Что влияет на тягу и скорость модели?
P.S. Многие не зная этого, начинают строчить свои комментарии на странице понравившегося им мотора или винта подвергая себя быть сильно униженными со стороны других участников клуба, не по причине что тут клуб злых ненавистников новичков, а что многие не пользуясь поиском и просмотром хотя бы части записей, задают снова и снова один и тот же вопрос и сидя у экрана с вот вот лопнущем терпением дожидаются ответа, в надежде что бы цифра была как можно больше, всё это каждый раз поднимает и поднимает столбик терпения всё выше и выше) и время от времени он падает на очередном новичке. Так что если ответ на ваш вопрос, был не совсем адекватный и вами ожидаемый, то знайте чей то столбик терпения опустился до 0 отметки) и незачем торопиться на форум или в обратную связь с яростным желанием написать кляузу на этого негодяя, у которого на 101 раз прочтения подобного вопроса как и у 100 предыдущих, лопнуло терпение.
Так же не стоит задавать вопросов на тему, дальность сигнала и полёта моей туринг 9, на сколько хватит заряда моего аккумулятора, какой лучше взять мотор и др. Некоторые вопросы просто на столько заевшиеся что тошнить хочется, а другая видимо чисто риторическая с целью задать вопрос что бы проста поболтать, так как никто же не знает какой у вас мотор стоит при выборе аккум. какие там используются винты, вес модели тоже никто не знает, и редко кто сам это первый напишет.. вот и приходится всех расспрашивать,как на допросе словно каком то.(Так что на будущее если кто то надумает задавать такие вопросы пишите всё, для чего, на что повесить хотите, в смысле какой самолёт для каких целей будет служить и тд).

Вообщем хватит об этом передём к винтам. И так: у винта есть 2 обозначения диаметр и шаг винта, давай те посмотрим, что это такое и для чего оно нужно.

Диаметр - дает тягу...
- Шаг винта - дает скорость...

На картинках в описаниях товара обычно эта информация вся есть, как на примере ниже. Так же ещё многие продавцы пишут размер отверстия крепления винта
.

Определяющими являются диаметр и шаг винта. Шаг винта соответствует воображаемому расстоянию, на которое передвинется винт, ввинчиваясь в несжимаемую среду за один оборот. То есть проще говоря сколько винт за 1 полный оборот на 360º возьмёт воздуха перед собой.
Лопасти винта, вращаясь, захватывают воздух и отбрасывают его в направлении, противоположном движению. Перед винтом создаётся зона пониженного давления, за винтом - повышенного. Вращение лопастей воздушного винта приводит к тому, что отбрасываемые им массы воздуха приобретают окружные и радиальные направления и на это расходуется часть энергии, подводимой к винту.

Кстати говоря, отступая немного от основной темы, самый быстрый винтовой самолёт - бомбардировщик Ту-95 - имеет максимальную скорость 920 км/ч. российский турбовинтовой стратегический бомбардировщик-ракетоносец, один из самых быстрых винтовых самолётов, ставший одним из символов холодной войны.

Обычно производитель двигателя указывает рекомендуемые винты и измеренные им характеристики.(Как на фото ниже) Дальше, выбирайте нужный вам вариант.
Если хотите поэкспериментировать - выбираете определённый вариант из рекомендуемого производителем и начинаете играться. Т.е. , если вам нужна тяга, то увеличиваете на дюйм диаметр и уменьшаете на дюйм шаг. Так, чтоб сумма шага и диаметра оставалась одинаковой с рекоммендуемым производителем как на сайте http://gazovik.online
Если нужна скорость - увеличиваете на дюйм шаг и уменьшаете на дюйм диаметр.
К примеру винт 9*6 на 3х банках липо, мотор(не принципиально какой в данном случае) тянет 700г при оборотах 7000, для поднятия тяги нам нужно выбрать винт 10*5, а следовательно для повышения скорости 8*7.
...или же ещё пример...
Производитель рекомендует к установленному на модель мотору винт 8х4.3! С данным винтом мотор выдаст примерно 240 грамм тяги!!!
Исходя из полетного веса модели, можно заменить винт 8х4.3 на винт 7х3.5!

Для получения следующих плюсов и минусов.
1.Тяга упадёт примерно до 200 грамм! Для модели в 160 грамм, а тем более тренера, это не страшно.
2. Винт станет намного короче, что приведёт к более легким посадкам модели без шасси. Удобно для планеров которые запускаются с руки.
3. Потребляемый мотором ток значительно уменьшился, что в конечном итоге даст+2,+3 минуты полетного времени.

Из этого следует:

1. Нужно подбирать винты исходя из полетного веса модели и опираясь на рекомендации производителя.
2. Нужно подбирать винты исходя из "вида" и назначения модели
3. Нужно подбирать винты опираясь на параметры мотора (максимальный ток нагрузки, обороты на вольт и т.д.)

Выводы: нужно как минимум 2-3 различных винтов (чуть больше и чуть меньше по параметрам от рекомендуемого производителем) для нахождения среди них наиболее оптимального для достижения поставленной цели. Все это подбирается экспериментальным путем.

На самом деле есть ещё куча не мало важных нюансов, при выборе мотора и пропеллера, в которые я бы вам не советовал внедряться и лишним забивать себе голову, а просто брать те винты которые советует вам продавец мотора, для наилучшей тяги, ну и если есть желание эксперементировать с винтами немного отличающимися от рекомендуемых.
Но если всё таки желание есть лезть дальше в дебри, то вот ещё статейка - продолжение специально для вас.

Как вариант для более точного и эффективной работы мотора можно производить замеры напряжения ваттметром во время его работы с при разных винтах, что бы не перегружать мотор и не выходить за рамки его номинальной мощности, дабы не спалить обмотку в попытках выжать максимум с мотора из за нежелания его замены на другой более подходящий. Кому интересно могут ознакомиться со схемой ниже.


Смысл понятен я думаю и он тут один. Винт насадил - дал полный газ, замерил тягу, замерил показания ваттметра, сравнил с теми которые идут в технических характеристиках на данный мотор, если меньше заявленных показывает значит хорошо, если больше то плоха, для максимальной эффективности мотора мотребляемый ток должен быть как можно ближе к номинальному в характеристиках, но не превышать его.

Ну и наконец пара ответов на вопросы которые тоже иногда попадаются.
Что влияет на минимальную скорость модели?
Самолеты способны летать с низкой скоростью по причине малой нагрузки на крыло, чем больше нагрузка - тем выше должна быть скорость что бы самолёт не рухнул на землю или больше по площади крыло.

Почему нельзя обрезать концы винта?
Шаг винта не постоянен: у основания больше, а к концу меньше.
Производителем указывается какой-то усредненный "рабочий", учитывая что максимальная эффективность считается ближе к концу лопасти.
Обрезая винт у конца мы изменяем этот показатель - делаем шаг большим...
Примерно: если взять винт 9х6 и обрезать на дюйм думая что получим 8х6 - ошибочно, получим 8х7 - вот так-то.

Лопастной винт самолета, он же пропеллер или лопаточная машина, которая приводится во вращение с помощью работы двигателя. С помощью винта происходит преобразование крутящего момента от двигателя в тягу.

Воздушный винт выступает движителем в таких летательных аппаратах, как самолеты, цикложиры, автожиры, аэросани, аппараты на воздушной подушке, экранопланы, а также вертолеты с турбовинтовыми и поршневыми двигателями. Для каждой из этих машин винт может выполнять разные функции. В самолетах он используется в качестве несущего винта, который создает тягу, а в вертолетах обеспечивает подъем и руление.

