これまで何度かお話ししてきたプロペラ。これまでの記事は以下をご参照お願いします。
さて、プロペラというのは、なかなか妙味のある装置です。
そのエッセンスは、揚力発生の装置であり、基本は主翼と同じものとなります。
でも、主翼が飛行機の針路に従い、ほとんど直線運動をするのに対し、プロペラはプロペラ軸を中心に回転運動をするという恐るべき特性があります。
何が恐るべきかというと、「プロペラの根元と先端で速度が違ってしまう」のです。
長さ1メートルで、60rpmすなわち1分間に60回回転するプロペラがあったとすると、この場合1秒間に1回転となりますが、プロペラの根元も先端も1秒間に1回転します。
この場合、プロペラ軸の中心から10センチの位置にあるプロペラの根元が回る距離はπX（半径X半径）すなわち3,14X2=6.28センチであるのに対し、プロペラの先端は3.14X200＝628センチですから、根元と先端では100倍の速度差が生じることになります。
https://www.hikouki-pilot.com/prop-twist-reason/
揚力は速度と正比例しますから、先端がいい具合に揚力を生んでいるとき、根元は全然揚力ないじゃん、となります。
それじゃもったいないよねー、なんとか根元も揚力生むようにしたいね、ということで、プロペラには「ねじり」が入れられています。
https://www.hikouki-pilot.com/prop-twist-reason/
つまり、根元に行くに従いAOA（迎え角）を大きくして低速でも揚力を生むようにねじった構造になっているのです。
ちなみに、プロペラの先端速度が音速近くになると衝撃波が発生してたちまち効率が落ちちゃうので、プロペラの回転速度はプロぺラの長さによって制限され（逆もまた真）、そこそこの長さと回転数を設定することが重要である。
プロペラ機で最も究極まで行った第2次大戦の戦闘機では、零戦で1850rpm。比較してプロペラが短いきょうびのセスナでは2700rpmくらい。扇風機の回転数が「強」で1600rpmくらいなので、零戦と扇風機はだいたい同じななーというのがわかります。
扇風機https://www.rafuju.jp/products/detail.php?product_id=781439
さて、長さと回転数がだいたい決まってきたところで、この制約の中で最も大きな揚力すなわち推力を出すことが要求され。
初期のプロペラは、鳥の羽根というか縦長に引き延ばしたうちわみたいだったが、そのうち洗練され。
根元については、揚力というより強度が重要ということで、断面もほとんど円形となり。
そこからひゅっと羽のように伸び、全長の真ん中くらいまでは広い翼面上に、そこから先端にかけてはテーパーというが細くなっていく感じのペラが基本形となりました。
零戦のプロペラなんてまさにこれですよねー
零戦のプロペラ。http://goma-chan.com/odekake/1000aircraft/a999.html
エンジンパワーが強化され、かつ機体も重くなってゆくと、重くて大きな機体を引っ張る力のあるプロペラが工夫され。先端速度の関係から長さは限られるので、枚数を増やすとか、トルクの大きい形状が考案された。
典型的なのがP3Cのプロペラ。
https://rightwing.sakura.ne.jp/equipment/jmsdf/aviation/p-3c/p-3c.html
四角く、平べったいうちわ型ですが、これが長時間低速で哨戒飛行をするために最適らしい。
YS11の場合、平べったいが細長く、速力を重視していることがうかがえます。ただこプロペラの形状だと離陸時のトルクが出なかったらしく、YS乗りの間では上昇力のなさが泣き所とみられていたらしい。
https://news.livedoor.com/article/detail/19114721/
一方、根元でも揚力を出そうよ、ということで、カフスというフェアリングをつけたプロペラも散見されるようになりました。
B29爆撃機の例 https://www.flickr.com/photos/wbaiv/39105497831
この場合、エンジンによっては湯力というよりエンジン冷却ファンとしての役割もあったらしい。いずれにせよ、カフスはものすごい空気抵抗となるので、そんなの気にせず回せる大馬力エンジンでないと。。ということで日本では発達せず、アメリカ、イギリスの飛行機に多く見られます。
