Propeller - Propeller (English spelling)

Japanese: プロペラ - ぷろぺら（英語表記）propeller

A device that converts the rotational force of a prime mover into forward force (thrust) to propel an airplane or ship.

[Kazuo Ochiai]

Airplane propeller

The engine has narrow, slightly twisted blades with an aerofoil-like cross-section that are radially attached to the engine shaft. The number of blades varies depending on the size of the aircraft and the power of the engine, but is usually two to four, and often five to eight.

[Kazuo Ochiai]

Principle of Thrust Generation

Currently, two theories are used in parallel. One is momentum theory, which states that by rotating the propeller, a flow of air (propeller wake) faster than the speed of the aircraft is created, and thrust is obtained as a reaction to the difference in momentum of the air in front of and behind the propeller's rotating surface. The other is blade element theory, which assumes that the cross section of each part of the propeller blade acts in the same way as an airplane wing, and that if the blade is given an appropriate angle (corresponding to the wing's angle of attack) relative to the combined wind direction of the wind hitting the blade due to the rotation and the wind received by the aircraft moving forward, an aerodynamic force will be generated in the blade, and the lift component of this force will become thrust.

[Kazuo Ochiai]

Features

The following are considered to be advantages: (1) A large thrust can be obtained by turning the engine, so acceleration is good even from a stationary state. (2) Noise can be suppressed by lowering the rotation speed or increasing the natural frequency by changing the material of the blades. (3) It is easy to control the speed of the aircraft, especially when flying at low speeds, and fuel consumption can be reduced because the flight speed can be changed while keeping the engine at a speed that provides good fuel consumption.

On the other hand, there are the following disadvantages (problems): (1) The speed of the propeller tip is extremely high, resulting from the combination of the propeller's rotational speed and the aircraft's forward speed, so when flying at high speed, the propeller tip exceeds the speed of sound, generating shock waves that cause the propeller efficiency to drop sharply and limit the flight speed. (2) There is a lot of mechanical loss when the engine's rotational motion is converted into thrust by the propeller, so the engine's output cannot be fully utilized. (3) Both the engine and the propeller must be controlled to operate the aircraft, which makes operation cumbersome. (4) The rotation of the propeller has various effects on the stability and controllability of the aircraft, making it difficult to control.

[Kazuo Ochiai]

Types and Structure

The propeller blade angle (the angle between the propeller rotating surface and the blades) is called pitch. The size of the pitch is related to the engine speed and flight speed, and if the pitch can be changed according to the flight conditions, the propeller efficiency can always be kept high. For example, during takeoff, the engine speed is high and the speed is low, so the pitch is small, and during cruising, the speed is low, so the pitch is large. A propeller with a mechanism that can change the pitch in this way is called a variable pitch propeller. A propeller whose pitch cannot be changed is called a fixed pitch propeller, and is used on aircraft with a very simple structure.

Among the controllable pitch propellers, there is a constant speed propeller, which has a mechanism that maintains the propeller (or engine) rotation speed regardless of the flight condition or flight speed if the propeller (or engine) rotation speed is determined in advance. Most controllable pitch propellers today are of this type. This automatically maintains the rotation speed appropriate for the flight speed, which is very useful for preventing pilot fatigue. Also, when one of the engines of a multi-engine aircraft stops flying, if the pitch is left unchanged, the propeller will rotate due to wind pressure, which will create a large resistance and make it difficult to maintain direction, and will further aggravate engine failure. Therefore, feathering propellers are equipped with a mechanism that automatically makes the blades almost parallel to the airflow when the engine stops to prevent the propeller from rotating. Furthermore, there is a reversible pitch propeller, which reverses the pitch and thrust when landing or aborting takeoff, helping the wheel brakes and shortening the runway distance. In addition, with high-power engines, the propeller rotation causes a counter torque that rotates the aircraft in the opposite direction in order to absorb the power. To prevent this, contra rotating propellers, in which two propellers are stacked one behind the other and rotate in opposite directions, are sometimes used.

