Pervanenin kolları, havayı geriye doğru ittirerek uçağın ileri hareketini sağlamaktadır. Pervane bir motorun eksen mili etrafına bağlanmış kanatçıklardan oluşur. Genellikle bir pervanede iki ila sekiz adet kanatçık bulunur. Bağlantı yerine de “göbek” denir. Her bir kanatçığın kesiti, normal kanat profiline benzer. Bunlar dönerken, dönüş eksenine paralel taşıma kuvveti oluştururlar. Pervane ne kadar hızlı dönerse taşıma kuvveti o kadar büyük olur. Bu taşıma kuvveti uçakları ileri doğru iten kuvvettir (thrust). Uçak tasarımcıları pervane(ler)yi uçağa yerleştirirken gelen hava akımlarının düzgün ve serbest olmasına, uçağın başka elemanları tarafından bozulmamış olmasına çok dikkat ederler. Çok motorlu-pervaneli uçaklarda genellikle kanatların önüne ve altına, tek motorlularda ise buruna yerleştirilir. Nadir de olsa bazı uçak modellerinde kuyruğa yerleştirilen pervane için yine hava akımlarının aynı özellikleri sağlamasına dikkat edilir.

Pervanenin kollarına değişik isimler verilmektedir: Pala, pal (İng.) pervane kanatçığı, kanatçık, döner kanatçık. (Türkçe’de döner kanat ifadesi, sadece helikopterlerin ana pervanesi için kullanılmaktadır.) Havacılığın başlangıç yıllarında göklerin fethedilmesinin kanatlarla değil, pervanenin sayesinde olduğu kanısı yaygındı.

Konumuz dışında kalan denizcilikte kullanılan pervane (uskur), endüstriyel fanlar, bina havalandırması, vantilatör vb. gibi yerlerde pervaneler, günlük yaşamımızda görünür-görünmez bir şekilde yer almaktadırlar…

TARİHÇESİ:

Pervanenin bilinen en eski kullanımı MÖ. 400 yıllarında Çin’e dayanmaktadır. Çocukların bambu çubuğundan yapılmış oyuncakları olarak bilinmektedir. Bambu kamışının uzunlamasına ikiye bölünmüş yüzeylerinin ortası, bir çubuğun ucuna tutturulup, ellerin arasında o çubuğun ileri geri yuvarlanarak bambunun havalanmasıyla oynanan oyuncaktı. Daha sonraları Batılılar buna “bambucopter” demişlerdi.

1475 yılında Leonardo da Vinci’nin el yazması notları arasında, hızla dönen pervane ile çalışan aleti havalandırıp uçurmanın planları yer almıştı. 1486 yılındaki çalışma notlarındaki çalışması “Ana ve Yardımcı Pervaneli: Hareketli Kanat Sistemi” ismiyle Türkçe’de yer almıştı. Çizimlere göre rehber veya pervane ile ana pervane birbirine ip ve makaralarla bağlıydı. Bu pervane sistemini harekete geçiren ayrı bir makara düzeneğine güç veren ve insan ayaklarıyla hareket ettirilen pedalları vardı. 1483-1486 yılları arasındaki çalışmalarından biri olan “Uçan Pervane Makinesi [Anten Vida]”, sadece bir pervanenin dönü-çekiş gücüyle hareket edebilecekti. Bu makine insan gücüyle hareket ederken günümüz helikopterinin atasıydı.

1754 yılında Rus Mikhail Lomonosov, antik Çin oyuncağından esinlenerek, dönüşünü sargılı bir yay ile sağlanan pervaneli bir model geliştirmişti. Bu model ilk meteorolojik araçların gökyüzüne çıkışı için kullanılmıştı.

Gelişmiş bir pervane örneği

1759’da İngiltere’de John Smeaton’un Royal Society’e (Kraliyet Bilim Derneği) sunduğu çalışmada yel değirmenlerinin verimliliğinin pervanesiyle ilişkisi üzerine önemli bilgiler sağlamıştı.

Buharlı makine çağına geçilince pervane her alanda farklı boyutlara evrilmişti. Örneğin gemi pervaneleri nitelik olarak erken uçak pervane modellerine benzemekteydi. Ancak bu konudaki bilgi birikimi havacılığın kat be kat ilerisindeydi…

1784’te Fransız Christian de Launay, ters dönen kanatçıkları hindi tüylerinden yapılmış bir modeli, Fransız Bilimler Akademisine göndermişti. Aynı yıl yine Fransız asıllı Jean-Pierre Blanchard, bir balona elle çalışan pervane takmıştı. Bu araç kayıtlara geçen ilk havada itilen araçtı.

