Domanda:
I motori a turbina degli aeromobili plurimotore ruotano in direzioni opposte per compensare la coppia?
cfx
2014-01-08 06:13:37 UTC
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Non sono un aviatore, immagino che mi definirei un appassionato. Sono anche un pazzo di fisica. Mi sono sempre chiesto questo, ma temevo ugualmente che la mia domanda posta all'equipaggio di una compagnia aerea commerciale mi avrebbe fatto atterrare nelle Homeland Security Suites.

Sugli elicotteri, la coppia lungo l'asse verticale è contrastata da un rotore di coda più piccolo (o un doppio rotore principale che ruota nella direzione opposta).

La mia domanda è se le turbine / ventole degli aerei a reazione plurimotore ruotano nella stessa direzione. Cioè, sia il motore di babordo che il motore di tribordo ruotano uniformemente in senso orario o antiorario?

Sembra che se così fosse, la manutenzione potrebbe essere più semplice ma creerebbe una certa instabilità lungo l'asse longitudinale della cellula a causa della coppia e dei bracci del momento.

Seguito: immagino, quindi, che l'aereo a elica monomotore utilizzi preimpostazioni di trim per compensare la coppia longitudinale generata dalla loro elica, giusto?

Quattro risposte:
#1
+37
Peter Kämpf
2014-06-21 16:10:36 UTC
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La coppia è un problema minore a causa dell'efficace smorzamento del rollio di un'ala, ma gli effetti del giroscopio e il lavaggio dell'elica sono importanti. Gli effetti giroscopici sono diventati per la prima volta un problema con i motori rotativi nella prima guerra mondiale. Un motore rotativo ha il suo albero a gomiti fissato all'aereo, e sia il blocco cilindri che l'elica ruotano. Ciò fornisce un migliore raffreddamento a bassa velocità e produce un effetto volano, quindi il motore funziona in modo più fluido. Ma quando imbardate, l'effetto giroscopico lancia l'aereo su o giù, quindi qualsiasi manovra precisa diventa molto difficile.

Con l'aumento della potenza del motore nel 1916 e nel 1917, questo effetto è diventato così grave che sono stati sviluppati motori con ingranaggi dove i cilindri ruotano in una direzione e l'elica nella direzione opposta. Di conseguenza, l'elica aveva solo la metà del numero di giri in aria rispetto al blocco cilindri. Ciò dava una grande efficienza dell'elica, ma anche grandi diametri dell'elica, quindi gli aeroplani con quei motori avevano bisogno di un carrello di atterraggio alto. Di seguito un'immagine di un Roland D XVI con un motore rotativo controrotante Siemens & Halske III del 1918 ( fonte). Questo era un eccellente aereo da caccia per il suo tempo con quasi nessun accoppiamento giroscopico.

Roland D XVI

Oggi, gli aerei ad elica ad alta potenza tendono a utilizzare motori identici ma destrorsi e mancini riduttori in modo che le eliche funzionino in entrambe le direzioni. Questo è meno dovuto agli effetti del giroscopio e principalmente per produrre caratteristiche di stallo benigne. Il lavaggio dell'elica di un'elica aumenta l'angolo di attacco locale sull'ala da un lato e lo diminuisce sull'altro lato, quindi l'ala si fermerà per prima sul lato con un angolo di attacco maggiore. Se questo lato è sempre a destra delle eliche, l'aereo rotolerà a destra in stallo. Nel periodo della seconda guerra mondiale, un certo numero di aeromobili plurimotore utilizzavano motori che giravano a sinistra ea destra per annullare il lavaggio dell'elica.

Con i getti, le inerzie rotanti sono molto più piccole perché i diametri sono più piccoli. Ma c'è un'eccezione: il motore Bristol-Siddeley Pegasus dei jet Kestrel, Harrier e AV-8B deve avere la bobina a bassa pressione in direzione opposta alla bobina ad alta pressione per bilanciare il suo giroscopio effetti. Se così non fosse, un movimento di imbardata produrrebbe un movimento di beccheggio e viceversa. Quando ti siedi su un jet, la cui spinta è equivalente al tuo peso, inclinare questo jet solo leggermente in avanti o indietro produrrà un rapido spostamento della tua posizione, quindi qualsiasi manovra in hover diventerà estremamente difficile.

USMC AV-8B Harrier in hover

USMC AV-8B Harrier in hover (immagine fonte)

Bel pezzo di prospettiva storica e complimenti extra per aver discusso del mestiere di vtol.
#2
+31
xpda
2014-01-08 07:24:13 UTC
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I motori degli aerei di linea girano nella stessa direzione. La coppia non è un problema tanto sui jet quanto sulle eliche.

Molti aerei a elica multipla hanno eliche che girano in direzioni opposte. Nei motori a turbina questo può essere fatto in un cambio per consentire di utilizzare lo stesso motore su entrambi i lati.

Alcuni motori a turbina, come il PT6, hanno due turbine che girano in direzioni opposte, ma l'attrito dell'elica produce una coppia aggiuntiva in una direzione.

