Podstawy wiedzy o śmigłach modelarskich

Spis treści

• Kompendium wiedzy o śmigłach
• Jak dobrać śmigła do drona?
• Podstawowa wiedza - przeznaczenie śmigła
• Śmigło wolnoobrotowe (slow flyer)
• Śmigło szybkoobrotowe
• Rodzaje śmigieł
• Geomteria śmigła
• Cechy śmigła
• Jak dobierać śmigło?
• Kilka słów o śmigłach składanych:
• Śmigło składane a piasta
• Dlaczego stosujemy śmigła trój i wielołopatowe?
• Do czego służy i jak stosować piastę PROP SAVER?
• Dobór piasty
• Obsługa piasty

Kompendium wiedzy o śmigłach

Aby to zrozumieć należy wrócić do historii lotnictwa. Na początku lotnictwa były samoloty i od nich zaczyna się historia śmigła lotniczego (nie było wtedy śmigłowców a tym bardziej dronów).

Wtedy też uzgodniono żeby opisywać samolot i jego elementy (w tym śmigło) z pozycji pilota siedzącego w kabinie samolotu. I wtedy to ustalono ze "prawe skrzydło" to to z prawej strony pilota, lewe skrzydło z lewej itp. I wtedy też ustalono że normalnie śmigło kręci się w prawo patrząc z pozycji pilota w kabinie (a nie mechanika z przodu samolotu). Czyli patrząc z przodu samolotu normalne (prawe, R, REGULAR lub ciągnące) śmigło kręci się w lewo (przeciwnie do wskazówek zegara).

I tak było długo, generalnie nikt nie robił śmigieł które kręciły się w lewo (patrząc z kabiny pilota). Do czasu gdy pojawiły się samoloty wielosilnikowe. Wtedy też wyszła potrzeba budowania śmigieł lewych. Po co tak robiono, ano po to aby skompensować działania sił odśmigłowych. Po prostu samolot wielosilnikowy ze śmigłami które obracały się w różne strony był bardziej stabilny w locie (nie było tendencji do skręcania modelu w stronę odśmigłową). Wtedy to pojawiły się śmigła lewe (P, Pusher, Pchające) (czyli prawe patrząc z przodu samolotu)

Przykładowe śmigła lewego: Śmigło APC MR 14x5,5MRP 

Czyli reasumując:

• Podstawowe śmigło lotnicze jest to takie które kręci się w prawo (patrząc z kabiny pilota). Śmigła takie nie posiadały żadnych dodatkowych oznaczeń kierunku obrotu. 
• Później pojawiły się śmigła lewe (patrząc z kabiny pilota) i one posiadały już oznaczenie zamiennie (lewe, P, Pusher, Pchające itp) 

Jak dobrać śmigła do drona?

Ale oto nastała era wielowirnikowców (drony, quadrocoptery, hexacoptery itp). I wtedy wszystko zaczęło się mylić i każdy się gubił. Bo jeżeli nigdy wcześniej nie budował samolotów to nie wiedział że na kierunek obrotu śmigła do drona patrzy się od tyłu śmigła. I wtedy też powstał nowy nurt oznaczania śmigieł który opisywał kierunek obrotu śmigła patrząc na nie od góry (tak jak to robił każdy "droniarz". I dla nich śmigło lewe było prawym CW (Clockwise - zgodnie ze wskazówkami zegara) a śmigło prawe było lewym CCW (CounterClockwise - przeciwnie do wskazówek zegara)

W skrócie jak dobrać śmigło do drona:

• Śmigło normalnie prawe
• dla modelarza lotniczego - oznaczenia (bez oznaczeń kierunku lub: R, REGULAR lub ciągnące)
• dla pilota quadów - oznaczenia CCW - (jest to śmigło lewe)
• Śmigło normalnie lewe
• dla modelarza lotniczego - oznaczenia P, Pusher, Pchające, Lewe
• dla pilota quadów - oznaczenia CW - (jest to śmigło prawe)

