固定ピッチと定速可変ピッチプロペラ

基礎知識

本レッスンでは、固定ピッチと定速可変ピッチプロペラに関連する要素を紹介します。プロペラは、ハブによって固定された回転翼です。これは翼を前方へ向けたようなもので、航空機を空中で「推進」させるために必要な推力を提供します。これは、あらゆる翼に適用される空気力学の原則に従います。プロペラがどのように機能するか、ならびに各制御入力が飛行機に与える影響を理解することで、操縦士はより熟練した技量を持つことができ、飛行機の制御方法をよりよく理解できます。

概要

複数の動力方式が使用されている

• 牽引式（Pull-type）：Piper Cherokeeなど
• 推進式（Push-type）：Rutan Model 61 Long-EZなど
• 推進牽引式（Push-pull type）：Cessna Skymasterなど

生み出される推力量は以下の要素に依存する

• 翼型の形状
• プロペラブレードの迎角（AoA）
• エンジンの1分あたりの回転数（RPM）

プロペラの空気力学

回転するプロペラ

• ブレード（プロペラの一枚翼型）が回転すると、ブレードの長尺側におけるさまざまな部分には速度の違いが生じる
  • ブレードの先端は、同じ時間内に根元のハブ側よりも長い距離を移動するため、回転速度は速くなる
  • プロペラ自体が空力的に捻りを加えられている設計のため、ブレードの角度がハブから先端にかけて徐々に変化する

​

取り付け角

• 速度に対応するようにハブから先端への取付角（ピッチ）を変更すると、ブレードの長さ全体で均一な揚力が得られる
  • 最大取付角（最高ピッチ）は根元のハブにあり、最小取付角（最小ピッチ）は先端である
    • 全長にわたって同じ取付角で設計されたプロペラブレードは、飛行中の対気速度が増加すると、ブレードの先端が失速してしまう一方で、ハブの近くの部分が負の迎角になるため非効率的である

プロペラの種類

• 固定ピッチプロペラ
• 定速可変ピッチプロペラ

固定ピッチプロペラ​

• メーカーが設定した固定のブレード角度で設計されている
• ブレード角度は変更できない

利便性

• 軽量
• シンプルさ
• 低コスト

二種類の固定ピッチプロペラ

• クライムプロペラ
  • ピッチ角度が低く、抗力が少ない
    • 抗力が少ないほど、RPMが高くなり、馬力が向上する。離陸および上昇中のパフォーマンスは向上するが、巡航飛行中のパフォーマンスは低下する
• クルーズプロペラ
  • ピッチ角度が高いため、抗力が多い
    • 抗力が増えると、RPMが低下し、馬力が低下する。これにより、離陸や上昇中のパフォーマンスは低下するが、巡航飛行中の効率は向上する
    • 固定ピッチプロペラは、対気速度とRPMの特定の組み合わせでのみ最高の効率を達成するため、ピッチ設定は巡航にも上昇にも理想的とは言えず、2つの間での妥協点となる設定が必要である
    • プロペラは通常、シャフトに取り付けられている。シャフトは、エンジンのクランクシャフトの延長である場合がある
    • この場合、プロペラのRPMはクランクシャフトのRPMと同じになる
    • 一部のエンジンでは、プロペラはエンジンのクランクシャフトに連動するシャフトに取り付けられている
      • このタイプでは、プロペラのRPMはエンジンのRPMとは異なる

タコメーター

• 固定ピッチプロペラでは、タコメーターはエンジン出力の指標となる​
• エンジンとプロペラの回転数はRPM（Revolutuion Per Minutes）によって示され、数百RPM程度の範囲で調整する
  • RPMは、エンジンへの燃料/空気の流れを制御するスロットルによって調整される
• 特定の高度において、タコメーターの読み取り値が高いほど、エンジンの出力が高いと読み取れる
  • 高度が変化すると、空気密度の変化（より高い/より低い密度高度）によるエンジン出力の低下により、同じRPMを維持するためにスロットルの位置を変更する必要がある
  • 高度が上昇した際、スロットルをさらに開けて、低高度時と同じRPMを示す必要がある
  • 高度が下降した際、高高度時と同じRPMを示すためにスロットルをさらに絞る必要がある
• タコメーターの赤い線は、最大許容回転数を示すだけでなく、 また、エンジンの定格馬力を得るためのRPM表示に必要である
  • タコメーターの緑色の円弧（グリーンアーク）は、通常の動作範囲を示す
  • この範囲で出力させると、エンジンがプロペラを駆動する
  • しかし、グリーンアーク未満の出力設定では、通常、エンジンに始動の力を供給するのは（風またはモーターによって回転させられた）プロペラによる風車動作である
  • グリーンアーク未満の出力設定における長時間の動作は、エンジン構造にとって有害である可能性がある

