Jednolistá vrtule

Na stoupáku se diskutuje o jednolistých vrtulích, což mě přivedlo k napsání tohoto článku. Internet na dotaz “single-blade propeller” vyplivne mnoho odkazů, z nichž ovšem je relevantních jen pár.

Z odkazů se lze dozvědět zhruba následující:

  • jednolistá vrtule je účinnější než vícelistá
  • tvrzení, že jednolistá vrtule je účinnější, je mýtus
  • jednolisté vrtule se hodí ve speciálních případech


Informačně nejhodnotnějším je podle mě článek Dona Stackhouse z modelářské firmy DJAerotec, bývalého “vrtuláře” profesí, v němž odpovídá na dotaz, zda je pravda, že jednolistá vrtule je o 10-15% účinnější.

Shrnutí z článku (pro ty, kdož nevládnou angličtinou) je následující:

  • očekávané zlepšení účinnosti je 2 až 3%, možná i více;
  • počet listů vrtule závisí na mnoha faktorech, pokud je omezen průměr a přitom výkon má být vysoký, vychází lépe větší počet listů, logicky jednolistá vrtule by měla být optimální pro neomezený průměr a malý výkon;
  • nejpravděpodobnějším důvodem pro lepší chování jednolisté vrtule je vyšší Reynoldsovo číslo, protože při stejném průměru může mít jednolistá vrtule 2x větší šířku listu, tudíž 2x větší Re, například pro CAM Speed Prop při 20 000 otáček je Re asi 80 000, což je srovnatelné s RC házedlem; jeden populární “házedlový” profil zdvojnásobí odpor při přechodu z Re 120 000 na Re 80 000, a další snížení z 80 000 na 60 000 představuje další zdvojnásobení odporu;
  • protizávaží jednolistu by mělo být posunuto směrem k motoru, aby se alespoň částečně vyrovnal tah, a při pohledu zepředu směrem k náběžné hraně listu.

Na závěr Don uvádí, že kdo se pustí do jednolisté vrtule, stráví hodně času zkoušením a nebude mít čas na létání :-).

Hodně zajímavým odkazem je článek Paula Lippse o návrhu vrtule, který se “otírá” o “jednolisty” jedním odstavcem, v němž se ptá, proč když je to tak výhodné, tak je nikdo nedělá? Ani na větrných elektrárnách, ani na skutečných letadlech?

Na wikipedii jsou potom obrázky jednolisté vrtule zatahované do trupu větroně, výhodou prý byla menší “díra” v trupu. Ovšem sklopky se prosazují i v této aplikaci.

Samostatnou kapitolou jsou patenty, nejvíce mě zaujal tento, v němž jednolistý rotor slouží pouze pro svislý start a přistání, při normálním letu je natažený podél trupu letadla, které “nesou” křídla. Podívejte se alespoň na obrázky, stojí to za to.

Tedy, jaké jsou výhody jednolisté vrtule:

  1. Vyšší Reynoldsovo číslo už bylo zmíněno. Podle mě je to hlavní, ne-li jediná výhoda. Protože se normálně pohybujeme v oblasti kritických Re čísel, kde může mít i malá změna velké důsledky, může být rozdíl mezi účinností jednolisté a dvoulisté vrtule významný.

    V mém článku o vrtulích (je anglicky, jako většina odkazů v tomto článku) je vzoreček pro účinnost vrtule v závislosti na klouzavosti profilu. Pro poměr dopředné ku otáčivé rychlosti (V/nD) 0.8 a poměr vztlaku ku odporu 17, vychází účinnost vrtule asi 80%. Pokud odpor profilu klesne o polovinu, zlepší se poměr vztlaku ku odporu asi na 25 a účinnost vrtule stoupne na asi 86%. Změní se ovšem i indukovaný odpor listu, takže skutečný přínos bude asi poloviční, což mohou být ona 2-3% zmiňovaná výše (pro uvedený příklad, samozřejmě).