Aynı dönemde İngiltere’de George Cayley, lastik bantlarla güçlendirilmiş bir tüy modeli geliştirmişti. Daha sonraki yıllarda tüyler yerine kalay levhalardan yapılmış kanatçıklar, dönme gücünü üretmek için yaylı düzenekler kullanmıştı.

1851’de William Bland “Atomic Ship” isimli tasarımıyla Londra Büyük Sergisine katılmıştı. Alet, bir tür asılı duran ikiz pervaneleri çalıştıran buhar motorunu taşıyan, uzun gövdeli balondu.

Jules Verne’nin 1886’da yayımlanan “Fatih Robur” romanında, “Albatross” isimli hava gemisinin pervaneleri, buhar gücüyle dönmekteydi. Gemideki 37 adet direğin ucunda bulunan pervaneler ile gemi gövdesine benzeyen yapının baş ve kıçında da pervaneler bulunuyordu.

1870 yılında Fransız Alphonse Pénaud, lastik bantlarla güçlendirilmiş bir eksen etrafında dönen pervaneli helikopterimsi oyuncaklar geliştirmişti.

1872’de Dupuy de Lome, sekiz kişi tarafından pedallarla döndürülen büyükçe bir pervane ile hareket eden balon yaparak uçurmuştu.

1894’te Hiram Maxim’in 34 metre kanat açıklığına sahip pervanenin, 360B.B. gücünde iki buharlı motorun çevirdiği araçla havalanıp, uçabilirliği, baş üstü raylara monte ederek test edilmişti.

Buharlı motorların denizcilikte kullanılmasına paralel gelişen deniz pervanelerini (uskur) bazı mühendisler havacılık için modellemeye çalışmışlardı. Bunların fonksiyonlarını ilk fark edenlerden birisi de Wright kardeşlerdi. Bir pervanenin bükülmüş kanat şeklinde (airfoil) yapılması fikrini Wright kardeşler geliştirmişti. Öyle ki, Wright kardeşlerin orijinal pervane kanatçıklarının verimi, 2010 yılında birebir modeliyle yapılan ölçümünde yüzde 82, Beechcraft Bonanza tipi uçağın üç kanatçıklı pervanesinde yüzde 90’lık verimiyle kıyaslandığında, oldukça yetkin değerde olduğu ispatlanmıştı.

Uçak pervaneleriyle ilgili yoğun deneyler 1910’dan itibaren İngiltere, Fransa, Almanya’da başlamıştı. Bu deneyler sonucu yüzde 70-80 düzeyinde verimliliğe ulaşılmıştı. Bu konuda Fransa’da Gustave Eiffel, yeni geliştirdiği rüzgâr tünelinde üç-dört kanatçıklı pervane ailesinin denemelerini yapmıştı. 1915’te Amerika’da NACA (NASA’nın öncülü: Ulusal Havacılık Danışma Komitesi) kurulmuştu. Amerika’da, gemi pervanelerinde çok deneyimli mühendislerden yararlanarak havacılıkta Avrupa düzeyini yakalayabilme çabaları vardı.

1916-1926 yılları arasında Amerika’da Stanford üniversitesinde W.F. Durand ve E.P. Lesley’in uçak pervaneleri üzerine yaptıkları teorik çalışma ve deneyleri uçak tasarımcılarına yeni ufuklar açmıştı. Pervane bir uçağın genel yapısı içinde önemli bir yere sahipken 1940’larda yeni bir uçağın pervane seçimi, bu bilim insanlarının çabaları sonucu sıradan bir çalışma içine girmişti.

PERVANEYE ETKİ EDEN KUVVETLER

Pervane ve kanatlarda en önemli ortak özellik, her ikisinin de aerodinamik kuvvet yaratmak için tasarlanmış çeşitli profil kesitlerinden yapılmalarıdır. Pervane kuvveti uçağın ileri hareketi için gerekli itkiyi sağlarken, kanat kuvveti uçağı havada tutmak için gerekli taşımayı sağlar.

