پیش‌ران
پیش‌ران وسیله‌ای است که برای تبدیل نیروی مکانیکی به نیروی رانش در هواگردها و کشتی‌ها استفاده می‌شود. به پیش‌ران هواگردها ملخ و به پیش‌ران شناورها پروانه گفته می‌شود.
نیروی رانش لازم از راه به حرکت درآوردن هوا یا آب فراهم می‌شود. یک ملخ از دو یا چند تیغهٔ تاب‌خورده تشکیل می‌شود. وقتی ملخ حول محور خود می‌چرخد، برآر تولید شده توسط این تیغه‌ها در جهت افقی باعث حرکت هواگرد می‌شود.
ملخ‌ها در سامانه‌های پیشرفته، وظیفهٔ تبدیل قدرت چرخشی میل‌لنگ موتور (در موتورهای پیستونی) را به نیروی پیشرانه دارند. این نیرو برابر است با حاصل ضرب جرم هوای به عقب رانده شده به وسیله ملخ در ثانیه و سرعتی که به این جریان هوا داده می‌شود. چنانچه فردی در هنگام سکون هواپیما روی زمین در عقب ملخ در حال چرخش ایستاده باشد این جریان هوا را کاملاً حس می‌نماید.
به‌طور اصولی، پره یک ملخ همانند یک بال کوچک بوده که تولید کنندهٔ نیروی آیرودینامیکی است. این نیروی آیرودینامیکی را می‌توان به یک مؤلفه نیرو در امتداد محور هواپیما (نیروی پیشرانه)، و مؤلفه دیگر در صفحهٔ پره‌های ملخ (نیروی گشتاوری) تجزیه نمود. پره ملخ از یک سری مقاطع ماهی‌واره شکل تشکیل شده که امکان دارد شکل آن از ریشه تا نوک پره تغییر نماید. ملخ نسبت به هواپیما در حال چرخش است و از این‌رو جریان نسبی عبور داده شده متشکل از مجموع بردارهای سرعت جریان آزاد هواپیما و سرعت چرخشی ملخ است. زاویه بین این سرعت نسبی و صفحهٔ چرخش ملخ به نام زاویهٔ حلزونی معروف است. برای سرعت معین یک هواپیما، این زاویهٔ حلزونی از ریشه تا نوک پره تغییر می‌نماید، زیرا مقاطع نوک ملخ سریعتر از مقاطع ریشه در حال چرخش هستند.
شناسه‌ها و عملکرد
- ملخ‌ها: وظیفه دارند قدرت چرخشی میل‌لنگ موتورهای پیستونی را به نیروی پیشرانه تبدیل کنند.
- نیروی پیشرانه: این نیرو برابر است با حاصل ضرب جرم هوای به عقب رانده شده توسط ملخ در ثانیه و سرعتی که به این جریان هوا داده می‌شود.
- پره ملخ: مشابه بال کوچکی است که تولید نیروی آیرودینامیکی می‌کند. این نیروی آیرودینامیکی به مؤلفه‌هایی تجزیه می‌شود:
- نیروی پیشرانه در امتداد محور هواپیما.
- نیروی گشتاوری در صفحه پره‌های ملخ.
- زاویه حلزونی: زاویه بین سرعت نسبی جریان هوا و صفحه چرخش ملخ است و از ریشه تا نوک پره تغییر می‌کند.
ملخ‌های هواپیما
ملخ‌های هواپیما را می‌توان به ۸ دستهٔ کلی تقسیم کرد:
- ملخ گام ثابت:
- ملخ‌های با گام قابل تنظیم زمینی:
- ویژگی: زاویهٔ گام ثابت نیست و می‌تواند تغییر کند، اما این تغییرات باید توسط ابزارهایی روی زمین انجام شود.
- ساختار: دارای قسمتی به نام هاب.
- ملخ دو مکانه:
- ویژگی: خلبان می‌تواند زاویه گام را از یک زاویه به یک زاویه دیگر در حین پرواز تغییر دهد.
- ملخ‌های با گام قابل کنترل:
- ویژگی: خلبان می‌تواند در حین پرواز یا هنگام کار انداختن موتور، گام ملخ را تغییر دهد.
- سیستم: معمولاً با سیستم هیدرولیکی.
- ملخ سرعت ثابت:
- ویژگی: ملخ با سرعت ثابت می‌گردد، زاویه حمله به گونه‌ای تغییر می‌کند که سرعت ثابت موتور حفظ گردد.
- سیستم: به وسیله سیستم‌های الکتریکی یا هیدرولیکی.
- ملخ‌های پر زن:
- ویژگی: پره‌ها به صورتی می‌چرخند که لبهٔ حملهٔ مقاطع ماهی‌واره در امتداد جریان هوای آزاد قرار می‌گیرد.
- کاربرد: در حالت سکون برای کاهش صدمه به موتور و پسای ملخ‌ها.
- ملخ‌های گام معکوس:
- ویژگی: گام معکوس دارند که به عنوان ترمزهای فرود استفاده می‌شوند.
- عملکرد: با چرخش پره به سمت زوایای حمله منفی، نیروی پیشرانهٔ منفی ایجاد می‌گردد.
- ملخ‌های کنترل بتا:
- ویژگی: تغییر دستی زاویه حمله وجود دارد.
- کاربرد: در جاهایی که نیاز به کنترل دستی نیروی تراست می‌باشد.