Currently, most propellers are made of light alloys or steel, although a few are made of wood. Recently, however, many have been made of composite materials to reduce noise and improve efficiency. As mentioned above, propellers have many advantages and disadvantages. They are particularly superior to jet engines in terms of noise and fuel economy, and will no doubt continue to be used in small aircraft in the future. Furthermore, as one direction for the development of high bypass ratio turbofan engines, attention has been focused on prop fans, which rotate the fan outside the case, and unducted turbofans, and experiments are ongoing to put them to practical use. Even in the age of turbofans and jet engines, propellers are an effective means of propulsion and can be said to be a device that will continue to be used for a long time to come.

[Kazuo Ochiai]

Ship propeller

In marine terms, it is called a screw propeller, or simply "propeller," but is generally referred to as "screw." Unlike airplanes, the blades are wide and elliptical or eboshi-shaped, with a diameter of more than 10 meters on large ships. The number of blades is determined to minimize vibrations to the hull and maximize efficiency. Small boats such as leisure boats have two to three blades, high-speed ships such as warships have three, and merchant ships have four to six. When the propeller rotates and moves forward like a screw, the distance it moves in one rotation is called the pitch, and its size is determined by the blade angle at which the blades are attached to the shaft. Normally, to change the speed of a ship, the propeller's rotation speed is changed, and to move backward, the engine needs to be reversed. To solve this inconvenience, before World War II, a controllable pitch propeller was developed that allows the pitch to be freely changed remotely from the bridge while keeping the engine's rotation speed and direction constant. Since you can go forward, change speed, stop, and reverse without operating the engine, it makes maneuvering a ship much easier. It was first put to practical use for small horsepower boats, and was adopted for small ships that frequently go forward and backward, such as tugboats and ferries. From around 1960, larger horsepower boats were gradually produced, and they became popular for regular commercial ships, and are now used on 40,000 horsepower class engines and 200,000 deadweight tons of ships.

[Morita Tomoharu]

Airplane and ship propellers
©Takashi Aoki

Airplane and ship propellers

Example of controllable pitch propeller operation
©Takashi Aoki

Example of controllable pitch propeller operation

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

原動機の回転力を前進力（推力）に変えて、飛行機や船舶を推進させる装置。

［落合一夫］

飛行機のプロペラ

翼状の断面をもった、幅の狭い、ややねじれた羽根を、エンジンの回転軸に放射状に取り付けてある。羽根の数は飛行機の大きさとエンジンの出力によって異なるが、通常2枚から4枚であり、多いものは5枚から8枚のものがある。

［落合一夫］

推力発生の原理

現在二つの理論が並行して使われている。その一つは運動量理論で、プロペラを回転させることによって飛行機の速度よりも速い空気の流れ（プロペラ後流）をつくりだし、プロペラ回転面の前後の空気の運動量の差による反作用として推力を得るというもの。もう一つは翼素理論で、プロペラの羽根の各部分の断面が飛行機の翼と同じように働くと考え、回転によって羽根に当たる風と飛行機の前進によって受ける風とを合成した風向きに対し、羽根に適当な角度（翼の迎え角にあたる）をもたせれば、羽根に空気力学的な力を生じ、その揚力成分が推力となるというものである。

［落合一夫］

特徴

長所として次の諸点が考えられる。（1）エンジンを回せば大きな推力を得ることができるので、静止状態からでも加速性がよい。（2）回転速度を低くしたり、羽根の材質をくふうして固有振動数を大きくすれば騒音を抑制できる。（3）飛行機の速度制御、ことに低速飛行中の速度制御が容易であり、またエンジンを燃料消費率のよい回転数に保ちながら飛行速度が変えられるので燃料消費量を少なくできる。

　反面、次のような欠点（問題点）がある。（1）プロペラ先端の速度はプロペラの回転速度と飛行機の前進速度が合成され非常に速くなっているため、高速で飛行すると、プロペラ先端は音速を超え、衝撃波が発生してプロペラ効率が急激に低下し、飛行速度に限界ができる。（2）エンジンの回転運動をプロペラで推力に変える間の機械的損失が多く、エンジンの出力が十分に利用できない。（3）運転操作にあたってエンジンとプロペラの両方を制御しなければならず、操作がめんどうである。（4）プロペラの回転が飛行機の安定性や操縦性にいろいろの影響を与え操縦がむずかしくなる。

