää sitä riittävän suurella kierrosluvulla riittävän tehon tuottamiseksi. Tällainen potkuri on herkkä lentonopeuden muutoksille ja pieni nousu jo sinänsäkin rajoittaa lentonopeutta. Lisäksi tarpeettoman suuri pinta-ala heikentää potkurin hyötysuhdetta matkalentonopeuksilla ylimääräisen kitkavastuksen kautta.

 

Potkurin mitoituksen yleisiä suureita

Tarkempaa potkurin mitoitusta varten on olemassa erilaisia potkuria kuvaavia suureita, kuten aktiviteettikerroin (Activity Factor, AF), joka määräytyy lapojen tasomuodosta pyörimissäteen funktiona. Tavanomaisissa yleisilmailukoneissa käytetään yleensä potkureita, joiden aktiviteettikerroin on luokkaa 80–100.
Tärkeitä suureita ovat etenemissuhde J, joka määritellään kaavalla , jossa V on lentonopeus (m/s), n potkurin kierrosluku (rad/s) ja D potkurin halkaisija (m), sekä tehokerroin , jossa P on akseliteho (W) ja ρ on ilman tiheys (kg/m3).

 

Mitatuista potkureiden hyötysuhdekäyristä voidaan nähdä, että esimerkiksi kaksilapaisella potkurilla, jonka aktiviteettikerroin on 90, päästään yli 85 % hyötysuhteeseen etenemissuhteen ollessa yli 0,8 ja tehokertoimen ollessa luokkaa 0,03, kun taas kolmilapaisella potkurilla, jonka aktiviteettikerroin on 100, päästään samaan samalla etenemissuhteella tehokertoimen ollessa luokkaa 0,06.

 

Noin 90 % hyötysuhteisiin voidaan päästä etenemissuhteen ollessa luokkaa 1,4–2,6. Tyypillisillä yleisilmailukoneilla päästään tälle alueelle matkalentonopeuksilla. Nousulennossa perinteisten lentokonemoottorien kierrosluvuilla ja potkurin halkaisijalla etenemissuhde jää liian pieneksi ja potkurin hyötysuhde suuruusluokkaan 55–60 %. Etenemissuhdetta parantaisi potkurin halkaisijan pienentäminen, mutta tällöin tehokerroin huononee. Suuremmalla lapojen lukumäärällä voidaan saavuttaa kohtuullinen hyötysuhde myös suuremmalla tehokertoimen arvolla, mikä mahdollistaa halkaisijan pienentämisen ja sitä kautta etenemissuhteen parantamisen hitailla lentonopeuksilla.

 

Toinen vaihtoehto parantaa etenemissuhdetta olisi pienentää kierroslukua, mutta mäntämoottorin kierrosluvun pienentäminen heikentää tehoa. Potkurin kierrosluvun alentaminen alentamatta moottorin kierroslukua onnistuu alennusvaihteen avulla.

 

Värähtelyt vaurioittavat moottoria ja potkuria

Moottori-potkuriyhdistelmän tulisi olla vapaa haitallisista värähtelyistä kaikilla normaalisti käytettävillä kierrosluvuilla moottorin ja potkurin vaurioiden välttämiseksi. Potkurin hitausmomentti vaikuttaa potkurinakselin ja moottorin kampiakselin vääntövärähtelyiden ominaistaajuuksiin. Joillain moottori-potkuriyhdistelmillä on vältettäviä kierroslukualueita, joilla lievää värähtelyä esiintyy.

 

Suuremmissa moottoreissa – kuten Lycoming IO-360-C -sarjan (200 hp) moottorit ja siitä ylöspäin – on kampiakselin ”vapaassa” päässä vääntövärähtelyitä vaimentavat dynaamiset vastapainot, jotka on suunniteltu toimimaan normaalin potkurin hitausmomentilla.

 

Jos moottoriin asennetaan merkittävästi poikkeavan hitausmomentin omaava potkuri, voi systeemin ominaistaajuus muuttua niin paljon, että vastapainojen viritys alkaakin värähtelyjen vaimentamisen sijasta vahvistaa niitä.

 

Potkurityypin vaihto on suuri muutostyö

Potkurityypin muuttaminen ilma-alukseen vaikuttaa sen suorituskykyyn ja katsotaan siitä syystä kansallisen sääntelyn mukaan suureksi muutostyöksi, joka edellyttää suunnittelun hyväksyntää myös harrasterakenteisille ilma-aluksille. Viranomaisen hyväksymään lentokäsikirjaan merkittyjen suoritusarvojen muuttuminen edellyttää myös viranomaisen hyväksyntää muutoksille, mikä hoituu samalla muutostyöhyväksynnän yhteydessä.

 

Jutun kirjoittaja Jari Lyytinen on lentotekniikan diplomi-insinööri.

 

Lähteet:
Torenbeek, E. Synthesis of Subsonic Airplane Design
Roskam, J. Airplane Aerodynamics and Performance