エンジンパワーが大きくなると、プロペラ後流やカウンタートルクつまりプロペラ軸のの回転と反対に機体が回ろうとする力も大きくなってしまい。離陸時のようにフルパワーかつ低速で舵が効かない、というような場合に飛行機をまっすぐ滑走路上に保つことが困難になってしまいました。
じゃあ、回転しているプロペラの後ろに、もう一列逆回転するプロペラをつけたらどうよ、ということで二重反転プロペラというのが生まれ。
An70輸送機の二重反転プロペラ
https://ja.wikipedia.org/wiki/2%E9%87%8D%E5%8F%8D%E8%BB%A2%E3%83%97%E3%83%AD%E3%83%9A%E3%83%A9
でも、Wikipediaいわく「プロペラ軸を正逆2方向に回転させる必要があり、それぞれ回転方向の異なるエンジンを各1基搭載するか、さもなくば変速機に逆転機を内蔵して2方向の回転軸を取り出さなければならない。しかも、そのいずれにおいても中空軸の内部に逆回転する別の軸を貫通させる必要がある。このため、軸受や軸そのものについて高い工作精度（2軸が互いに逆回転し、相対回転速度が2倍になるため、2軸の軸心を一致させないと猛烈な振動が発生する）と耐久性（前述の振動に耐える事が必要）が求められた。また、逆転機を内蔵した変速機は、通常の2倍近い数の歯車を組み込んだ極めて複雑な歯車装置となるため、その内部の整備性は通常のものに比して大幅に低下する。しかも大出力による大トルクに耐えるため、機構的な必然から重量が増大するというデメリットが存在する」ので、ソ連などを除いてあまり実用化されませんでした。
要すれば、大速力の欲しい機種は当時から発達してきたジェット機に置き換わっていったので、無理に二重反転プロペラにこだわる必要ないじゃん、ということだったらしい。
こだわる必要があったのはソ連で、初期のジェットエンジンはとにかく燃費が悪く。広大なソ連領をまたいで西側まで核爆弾を運んで行ける爆撃機が必要だが、ジェット機では途中でガス欠です、ということで、血道をあげてジェット機並みのスピードが出せるプロペラ機を開発したら、二重反転式の「ベア」になったということらしい。
パブリックドメイン
ベアには、なかなかかっこいい旅客機版の「TU114」もある。
ギアの長さに注目 https://jp.rbth.com/science/85287-tu-114-soren-hikouki-no-rekishi
なお、ソ連の旅客機は、機首が爆撃機みたいにガラス張りなのが多かったが、これは別に爆撃機に改修しようというのではなく、レーダー網が整っていないというか、広大すぎて整えられなかったソ連において、機首に航法手が座って、眼下の地形と地図をにらめっこしてナビゲートしていたらしい。
「あ、10時下方のラーメン屋でラーメン食ってる小池さんが見えてきた、もうすぐ東京だ」みたいな感じ。
小池さん https://www.pinterest.jp/pin/213639576064142945/
脱線から戻り。
プロペラブレードの形状ですが、隼とかの美しい直線・曲線のプロペラから、うちわエビみたいなP3Cのブレード、青龍刀みたいなのが二重反転になっている、極めつけのアントノフAn70とか、最近は形而上絵画の斜め上を行くようなのが多数生まれています。最新の流体力学を応用したらこうなるのですかねー
隼 https://minkara.carview.co.jp/userid/2109043/blog/41804693/
P3C https://www.midwaysailor.com/photos/p3orion.html
ぞうりエビ https://foodslink.jp/syokuzaihyakka/syun/fish/%E3%82%BE%E3%82%A6%E3%83%AA%E3%82%A8%E3%83%93.htm
最後に、ぼくが乗っている軽飛行機のプロペラです。これは性能というよりは手軽な生産性を狙ったシンプルなデザインですが、なかなか世界中で愛されているWarp Drive3枚プロペラです。複合素材だったか？とにかくプロペラにとって重要な堅牢性に秀でており、格納庫で飛行機を動かす際は、このプロペラの根元を持って押したりすることが多いです。
ではでは
ブログ作成者から承認されるまでコメントは反映されません。