［落合一夫］

種類と構造

プロペラの羽根角（プロペラ回転面と羽根との間の角度）をピッチという。ピッチの大小はエンジンの回転数や飛行速度に関係があり、飛行状態にあわせてピッチを変えられるようにしておくと、つねにプロペラ効率を高い状態に保つことができる。たとえば、離陸時はエンジンの回転数が高く速度は低いのでピッチを小さく、巡航中は回転数を低くしているのでピッチを大きくする。このようにピッチを変更できる仕掛けをもったプロペラを可変ピッチプロペラvariable pitch propellerという。またピッチを変えることのできないプロペラを固定ピッチプロペラfixed pitch propellerといい、ごく簡単な構造の飛行機に用いられている。

　可変ピッチプロペラのうち、あらかじめプロペラ（またはエンジン）の回転数を決めておけば、飛行状態や飛行速度に関係なくつねにその回転数を保つ機構をもたせた定速プロペラconstant speed propellerがあり、現在の可変ピッチプロペラのほとんどはこの形式になっている。これによって飛行速度に適した回転数を自動的に維持できるので、操縦士の疲労を防ぐのに大きく役だっている。また、多発機が飛行中にエンジンの一台が停止してしまったとき、ピッチをそのままにしておくと風圧でプロペラが回されて、大きな抵抗になり方向維持がむずかしくなったり、エンジンの故障をさらに悪化させる。そこで、エンジンが停止すると自動的に羽根を気流とほぼ平行にしてプロペラの回転を防ぐ機構をもたせたものをフェザーリングプロペラfeathering propellerという。さらに着陸後や離陸を中止するとき、ピッチを逆にして推力を逆転させて車輪ブレーキの働きを助けて滑走距離を短くする可逆ピッチプロペラriversible pitch propellerがある。また大出力のエンジンでは出力を吸収するためプロペラの回転による反作用で機体が逆に回されるという反トルクを受けるが、これを防ぐために、2個のプロペラを前後に重ね、互いに反対方向に回転させる二重反転プロペラcontra rotating propellerが使用されることもある。

　プロペラは現在ではほとんどが軽合金またはスチールでつくられているが、木製も少数使われている。しかし最近では複合材料を用いて騒音の低下と効率の向上を図ったものも多くなってきた。以上のように、プロペラは多くの特長や欠点をもっている。ことに騒音や燃料の経済性の面でジェットエンジンより優れた点があり、小型機では当然将来も使われていくであろう。さらに最近では高バイパス比ターボファンエンジンの発展の一方向として、ファンをケースの外に出して回転させるプロップファンprop fanや、ダクトなしターボファンunducted fanとしての利用が注目され、実用化への実験が続けられている。ターボファンやジェットエンジンの時代になっても、プロペラは有効な推進手段として、今後も長く使い続けられていく装置といえる。

［落合一夫］

船舶のプロペラ

船舶関係用語としてはスクリュープロペラ、略してプロペラとよばれているが、一般にはスクリューということが多い。羽根の形は飛行機と違って幅が広く、楕円(だえん)形または烏帽子(えぼし)形で、直径は大型船では10メートル以上にもなる。羽根の枚数は、船体に及ぼす振動を最小限にし、しかも効率をもっともよくするように決められる。レジャーボートのような小さな船では2～3枚、軍艦など高速船では3枚、商船では4～6枚になる。プロペラが回転してねじのように進んだとき、1回転の間に進む距離をピッチといい、その大きさは羽根を軸に取り付ける羽根角によって決まる。普通、船の速力を変えるにはプロペラの回転数を変え、後進するにはエンジンを逆転する必要がある。この不便を解消するため、第二次世界大戦前に、エンジンの回転数と回転方向を一定にしたまま、船橋から遠隔操作でピッチを自由に変える可変ピッチプロペラが開発された。エンジンを操作せずに前進、変速、停止、後進ができるので操船が非常に楽になる。初めは小馬力用から実用化し、引き船やフェリーのように頻繁に前後進を行う小型船に採用された。1960年ごろからしだいに大馬力用のものがつくられるようになって通常の商船にも普及し、4万馬力級のエンジン、20万重量トン級の船にも使用されるようになっている。

［森田知治］

飛行機のプロペラと船舶のプロペラ

可変ピッチプロペラの作動例

出典　小学館　日本大百科全書(ニッポニカ)日本大百科全書(ニッポニカ)について　情報 | 凡例

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