Все винты летательных аппаратов делятся на два основных вида: винты с изменяемым и фиксированным шагом вращения. В зависимости от конструкции самолета винты могут обеспечивать толкающую или тянущую тягу.

При вращении лопасти винта захватывают воздух и производят его отброс в противоположном направлении полета. В передней части винта создается пониженное давление, а позади – зона с высоким давлением. Отбрасываемый воздух приобретает радиальное и окружное направление, за счет этого теряется часть энергии, которая подводится к винту. Сама закрутка воздушного потока снижает обтекаемость аппарата. Сельскохозяйственные самолеты, проводя обработку полей, имеют плохую равномерность рассеивание химикатов из-за потока от пропеллера. Подобная проблема решена в аппаратах, которые имеют соосную схему расположения винтов, в данном случае происходит компенсация с помощью работы заднего винта, который вращается в противоположную сторону. Подобные винты установлены на таких самолетах, как Ан-22 , Ту-142 и Ту-95 .

Технические параметры лопастных винтов

Наиболее весомые характеристики винтов, от которых зависит сила тяги и сам полет, конечно же, шаг винта и его диаметр. Шаг – это расстояние, на которое может переместиться винт за счет ввинчивания в воздух за один полный оборот. До 30-х годов прошлого века использовались винты с постоянным шагом вращения. Только в конце 1930-х годов практически все самолеты оснащались пропеллерами со сменным шагом вращения

Параметры винтов:

Диаметр окружности винта – это размер, который описывают законцовки лопастей при вращении.

Поступь винта – реальное расстояние, проходящее винтом за один оборот. Данная характеристика зависит от скорости движения и оборотов.

Геометрический шаг пропеллера – это расстояние, которое мог бы пройти винт в твердой среде за один оборот. От поступи винта в воздухе отличается скольжением лопастей в воздухе.

Угол расположения и установки лопастей винта – наклон сечения лопасти к реальной плоскости вращения. За счет наличия крутки лопастей угол поворота замеряется по сечению, в большинстве случаев это 2/3 всей длины лопасти.

Лопасти пропеллера имеют переднюю – режущую – и заднюю кромки. Сечение лопастей имеет профиль крыльевого типа. В профиле лопастей имеется хорда, которая имеет относительную кривизну и толщину. Для повышения прочности лопастей винта используют хорду, которая имеет утолщение к корню пропеллера. Хорды сечения находятся в разных плоскостях, поскольку лопасть изготовлена закрученной.

Шаг винта является основной характеристикой гребного винта, он в первую очередь зависит от угла установки лопастей. Шаг измеряется в единицах пройденного расстояния за один оборот. Чем больший шаг делает винт за один оборот, тем больший объем отбрасывается лопастью. В свою очередь увеличение шага ведет за собой дополнительные нагрузки на силовую установку, соответственно, количество оборотов снижается. Современные летательные аппараты имеют возможность изменять наклон лопастей без остановки двигателя.

Преимущества и недостатки воздушных винтов

Коэффициент полезного действия винтов на современных самолетах достигает показателя в 86%, это делает их востребованными авиастроением. Также нужно отметить, что турбовинтовые аппараты значительно экономнее, чем реактивные самолеты. Все же винты имеют некоторые ограничения как в эксплуатации, так и в конструктивном плане.

Одним из таких ограничений выступает «эффект запирания», который возникает при увеличении диаметра винта или же при добавлении количества оборотов, а тяга в свою очередь остается на том же уровне. Это объясняется тем, что на лопастях пропеллера возникают участки со сверхзвуковыми или околозвуковыми потоками воздуха. Именно этот эффект не позволяет летательным аппаратам с винтами развить скорость выше чем 700 км/час. На данный момент самой быстрой машиной с винтами является отечественная модель дальнего бомбардировщика Ту-95 , который может развить скорость в 920 км/час.

Еще одним недостатком винтов выступает высокая шумность, которая регламентируется мировыми нормами ICAO. Шум от винтов не вписывается в стандарты шумности.

Современные разработки и будущее винтов самолета

Технологии и опыт работы позволяют конструкторам преодолеть некоторые проблемы с шумностью и повысить тягу, миновав ограничения.

Таким образом удалось миновать эффект запирания за счет применения мощного турбовинтового двигателя типа НК-12, который передает мощность на два соосные винта. Их вращение в разные стороны позволило миновать запирание и повысить тягу.

Также используются на винтах тонкие саблевидные лопасти, которые имеют возможность затягивания кризиса. Это позволяет достичь более высоких показателей скорости. Такой тип винтов установлен на самолете типа Ан-70.

На данный момент ведутся разработки по созданию сверхзвуковых винтов. Несмотря на то что проектирование ведется очень долго при немалых денежных вливаниях, достичь положительного результата так и не удалось. Они имеют очень сложную и точную форму, что значительно затрудняет расчеты конструкторов. Некоторые готовые винты сверхзвукового типа показали, что они очень шумные.

Заключение винта в кольцо – импеллер – является перспективным направлением развития, поскольку снижает концевое обтекание лопастей и уровень шума. Также это позволило повысить безопасность. Существуют некоторые самолеты с вентиляторами, которые имеют ту же конструкцию, что и импеллер, но дополнительно оснащаются аппаратом направления воздушного потока. Это значительно повышает эффективность работы винта и двигателя.

Преобразующий мощность (крутящий момент) двигателя в тягу, необходимую для поступательного движения летательных аппаратов, аэросаней, глиссеров, судов на воздушной подушке. Воздушные винты бывают тянущие – устанавливаются на самолёте и др. впереди двигателя (по направлению движения) и толкающие – помещаются позади двигателя. Винты могут быть одиночными и сдвоенными соосными, когда два винта расположены один над другим, вал верхнего винта проходит через полый вал нижнего винта и вращаются они в противоположные стороны. По способу крепления лопастей к втулке различают винты: неизменяемого шага, лопасти которых выполнены заодно со втулкой; изменяемого шага – наиболее распространённый тип, лопасти которого в полёте можно поворачивать во втулке вокруг оси на некоторый угол, называемый шагом винта; реверсивные, у которых в полёте лопасти могут быть установлены под отрицательным углом для создания тяги, направленной в противоположную от движения сторону (такой лопастей используется, напр., для эффективного торможения и уменьшения длины пробега самолёта при посадке). Особенность флюгерного воздушного винта – возможность в полёте устанавливать лопасти по воздушному потоку, чтобы при остановке двигателя в полёте не увеличивать лобового сопротивления самолёта от винта. Число лопастей воздушных винтов от 2 до 6 у одиночных и до 12 – у соосных.

Разновидностями воздушных винтов являются несущий винт и рулевой винт , применяемые на вертолётах, винтокрылах, автожирах .

Энциклопедия «Техника». - М.: Росмэн . 2006 .