定速可変ピッチプロペラ​

• 変動する空気負荷にもかかわらず、一定のRPMを維持するガバナー機構のおかげで、ブレード角度が飛行中に自動的に変化する制御可能な可変ピッチプロペラのこと
• 最も一般的なタイプの可変ピッチプロペラ
  • 他にも可変ピッチまたはピッチ制御可能なプロペラと呼ばれることもある
• 飛行の段階に応じて、オイルと窒素の圧力を使用してプロペラのピッチ角を制御する

利便性　

• 広範囲のRPMと対気速度の組み合わせで、ブレーキ馬力（BHP）を推力馬力（THP）へ効率的に変換する
• 他のプロペラよりも効率的
  • 指定された条件で最も効率的なエンジンRPMを選択できる
• 定速可変ピッチプロペラを備えた航空機には、2つのコントロールがある

スロットルレバー

• 出力を制御し、プロペラ制御がエンジン回転数を調整する（タコメーターに登録されています）
  • 特定のRPMが選択されると、ガバナーは選択されたRPMを維持するために必要に応じてプロペラブレードの角度を自動的に調整する
    • たとえば、巡航飛行中に望ましいRPMを設定した後、対気速度の増加またはプロペラ負荷の減少が起きる際、プロペラブレードは選択されたRPMを維持するために必要に応じてブレード角度を調節する

プロペラレバー

• プロペラレバーはプロペラブレードのピッチ角度を制御する​
  • これは、マニホールドゲージの圧力として表示される
    • ゲージは、吸気マニホールド内の燃料/空気混合物の絶対圧力を測定し、より正確にはマニホールド絶対圧力（MAP）の測定値を示す
  • プロペラブレードの角度が一定速度の範囲内であり、どちらのピッチストップにも反していない場合、一定のエンジンRPMが維持される
• プロペラブレードがピッチストップに接触すると、移動する余地がなくなるため、対気速度とプロペラの負荷が変化し、エンジンのRPMが適切に増減する
  • たとえば、特定のRPMが選択されると、機体の速度が低下してプロペラブレードがローピッチストップに接触するまで回転する。この際、対気速度がさらに低下すると、固定ピッチプロペラの機体と同じようにエンジンRPMが低下していく

迎角（AOA)の変化は以下の要素に依存する

• ブレード角度
• ブレードスピード
• 空気の速度

​

運用

プロペラレバーを手前に戻す場合（機体の速度を遅くする場合）

• フライウェイトが動き出す（速度超過）
• スピーダーのばね張力が低下する
• パイロットバルブが上に動く
• プロペラハブからオイルが流出する
• プロペラのピッチが増加

プロペラレバーを奥側へ倒す場合（機体の速度を速くする場合）

• フライウェイトが移動する（速度不足）
• スピーダーのばね張力が増加する
• パイロットバルブが下に動く
• オイルがプロペラハブに流れ込む
• プロペラのピッチが減少
• エンジンは、プロペラコントロールによる低ピッチ/高RPMの設定で始動される。プロペラの負荷または抗力を減らすための位置であり、その結果は、エンジン始動とウォームアップがより簡単に行えることにある
  • ウォームアップ中は、プロペラブレードの自動変化メカニズムの動作を確認するために、プロペラレバーを前後にゆっくりとスムーズに動作させ、システムが正しく動作しているかどうかを判断しつつ、また同時にプロペラガバナーシステムにオイルを循環させる必要がある
  • これは、プロペラコントロールを高ピッチ/低回転数で動かすことによって行う。位置、RPMを安定させ、プロペラコントロールレバーを低ピッチの離陸位置に戻す
    • 前回エンジンを停止してから、オイルがプロペラシリンダーに閉じ込められていることに注意すること
  • プロペラシリンダーからある程度の漏れがあり、特に外気温が低い場合、オイルが凝固する傾向がある
• このため、離陸前にプロペラを動作確認しておかないと、離陸時にエンジンがオーバースピードになる可能性があります
• 定速可変ピッチプロペラを装備した機体は、固定ピッチプロペラを装備した機体よりも離陸性能が優れている
  • これは、定速可変ピッチプロペラによって、飛行機は地上で停止状態からでも最大定格馬力（タコメーターの赤い線）を発生させることができるからである
    • 一方、固定ピッチのプロペラを備えた飛行機は、滑走路を離陸加速して対気速度を上げ、空力的にプロペラを機能させつつRPMを稼ぎ、また馬力を着実に最大値まで出力を増加させることができる
• 定速可変ピッチプロペラを使用時、エンジンによるフルパワー入力が加えられると、タコメーターの読み取り値は赤い線、つまり40RPM上限までの範囲に増加し、離陸中はその値を維持する
• マニホールドの圧力が高すぎると、シリンダーの圧縮圧力が上昇し、エンジン内部構造に大きな負荷が生じる
  • 圧力が高すぎると、エンジンの温度も高くなる
  • 高いマニホールド圧力と低いRPMの組み合わせ有害な爆発（Detonation）を引き起こす可能性がある
  • これらの状況を回避するには、出力設定を変更するときに次のシーケンスに従う必要がある
    • 出力を上げるときは、まず最初にRPMを上げ、その次にマニホールド圧力を上げる
    • 出力を下げるときは、まず最初にマニホールド圧力を下げ、次にRPMを下げる

