Λύσεις — Ενότητα 2.7: Εμβολοφόροι Κινητήρες Ελικοπτέρων (σελ. 158-159) – ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ ΑΕΡΟΣΚΑΦΩΝ ΙΙ Γ΄ ΕΠΑΛ

Λύσεις — Ενότητα 2.7: Εμβολοφόροι Κινητήρες Ελικοπτέρων

Λύσεις στις 5 ερωτήσεις της ενότητας 2.7: διαφορές θέσης κινητήρα ελικοπτέρων/αεροπλάνων, λόγοι μη άμεσης σύνδεσης κινητήρα-έλικα (κιβώτιο υποπολλαπλασιασμού, μετάδοση στο ουραίο στροφείο, μηχανισμός αλλαγής βήματος), παράγοντες που καθορίζουν το ανώτατο όριο ταχύτητας περιστροφής του έλικα, ο διπλός ρόλος του συστήματος σύμπλεξης/αποσύμπλεξης (εκκίνηση και ασφάλεια/αυτοπεριστροφή), και η αναγκαιότητα του συστήματος ψύξης λόγω της θέσης του κινητήρα πίσω από τον θάλαμο διακυβέρνησης.

Θέση κινητήρα: ελικόπτερα έναντι αεροπλάνων

Ερώτηση: Ποιες είναι οι διαφορές μεταξύ των ελικοπτέρων και των αεροπλάνων ως προς τη θέση τοποθέτησης του κινητήρα τους και γιατί;

Απάντηση:

• §2.7.1. «Οι εμβολοφόροι κινητήρες των αεροπλάνων ανεξάρτητα με το αν τοποθετούνται στην άτρακτο του αεροπλάνου... ή στις πτέρυγες είναι πάντοτε σε παράλληλη διεύθυνση με αυτή του διαμήκη άξονα του αεροπλάνου. Ο έλικας τοποθετείται στην προέκταση του άξονα του κινητήρα... παράγοντας ώση στη διεύθυνση του διαμήκη άξονα του αεροπλάνου. Οι εμβολοφόροι κινητήρες των ελικοπτέρων, σε αντίθεση με αυτούς ενός αεροπλάνου, δεν συνδέονται απ' ευθείας με τον έλικα και επιπλέον τοποθετούνται κάτω από το κύριο στροφείο τους.»
• §2.7.1.5. «Η θέση του κινητήρα... είναι πίσω από το θάλαμο διακυβέρνησης (cockpit)... Για λόγους απλούστευσης της κατασκευής και μείωσης βάρους... Για λόγους ευστάθειας και ευελιξίας του ελικοπτέρου, το κέντρο βάρους του πρέπει να είναι κοντά στο σημείο που εφαρμόζεται η άντωση από το στροφείο του.»

Σύνοψη: (ενδεικτική) Στα αεροπλάνα ο εμβολοφόρος κινητήρας τοποθετείται στην άτρακτο ή στις πτέρυγες, πάντοτε σε παράλληλη διεύθυνση με τον διαμήκη άξονα του αεροσκάφους, και ο έλικας συνδέεται απευθείας στην προέκταση του άξονα του κινητήρα (ή, σε ορισμένες περιπτώσεις, πάνω στον ίδιο τον άξονα), παράγοντας ώση στη διεύθυνση πτήσης. Στα ελικόπτερα, αντίθετα, ο κινητήρας δεν συνδέεται απευθείας με τον έλικα (κύριο στροφείο) και τοποθετείται κάτω από αυτό — συγκεκριμένα πίσω από τον θάλαμο διακυβέρνησης, με κάθετη διάταξη ως προς τον άξονα του στροφείου. Η διαφορά αυτή οφείλεται στο ότι ο έλικας του ελικοπτέρου πρέπει να περιστρέφεται σε πολύ μικρότερες στροφές (300-400 rpm) από τις στροφές μέγιστης ισχύος του κινητήρα (2400-2600 rpm), οπότε απαιτείται παρεμβολή κιβωτίου υποπολλαπλασιασμού στροφών (το οποίο τροφοδοτεί και το ουραίο στροφείο και φέρει τον μηχανισμό αλλαγής βήματος του έλικα). Η θέση πίσω από το cockpit επιλέγεται για απλούστευση κατασκευής/μείωση βάρους (μικρότερη διαδρομή άξονα μετάδοσης, λιγότεροι κραδασμοί) και για ευστάθεια/ευελιξία, ώστε το κέντρο βάρους να βρίσκεται κοντά στο σημείο εφαρμογής της άντωσης από το στροφείο.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Αεροπλάνο: κινητήρας παράλληλα με διαμήκη άξονα, έλικας απευθείας συνδεδεμένος· ελικόπτερο: κινητήρας πίσω από cockpit/κάτω από στροφείο, χωρίς απευθείας σύνδεση με τον έλικα, μέσω κιβωτίου υποπολλαπλασιασμού