Podstawowa wiedza - przeznaczenie śmigła

Nie tak dawno napęd śmigłowy dominował w lotnictwie prawie niepodzielnie. I dziś mimo ogromnej konkurencji napędów odrzutowych w wielu dziedzinach lotnictwa śmigło jest nie zastąpione.W modelarstwie lotniczym sytuacja jest zupełnie inna. Miniaturowe silniki odrzutowe są jeszcze bardzo niedoskonałe, przewaga napędu śmigłowego jest- jak dotąd – ogromna. Przeznaczeniem śmigła jest wytwarzanie ciągu, czyli osiowej siły działającej równolegle do kierunku ruchu. Odbywa się to zwykle przez przetwarzanie mocy otrzymanej od silnika sprężystego (gumowego) lub spalinowego (tłokowego) na napęd modelu w postaci ciągu, służącego do pokonywania oporów aerodynamicznych modelu a jednocześnie nadającego mu prędkość potrzebną do utrzymywania się w powietrzu lub umożliwiającego uzyskiwanie pożądanej wysokości, z której mógłby wykonać lot ślizgowy. Śmigło musi być przystosowane do możliwie najlepszego wykorzystania mocy rozwijanej przez silnik. W związku z tym będziemy mieli więc do czynienia zwykle z dowama typami następujących śmigieł:

Śmigło wolnoobrotowe (slow flyer)

Służą one do napędu modeli sportowych, akrobacyjnych oraz wyścigowych i makiet latających. również do modeli z napędem gumowym o liczbie obrotów do ok 15/s. A także śmigła do niewielkich modeli elektrycznych, wolnoobrotowe - do ok. 6k obr./min., z charakterystycznymi szerokimi łopatami o eliptycznym kształcie.

CIEKAWOSTKA:

Pierwsze modele samolotów z napędem gumowym miały śmigła wykonane z pełnego klocka, umocowanego bezpośrednio do osi. Później wprowadzono dla tych śmigieł wolny bieg, tzn. po wykręceniu się silnika gumowego następowało wysprzęglenie śmigła z osią, na której śmigło swobodnie obracało się (taki modelarski wiatrak). Po wprowadzeniu śmigieł dwułopatowych stosowano przestawienie przestawienie łopat w chorągiewkę tzn. po wykręceniu się silnika gumowego łopaty ustawiały się pod kątem zerowej siły nośnej w stosunku do kierunku lotu. Zarówno wolny bieg jak i chorągiewka miały na celu zmniejszenie oporu czołowego stawianego przez łopaty śmigła.

Przykładowe śmigła wolnoobrotowe (slow flyer)

Śmigło szybkoobrotowe

Do modeli z napędem spalinowym, w którym obroty sięgają nawet do 500 obr/s.

Są to również śmigła do modeli z napędem odrzutowym gdzie do montażu używa się już wirników montowanych do turbiny.

Poniżej przykład 8-łopatkowego wirnika do turbiny edf

Rodzaje śmigieł

Nasze pojęcie o śmigle bywa zazwyczaj bardzo uproszczone.Wyobrażamy sobie najczęściej samolot i dwu , rzadziej trzyłopatowe, zwyczajne śmigło. Śmigło może mieć dwie, trzy a nawet sześć łopatek. Łopatki śmigła mogą obracać się w jednym kierunku lub nawet przeciwbierznie. Wirnik śmigłowca o bardzo długich smukłych łopatkach, to także śmigło-podobnie jak wirniki wentylatora, mające wielką ilość krótkich łopatek.

Na rysunkach widzimy różne rodzaje śmigieł modelarskich. Wielka rozmaitość rozmiarów pozwala dobrać odpowiednie śmigło do każdego silnika Różnorodność śmigieł to głównie materiał z jakiego są wykonane, kształt łopatek, przeznaczenie samego śmigła, prędkość z jaką śmigło się obraca

Mamy również do czynienia z łopatkami napędów elektrycznych stosowanych w motoszybowcach. I tutaj możemy wyróżnić napędy wolnoobrotowe o dużej średnicy śmigła, jak i napędy znacznie szybsze, gdzie średnica jest mniejsza, ale skok łopatek większy. 

 

Geomteria śmigła

Od geometrycznych kształtów śmigła zależna jest jego praca. Zasadniczym wymiarem śmigła jest jego średnica D.Jest to średnica okręgu zataczanego końcami łopatek.

Wymiar zupełnie oczywisty, łatwo go zmierzyć i nie budzi onn żadnych wątpliwości.

Drugim nie mniej ważnym wymiarek jest tzw. Skok śmigła H.

Ten wymiar już musimy sobie wyobrazić. Jest to odległość jaką przebywałoby śmigło w czasie jednego obrotu (od punktu 0 do punktu 1), gdyby mogło się wkręcić w powietrze jak śruba w nakrętkę. Teoretycznie więc łopatka śmigła porusza się po płaszczyźnie spiralnej zakreskowanej na rysunku , zatacza krąg i powinna przesuwać się równocześnie o wielkości H.