Лопастной движители для преобразования крутящего момента двигателя в тягу винта. Устанавливается на самолётах, винтокрылах, аэросанях, аппаратах на воздушной подушке, экранопланах и т. д.
В. в. подразделяются; по способу установки лопастей - на винты неизменяемого, фиксированного и изменяемого шага (могут быть флюгерными или флюгерно-реверсивными); по механизму изменения шага - с механическим, электрическим или гидравлическим приводом; по схеме работы - прямой или обратной схемы; по конструкции - на одиночные, соосные, двухрядные, В. в. в кольце.
В. в. состоит из лопастей (см. Лопасть винта), втулки и может также включать изменения шага винта. В. в. различаются диаметром D (0,5-6,2 м) и числом лопастей k (2-12). Втулка служит для крепления лопастей и передачи крутящего момента от вала двигателя. Механизм изменения шага обеспечивает изменение угла установки лопастей в полёте.
1) У В. в. неизменяемого шага лопасти не поворачиваются вокруг своих осей.
2) Лопасти В. в. фиксированного шага могут быть установлены под необходимым углом перед полётом, но во время работы они не поворачиваются.
3) У В. в. изменяемого шага можно изменять угол установки лопастей с помощью системы ручного управления или автоматически с помощью регулятора частоты вращения. Регулятор поддерживает заданную частоту вращения двигателя, управляя шагом посредством подачи масла через систему каналов в соответствующие полости механизма управления В. в. с гидравлическим приводом.
4) У флюгерного В. в. лопасти могут устанавливаться по потоку для уменьшения аэродинамического сопротивления при вынужденной остановке двигателя в полёте (см. Флюгирование винта).
5) Лопасти флюгерно-реверсивного В. в. могут также устанавливаться в такое положение, когда при его вращении создаётся отрицательная тяга, используемая на посадке для сокращения длины пробега и маневрирования на земле (см. Реверсирование винта).
Механические и электрические механизмы изменения шага обладают большой инерционностью и поэтому практически не используются. Наиболее распространены В. в. с гидравлическим приводом.
1) У В. в. с гидравлическим приводом прямой схемы лопасти устанавливаются на малый шаг с помощью усилий, создаваемых давлением масла, а на большой шаг - центробежными силами противовесов. Такие В. в. применяются при мощностях двигателя до 2000 кВт.
2) При мощностях свыше 2000 кВт значительно возрастает масса противовесов, поэтому используются В. в. обратной схемы, у которых лопасти устанавливаются на большой шаг с помощью усилий, создаваемых давлением масла, а на малый шаг - центробежными силами самих лопастей.
- Одиночный винт имеет один ряд лопастей,
- соосный В. в. состоит из двух одиночных винтов, установленных на соосных валах и вращающихся в противоположные стороны (см. Соосный винт),
- двухрядный В. в. состоит из двух одиночных винтов, расположенных один за другим и вращающихся в одном направлении.
- в. в. в кольце имеет профилированное кольцо, благодаря которому создастся дополнит тяга; эффективен на малых скоростях (до 200 км/ч).
Для уменьшения аэродинамического сопротивления и потерь мощности на входе в на В. в. устанавливают обтекатели (эллиптические, конические и др.), закрывающие втулку и прикомлевые части лопастей. На В. в. могут размещаться противообледенительные системы.
К В. в. нового поколения относятся В. в. уменьшенного диаметра с большим числом широких тонких саблевидных лопастей, которые необоснованно называются винтовентиляторами.
В начальный период развития авиации В. в. изготовлялись главным образом из древесины, а в последующие годы нашли применение другие (сталь , титан, алюминиевый сплавы, композиционные материалы и др.).
Для оценки качества В. в. и сопоставления их между собой используются в основном безразмерные α и мощность
(β) = N/(ρ)n3D5
(N - , (ρ) - плотность воздуха, n - частота вращения винта)
и коэффициент полезного действия воздушного винта
(η) = (αλ)/(β)((λ) = V/nD - относительная , V - скорость полёта). Характеристики В. в. определяют в лётных испытаниях, из исследований В. в. и их моделей в аэродинамических трубах, а также теоретическим путем. При расчётах различают 2 случая; определение формы, размеров и числа лопастей по заданным значениям (α), (β) и (η) (прямая задача) и определение (α), (β), и (η) по известной геометрии В. в. (обратная задача).
Впервые рассматривать лопасть В. в. как предложил русский инженер С. К. Джевецкий в 1892, он же в 1910 выдвинул гипотезу плоских сечений (каждое сечение лопасти рассматривается как ). Путём разложения подъёмной силы профиля dY и его сопротивления аэродинамического dX определяют тягу dP и силу dQ сопротивления вращению рассматриваемого элемента лопасти, а полные тягу лопасти и силу сопротивления её вращению (отсюда - потребную для вращения В. в. мощность двигателя) получают интегрированием вдоль лопасти. В основном действующие на элемент лопасти силы определяются относительной скоростью W набегающего потока и её геометрическим углом атаки
(α)r = (φ)-arctg(V/(ω)r),
(φ) - угол установки элемента лопасти.
В идеальном случае скорость набегающего потока
W = (ω)Xr + V,
где (ω) - угловая скорость лопасти, r - радиус-вектор рассматриваемого сечения, V - вектор скорости полёта. При своём движении лопасть увлекает за собой , придавая ему дополнительную, индуктивную скорость w. В результате истинная скорость Wн,. обтекания элемента и истинный ((α)н отличаются от идеальных. Вычисление w и (α)н являются основной задачей теории винта.
В 1910-1911 Г. X. Сабинин и Б. Н. Юрьев развили теорию Джевецкого, включив в неё, в частности, некоторые положения теории идеального пропеллера. Расчёты В. в. по полученным ими формулам вполне удовлетворительно согласовывались с экспериментальными результатами. В 1912 Н. Е. предложил вихревую теорию, дающую точное физическое представление о работе винта, и практически все расчёты В. в. стали проводиться на основе этой теории.
Согласно теории Жуковского, винт заменяется системой присоединённых и свободных вихрей. При этом лопасти заменятся вихрями присоединёнными, которые переходят в , идущий вдоль оси винта, а с задней кромка лопасти сходят свободные вихри, образующие в общем случае винтовую вихревую пелену. При допущении, что (ω) связь (ω) с циркуляцией скорости вокруг сечения лопасти. Гипотеза плоских сечений при безотрывном обтекании лопасти была подтверждена экспериментально совпадением распределений давления по сечениям лопасти вращающегося В. в. и крыльев с теми же профилями сечений. Оказалось, однако, что вращение влияет на распространение срыва потока по поверхности лопасти и в особенности на разрежение в области отрыва. Начинающаяся на конце лопасти область отрыва потока подобна вращающейся трубе, разрежение в ней управляется центробежной силой и на внутренней части лопасти намного больше, чем на крыле.
При (λ) 1 отличие истинной (ω) от средней становится заметным, и расчёт В. в. с истинной (ω) становится аналогичным расчёту крыла конечного размаха (см. Крыла теория). При расчёте тяжело нагруженных В. в. (с большим отношением мощности к сметаемой винтом поверхности) необходимо учитывать деформацию вихрей.
Вследствие того, что к окружной скорости В. в. добавляется поступательная , влияние сжимаемости воздуха сказывается прежде всего на В. в. (приводит к уменьшению коэффициента полезного действия). При дозвуковых окружной скорости конца лопасти, поступательной скорости самолёта и дозвуковой скорости W влияние сжимаемости воздуха на (ω) слабое и сказывается лишь на обтекании лопасти. В случае же дозвуковой скорости летательной и сверхзвуковой скорости W на конце лопасти (когда необходим учёт сжимаемости среды) теория В. в., основанная на схеме присоединённых (несущих) вихрей, становится практически неприменимой, к нужен переход к схеме несущей поверхности. Такой переход необходим и при дозвуковой скорости конца лопасти, если её ширина достаточно велика. Полученные в СССР экспериментальным путём В. в. и поправки, обусловленные сжимаемостью воздуха, широко применялись при выборе диаметров и числа лопастей В. в. и вместе с выбором формы лопастей (в особенности профилей их сечений) дали возможность улучшить лётные характеристики отечественных самолетов, в том числе участвовавших в Великой Отечественной войне.
В течение первого периода освоения больших дозвуковых скоростей основной задачей проектирования В. в. считали создание винтов большого диаметра (до 6 м) с высоким коэффициентом полезного действия (Воздушный винт85%) при максимальной скорости полёта. Характеристики профилей при больших околозвуковых скоростях полота впервые были получены экспериментально на винтах с так называемыми дренированными лопастями, причём один из профилей имел свойства сверхкритического профиля (1949). Для второго периода (с 60-х гг.) характерно дополнительное требование - увеличенная тяга В. в. при взлёте. С этой целью были разработаны лопасти с профилями увеличенной кривизны. Дальнейшее развитие В. в. связывают с разработкой винтов с большим числом широких тонких саблевидных лопастей. С увеличением числа и ширины лопастей большое значение приобретает обтекание их комлевых частей, где существенен эффект решётки профилей. Средством уменьшения волнового сопротивления может быть выбор формы кока. Расчеты и эксперименты показывают, что на скоростях полёта, соответствующих Маха числу полёта M В СССР большой вклад в разработку теории, методов расчёта и проектирование В. в. внесли С. Ш. Бас-Дубов, Б. П. Бляхман, В. П. Ветчинкин, К. И. Жданов, Г. М. Заславский, В. В. Келдыш, А. Н. Кишалов, Г. И. Кузьмин, А. М. Лепилкин, Г. И. Майкапар, И. В. Остославский, Н. Н. Поляков, Д. В. Халезов.

