Có thể bạn biết rằng cánh quạt tạo ra lực đẩy, nhưng chính xác thì nó xảy ra như thế nào?
Theo NASA, “Cánh quạt quay tạo ra áp suất thấp hơn dòng chảy tự do ở phía trước cánh quạt và cao hơn dòng chảy tự do ở phía sau cánh quạt. Ở phía hạ lưu của đĩa, áp suất cuối cùng trở lại điều kiện dòng chảy tự do. Nhưng ở lối ra, vận tốc lớn hơn dòng tự do vì cánh quạt hoạt động dựa trên luồng không khí. Chúng ta có thể áp dụng phương trình Bernoulli cho không khí phía trước cánh quạt và cho không khí phía sau cánh quạt.”
Cánh quạt xoắn
Cánh quạt (chân vịt) là những cánh có biên dạng cánh gió airfoil, có hình dạng tương tự như cánh máy banh. Nhưng thay vì tạo ra lực nâng theo hướng thẳng đứng, các cánh quạt tạo ra lực nâng theo hướng về phía trước mà chúng ta gọi là lực đẩy.
Cũng giống như cánh, cánh quạt có các đường cung lồi ra và dây cung, ngoài các cạnh đầu và cuối. Nếu bạn quan sát kỹ một cánh quạt, bạn cũng sẽ nhận thấy rằng góc của lưỡi dao thay đổi từ gốc đến ngọn.
Khi cánh quạt quay quanh trục, tốc độ của các cánh cánh quạt là cao nhất ở đầu và chậm nhất ở gốc. Trong một vòng quay hoàn toàn, đầu lưỡi cánh phải di chuyển xa hơn nhiều so với gốc lưỡi cánh, tất cả trong cùng một khoảng thời gian. Đó là lý do tại sao góc của lưỡi cắt là lớn nhất ở gốc và nhỏ nhất ở ngọn. Bằng cách “xoắn” lưỡi cánh, bạn sẽ có được một góc tấn tương đối đồng đều trên toàn bộ lưỡi cánh quạt.
Nếu góc của lưỡi cánh quạt là đồng đều trên toàn cánh quạt, lực đẩy và áp suất sẽ có sự thay đổi rộng từ gốc đến ngọn. Có thể có một góc tấn tiêu cực ở gốc, và lưỡi cánh bị đình trệ ở phần ngọn. Đây là lý do tại sao việc thay đổi góc của lưỡi cánh lại đóng một vai trò quan trọng như vậy, để ngăn chặn sự chênh lệch về góc tấn và áp suất lớn trên lưỡi cánh.
Cánh quạt tạo chênh lệch áp suất
Mục đích đơn giản của cánh quạt đẩy là chuyển đổi mã lực của động cơ thành lực đẩy. Cũng giống như cánh, cánh quạt tăng tốc luồng không khí trên bề mặt khum của chúng. Vận tốc cao của không khí dẫn đến áp suất tĩnh phía trước cánh quạt thấp hơn, kéo cánh gió về phía trước.
Tăng tốc như thế nào?
Để tăng tốc máy bay, lực đẩy phải lớn hơn lực cản. Bằng cách tăng công suất động cơ và tốc độ vòng quay của cánh quạt (RPM), không khí ngày càng được tăng tốc qua các cánh quạt, tạo ra sự chênh lệch áp suất mạnh hơn, kéo máy bay về phía trước nhanh hơn. Điều này làm tăng tốc máy bay, nhưng bị hạn chế bởi lực đẩy có sẵn. Khi bạn bay nhanh hơn L/D (Lift-to-drag ratio) tối đa, cần nhiều năng lượng hơn để bù vào việc gia tăng lực cản của ký sinh. Khi bạn tăng tốc, tải trọng cản cũng tăng lên. Do đó, cần nhiều năng lượng hơn ở tốc độ không khí cao hơn để tăng tốc.
Hiệu suất của cánh quạt cũng đóng một phần lớn trong quá trình tăng tốc. Tại điểm hiệu suất khoảng 80%, bất kỳ sự gia tăng nào về tốc độ không khí phía trước đều làm giảm hiệu suất của cánh quạt trên các cánh quạt có bước quay cố định. Sự kém hiệu quả này ở tốc độ không khí cao cũng làm giảm lực đẩy và công suất khả dụng.
Đường kính cánh quạt
Trong trường hợp lý tưởng, cánh quạt có đường kính thay đổi sẽ hiệu quả nhất, với đường kính lớn cho tốc độ thấp và đường kính nhỏ hơn cho tốc độ cao. Do các vấn đề về cấu trúc, điều khiển và trọng lượng, các cánh quạt có đường kính thay đổi không thực tế. Thay vào đó, đường kính của hầu hết các cánh quạt đều có kích thước cho phép tạo ra sự “hài lòng-trung bình” giữa các hoạt động tốc độ chậm và nhanh.
