Thrust ve Torque
Uçaklarda kullanılan pervaneler, uçuş sırasında hem itki kuvveti (thrust) hem de döndürme momenti (torque) üretir. Bu kuvvetler, pervanenin aerodinamik tasarımı ve hareket dinamikleri sonucu ortaya çıkar. Pervane üzerinde oluşan aerodinamik kuvvetleri anlamak, uçuş performansı ve verimlilik açısından kritik öneme sahiptir.
Pervane ve Kanat Profili Arasındaki Benzerlikler
Bir pervane kanadı (pal), kanat profiline benzer bir yapıya sahiptir ve belirli bir hücum açısıyla (Angle of Attack – AoA) hava içinde ilerler. Tıpkı kanatlarda olduğu gibi, pervane üzerinde de basınç farkı oluşur. Pervanenin ön kısmında düşük basınçlı bir bölge meydana gelirken, arka kısmında yüksek basınç oluşur. Bu basınç farkı, pervaneyi ileri doğru iten itki kuvveti (thrust) olarak adlandırılan toplam reaksiyon kuvvetini meydana getirir.
Aynı zamanda, pervanenin dönmesi sonucu bir dönme momenti oluşur. Bu moment, motorun ürettiği torka karşılık gelen bir reaksiyondur ve uçuş sırasında dengeyi sağlamak için kritik bir rol oynar.
Pervane Üzerindeki Kuvvetlerin Bileşenleri
Pervane üzerindeki aerodinamik kuvvetler, dönüş düzlemine göre iki ana bileşene ayrılır:
· Thrust (itki kuvveti): Dönüş düzlemine dik olan bileşendir ve uçağı ileri doğru hareket ettirir.
· Torque (tork kuvveti): Dönüş düzlemine paralel olan bileşendir ve pervanenin dönüşüne karşılık gelen reaksiyon momentini oluşturur.
Pervane üzerindeki bu kuvvetler, paller boyunca homojen bir şekilde dağılmaz. Pervanenin kök kısmında (hub), dönme hızı düşük olduğu için kuvvetler daha az etkilidir. Ancak uç kısımlara doğru gidildikçe, hız ve dolayısıyla aerodinamik kuvvetler artar. Bu farklılıkları dengelemek için pervane kanatları genellikle burkulmuş bir yapıda tasarlanır.
Hücum Açısı ve Verimlilik
Pervanenin belirli bir kısmı, genellikle pal uzunluğunun %60 ila %90’ı arasında kalan bölge, en yüksek verimlilikle thrust üretir. Pervane üzerindeki hücum açısı (angle of attack), dönme hızı (RPM) ve uçağın ileri hızına (true airspeed) bağlı olarak değişir.
· RPM artışı: Hücum açısını artırır ve bu da daha fazla lift (kaldırma kuvveti) ve thrust üretir.
· İleri hız artışı: Hücum açısını azaltır, böylece thrust üretimi azalır.
Bu ilişkiler, pervane verimliliğinin (propeller efficiency) optimize edilmesi açısından önemlidir.
Pervanenin Yapısal Kuvvetleri
Dönme hareketi sırasında pervanede üç ana kuvvet etkili olur:
1. Santrifüj Kuvveti (Centrifugal Force): Pervane kanatlarını göbekten dışa doğru savuran kuvvettir. Bu kuvvet, pervanenin yapısal dayanımını sınar ve özellikle uç kısımlarda yüksek gerilimlere neden olur.
2. Burkulma Kuvveti (Twisting Force): Pervane üzerindeki basınç merkezinin hareketi sonucu ortaya çıkar. Bu kuvvet, pervaneyi burulma ekseni etrafında döndürme eğilimi yaratır ve pal tasarımında dikkate alınır.
3. Eğilme Kuvveti (Bending Force): İtki ve tork kuvvetlerinin birleşik etkisiyle, pervane kanatlarının öne doğru bükülmesine yol açar. Bu durum, özellikle yüksek hız ve yük altında daha belirgin hale gelir.
Pervane Performans Verimliliği
Pervane verimliliği, üretilen thrust gücü ile motordan gelen güç arasındaki oran olarak ifade edilir. Sabit hatveli bir pervanede verimlilik, belli bir hız aralığında maksimum seviyeye ulaşır. Ancak uçak hızının veya RPM’in artmasıyla birlikte, verimlilik bir noktadan sonra düşmeye başlar. Bu durum, uçuş rejimine göre pervane seçiminin önemini ortaya koyar.
Sabit Hatveli ve Ayarlanabilir Pervanelerin Verimliliği
Pervane verimliliği, pervanenin ürettiği itki gücünün (thrust power) motordan alınan güç (engine power) ile karşılaştırılması sonucu belirlenir. Bu oran, pervane tasarımının ve uçuş koşullarının uygunluğunu ölçen önemli bir metriktir.
Sabit Hatveli Pervaneler: Sabit hatveli pervaneler, hücum açısının uçuş boyunca değiştirilemediği pervanelerdir. Bu tür pervaneler, belirli bir hız ve irtifa aralığında optimum performans sağlamak üzere tasarlanır. Ancak, hız ve irtifa koşulları değiştiğinde verimlilik düşebilir. Örneğin:
· Düşük hızda (kalkış sırasında): Hücum açısı genellikle optimumun altında olur ve thrust üretilir.