Авиация: Энциклопедия. - М.: Большая Российская Энциклопедия . Главный редактор Г.П. Свищев . 1994 .

воздушный винт Энциклопедия «Авиация»

воздушный винт - Рис. 1. Схемы воздушных винтов. воздушный винт — лопастной движитель для преобразования крутящего момента двигателя в тягу винта. Устанавливается на самолётах, винтокрылах, аэросанях, аппаратах на воздушной подушке, экранопланах и т. д.В. в … Энциклопедия «Авиация»

воздушный винт - Рис. 1. Схемы воздушных винтов. воздушный винт — лопастной движитель для преобразования крутящего момента двигателя в тягу винта. Устанавливается на самолётах, винтокрылах, аэросанях, аппаратах на воздушной подушке, экранопланах и т. д.В. в … Энциклопедия «Авиация»

воздушный винт - Рис. 1. Схемы воздушных винтов. воздушный винт — лопастной движитель для преобразования крутящего момента двигателя в тягу винта. Устанавливается на самолётах, винтокрылах, аэросанях, аппаратах на воздушной подушке, экранопланах и т. д.В. в … Энциклопедия «Авиация»

ВОЗДУШНЫЙ ВИНТ - лопастной движитель, рабочей средой которого является воздух. Воздушный Винт распространенный авиационный движитель. Судовой Воздушный Винт по геометрии лопастей и гидродинамическим характеристикам существенно отличаются от авиационных и… … Морской энциклопедический справочник

Пропеллер, движитель, в котором радиально расположенные профилированные лопасти, вращаясь, отбрасывают воздух и тем самым создают силу тяги. В. в. состоит из втулки, расположенной на валу двигателя, и лопастей, имеющих вдоль размаха… … Большая советская энциклопедия

воздушный винт - orasraigtis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. impeller airscrew; propeller vok. Luftschraube, f; Propeller, m; Saugschraube, f rus. воздушный винт, m; пропеллер, m pranc. aéro propulseur, m; hélice aérienne, f; hélice propulsive, f … Fizikos terminų žodynas

Воздушный винт является важнейшей составной частью силовой установки, и от того, насколько он сответствует двигателю и летательному аппарату зависят летно-технические качества последнего.

Помимо выбора геометрических параметров воздушного винта внимания заслуживает вопрос о согласовании чисел оборотов винта и двигателя, то есть подбор редуктора.

Принцип работы воздушного винта

Лопасть винта совершает сложное движение - поступательное и вращательное. Скорость движения элемента лопасти будет складываться из окружной скорости и поступательной (скорости полета) - V

В любом сечении лопасти составляющая скорости V будет неизменной, а окружная скорость будет зависеть от величины радиуса, на котором находится рассматриваемое сечение.

Следовательно с уменьшением радиуса угол подхода струи к сечению увеличивается, а угол атаки сечения уменьшается и может стать равным нулю или отрицательным. Между тем известно, что крыло наиболее эффективно "работает" на углах атаки, близких к углам максимального аэродинамического качества. Поэтому для того, чтобы заставить лопасть создавать наибольшую тягу при наименьшей затрате энергии, угол должен быть переменным по радиусу: меньшим на конце лопасти и большим вблизи оси вращения - лопасть должна быть скручена.

Закон распространения толщин профиля и крутки по радиусу винта, а также форма винтового профиля определяется в процессе проектирования винта и уточняется впоследствии на основании продувки в аэродинамических трубах. Подобные исследования проводятся как правило в специализированных конструкторских бюро или институтах, оснащенных современным оборудованием и средствами вычислительной техники. Опытно-конструкторские бюро, а также самодеятельные конструкторы обычно пользуются уже разработанными семействами винтов, геометрические и аэродинамические характеристики которых представляются в форме безразмерных коэффициентов.

Основные характеристики

Диаметром винта - D называется диаметр окружности, которую описывают концы его лопасти во время вращения.

Ширина лопасти -это хорда сечения на заданном радиусе. В расчетах обычно используют относительную ширину лопасти

Толщиной лопасти на каком либо радиусе называется наибольшая толщина сечения на этом радиусе. Толшина изменяется вдоль радиуса лопасти, уменьшаясь от центра винта к его концу. Под относительной толщиной понимают отношение абсолютной толщины к ширине лопасти на том же радиусе: .

Углом установки сечения лопасти называется угол, образованный хордой данного сечения с плоскостью вращения винта.

Шагом сечения лопасти H называется расстояние, которое пройдет это сечение в осевом направлении при повороте винта на один оборот вокруг своей оси, ввинчиваясь в воздух как в твердое тело.

Шаг и угол установки сечения связаны очевидным соотношением:

Реальные воздушные винты имеют шаг, изменяющийся вдоль радиуса по определенному закону. В качестве характерного угла установки лопасти принимается, как правило, угол установки сечения, расположенного на 0,75R от оси вращения винта, обозначаемый как .

Круткой лопасти называется изменение по радиусу углов между хордой сечения на данном радиусе и хордой на радиусе 0,75R, то есть

Для удобства пользования все перечисленные геометрические характеристики обычно представляют графически в функции относительно текущего радиуса винта

В качестве примера на следующем рисунке приведены данные, описывающие геометрию двухлопастного винта фиксированного шага:

Если винт, вращаясь с числом оборотов движется поступательно со скоростью V то за один оборот он пройдет путь . Эта величина называется поступью винта, а ее отношение к диаметру называется относительной поступью винта:

Аэродинамические свойства винтов принято характеризовать безразмерным коэффициентом тяги:

Коэффициентом мощности

И коэффициентом полезного действия

Где р - плотность воздуха, в расчетах может быть принята равной 0,125 кгс с 2 /м 4

Угловая скорость вращения винта об/с

D - диаметр винта, м

P и N - соответственно тяга и мощность на валу винта, кгс, л. с.