Λόγοι μη άμεσης σύνδεσης κινητήρα-έλικα

Ερώτηση: Αναφέρατε τους λόγους για τους οποίους οι εμβολοφόροι κινητήρες ελικοπτέρων δεν συνδέονται απ’ ευθείας με τον έλικα του ελικοπτέρου

Απάντηση:

• §2.7.1.1. «Η μέγιστη ταχύτητα περιστροφής του έλικα... δεν μπορεί να ξεπεράσει τις 300 με 400 στροφές ανά λεπτό... ένας εμβολοφόρος κινητήρας αποδίδει τη μέγιστη ισχύ του σε υψηλότερες στροφές (ενδεικτικά 2400-2600rpm). Για τους παραπάνω λόγους χρησιμοποιείται κιβώτιο υποπολλαπλασιασμού στροφών... μεταξύ του κινητήρα και του συγκροτήματος του κύριου στροφείου.»
• §2.7.1.2. «Το ουραίο στροφείο παίρνει επίσης κίνηση από το κιβώτιο υποπολλαπλασιασμού στροφών του στροφείου.»
• §2.7.1.3. «Ο μηχανισμός αυτός [αλλαγής βήματος του έλικα] τοποθετείται μεταξύ του κιβώτιου μετάδοσης ισχύος και του κύριου στροφείου και έχει σαν σκοπό την αλλαγή της γωνίας προσβολής του έλικα...»

Σύνοψη: Οι εμβολοφόροι κινητήρες ελικοπτέρων δεν συνδέονται απευθείας με τον έλικα (κύριο στροφείο) για τρεις λόγους: 1) Ταχύτητα περιστροφής έλικα — ο έλικας δεν μπορεί να ξεπεράσει τις 300-400 rpm (δομική αντοχή και αεροδυναμική απόδοση), ενώ ο κινητήρας αποδίδει μέγιστη ισχύ σε πολύ υψηλότερες στροφές (2400-2600 rpm), οπότε χρειάζεται κιβώτιο υποπολλαπλασιασμού στροφών ανάμεσά τους. 2) Μετάδοση κίνησης στο ουραίο στροφείο — το ίδιο κιβώτιο υποπολλαπλασιασμού μεταδίδει κίνηση και στο ουραίο στροφείο, που είναι απαραίτητο για την ευστάθεια του ελικοπτέρου. 3) Παρεμβολή συστήματος αλλαγής βήματος του έλικα — ο μηχανισμός αλλαγής βήματος τοποθετείται μεταξύ του κιβωτίου μετάδοσης ισχύος και του κύριου στροφείου, για τη μεταβολή της γωνίας προσβολής του έλικα ανάλογα με την απαίτηση για άντωση.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• 3 λόγοι: διαφορά στροφών κινητήρα-έλικα (κιβώτιο υποπολλαπλασιασμού), μετάδοση κίνησης στο ουραίο στροφείο, μηχανισμός αλλαγής βήματος έλικα

Παράγοντες ορίου ταχύτητας περιστροφής έλικα

Ερώτηση: Ποιοι είναι οι παράγοντες που καθορίζουν το μέγιστο όριο της ταχύτητας περιστροφής του έλικα των ελικοπτέρων;

Απάντηση:

• §2.7.1.1. «Η μέγιστη ταχύτητα περιστροφής του έλικα των περισσότερων ελικοπτέρων με εμβολοφόρο κινητήρα, δεν μπορεί να ξεπεράσει τις 300 με 400 στροφές ανά λεπτό για λόγους δομικής αντοχής (και άρα βάρους κατασκευής), αλλά και για λόγους αεροδυναμικής απόδοσης του έλικα. Στην περίπτωση που ο έλικας περιστραφεί με μεγαλύτερη ταχύτητα, τα ακροπτερύγιά του φθάνουν σε υπερηχητική ταχύτητα, με συνέπεια την κατακόρυφη μείωση της απόδοσής του, καθώς αυξάνεται δραστικά η οπισθέλκουσα της πτέρυγας.»