• D-średnica śmigła
• S_teor-teoretyczny lub geometryczny
• S_rz-skok rzeczywisty
• P-poślizg

Skok rzeczywisty śmigła zależy od stosunku prędkości lotu do prędkości obrotowej śmigła.W momencie, gdy nie ma ciągu śmigła, bo jest bardzo duża prędkość (np. nurkowanie) albo nie ma posuwu, bo napęd stoi w miejscu (np. początek startu), nie ma dużej sprawności śmigła, bo przy starcie powinno mieć mały kąt natarcia zaś w miarę nabierania prędkości, powinien się on zwiększać, żeby siedział w „gwincie”. Dlatego też śmigło o stałym skoku osiąga maksimum sprawności przy określonej prędkości lotu, tzn jest sprawne w wąskim przedziale prędkości. 

Wady tej nie mają śmigła przestawne, które w zakresie użytkowych prędkości lotu wykorzystują prawie 100% mocy silnika. Jest to podobne do pracy skrzyni biegów w samochodzie a przydałoby się to w napędach o małych mocach. Ci, którzy dużo ważą, wiedzą, jak trudno na nich wystartować (przestawialne – nie mylić ze zmiennym skokiem łopat śmigła).

Cechy śmigła

Średnica i skok śmigła tworzą tzw cechę śmigła.Przy śmigłach produkcji fabrycznej cecha ta powinna być na nich uwidoczniona przez wytłoczenie lub ostęplowanie.

Jeśli śmigło nosi na przykład cechę 8x4 oznacza, że śmigło ma średnicę 8 cali (około 200 mm) i skok 4 cale (około 100mm)

(1''=25,4 mm)

Jak dobierać śmigło?

Od właściwego doboru śmigła zależy sprawność techniczna i kultura pracy całego napędu. Odpowiednio dobrane śmigło wykonane w odpowiedniej technologi decyduje o tym jak cały napęd będzie zachowywał sie w czasie startu, lotu na max. prędkości oraz na przelocie. Wielu dystrybutorów i producentów napędów sprzedaje napędy z tanim śmigłem nie posiadającym 100% sprawności. W przypadku napędu jest to bledną próba zaoszczędzenia pieniędzy, przez którą pilot traci właściwości lotne PPG. Śmigło to serce napędu. Dobór śmigła jest bardzo ważnym elementem - chcemy uzyskać jak największy ciąg z zespołu napędowego. Im większe śmigło tym ciąg większy, im większy skok przy tej samej średnicy tym prędkość modelu większa. Ważnym czynnikiem jest także rodzaj naszego modelu - do modelu akrobacyjnego zastosujemy śmigło o większym skoku (latamy z większymi prędkościami), wolne trenerki powinny mieć śmigło o skoku mniejszym (zdecydowanie wolniejsze), a modele latające bardzo wolno największą możliwą dla danego silnika średnicę przy możliwie małym skoku.Kolejnym ważnym czynnikiem jest dobranie odpowiedniej dla danego silnika średnicy śmigła. Za mała powoduje pracę silnika na maksymalnych obrotach, za duża nadmiernie obciąża silnik bez uzyskania maksymalnego możliwego do uzyskania ciągu. Śmigła o tych samych średnicach i skoku pochodzące od różnych producentów diametralnie różnią się osiąganym ciągiem. Aby ułatwić wstępny dobór śmigła poniżej zamieszczona tabela, na podstawie której łatwo ustalić wstępny rozmiar śmigła do posiadanego silnika.

WSKAZÓWKI DOTYCZĄCE DOBIERANIA ŚMIGIEŁ:

• Dobierając śmigło trzeba pamiętać, że śmigła o małej średnicy i wąskich łopatkach, aby mogły wytworzyć odpowiedni ciąg, wymagają bardzo dużych prędkości obrotowych-rzędu kilkunastu a nawet dwudziestu tysięcy obrotów na minutę.
• Śmigła o wielkiej średnicy i szerokich łopatkach dają duży ciąg już przy kilkuset obrotach na minutę.
• Aby obracać z tą samą prędkością obrotową małe śmigło, trzeba znacznie mniej mocy niż przy dużym śmigle.
• Modele latające powoli wymagają śmigła o małym skoku.
• Duży skok śmigła jest niezbędny przy modelach szybkich.

Kilka słów o śmigłach składanych:

Śmigło składane a piasta

Dlaczego stosujemy śmigła trój i wielołopatowe?

Główna przyczyna stosowania śmigła 3 łopatowego to zwiększanie mocy silnika. Im większa moc, to należy zwiększyć stosunek

powierzchnia łopat śmigła/prędkość wirowania. 
Oczywiście prędkość wirowania jest inna na środku skrzydła, inna na końcu. 
Można to uzyskać: 
a) powiększając średnicę śmigła, 
b) zwiększając ilość łopat, 
c) zwiększając prędkość obrotową , 
d) stosując układ współosiowy, 
e) używając kombinacji wszystkich tych technik. 
Ograniczenia: 
Należy znaleźć optymalne rozwiązanie mając na względzie: 
a) większe śmigło -> większe podwozie, 
b) większa ilość łopat -> większa masa, 
c) większa prędkość kątowa -> większe zużycie mechaniczne.

