2.5 Potkuri

Potkuri välittää moottorin tehon ilmaan ja vaikuttaa merkittävästi lentokoneen toimintaan.

2.5.1 Virtausnopeus potkurin vaikutuksesta

Potkurin tehtävänä on saada aikaan lentokonetta eteenpäin vetävä voima. Tällöin se toimii siiven tavoin. Ilmavirran liike yksinkertaistettuna potkurin kehän läpi on seuraavan kuvan kaltainen. Bernoullin lain mukaan nopeuden kasvaessa virtaviivat lähenevät toisiaan. Näin käy myös potkurissa.

Kuva: Ilman virtaus potkurin läpi. Koska nopeus kasvaa, poikkipinta-ala pienenee. Virtausnopeus kiihtyy potkurin jälkeen edelleen ja noin halkaisijan etäisyydellä potkurista se on tuplaten suurempi kuin potkurin kohdalla. Potkurin kohdalla paine kasvaa hyppäyksellä mutta virtaus kiihtyy tasaisesti ennen ja jälkeen potkurin.

2.5.2 Potkurin nousu ja lapakulma

Koska potkurin kohtauskulma pyritään pitämään lähes vakiona koko lavan pituudella, muuttuu lapakulma b siten, että yhdellä kierroksella jokainen profiilin leikkaus liikkuu eteenpäin yhtä paljon. (Vrt. kierreportaat.) Säätöpotkurin lapakulmaa voidaan säätää siten, että se sopii parhaiten moottorin tuottamaan vääntömomenttiin, mikä parantaa kokonaishyötysuhdetta ja vähentää polttoaineen kulutusta. Säätöpotkurin voi lepuuttaa moottorihäiriön sattuessa, mikä tarkoittaa, että potkuri käännetään ilmavirran suuntaiseksi, jolloin se jarruttaa mahdollisimman vähän.

Kuva: Potkurin nousu on lähes sama koko lavan pituudella. Tämä tarkoittaa sitä, että yhden kierroksen aikana potkurin jänteen suuntaan etenemä on lähes sama koko lavan pituudelta. Tästä etenemisestä käytetään nimitystä "nousu". Kiinteä potkuri määritellään lyhyesti halkaisijan ja nousun avulla. Esimerkiksi; 100/40 tarkoittaa halkaisija 100 tuumaa ja nousu 40 tuumaa. Mitat ilmoitetaan usein tuumissa, mutta myös sentit ovat käytössä.

Kuva: Potkurin nousukulma eli lapakulma β vastaa etenemää jänteen suuntaan yhden kierroksen matkalla. V = lentonopeus, Vk = kehänopeus, VR on resultanttinopeus, α on lavan kohtauskulma. Kärjessä lapakulma pienenee, jotta kohtauskulma olisi joka kohdassa yhtä suuri. Kärjessä lapakulma pienenee, jotta nousu olisi joka kohdassa yhtä suuri. Koneen etenemää vastaava kulma on b - a ja se riippuu potkurin kuormituksesta. Tuulimyllynä pyörivän potkurin kohtauskulma on negatiivinen

Potkuri aiheuttaa myös virtauksen kiertymisen, mikä aiheuttaa potkurin pyörimissuuntaan koneen runkoa kiertävän spiraalin muotoisen jättövirtauksen, joka vaikuttaa erityisesti sivuvakaajaan painamalla tätä sivuun. Tästä syystä joudutaan käyttämään sivuperäsintrimmiä, jolla kompensoidaan tämä vaikutus. Lentoonlähdössä tämä vaatii vastajalan painamista, jottei nokka käänny sivuun kiihdytettäessä.

Kuva 48. Nostovoiman jakautuminen potkurissa matkalennolla. Jakauma riippuu kuormituksesta mutta normaalisti lapakohtainen vetävän voiman resultantin paikka on noin 75 % lavan tyvestä.

Potkurin hyötysuhde määritellään seuraavasti: hyötysuhde h = P_potkuri / P_akseli, jossa

P_potkuri = T_potkuri · V = Potkurin tuottama teho

T_potkuri = Potkurin tuottama vetävä (työntävä) voima

P_akseli = Lentomoottorin antama akseliteho

V = Lentonopeus

Potkurin hyötysuhde on parhaimmillaan 85 – 88 % ja muuttuu tilanteen ja nopeuden mukaan.