· Yüksek hızda (seyir uçuşu sırasında): Sabit hücum açısı aşırı büyük hale gelir, bu da daha düşük verimlilikle sonuçlanır.
Ayarlanabilir Hatveli Pervaneler: Ayarlanabilir veya değişken hatveli pervaneler, hücum açısını uçuş koşullarına göre değiştirme imkânı sunar. Bu sayede:
· Kalkış sırasında: Daha düşük bir hücum açısıyla maksimum thrust elde edilir.
· Seyir uçuşunda: Hücum açısı artırılarak itki gücü ve yakıt ekonomisi optimize edilir.
Bu tür pervaneler, geniş bir hız aralığında yüksek verimlilik sağladığından modern uçaklarda sıkça tercih edilir. Örneğin, turboprop motorlarda kullanılan kontrollü hatveli pervaneler (Constant Speed Propellers), pilotun veya otomatik sistemlerin RPM’yi sabit tutmasını ve böylece motorun optimum performansta çalışmasını sağlar.
İdeal ve Gerçek Verimlilik
· İdeal verimlilik: Pervanenin tüm enerjiyi itki gücüne dönüştürdüğünü varsayar (%100 verimlilik).
· Gerçek verimlilik: Sürtünme, hava akışı bozulmaları ve pervane kanadı kayıpları gibi faktörler nedeniyle genellikle %70–85 arasında değişir.
Pervane Üzerindeki Merkezkaç ve Burulma Kuvvetleri
Merkezkaç Kuvvetlerin Pervane Tasarımı Üzerindeki Etkisi:
Merkezkaç kuvveti, dönme hareketi sırasında pervane kanatlarını dışarı doğru iten kuvvettir. Pervane dönerken, her pal dönme eksenine göre belirli bir açısal hızda hareket eder. Bu hareket, merkezkaç kuvvetlerinin (centrifugal forces) ortaya çıkmasına neden olur.
Tasarım Üzerindeki Etkiler:
· Merkezkaç kuvveti, pervanenin yapısal dayanımını sınar. Özellikle büyük çaplı pervanelerde, uç kısımlardaki kuvvetler çok yüksek olabilir.
· Bu kuvvetlere dayanabilmesi için pervaneler hafif ama dayanıklı malzemelerden yapılır (ör. kompozit malzemeler, alüminyum alaşımları).
· Dinamik dengeleme: Merkezkaç kuvvetlerin düzgün dağılmasını sağlamak için pervaneler dikkatle dengelenir.
Tasarım Üzerindeki Etkiler:
Burulma kuvvetleri (twisting forces), pervane pallerinin aerodinamik ve mekanik yüklenmelere karşı gösterdiği tepkiden kaynaklanır.
Burulma Kuvvetlerinin Kaynağı:
· Aerodinamik kuvvetlerin bileşenleri (itki ve tork) pervaneyi burma eğilimi gösterir. Özellikle, basınç merkezinin (center of pressure) pervane eksenine olan uzaklığı bu kuvveti etkiler.
· Motor torku, pervane dönerken dönme eksenine paralel bir burulma momenti oluşturur.
Etkileri:
1. Yapısal Gerilimler:
o Burulma kuvveti, pervane gövdesinde ve pallerinde gerilim oluşturur. Bu gerilimler, pallerin dayanıklılığına zarar verebilir ve malzeme yorulmasına neden olabilir.
o Bu tür sorunları önlemek için pervane tasarımında esneklik ve rijitlik dengesi sağlanır.
2. Pal Açılarını Değiştirme Eğilimi:
o Burulma kuvveti, sabit hatveli pervanelerde hücum açısını etkileyebilir ve verimlilik kaybına yol açabilir.
o Ayarlanabilir pervanelerde ise burulma kuvvetleri, hidrolik veya elektrikli mekanizmalar tarafından kontrol edilir.
Tasarım Çözümleri:
· Burulmaya dayanıklı malzemeler: Hafif ama yüksek gerilim dayanımına sahip karbon fiber veya titanyum alaşımları tercih edilir.
· Burkulma geometrisi: Palin kök kısmı daha kalın, uç kısmı ise daha ince tasarlanır. Bu sayede burulma kuvvetleri homojen bir şekilde dağılır.
Sonuç
Pervane üzerindeki aerodinamik kuvvetlerin anlaşılması, uçuş performansının artırılması ve motor-verimlilik ilişkilerinin optimize edilmesi açısından önemlidir. Dönme hızları, hücum açıları ve yapısal kuvvetlerin bir arada değerlendirilmesi, hem tasarım hem de operasyon süreçlerinde dikkate alınmalıdır.
Bu konular, hem teorik bilgi hem de pratik uygulamaları içeren kapsamlı bir yaklaşım gerektirir. Havacılıkta ilerleyen teknolojiyle birlikte, pervane tasarımında kullanılan malzeme ve aerodinamik prensiplerin daha da gelişeceği öngörülmektedir.
Vasıf Yüceliş
E.Hv.Albay
Antalya Bilim Üniversitesi ATPL Dersleri Öğretmeni