どのようにして出力設定を変えるのか

​

• （ターボチャージャーなしのエンジンでは）inHg単位のマニホールド圧力は巡航出力設定のRPMを絶対に超えてはならないというのはよくある誤解である
  • POH / AFMチャートにリストされているRPMとマニホールド圧力の組み合わせはそれが何であれ、機体とエンジンの製造元の技術者によって試験が行われ、承認されている
• 定速可変ピッチプロペラを使用すると、エンジンを過速度にすることなく出力を絞ることができる
  • システムは、プロペラブレードの角度を大きくすることにより、下降時の上昇した対気速度を補正する
  • 下降が速すぎる場合、または高高度から行われている場合、ブレードの最大ブレード角度制限はRPMを一定に保つのに十分ではない
    • これが発生するとRPM設定はスロットル設定のいかなる変更にも反応を示す
• 一部の操縦士は、緊急時にプロペラ制御を最大RPMに設定して、十分な馬力を利用できるようにすることを勧める
  • ガバナーシステムが、ブレードがまだ最小角度ストップに達していない状態かつアプローチの早い段階において、より高いRPMに設定されている場合、RPMは安全ではない限界回転数まで増加する可能性がある
  • ただし、プロペラ制御が離陸のRPM設定に対して再調整されない場合は、 アプローチがほぼ完了するまで、ブレードはRPMの変化に対して抵抗するか最小停止角度にきわめて近くなる

頭に入れておくべき重要事項

• 緊急の場合は、スロットルとプロペラの両方のコントロールを離陸位置設定にする必要がある
• すべてのエンジン出力変更は、過剰な加速や速度超過を回避するために、スムーズかつゆっくりと行う必要がある
• 離陸時にスロットルを叩き込むように最大出力設定にしてしまうと、一時的なプロペラ回転の速度超過が発生する
  • これは通常、3秒以上10％を超えていない定格回転数の範囲内であれば深刻ではない

マニホールドプレッシャーゲージ​

• 定速可変ピッチプロペラを装備した機体では、出力はスロットルによって制御され、マニホールド圧力計によって示される
  • 一定のRPMと高度においては、生成されるエンジン出力は、燃焼室に供給される燃料/空気の流れに直接関係する
    • スロットル設定を上げると、エンジンとMAPに流れる燃料と空気が増える
• エンジンが作動していないとき、マニホールド圧力計は周囲の空気圧を示す（つまり、29.92 inHg）
  • エンジンが始動すると、マニホールド圧力の表示は周囲圧力よりも低い値に下がる（つまり、12 inHgでアイドル状態になる）
• マニホールド圧力ゲージの面には、正常な動作範囲を示す緑色の円弧（グリーンアーク）と、マニホールド圧力の上限を示す赤い線が含まれています
  • マニホールド圧力を頻繁に超えると、それによって発生した応力によりシリンダーコンポーネントの構造が弱くなり、最終的にエンジン自体が故障する可能性がある
• 一般的に、マニホールド圧力（インチ）はRPM未満である必要がある
  • 操縦士は、特にマニホールド圧力を上げる場合、RPMの値を常に意識することにより、シリンダーに過剰なストレスを加えることを回避できる
• マニホールド圧力とRPMの両方を変更する必要がある場合は、適切な順序で出力調整を行うことにより、エンジンのオーバーストレスを回避する
  • エンジン出力設定が低下している場合、RPMを下げる前にマニホールド圧力を下げる
    • マニホールド圧力の前にRPMが低下すると、マニホールド圧力が自動的に増加し、おそらく製造元の許容範囲を超えてしまう
  • エンジン出力設定を上げる際は、まず最初にRPMを、次にマニホールド圧力を上げていく
    • 高性能レシプロエンジンの激しい摩耗、疲労、損傷を防ぐために、エンジンや機体メーカーの推奨事項に従うこと
• エンジン障害または動力喪失時におけるマニホールドゲージには、これら不具合が発生した高度における周囲大気圧が値として表示される
• 標高の低い空港からの離陸では、inHGで表示されるマニホールド圧力がRPMを超えることがある
  • これはほとんどの場合正常な表示である
  • 操縦士は制限についてAFM / POHに基づいて判断していく必要がある