Lentokonetta eteenpäin vievä teho ja vetävä voima riippuvat lentonopeudesta seuraavasti.

Kuva: Potkurin eteenpäin vetävä voima T on suurimmillaan, kun kone on paikallaan eli lentoonlähdön alussa, jolloin sitä eniten tarvitaan. Paikallaan seisovan koneen potkurin tuottama teho on kuitenkin nolla, koska potkurin tuottama teho riippuu lentonopeudesta eli P = V T. Vetävä voima pienee lentonopeuden kasvaessa. Teho kasvaa lentonopeuden kasvaessa ja saavuttaa maksiminsa, jonka jälkeen se laskee.

Potkurin eteenpäin vetävä voima T on suurimmillaan, kun kone on paikallaan eli lentoonlähdön alussa, jolloin sitä eniten tarvitaan. Paikallaan seisovan koneen potkurin tuottama teho on kuitenkin nolla, koska potkurin tuottama teho riippuu lentonopeudesta eli P = V T. Vetävä voima pienee lentonopeuden kasvaessa. Teho kasvaa lentonopeuden kasvaessa ja saavuttaa maksiminsa, jonka jälkeen se laskee.

2.5.3 Potkurin jarrutus, kun moottori ei vedä

Moottorin sammuttua potkuri toimii jarruna, ellei sitä lepuuteta eli muuteta lapakulmia virtauksen suuntaiseksi siten, että moottori lakkaa pyörimästä. Seuraavassa kuvassa osoitetaan miten paljon seisova tai tuulimyllynä pyörivä potkuri jarruttaa. Mielenkiintoista on huomata, että pienillä lapakulman arvoilla vapaasti tai paremminkin tuulimyllynä pyörivä potkuri jarruttaa huomattavasti enemmän kuin seisova potkuri.

Kuva: Potkurin vastus, kun moottori ei vedä. Esimerkiksi pakkolaskutilanteessa säätöpotkurin avulla voi valita, antaako potkurin pyöriä vai onko parempi pysäyttää laskun ajaksi. Lapakulma on otettu asemasta 75 % R. Ellei korkeutta ole riittävästi moottorin uudelleen käynnistysyritystä varten on syytä lepuuttaa potkuri, kääntää magneetot pois päältä ja keskittyä pakkolaskuun. Moni pakkolaskussa tehty onnettomuus on johtunut siitä, että moottori pärähtää käyntiin viime hetkellä, jolloin pilotti on keskeyttänyt pakkolaskun ja moottori on sammunut uudestaan eikä ensin valittu pakkolaskupaikka ole enää käytettävissä.

Potkurin vastus, kun moottori ei vedä. Esimerkiksi pakkolaskutilanteessa säätöpotkurin avulla voi valita, antaako potkurin pyöriä vai onko parempi pysäyttää laskun ajaksi. Lapakulma on otettu asemasta 75 % R. Ellei korkeutta ole riittävästi moottorin uudelleen käynnistysyritystä varten on syytä lepuuttaa potkuri, kääntää magneetot pois päältä ja keskittyä pakkolaskuun. Moni pakkolaskussa tehty onnettomuus on johtunut siitä, että moottori pärähtää käyntiin viime hetkellä, jolloin pilotti on keskeyttänyt pakkolaskun ja moottori on sammunut uudestaan eikä ensin valittu pakkolaskupaikka ole enää käytettävissä.

Google: potkurin vetovoima ja vastus, aircraft propeller thrust

2.5.4 Potkurin huollosta

Potkuriin vaikuttavat samat vastustekijät kuin siipeen. Erityisesti potkurin etureuna on voimakkaan eroosiorasituksen kohteena. Alumiinipotkurin voi pilata yhdellä ainoalla koekäytöllä, jos sen suorittaa vesilammikon päällä. Vesipisaran osuminen täysillä pyörivän potkurin pintaan aiheuttaa mikrokokoisen räjähdyksen, jonka jäljiltä potkurin etureuna on kuin kuun kraatereita täynnä. Veden aiheuttamat kuopat ovat teräväreunaisia ja heikentävät siksi sekä virtausominaisuuksia että potkurin mekaanista lujuutta. Hiekka puolestaan tekee sileäpohjaisia kuoppia, jotka eivät ole yhtä vaarallisia mekaanisesti, mutta heikentävät aerodynaamisia ominaisuuksia lisäämällä kitkavastusta.