Теоретический предел тяги винта

Для конструктора СЛА представляет интерес возможность без расчетов делать приближенные оценки тяги, создаваемой силовой установкой. Эта задача достаточно просто решается с помощью теории идеального пропеллера, согласно которой тяга винта представляется функцией трех параметров: мощности двигателя, диаметра винта и скорости полета. Практика показала, что тяга рационально выполненных реальных винтов всего на 15 - 25% ниже предельных теоретических значений.

Результаты расчетов по теории идеального пропеллера показаны на следующем графике, который позволяет поределить отношение тяги к мощности в зависимости от скорости полета и параметра N/D 2 . Видно, что при околонулевых скоростях тяга в сильной степени зависит от диаметра винта, однако уже на скоростях опрядка 100 км/ч указанная зависимость менее существенна. Кроме того, график дает наглядное представление о неизбежности уменьшения тяги винта по скорости полета, что необходимо учитывать при оценке летных данных СЛА.

по материалам:
"Руководство для конструкторов летательных аппаратов самодеятельной постройки", Том 1, СибНИИА

Принцип работы воздушного винта

Винт создает тягу в воздухе, действуя на него подобно крылу. Крыло самолета обычно движется поступательно, тогда как лопасть винта движется и поступательно и вращательно. Лопасть винта представляет собой по форме вытянутый прямоугольник, один размер которого значительно меньше по сравнению с другим, вращающийся с угловой скоростью W около оси х - х (рис.4.1), проходящей у одного края этого прямоугольника. Плоскость прямоугольника, оставляющая некоторый угол j c плоскостью вращения, движется также поступательно в направлении оси вращения со скоростью V. Рассекая лопасть цилиндром радиуса r, ось которого совпадает с осью х; получаем в сечении вытянутый прямоугольник. Так как обычно ширина лопасти невелика по сравнению с ее длиной, то сечение цилиндром заменяется близким им, но удобным для вычерчивания, сечением касательной плоскости к цилиндру и перпендикулярной оси лопасти (рис.4.1).

Так как лопасть совершает сложное движение - поступательное и вращательное, то нужно сложить эти два движения. Геометрическая сумма окружной скорости вращения U = W r, и поступательной скорости (скорость полета) V, (рис.4.2) дает вектор W (скорость движения воздушного потока относительно профиля сечения). Если взять другое сечение плоскостью, касающейся цилиндра меньшего или большего радиуса, то составляющая скорость V остается той же, а окружная скорость Wr будет меньше или больше; последняя изменяется по линейному закону, становясь на оси винта равной нулю.

Так как лопасть берется плоской, то угол j на всех радиусах будет одним и тем же, а угол β , называемый углом притекания потока к сечению, будет различным на разных радиусах в связи с переменной окружной скоростью вращения W r . Следовательно, с уменьшением радиуса r угол β увеличивается, а угол a =φ-β уменьшается и может стать равным нулю или даже отрицательным.

Воздушные винты подразделяются на винты фиксированного шага (ВФШ) и винты изменяемого шага (ВИШ).

Воздушный винт преобразует крутящий момент ТВД или ПД в силу тяги. При этом имеют место потери, оцениваемые коэффициентом полезного действия (к. п. д.) винта.

ВФШ характеризуется постоянным углом установки лопасти. В конструктивном отношении этот винт имеет втулку, в которой жестко крепятся лопасти, которые передают ей тягу, и ей же воспринимается крутящий момент с вала двигателя на винт.

ВИШ состоит из лопастей, втулки с механизмом поворота лопастей и устройств, обеспечивающих его надежную работу. Для управления винтом имеется аппаратура автоматического и ручного действия.

К воздушным винтам предъявляются следующие требования:

Высокий к. п. д.;

Для ВИШ - изменение угла установки лопастей в диапазоне, обеспечивающем легкий запуск двигателя; минимальную положительную тягу винта на режиме малого газа; максимальную отрицательную тягу при пробеге и минимальное лобовое сопротивление лопастей во флюгерном положении; автоматическое изменение угла установки лопастей в зависимости от режима полета ВС и работы двигателей со скоростью поворота не менее 10 °/с;

Минимальные значения реактивного и гироскопического моментов;

В конструкции винта и регулятора частоты вращения должны быть автоматические защитные устройства, ограничивающие произвольный переход лопастей винта на малые углы установки и предотвращающие возникновение отрицательной тяги в полете;

Защита лопастей и обтекателя втулки винта от обледенения;

Достаточная прочность при малой массе, уравновешенность и минимальный шум.

Основные характеристики винта принято подразделять на геометрические, кинематические и аэродинамические.

4.2. ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВИНТА

К геометрическим характеристикам относят: диаметр D винта, число лопастей, форма лопасти в плане, толщина c , хорда сечения b и углы установки сечений лопастей. Диаметр винта (D=2R) определяет окружность, описываемая концами лопастей при вращении винта относительно его оси (рис.4.3). Диаметр является главнейшей характеристикой винта, так как он преимущественно определяет его тяговые характеристики.

Величина диаметра выбирается из аэродинамических соображений и согласуется с возможностью размещения винта на ВС. Диаметры современных винтов составляют от 3м до 6 м.

Большие диаметры винтов приводят к низким к.п.д. в связи с возможностью появления сверхзвуковых скоростей на концевых участках лопастей, а также усложняют компоновку двигателя на самолете. Малые значения диаметров не позволяют преобразовать заданный крутящий момент двигателя в необходимую тягу.

Если разрезать лопасть на некотором радиусе r цилиндрической поверхностью, имеющей продольную ось, совпадающую с осью вращения винта, то отпечаток разреза называют сечением лопасти. Это сечение имеет крылообразную форму профиля. Часть лопасти, находящаяся между двумя радиусами (r и r +Δ r ), представляет собой элемент лопасти с площадью ΔS =bΔr. Здесь и далее вместо дугообразных сечений рассматриваются плоские.

Отношение текущего радиуса сечения r к радиусу винта R называют относительным радиусом =r/R. Радиус неработающей части лопасти, занятой втулкой, обозначают r 0 . и 0 = r 0 /R .

Для преобразования крутящего момента двигателя в тягу с минимальным значением диаметра винт имеет несколько лопастей. На современных ТВД устанавливают обычно четырехлопастные винты. Большее число лопастей снижает к.п.д. На мощных ТВД вместо увеличения числа лопастей применяют соосные винты, расположенные друг за другом и вращающиеся в противоположных направлениях вокруг одной оси.

Характерными размерами сечения лопасти являются максимальные ширина b и толщина-с лопасти, а также их относительные величины

= и =

У современных винтов m ax = 8…10% (рис. 4.4).

Линию 0В (см. рис.4.3), проходящую через середины сечений лопасти, называют ее осью. Вид оси лопасти (прямая или кривая) и распределение ширины лопасти вдоль этой оси характеризуют форму лопасти в плане. Приближение m ax к концу лопасти повышает тягу винта, но увеличивает изгибающий момент вследствие перемещения центра давления к концу лопасти.

Максимальная толщина сечения лопасти уменьшается к ее концу (при больших скоростях обтекания необходима меньшая относительная толщина профиля). Для сравнительной оценки этой толщины рассматривают ее относительное значение на 0 =0, 9 и обозначают 0,9 . Для современных винтов 0,9 =4…5% (рис.4.4).

4.3.КИНЕМАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВИНА

Плоскость, перпендикулярная оси вращения воздушного винта и проходящая через любую точку лопасти, называется плоскостью вращения винта. Таких параллельных плоскостей бесчисленное множество. Обычно под плоскостью вращения винта понимается плоскость, проходящая через середину или конец хорды профиля (рис.4.5).