W przypadku śmigieł wielołopatowych sam możesz zdecydować czy chcesz mieć śmigło 2 - łopatowe, 3, 4, czy 6. Jest to idealne rozwiązanie do modeli makietowych.

Do czego służy i jak stosować piastę PROP SAVER?

Mówiąc obrazowo jest to piasta, która umożliwia elastyczne mocowanie śmigła za pomocą gumowego pierścienia. 

Piasta Prop-Saver można montować tylko w małych modelach, w których moc silnika, a co za tym idzie siły działające na śmigło nie są duże. Użycie takiej piasty w przypadku większych silników zwiększa ryzyko uszkodzenia czegoś lub kogoś odpadającym śmigłem - guma mocująca ma ograniczoną wytrzymałość i sztywność. 
Natomiast jego używanie jest bardzo wskazane podczas nauki pilotażu (gdzie często śmigło jest narażone na uszkodzenia) i w modelach w których nie ma podwozia. Elastyczne mocowanie śmigła zdecydowanie zwiększa szanse na jego przeżycie podczas kontaktu z ziemią.

Dobór piasty

Dobierając piastę musimy zwrócić uwagę na dwa podstawowe parametry: 
- średnica otworu piasty musi być taka sama jak średnica osi silnika. 
- Podtoczenie na końcu piasty musi odpowiadać otworowi w śmigle. 
Średnice osi silników są standardowe, najpopularniejsze średnice, to: 2; 3; 3175; 4; 5mm. W przypadku śmigieł można spotkać się z otworami: okrągłymi, sześciokątnymi (śmigła GWS) lub z miejscem na pierścień centrujący (np. APC). 

Obsługa piasty

Piastę należy zamontować w taki sposób, aby śmigło było założone poza osią silnika, w przeciwnym wypadku śmigło nie przestawi się w momencie zderzenia z przeszkodą i nasze zabezpieczenie będzie bezwartościowe. 

Jednak piastę należy umieścić jak najbliżej silnika, czasem kosztem skrócenie osi silnika. Taki montaż piasty ma na celu zmniejszenie ryzyka wygięcia osi oraz zmniejszenie drgań.

Piastę musimy dokręcić dość mocno, w przeciwnym wypadku śmigło może odpaść razem z piastą. Ale jeśli piastę będziemy chcieli przykręcić za mocno, może się okazać, że ukręcimy śrubę podczas dokręcania, aby zapobiec takim przypadkom można wykonać nacięcie na śrubę w ośce silnika - wtedy nie trzeba będzie tak mocno dokręcać śrub.

Śmigło mocujemy do piasty za pomocą gumy, powszechnie stosowane są oringi gumowe, zapożyczone od hydraulików. Jest to bardzo skuteczny sposób montażu. 
Dobierając gumę warto wybrać taką, której grubość pierścienia wynosi przynajmniej 2mm. Średnica uszczelki zależy od użytego śmigła, ale wybierając gumę należy szukać oringów o możliwie najmniejszych średnicach. Do założenia oringu o dobrze dobranej średnicy potrzebny jest śrubokręt (lub dowolny inny pręt). 

Przechowywanie gumy w stanie rozciągniętym bardzo skraca jej żywotność (w takim stanie guma parcieje), dlatego po każdym dniu na lotnisku, śmigła należy zdejmować z piasty, a oringi chować do skrzynki startowej. Jeżeli tego nie zrobimy prawdopodobnie przy następnej wizycie na lotnisku i tak konieczna będzie wymiana gumy!

Aby żywot naszego oringu nie skończył się za szybko konieczna jest zmodyfikowanie śmigła. Większość śmigieł jest wykonywana w formach wtryskowych, przez co na łączeniach formy (krawędź natarcia i spływu łopatki śmigła) zostają nadmiary materiału. Pozostawione nadmiary są ostre (prawie jak nóż) i przez to destrukcyjne dla gumy - w przypadku szybkich zmian obrotów śmigła (start silnika, zatrzymanie śmigła podczas kontaktu z ziemią) tną gumę, po kilku lotach oring jest do wymiany. 
W celu ochrony przed tym wystarczy nożykiem ściąć ostre krawędzie i ewentualnie nierówności wyrównać papierem ściernym.