ガバナー

• ガバナーは、移動するデバイスの速度を感知し「機械的なフィードバック」を使用して速度を維持するために使用される機械的なデバイスである
  • 常に最適なRPMとマニホールド圧力のバランスを取るように機能する
• 操縦士は、ガバナーに接続されているコックピット内のプロペラコントロールによって間接的にエンジンの回転数を制御する
  • 状態が変化すると、ガバナーはピストンを動作させてエンジンRPMを維持する
• ガバナーが動作する際はエンジンオイルを使用し、ガバナ一とー体型のポンプで通常油圧をブーストする
  • 一般的に、ピッチ変更に使用される油圧は、エンジンの潤滑システムから直接供給される
   ​​​​​

​

カウンターウェイト

• ブレード角度を増加
• 空力によるねじれ力を克服する（低ピッチ）
• 機能
  • エンジンが定速動作している場合、プロペラシャフトに加えられるトルク（出力）は、空気の抵抗による負荷と等しくなければならない
    • RPMは、プロペラによる抗力（要は空気抵抗の増減）が吸収されたトルク出力によって調整される
    • 固定ピッチプロペラの場合、プロペラによって吸収されるトルクは、速度またはRPMの機能となる
      • エンジンの出力が変更されると、吸収された出力と等しくなるRPMに到達するまでエンジンの回転数は加速または減速する
  • 定速可変ピッチプロペラの場合、吸収される出力はRPMに依存しない。ブレードのピッチを変えることにより、空気抵抗、したがってトルクまたは負荷を、プロペラ速度に関係なく変更できる
    • これは、ガバナーによる定速可変ピッチプロペラによって達成される
    • ガバナーは、ほとんどの場合、エンジンのクランクシャフトに連動しており、エンジンのRPMの変化に敏感である

ブレード角コントロール​

• 圧力が高いほどブレード角度の変更は速くなる（右図はプロペラ空力での図と同じ内容）
  • プロペラが動作するRPMはガバナーヘッドで調整される
    • 操縦士は、コックピット内のプロペラコントロールレバーを介してガバナーラックの位置を変更することにより、この設定を変更できる
  • ある定速可変ピッチプロペラでは、ブレード固有の遠心ねじりモーメントを使用してピッチの変化が得られる。これは、ブレードを低ピッチに向けて平らにする傾向があり、プロペラブレードに接続された油圧ピストンに加えられる油圧は、ブレードをハイピッチにする
  • 別タイプの定速可変ピッチプロペラは、ハブ内部のブレードシャンクに取り付けられたカウンターウェイトを使用する
• ガバナーの油圧とブレードのねじれモーメントによりブレードが低ピッチの角度位置に移動し、カウンターウェイトに作用する遠心力によりブレード（または複数枚のブレード）が高ピッチの位置に移動する
  • 上記最初のケースでは、ガバナーの油圧によってブレードが高ピッチに移動し、2つ目のケースでは、ガバナーの油圧とブレードのねじれモーメントによって低ピッチに移動している
  • したがって、ガバナーの油圧が失われると、それぞれに異なる影響を及ぼす

フェザリング

• 各ブレードの弦線は、航空機の相対風にほぼ平行になるように回転する
  • これは航空機ごとに異なる方法で達成されるが、最下部線はプロペラをその位置に保持する圧力が取り除かれ、機械的なばね圧力によってプロペラをフェザーさせることができる
    • これによって空気に対して晒されるブレードの前部領域が減少により、有害抗力が減少する
    • プロペラの回転が遅くなり、次に風車状態が停止する

プロペラシステムの不具合

• 油圧の損失：
  • プロペラはデフォルトでピッチ設定になる。 通常、双発航空機では、自動的にフェザー状態になる

プロペラシンクロナイズ

• マスターとスレーブを使用してすべてのエンジンRPMを一致させる
  • すべてのプロペラが同じ位相角（周波数）で回転するように設計されているわけではない。これらをシンクロさせるシステムはシンクロフェーザーと呼ばれる

完成基準

訓練生は、固定ピッチと定速可変ピッチプロペラの操作方法を説明できます。

成功のポイント

飛行機のプロペラは、翼と同じような翼型から形成されます。これは航空機が空中を「推進」するために必要な推力を提供します。

本レッスンの各項目をレビューすること

訓練生は、飛行機のプロペラの目的、操作、制御、および使用のための適切な手順を説明できる必要があります。

参考資料

• FAA-H-8083-3