Сечения лопасти наклонены к плоскости вращения. Угол установки сечения лопасти φ измеряют между плоскостью вращения винта и хордой профиля. Величина φ определяет для данного радиуса винта значение шага h как расстояние, на которое продвинулся бы воздушный винт в неподатливой среде за один оборот

h=2r tgφ n s ,

где n s -число оборотов винта в секунду.

При эксплуатации винтов значение шага не замеряется, но термин «шаг винта» получил распространение.

Кинематическими характеристиками винта являются окружная, поступательная и результирующая скорости сечения лопасти, углы атаки и притекания потока, коэффициент скорости. В полете сечение лопасти винта вращается с окружной скоростью U=ωr=2πл s r и движется поступательно со скоростью полета V. Кроме этих основных

скоростей, в плоскости вращения возникают индуктивные скорости подсасывания и закручивания, которые для упрощения здесь не рассматриваются. В этом случае результирующая скорость W определяется по формуле

Направление скорости W образует с хордой профиля угол атаки α, а со скоростью U угол притекания струи β. Тогда

φ=a+β,

β=arc tg =arc tg .

При постоянных значениях поступательной скорости V и угла установки φ с увеличением радиуса сечения лопасти угол β уменьшается, а угол a увеличивается.

Для того чтобы каждое сечение лопасти находилось под одним и тем же наивыгоднейшим углом атаки a наив (при котором аэродинамическое качество максимальное), необходимо с уменьшением угла β уменьшать угол установки φ . Поэтому у лопасти воздушного винта углы установки в корневой части (у комля) наибольшие, а по направлению к концу лопасти уменьшаются (рис. 4.6). Такое распределение углов установки сечений лопасти называется геометрической круткой. Крутка должна обеспечивать условие a=φ-β =const =a наив .

Для определения величины крутки лопасти пользуются понятием относительной крутки сечения лопасти (рис.4.7), сравнивая угол φ установки любого сечения лопасти с углом установки сечения, расположенного на =0,75 и обозначаемого в виде φ 0,75: =φ - φ 0,75 . Общая крутка лопасти определяется разностью углов установки в начале рабочей части лопасти φ ro и на конце лопасти φ R . Так как по радиусу винта угол установки лопасти меняется, то он измеряется на номинальном радиусе r ном . Значение r ном обычно берется равным 1000 мм для винтов с D<4 м и 1600 мм для винтов с D>4 м.

При постоянных значениях угла установки сечения лопасти (β и окружной лопасти полета U ) угол атаки изменяется в зависимости от скорости полета. При увеличении скорости V угол атаки a уменьшается, а при уменьшении V - увеличивается. Для того чтобы при изменении скорости полета угол атаки a оставался постоянным, необходимо изменять угол установки лопасти (рис. 4.8).

Это возможно путем поворота лопасти во втулке винта относительно собственной оси винта. В случае ВФШ это достигается увеличением окружной скорости U (увеличение частоты вращения винта).

4.4. АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВИНТА

К аэродинамическим характеристикам винта относятся тяга Р , момент сопротивления М и мощность N , необходимые для вращения винта, и коэффициент полезного действия η в

Как указывалось выше, лопасти винта, находящиеся во вращательном и поступательном движении, имеют разные скорости движения по отношению к набегающему потоку воздуха. Рассматривая два сечения лопасти (см. рис.4.9) на радиусах r и r+ Δr и полученную между этими сечениями часть лопасти называется элементом лопасти на радиусе r. Площадь этого элемента лопасти будет dS=bdr.

В обращенном движении, на указанный элемент лопасти набегает поток со скоростью V параллельной оси винта, и, во-вторых,- поток со скоростью U в направлении, перпендикулярном скорости V , дающие результирующую скорость W- скорость набегания потока на элемент лопасти. Угол между вектором W и хордой сечения есть угол атаки сечения α .

Угол φ между хордой сечения и вектором U (или, что тоже, плоскостью вращения винта) есть угол установки сечения лопасти, а угол β между векторами скоростей U и W - угол притекания. Такой элемент лопасти можно рассматривать как крыло и применить к нему общие формулы аэродинамики.

Подъемная сила для элемента лопасти:

dY=C y d S , (4.1)

и лобового сопротивления

dX =C x dS . (4.2)

Как известно из аэродинамики, коэффициент лобового сопротивления С x зависит от относительного размаха крыла. Какой же относительный размах принимать в данном случае? На первый взгляд, кажется, что следует принять бесконечный размах; но, как известно из аэродинамики, такое крыло не будет иметь индуктивного сопротивления. Поэтому оно не будет вызывать индуктивных скоростей, что противоречит тому, что должно быть в струе идеального пропеллера. Таким образом, если принять элемент лопасти за крыло бесконечного размаха, то следует каким-либо другим путем находить вызванную винтом скорость, и тогда треугольник скоростей в сечении лопасти следует принимать, как показано на рис. 4.5. Для того чтобы можно было воспользоваться этими формулами для определения тяги и мощности элемента лопасти, следует принять в них С y и С x для какого-то фиктивного относительного размаха, причем считать, что элемент работает в лопасти изолированно - без какого бы то ни было влияния соседних элементов. Далее следует допустить, что воздействие потока на такой элемент, несмотря на то, что он движется по винтовой траектории, подобно воздействию потока на крыло, движущегося поступательно. Это последнее предположение называется, обычно, гипотезой плоских сечений.

dY= С y b dr (4.3)

dX= С x b dr (4.4)

Абсолютные значения линейных размеров лопасти выразятся в относительной форме:

b= D, r= и dr=d

Выразим W через U и β.

U=ώr=2πn s r= πn s (4.5)

W 2 = = (4.6)

Значения элементарных подъемной силы dY и силы сопротивления dX с учетом (4.6) выразятся:

dY=C y =C y (4.7)

dX=C x = C x (4.8)

Спроектируем подъемную силу и лобовое сопротивление элемента допасти на два взаимно перпендикулярных направления - на направление, параллельное оси винта, и на направление, совпадающее с плоскостью вращения винта (рис. 4.10).

Проекция dY на ось винта дает тягу dP элемента лопасти:

dP=dYcosβ-dXsinβ= ()(4.9)

Проекция dX на плоскость вращения винта дает силу сопротивления вращению этого элемента:

dT=dYsinβ+dXcosβ= () (4.10)

Момент сопротивления вращению dM элемента лопасти:

dM=dT r=dT = ( ) . (4.11)

Потребная мощность вращения dN элемента лопасти:

dN=dM ω= dM 2πn s = ( ) (4.12)

Общие тяга Р и мощность N для винта с i лопастями выразятся соответствующими интегральными зависимостями выражений (4.9) и (4.12):

P= () . (4.13)

N= () . (4.14)

В формулах (4.13) и (4.14) подынтегральные выражения являются переменными функциями, зависящими от геометрических и аэродинамических характеристик лопасти винта, и, обозначив их соответственно С Р – коэффициент тяги и С N – коэффициент мощности, получим окончательное выражение для тяги и мощности:

P= C P ρn 2 D 4 , (4.15)

N= C N ρn 3 D 5 , (4.16)

Коэффициент полезного действия винта η в можно записать в виде:

η в = = = = λ= π (4.17)

Относительная скорость есть отношение скорости набегающего потока к окружной скорости на конце лопасти:

Рис. 4.11а. Аэродинамическая характеристика винта

Здесь отношение называется поступью винта (поступательное перемещение винта в податливой среде), а =λ- относительной поступью, тогда: λ=π .