Potkurin etureunan kuntoa on seurattava ja tarvittaessa annettava huoltomekaanikon kunnostaa potkuri. ÄLÄ KOSKAAN TEE KOEKÄYTTÖÄ TAI ALOITA LÄHTÖKIITOA LÄTÄKÖSTÄ.

2.5.5 Potkurin vaikutus koneen vakavuuteen

Potkuri pyörii yleensä myötäpäivään ja sen vastamomenttina kone pyrkii kallistumaan vastapäivään eli vasemmalle. Tämä korjataan vaakalennossa siiveketrimmin avulla. Potkurin jättövirtaus etenee spiraalina koneen rungon ympäri ja kohtaa sivuperäsimen siten, että se painaa sivuperäsintä oikealle ja kääntää nokkaa vasemmalle. Tämän kumoamiseksi käytetään sivuperäsintrimmiä.

Lentoonlähdössä potkurin vaikutukset ovat suurimmillaan ja ovat aiheuttaneet lukuisia onnettomuuksia, kun potkurin aiheuttamia voimia ei ole osattu korjata vastatoimenpiteillä ja kone on suistunut kiitoradalta sivuun. Siksi on syytä hallita teoriassa sekä käytännössä nämä vaikutukset.

Lentoonlähdettäessä on korjattava oikealla jalalla koneen pyrkimys kaartaa vasemmalle ja etenkin kannuspyöräkoneella juuri sillä hetkellä, kun pyrstö työnnetään irti maasta, koska silloin potkurin hyrrävoimat kääntävät muiden voimien lisäksi nokkaa vasemmalle.

Potkurin akselin eli vetolinjan suunta ja etäisyys koneen painopisteestä vaikuttavat siihen miten kone käyttäytyy kaasua lisättäessä tai vähennettäessä. Jos vetolinja on painopisteen alapuolella, niin kaasun lisäys nostaa nokkaa ja vähennys laskee. Koneen valmistaja on suunnannut moottorin siten, että kaasun käytön vaikutusta on kompensoitu moottorin vetolinjan suuntauksella hieman alas ja muutaman asteen verran oikealle, jolla kompensoidaan sivuperäsimeen kohdistuvaa vasemmalle kääntävää voimaa.

Moottoritehon muuttuessa muuttuu myös momentti ja aiheuttaa trimmaustarvetta.

Kuva: Potkurin aiheuttama kallistuspyrkimys ja sitä tasapainottavat siiven vastavoimat.

Myötäpäivään pyörivä potkuri aiheuttaa vastamonentin, joka kallistaa konetta vasemmalle eli vastapäivään. Tämä kumotaan vaakalennossa siiveketrimmillä. Lennettäessä hitaasti eli suurella kohtauskulmalla virtaus kohtaa potkurin alaviistosta, jolloin potkurin vetolinja siirtyy hieman oikealle ja veto kääntää nokkaa vasemmalle. Tämä ilmiö on voimakkaimmillaan kannuspyöräkoneen lentoonlähtörullauksessa, kun kannus on vielä maassa ja vaikutusta lisäävät potkurin hyrrävoimat, jotka myös kääntävät nokkaa vasemmalle silloin, kun kannus nostetaan ylös ja kone kääntyy vaaka-asentoon. Pilotin on kumottava nämä kiertovaikutukset painamalla voimakkaasti oikeaa jalkaa.

Kuva: Myötäpäivään pyörivä potkuri aiheuttaa runkoa kiertävän spiraalivirtauksen, joka painaa sivuperäsintä oikealle eli kääntää nokkaa vasemmalle. Tämän kompensoimiseksi lentoonlähdössä vaaditaan runsaasti oikeaa jalkaa. Matkalennolla kompensointi tehdään sivuperäsintrimmillä.

Potkurin toimintaperiaate ja historiaa. Artikkeli Ilmailulehdessä 2/2021