Σύνοψη: Το μέγιστο όριο ταχύτητας περιστροφής του έλικα (300-400 rpm) καθορίζεται από δύο παράγοντες: 1) τη δομική αντοχή του έλικα, που σχετίζεται και με το βάρος κατασκευής του, και 2) την αεροδυναμική απόδοση: σε μεγαλύτερη ταχύτητα περιστροφής, τα ακροπτερύγια του έλικα φθάνουν σε υπερηχητική ταχύτητα, με αποτέλεσμα δραστική αύξηση της οπισθέλκουσας και κατακόρυφη μείωση της απόδοσής του.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• 2 παράγοντες: δομική αντοχή/βάρος κατασκευής και αεροδυναμική απόδοση (υπερηχητικά ακροπτερύγια → αυξημένη οπισθέλκουσα)

Λόγος χρήσης συστήματος σύμπλεξης/αποσύμπλεξης

Ερώτηση: Ο λόγος που χρησιμοποιείται σύστημα σύμπλεξης/αποσύμπλεξης στους εμβολοφόρους κινητήρες των ελικοπτέρων είναι: Α) Για να γίνεται δυνατή η εκκίνηση του κινητήρα. Β) Για λόγους ασφαλείας σε περίπτωση διακοπής της λειτουργίας του κινητήρα. Γ) Και για τους δύο παραπάνω λόγους.

Απάντηση:

• §2.7.1.4. «Το σύστημα σύμπλεξης / αποσύμπλεξης (clutch)... είναι απαραίτητο για την εκκίνηση του κινητήρα. Το μικρότερο δυνατό φορτίο κατά την εκκίνηση... είναι απαραίτητο για να πετύχουμε ικανοποιητικό αριθμό στροφών... Το σύστημα σύμπλεξης / αποσύμπλεξης είναι επίσης απαραίτητο σε ένα ελικόπτερο για λόγους ασφαλείας. Σε περίπτωση αστοχίας του κινητήρα, ο χειριστής αποσυμπλέκει τον κινητήρα... επιτρέποντας... την ελεύθερη περιστροφή (αυτοπεριστροφή ή autorotation) του έλικα.»

Σύνοψη: Σωστή απάντηση: Γ) Και για τους δύο παραπάνω λόγους. Το σύστημα σύμπλεξης/αποσύμπλεξης χρειάζεται τόσο για να είναι δυνατή η εκκίνηση του κινητήρα με το μικρότερο δυνατό φορτίο (αποφεύγοντας την ανάγκη για πολύ μεγαλύτερο εκκινητή/συσσωρευτή και την απότομη καταπόνηση των εξαρτημάτων), όσο και για λόγους ασφαλείας: σε περίπτωση αστοχίας του κινητήρα, επιτρέπει στον χειριστή να αποσυμπλέξει τον κινητήρα ώστε ο έλικας να περιστρέφεται ελεύθερα (αυτοπεριστροφή/autorotation), μειώνοντας την ταχύτητα πτώσης του ελικοπτέρου για ασφαλή προσεδάφιση.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Σωστό: Γ) και για εκκίνηση με μικρό φορτίο, και για ασφάλεια/αυτοπεριστροφή σε βλάβη κινητήρα

Λόγος χρήσης συστήματος ψύξης σε ελικόπτερο

Ερώτηση: Για ποιο λόγο χρησιμοποιούμε σύστημα ψύξης στους εμβολοφόρους κινητήρες των ελικοπτέρων;

Απάντηση:

• §2.7.1.6. «Η θέση του κινητήρα στο ελικόπτερο, πίσω από το θάλαμο διακυβέρνησης, δεν δημιουργεί τις καλύτερες προϋποθέσεις για την ψύξη του, μιας και ο κινητήρας δεν βρίσκεται στο ελεύθερο ρεύμα αέρος κατά την πτήση του όπως σε ένα αεροπλάνο. Γι' αυτό το λόγο είναι απαραίτητη η χρήση συστήματος ψύξης. Η ψύξη πραγματοποιείται με τη βοήθεια ανεμιστήρα που οδηγείται από τον άξονα του κινητήρα... Ο αέρας ψύξης κατευθύνεται προς τον κινητήρα και γύρω από τους κυλίνδρους, με τη βοήθεια αεροδυναμικών καλυμμάτων...»

Σύνοψη: Χρησιμοποιούμε σύστημα ψύξης επειδή η θέση του κινητήρα στο ελικόπτερο, πίσω από τον θάλαμο διακυβέρνησης, δεν επιτρέπει στον κινητήρα να βρίσκεται στο ελεύθερο ρεύμα αέρος κατά την πτήση, όπως συμβαίνει σε ένα αεροπλάνο. Για να εξασφαλιστεί επαρκής ψύξη, χρησιμοποιείται ανεμιστήρας που οδηγείται από τον άξονα του κινητήρα, ο οποίος κατευθύνει τον αέρα ψύξης προς τον κινητήρα και γύρω από τους κυλίνδρους, με τη βοήθεια αεροδυναμικών καλυμμάτων που τους περιβάλλουν εξωτερικά.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Ο κινητήρας ελικοπτέρου δεν βρίσκεται στο ελεύθερο ρεύμα αέρος (θέση πίσω από cockpit) → απαιτείται ανεμιστήρας ψύξης οδηγούμενος από τον άξονα