При подборе винта и при аэродинамическом расчете самолета задается мощность, передаваемая двигателем на винт, и требуется еще знание лишь коэффициента полезного действия винта,- тягой винта при аэродинамическом расчете обычно не пользуются. Удобно совместить кривые С N и ηтак, чтобы на кривых С N были нанесены соответствующие значения – η,тогда получается диаграмма, изображенная на рис. 4.11а.

На ней по оси абсцисс отложены λ, по оси ординат С N ; кривые С N расположены по параметру угла установки винта φ; на кривых С N нанесены точки соответствующих КПД винта, при соединении которых образуются кривые одинаковых КПД. Как видно, кривые одинаковых КПД замкнутые и пересекаются соответствующими кривыми С N дважды. Ядро этих замкнутых кривых соответствует наибольшему значению КПД. Такая диаграмма называется аэродинамической характеристикой винта. На диаграмме должны быть обозначены условия испытаний, т. е, тип винтового прибора, диаметр испытанного винта, тип винта или его геометрическая характеристика, формы и размеры тела за винтом, скорость потока и число оборотов при испытании. Диаграмма, приведенная на рис. 197, является основной для подбора винтов.

4.5. РЕЖИМЫ РАБОТЫ

Рис. 4.12. Работа винта на месте

При постоянном угле установки лопасти j ее угол атаки α зависит от величины скорости полета (см. рис. 4.10). При увеличении скорости полета угол атаки уменьшается. В этом случае говорят, винт «облегчается», так как момент сопротивления вращению винта уменьшается, что вызывает увеличение частоты его вращения. При уменьшении скорости полета, наоборот, угол атаки увеличивается и винт «затяжеляется», частота его вращения снижается.

Мощность винта N и коэффициент мощности C N считаются положительными, когда крутящий момент от аэродинамических сил винта противоположен направлению его вращения.

Если крутящий момент этих сил направлен в сторону вращения винта, т. е. сила сопротивления вращению T <0, мощность винта считается отрицательной.

Ниже рассмотрены наиболее характерные режимы работы винта.

Режим, при котором поступательная скорость V=0, следовательно, λ и h в равны нулю, называется режимом работы винта на места (рис. 4.12). На рис. 4.11 этому режиму cooтветствует точка а, где коэффициенты тяги Ср и мощности C N обычно имеют максимальные значения. Угол атаки лопастей ά при работе винта на месте примерно равен углу установки φ. Так как h в =o, то винт при работе на месте никакой полезной работы не производит.

Режим работы винта, когда при наличии поступательной скорости создается положительная тяга, называется пропеллерным режимом (рис.4.13). Он является основным и наиболее важным режимом работы, который используется при рулении, взлете, наборе высоты, горизонтальном полете самолета и частично - на снижении и посадке. На рис. 4.11 этому режиму полета соответствует участок аб. По мере увеличения относительной поступи λ уменьшаются значения коэффициентов тяги и мощности. Коэффициент полезного действия винта при этом сначала возрастает, достигая максимума в некоторой точке б, а затем падает.

Точка б характеризует оптимальный режим работы винта для данного значения угла установки лопастей j . Таким образом, пропеллерному режиму работы винта соответствуют положительные значения коэффициентов С P , C N и h в. Такие условия полета, как правило, возникают при снижении самолета. В силовых установках с ВФШ возможна раскрутка винта.

Рис.4.15. Работа винта на режиме торможения

Режим работы, при котором винт не создает ни положительной, ни отрицательной тяги (сопротивления), называется режимом нулевой тяги . На этом режиме винт как бы свободно ввинчивается в воздух, не отбрасывая его назад и не создавая тяги (рис. 4.14). Режиму нулевой тяги на рис. 4.11 соответствует точка в . Результирующая сила dR оказываетсяв третьем квадранте.Здесь коэффициент тяги С р и к. п. д. винта h в равны нулю. Коэффициент мощности C N имеет некоторое положительное значение,соответствующее затратам энергии на преодоление вращению винта. Угол атаки лопастей при этом, как правило, несколько меньше нуля.

Режим работы винта, когда создается отрицательная тяга (сопротивление) при положительной мощности на валу двигателя, называется режимом торможения , или тормозным режимом винта (рис.4.15). На этом режиме угол притекания струй β больше угла установки φ , т.е. угол атаки лопастей α- величина отрицательная. В данном случае воздушный поток оказывает давление на спинку лопасти, чем и создает отрицательную тягу, т.к. результирующая сила dR оказывается в третьем квадранте. На рис.4.11 этому режиму работы винта соответствует участок, заключенный между точками в и г , на котором коэффициенты Ср и η в имеют отрицательные значения, а значения коэффициента С N изменяются от некоторого положительного значения до - нуля.

Рис.4.16 Работа винта на режиме авторотации

Как и в предыдущем случае, для преодоления момента сопротивления вращению винта требуется определенная мощность двигателя. Отрицательная тяга винта используется для сокращения длины послепосадочного пробега. Для этого лопасти специально переводят на минимальный угол установки φ min , при котором во время пробега самолета угол атаки α отрицательный.

Режим работы, когда мощность на валу двигателя равна нулю а винт вращается за счет энергии набегающего потока (под действием аэродинамических сил, приложенных к лопастям), называется режимом авторотации (рис. 4.16). Двигатель при этом развивает мощность N , необходимую лишь для преодоления внутренних сил и моментов сопротивления, образующихся при вращении винта.

Результирующая сила dR= - dP ориентировано строго по оси вращения винта и направлено против полета самолета. На рис. 4.11 этому режиму соответствует точка г. Тяга винта, как и на режиме торможения, отрицательная.

Рис. 4.17. Работа винта на режиме ветряка

Режим работы, при котором мощность на валу двигателя отрицательна, а винт вращается за счет энергии набегающего потока, называется режимом ветряка (рис. 4.17). На этом режиме винт не только не потребляет мощности двигателя, а сам вращает вал двигателя за счет энергии набегающего потока. На рис. 4.11 этому режиму соответствует участок правее точки г и тогда, рассматривая винт как источник энергии, h в > 0

Режим ветряка применяют для запуска остановившегося двигателя в полете. В этом случае вал двигателя раскручивается до необходимой для запуска частоты вращения, не требуя специальных пусковых устройств.

Торможение самолета при пробеге осуществляется переводом лопастей винта на минимальный угол установки и начинается на режиме ветряка, последовательно проходя стадии, авторотации, торможения, режима нулевой тяги. С уменьшением скорости пробега винт начинает работать в режиме минимальной тяги

4.6. КЛАССИФИКАЦИЯ ВИНТОВ ИЗМЕНЯЕМОГО ШАГА

Ранее было показано, что величина угла атаки лопастей при неизменном угле установки φ зависит от скорости полета. В ВФШ при малых скоростях полета (взлет) углы атаки сечений лопастей близки к углам установки лопастей, что вызывает «затяжеление» винта. В этом случае мощность двигателя недостаточна для раскрутки винта до взлетных (максимальных) оборотов. В горизонтальном полете при большой поступательной скорости угол атаки лопастей может существенно уменьшиться, что создаст избыточную мощность двигателя (по сравнению с винтом), которая приведет к росту оборотов до недопустимо больших значений, при которых не обеспечивается надежность работы двигателя.