  2. Obvyklým argumentem ve prospěch jednolistů je to, že vrtulové listy se vzájemně ovlivňují a že jediný list tudíž pracuje v méně ovlivněném prostředí. Za normálního letu se vrtule (správně navržená) pohybuje vpřed rychlostí, která není o mnoho menší než stoupání. Když uvážím dvoulistou vrtuli a stoupání 100 mm, potom mezi „stopami“ listů budou rozestupy 50 mm. Při šířce listů okolo 20 mm je tedy poměr vzdálenosti ku šířce asi 2.5. U dvouplošníků se uvádí, že minimální vzdálenost křídel by měla být 0.7 hloubky, nejlépe až 1.5 násobek. (Kdysi na toto téma vyšel článek v Modeláři od pana Alferyho.) Domnívám se, že při násobku 2.5 budou účinky vzájemného ovlivnění listů zanedbatelné.
  3. Při použití spalovacího jednoválcového motoru lze vyvažovat kombinaci motor-vrtule, což může nějaké výhody mít.
  4. Snížení odporu sklopené vrtule (což byl původní záměr autora v původním odkazu na stoupáku).

No a teď nevýhody:

  1. Pro mě je největší nevýhodou „hnusný“ a nepřirozený vzhled. To ale není technický argument, mohu tím trpět jen já.
  2. Vibrace. Posunutím protizávaží „mimo osu“ lze do určité míry asymetrický účinek aerodynamických sil eliminovat, to se však povede jen při určitých otáčkách a rychlosti. Uložení pohonu tak bude muset být robustnější a těžší než se symetrickou vrtulí.
  3. Nesymetrický tah. Vrtule bude vždy působit „na straně“ od osy modelu a celý model tak bude mít snahu se periodicky vychylovat. Už to samo o sobě může způsobit nárůst odporu draku.
  4. Odpor a hmotnost protizávaží. Pokud je protizávaží vystavěno „větru“, klade jen odpor, nedělá žádnou užitečnou práci. Tento odpor je potom nutné odečíst od zisku vrtule. Pokud je protizávaží v kuželu, bude poměrně hmotné. Je otázkou zda by nebylo lepší o tuto hmotnost například zvětšit magnety v motoru (pokud je model poháněn elektromotorem) a získat pár procent na účinnosti raději zde. Další nevýhodou hmotnějších rotujících hmot může být gyroskopický efekt a obtížnější zatáčení.

Podle mě se tedy jednolisté vrtule hodí pouze tam, kde jejich použití řeší nějaký jiný problém, jako je třeba výše zmíněné ukrývání vrtule do trupu větroně nebo „konvertoplány“. Rovněž v počátcích modelaření mohlo být výhodnější „tesat“ na gumáka pouze jeden list, než se pokoušet o dva stejné.

Ale je to hobby, každý nechť si dělá to, co ho baví :-). A já se mohu mýlit ;-).

Honza
2. dubna 2013

komentáře 2

  1. Pěkný článek, akorát že platí obecně, v souvislosti s tou debatou na Stoupáku je ale až zavádějící.
    Když to totiž vezmeš na poměry F5J, tak vlastně jediný podstatný klad je bod 4, což je taky důvod těchto úvah, zbytek je nepodstatné, tady o účinnost fakt nejde.
    Jenže podobně se proberou i zápory – vibrace asi nebudou problém, protože to bude pracovat víceméně v jedněch otáčkách, nesymetrický tah se při výkonech F5J nemá šanci projevit atd. Zbývá vlastně jen hmotnost protizávaží v kuželu…

    Osobně se do tohoto pouštět rozhodně nehodlám, mám rozumnější věci na práci, nicméně si ale dovolím odhadnout, že realizace pro specifické potřeby F5J nebude zdaleka tak velký problém, jak by se mohlo zdát.

  2. Tomáši, dík. Rozumím snaze o „uklizení“ vrtule poté, co už není potřeba. Určitě se v tomto směru bude vývoj ubírat a možná je jednolist řešením. A věřím i tomu, že pokud to někdo vyvine a vrhne na trh, budou to lidi kupovat. Uvidíme, u mně nevýhody pořád převažují (alespoň co se F5J týká), ale jako pokaždé zopakuji i zde, ať si každý dělá co chce. H.

Komentáře nejsou povoleny.