دسته‌بندی دیگر
- ملخ‌های پوشر:
- نصب: در انتهای موتور.
- عملکرد: تراست تولید شدهٔ آن هواپیما را به جلو هل می‌دهد.
- ملخ‌های تراکتوری:
- نصب: در جلوی هواپیما.
- عملکرد: هواپیما را با خود می‌کشد.
پره‌های برآزا (روتورهای بالگرد)
- ویژگی: وسیله‌ای برای تولید نیروی برا در بالگردان.
- ساختار: پره‌های روتور دارای شکل ماهی‌واره، بلند و کشیده با نسبت منظری زیاد.
- کاربرد: تعداد پره‌ها بستگی به عوامل طراحی دارد. برای بالگردان‌های سنگین پره‌های بیشتری استفاده می‌شود تا نسبت بارگذاری روی هر یک از پره‌ها کاهش یابد.
پروانه کشتی
پروانه وسیله‌ای است که برای پیش‌رانش شناورها استفاده می‌شود و معمولاً به شکل یک چرخ‌پره است. پروانه به توانی که برای رانش شناور به آن منتقل می‌شود، توان پروانه گفته می‌شود. این توان برابر است با توان محور چرخ‌دنده منهای انرژی تلف‌شده در مسیر انتقال. آشفتگی‌ای که بر اثر حرکت پروانه در پشت شناور در آب ایجاد می‌شود، ردّ پروانه نام دارد. نسبت سطح گستردهٔ تیغه‌های پروانه به سطح پروانه نیز نسبت مساحت پروانه نامیده می‌شود.
ساختار پروانه کشتی
- توپی: بخش مرکزی سازهٔ پروانه که تیغه‌های پروانه به آن متصل است.
- تیغهٔ پروانه: هر یک از پره‌هایی که به توپی پروانه متصل هستند.
- میل پروانه: بخش انتهایی محور انتقال نیرو از موتور که پروانه به آن متصل است.
- مهرهٔ پروانه: مهرهٔ بزرگی که پروانه را بر روی میل پروانه مهار می‌کند.
- کلاهک پروانه: سرپوشی مخروطی که برای تسهیل جریان آب در اطراف پروانه بر روی مهرهٔ پروانه بسته می‌شود.
- آستینهٔ پروانه: بخشی متشکل از دو نیم‌مخروط که به‌عنوان کلاهک پروانه استفاده می‌شود و باعث تسهیل حرکت آب در اطراف پروانه می‌شود.
- قاب پروانه: چارچوبی که دربرگیرندهٔ جایگاه سکان و طاقی پروانه و جایگاه پروانه و پاشنهٔ چرخشی سکان (sole piece) است.
- طاقی پروانه: بخش قوسی‌شکل و فوقانی قاب سکان که بالای فضای پروانه است.
- حفاظ پروانه: شبکه‌ای از لوله‌ها که حریمی گرداگرد پروانه ایجاد می‌کند تا از برخورد پروانه با سازه‌های زیرآبی، ازجمله دیواره‌های اسکله، جلوگیری کند.
- جایگاه پروانه: بخش پیشین قاب سکان است که محور پروانه از آن عبور می‌کند و پروانه بر روی آن نصب می‌شود.
گونه‌های پروانه شناورها
- پروانه آسیابی: نوعی پروانه خاص برای شناورهای رودخانه‌های کم‌عمق که تیغه‌های آن مانند پره‌های آسیاب آبی است و معمولاً تنها تا ۴۰ درصد قطر آن در آب فرومی‌رود.
- پروانه تونلی: پروانه‌ای که در داخل تونلی فلزی تعبیه و طراحی می‌شود.
- پروانه چندتکه: پروانه‌ای که تیغه‌های آن جداگانه ساخته شده‌اند و هر تیغه با برهون (flange) حلقوی خاص خود به توپی پروانه متصل می‌شود.
- پروانه دربند: پروانه‌ای که طناب یا سیم یا تور به دور آن تابیده و چرخش آن با اختلال همراه است.
- پروانه دستی: نوعی پروانه که با دست به چرخش در می‌آید.
- پروانه ماهیوار: پروانه‌ای که در ساخت آن علاوه بر رعایت اصول هندسی، اصول آئرودینامیکی نیز رعایت می‌شود.
- پروانه یکپارچه: پروانه‌ای که توپی و تیغه‌های آن به‌صورت یکپارچه ریخته و ساخته می‌شوند.
- پروانه حفاظ‌دار: پروانه‌ای که پیرامون آن حفاظی استوانه‌ای تعبیه شده‌است تا از آسیب‌دیدگی تیغه‌های پروانه جلوگیری شود و بازده پروانه نیز افزایش یابد.
- پروانه سُرش‌ثابت (unislip): پروانه‌ای که تابیدگی آن از انتهای تیغه‌ها تا نقطهٔ مشخصی در سطح آنها افزایش می‌یابد و از آن نقطه تا نوک تیغه‌ها کاهش می‌یابد.
- پروانه راست‌گرد: پروانه‌ای که طراحی آن به گونه‌ای است که برای حرکت شناور به‌سمت جلو به‌سمت راست می‌گردد.
- پروانه چپ‌گرد: پروانه‌ای که طراحی آن به گونه‌ای است که برای حرکت شناور به‌سمت جلو به‌سمت چپ می‌گردد.