Uçak motorunun ürettiği güç, krank miliyle (şaft) pervaneye aktarılırken “şaft fren gücü” olarak tanımlanır. [Fren sözcüğünün buradaki anlamı bir uçak motorunun gücünü, kalibre edilmiş bir fren mekanizmasıyla laboratuvar ortamında ölçülmesinden gelmektedir.] Ancak şaft fren gücünün tamamı uçağı hareket ettirmek için kullanılamaz. Çünkü pervanenin aerodinamiğinden kaynaklanan sürükleme (verimsizlik) nedeniyle kayba uğramaktadır.

Pervanenin geçişiyle birlikte hava hem öteleme hem de dönme hareketine maruz kalır.

Dört kanatçıklı ahşap pervane

Bir pervanenin verimliliği hücum açısından, kanatçık dönüş yönü ile bağıl hız arasındaki kanatçık eğim açısı, sürükleme, (direnç) gibi faktörlere bağlıdır. Bundan başka kanatçıkların adedi, en-boy oranının optimizasyonu, kanatçık yüzeylerinin büyüklüğü, dönüş hızı da verimliliği etkileyen faktörlerdendir. Pervane kanatçıklarına etki eden itme-bükme, merkezkaç, aerodinamik bükme, tork (sıkıştırma) bükme, titreşim gibi kuvvetler vardır. Ancak bu kuvvetlerin bazıları, birbirini etkisiz hale getirebilecek düzenlemelerle giderilebilmektedir.

NACA bünyesindeki çalışmalarda pervane performansının geometrik özellikler ile çalışma koşullarının fonksiyonlarıyla ilişkili olduğu (üretilen itici güç, emilen şaft gücü, verimlilik vb.) açıklık kazanmıştı. Bu arada pervanenin dönüş yönü ile açısını tanımlayan ortalama adım (hatve) gibi yeni parametreler ortaya konulmuştu. Diğerleri kanadın kesit profili, adım (hatve) oranının kanat boyunca değişik noktalarındaki değerleri, akışkanlık, esneme vb. parametrelerdi. Pervane çalışmalarındaki gelişmeler elbette uçağın kanat profili, gövde, kuyruk, aksesuar (örneğin perçin vb.) bölümlerinde yeni araştırma ve tasarımları tetiklemişti.

Rüzgâr tünelinde kullanılan ölçekli modellerle gerçek boyutlardaki pervanelerden elde edilen bazı bilgiler arasında tutarlı dağılım olmaması, deneylerin gerçek boyutlarda yapılması zorunluluğunu ortaya koymuştu. 1927’de Amerika’da Langley Field’da tamamlanan pervane araştırma tüneli (PRT), gerçek pervane boyutlarıyla test edilebilmesi özelliğiyle öncü ve önemli bir başlangıçtı. Denizcilikteki kullanım özelliklerinden farklı olarak, havacılıkta pervaneyle ilgili kuramların geliştirilmesinde bu tünelde yapılan deneylerin çok büyük katkısı olmuştu. Örneğin kanatçık-dilim kuramı ancak buradaki denemelerle tanımlanabilmişti. Bu konuda diğer bir örnek pervanelerde itki verimliliğinin bulunmasıydı. Zaman içinde pervane kanatçıklarının bombe, eğim, değişik yarıçaplarda çoklu dilimler vb. aerodinamik yenilikler uygulanmıştı.

Pervane kanatçıklarının ucu, göbek bölümünden daha hızlı hareket eder. Eğer kanatçığın bütünü boyunca eşit bir hücum açısı sağlanmak için gerekli eğim verilmezse, kanatçıkların ucundaki hız rahatlıkla uçağın hızından fazla değerde olup ses süratine yaklaşabilir. İstenmeyen bu durum, şok dalgalarını üretebilir. Bu yüzden pervaneli uçakların maksimum süratleri genellikle 0.6M ile 0.8M arasında sınırlandırılır. Yine bunu engellemek için kanatçık sayısı arttırılırken, ters dönüşlü pervaneler (örneğin An-70, Tu-95 vb.) de kullanılabilir. Ancak bu modellerde gürültü çok fazla olduğu için havacılıkta pek tercih edilmez.

Uçağın motoru arızalandığında veya başka problemler nedeniyle pervane dönüşünü durdurmak gerekince, geri sürüklemeyi azaltmak için pervane kanatçıkları, hava akışına paralel olarak pozisyona getirilir. Böylelikle geri sürükleme azaltılarak uçağın menzilinin arttırılması sağlanır. Buna tüylenme (Feathering) denilir…

Devam edecek...