Gli aerei monomotore a volte hanno il motore montato con una leggera angolazione per ridurre l'effetto del lavaggio dell'elica (e forse della coppia?). Il lavaggio dell'elica causa uno squilibrio a bassa velocità e alta potenza quando la pala discendente tende a spingere l'aria verso il basso sopra l'ala su quel lato, e viceversa per la pala ascendente.

Immediatamente dopo il decollo, il timone di un l'aereo monomotore è normalmente depresso, in una certa misura, per compensare la coppia irregolare e il lavaggio dell'elica. Questa operazione può essere eseguita manualmente, con le impostazioni dell'assetto o con entrambe.

A velocità più elevate, l'effetto della coppia dell'elica non è così evidente perché le ali sono tenute "più saldamente" dal flusso d'aria.

Grazie per la spiegazione estesa. "La coppia non è tanto un problema sui jet quanto sulle eliche" ... è dovuto alla maggiore massa (nel caso di un aereo di linea) su cui agisce la coppia?
Bella risposta! Mi piace nemmeno correggerti, ma forse a un certo punto renderlo più semplice. Alla fine hai scritto che l'effetto non è evidente, o meno evidente a velocità più elevate. Questo è semplicemente perché l'aereo si trova nella sua gamma di velocità ottimale progettata per cui è costruito e regolato. Vedi ad esempio i flap fissi fissati in aggiunta al timone: queste modifiche vengono normalmente apportate durante i test di volo quando notano che il loro design non è come si aspettavano;)
Penso che sia una questione di attrito rotazionale dell'aria piuttosto che di massa. La massa sarebbe importante solo durante l'accelerazione. Le pale dell'elica hanno un raggio maggiore (per dimensione dell'aereo), quindi più coppia dall'aria per una data potenza. Inoltre, dietro le ventole del compressore di un getto sono presenti delle palette per raddrizzare il flusso d'aria longitudinalmente, facendo uscire l'aria dal getto con una rotazione minore. Ciò ridurrebbe la coppia dall'aria.
Buon punto, @falk.
Falk, c'è un altro fattore al lavoro qui. Quando le velocità sono basse, l'aereo dell'elica ha un angolo di coperta alto (angolo tra la direzione di volo e il pavimento dell'aereo. In altre parole, sta volando in alto. Quando questo è vero, la pala discendente ha un angolo significativamente più alto di attacco rispetto alla pala ascendente. Pertanto la pala discendente produce più spinta. Questo tende a ruotare il muso dell'aereo a sinistra (nella maggior parte degli aerei) richiedendo il timone destro per mantenere il volo rettilineo. Con l'aumentare della velocità e l'angolo del ponte diminuisce entrambi i lati della trazione dell'elica continuarono in modo uniforme
in modo che la pressione sul pedale del timone possa essere allentata.
#3
+11
Falk
2014-01-08 10:42:52 UTC
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Diamo una risposta breve e scattante riguardo ai jet: è tutta una questione di efficienza.

Se una parte di un motore è danneggiata, molto probabilmente il motore verrà sostituito e riparato mentre l'aereo sta volando con un altro motore. Un motore che gira in senso orario e un motore che gira in senso antiorario sono due motori diversi. Facciamo ora alcune semplici economie: è più efficiente avere un solo motore in più che puoi usare indipendentemente dal motore guasto o se hai bisogno di un motore in più per ogni lato? Chiaramente la soluzione di manutenzione più economica è garantire che entrambi i getti, indipendentemente dal lato della cellula a cui si attaccano, siano identici e quindi intercambiabili.

Parlando come qualcuno che non è uno scienziato, l'effetto coppia nei motori a reazione in effetti è trascurabile.

Che ne dici di oggetti di scena? Il fattore più importante che influenza le eliche è che una pala ascendente fornisce meno portanza (in avanti) rispetto alla pala discendente. Se ora scegli due motori che girano entrambi nella stessa direzione e li attacchi alle ali di un aereo, un lato ha la lama discendente fuoribordo e dall'altro lato sarà entrobordo - ora hai un motore critico. Se il motore in cui la lama discendente è entrobordo (motore critico) si guasta, si crea un'imbardata maggiore rispetto a quando si guasta l'altro motore. Ora è necessario valutare se la sicurezza e il design strutturale consentono di avere due motori che girano nella stessa direzione.

Uffa. Puoi rivisitare il tuo secondo paragrafo? Intendi davvero dire che un jet verrà sostituito "durante il volo?"
Bene, questo sarebbe un lavoro di manutenzione incredibilmente buono, ma probabilmente non gestibile. Penso che tutti possano capire quello che volevo dire, ma se hai qualche parola migliore per descriverlo, sentiti libero di modificare la mia risposta.
#4
+1
Jeff Fichten
2016-01-07 02:46:09 UTC
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Motori a turbina della stessa famiglia, ruotano tutti nella stessa direzione. Immagina di dover costruire un motore a turbina con rotazione opposta. Il costo sarebbe esagerato. Le compagnie aeree farebbero l'inventario dei ricambi doppi per i motori.



Questa domanda e risposta è stata tradotta automaticamente dalla lingua inglese. Il contenuto originale è disponibile su stackexchange, che ringraziamo per la licenza cc by-sa 3.0 con cui è distribuito.
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