В прошлом, когда диапазон скоростей полета самолетов был невелик, применялись винты фиксированного шага. По мере совершенствования самолетов и увеличения диапазона скоростей полета появилась потребность в винтах изменяемого шага. Первые ВИШ имели сравнительно небольшой диапазон изменения углов установки лопастей, который обычно не превышал 10°. Это были, как правило, двух шаговые винты. Взлет и набор высоты в этом случае производились на малом угле установки (малом шаге), позволяющем получить взлетную частоту вращения ротора двигателя при работе на месте. При переходе на горизонтальный полет лопасти переводились на большой шаг с помощью специальных механизмов.

С дальнейшим увеличением диапазона скоростей полета самолетов и, следовательно, с увеличением диапазона изменения углов установки лопастей, стали применять винты с автоматическими системами регулирования частоты вращения путем изменения угла установки в зависимости от режима полета.

В зависимости от источника энергии для принудительного перемещения лопастей относительно их продольных осей ВИШ подразделяются на:

Механические (энергия отбирается от двигателя с помощью дифференциального шестеренчатого механизма или от усилия летчика);

Электрические, в которых перемещение лопастей производится с помощью электрического двигателя, размещенного в коке винта и связанного с комлями лопастей конической шестеренчатой передачей;

Гидравлические, в которых силовым элементом является гидропоршень в коке винта, поступательное перемещение которого преобразуется с помощью кривошипно-шатунного механизма во вращательное движение лопастей.

В основе регулирования ВИШ лежит поддержание постоянных оборотов винта (двигателя) вне зависимости от развиваемой мощности двигателя за счет изменения угла установки лопастей с помощью центробежного регулятора.

При отклонении от равновесного режима двигателя в сторону большей развиваемой мощности попытка увеличить его обороты парируется установкой лопастей на больший угол. В этом случае частота вращения винта остаётся на прежнем уровне (в пределе допуска) с одновременным увеличением тяги. При отклонении режима в сторону уменьшения процесс регулирования идёт в обратном направлении.

Винты с такими системами регулирования частоты вращения получили название воздушных автоматических винтов. Конструктивно винты автоматические представляют собой весьма сложные агрегаты, успешная эксплуатация и техническое обслуживание которых возможны лишь при условии глубокого изучения принципов их работы и правил технической эксплуатации.

4.7. СИЛЫ И МОМЕНТЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА ЛОПАСТИ

Центробежные силы лопастей и их моменты

На поперечном сечении произвольного радиуса лопасти выделим концевые элементарные массы. При вращении винта на эти элементы лопасти действуют центробежные силы, направленные по радиусу от оси вращения и лежащие в плоскости вращения этих элементов.

Векторы центробежных сил dP ц1 и dP ц2 крайних частей элемента лопасти (рис. 4.18) направлены от оси вращения и перпендикулярны к ней. Их можно разложить в соответствующих плоскостях вращения на осевые и нормальные составляющие dK 1 ,dK 2 и df 1 , df 2 . Последние силы показаны также на поперечном сечении лопасти.

Разложение векторов центробежных сил для других таких же частей сечения, расположенных между передней и задней кромками в пределах этого же сечении лопасти, даёт эпюру поперечных составляющих центробежных сил (рис. 4.19) Поперечные составляющие центробежных сил (рис. 4.18) меняют свое направление при переходе через ось лопасти. Заменяя силы одного направления, соответствующими равнодействующими dF 1 и dF 2 , получаем момент М ц от поперечных составляющих центробежных сил, который стремится повернуть лопасть на уменьшение угла установки.

В винтах изменяемого шага поворот лопастей на необходимый угол установки происходит относительно осей, совпадающих с осями комлевых (цилиндрических) частей лопастей.

Величина момента М ц, зависит от частоты вращения винта, материала, геометрических размеров, углов установки и крутки лопасти.

Аэродинамические силы и их моменты

Аэродинамические силы появляются в результате воздействия воздушного потока на лопасть и распределяются по всей её поверхности. Такую схему нагружения лопасти можно рассматривать, как жёстко закрепленную одним концом балку, подверженную действию распределенной аэродинамической нагрузки, которая создает изгибающий и крутящий моменты.

Равнодействующая аэродинамических сил элемента лопасти приложена в центре давления, который обычно находится впереди оси вращения лопасти (см. рис. 4.5) и стремится повернуть последнюю в сторону увеличения угла установки. Величина суммарного момента аэродинамических сил лопасти для данного винта зависит от углов атаки лопасти и величины результирующей скорости набегающего потока. Значение момента аэродинамических сил невелико.

При отрицательных углах атаки лопастей направление равнодействующей силы меняется так, что крутящие моменты аэродинамических сил в этом случае стремятся повернуть лопасти в сторону уменьшения угла установки.

Центробежные силы противовесов и их моменты

Обычно величина крутящего момента от аэродинамических сил невелика, поэтому он не может быть использован в качестве самостоятельного источника энергии для поворота лопастей в сторону увеличения угла установки. В связи с этим на некоторых винтах изменяемого шага дополнительно устанавливают специальные противовесы (грузы), которые при помощи кронштейнов закрепляют к комлевым частям лопастей (рис. 4.20).

При вращении винта возникают центробежные силы противовесов Р п , направленные от оси вращения. Противовесы относительно лопастей размещают таким образом, чтобы составляющие Р n на плече h создавали крутящий момент лопасти М ц =Р nf h, стремящийся повернуть лопасть в сторону увеличения угла установки. Величина крутящего момента противовесов М ц зависит от их массы, расстояния от оси вращения, плеча h и частоты вращения винта. Все эти параметры выбирают с таким расчетом, чтобы совместное действие двух крутящих моментов от центробежных сил противовеса и аэродинамических сил обеспечивало поворот лопасти в сторону увеличения угла установки с необходимой интенсивностью поворота. Составляющая Р пк противовеса, направленная вдоль лопасти, вызывает изгибающий момент, который воспринимается кронштейном противовеса.

4.8. СХЕМЫ РАБОТЫ ВОЗДУШНЫХ ВИНТОВ С ГИДРАВЛИЧЕСКИМИ МЕХАНИЗМАМИ ПОВОРОТА ЛОПАСТЕЙ

В настоящее время в винтовой авиации наибольшее распространение получили гидравлические винты, у которых изменение углов установки лопастей осуществляется под давлением масла. По принципу действия они подразделяются на двух сторонние и одно сторонние винты. В гидравлических односторонних винтах масло (от системы охлаждения двигателя) от специального насоса под повышенным давлением подается в одну из полостей гидроцилиндра через золотник центробежного регулятора. Другая полость постоянно соединена со сливной магистралью, служащей системой питания двигателя (Р м )

Односторонний винт обратного действия

Кинематическая схема винта (см. рис.4.21) выполнена так, что увеличение угла установки лопастей происходит при перемещении поршня 2 вправо, когда давление в полости А превысит давление в полости Б. Уменьшение угла установки осуществляется под действием момента от поперечных составляющих центробежных сил лопасти М ц/б путём слива масла из полости А гидроцилиндра.

В общем случае на лопасть действуют моменты: М ц/б – момент от поперечных составляющих центробежных сил, направленный на уменьшение угла установки лопасти j; встречно ему направлен момент от аэродинамических сил М а/д и действующий в том же направлении момент от давления в полости А на поршень – М А.

На равновесном режиме, когда пружина 7 уравновешивает усилие от центробежных грузиков 6, бурт золотника 5 перекрывает полость А цилиндра 1 и создает в нем гидроупор, который воспринимает усилие от М ц\б и лопасть находится в фиксированном положении.

В случае увеличения мощности двигателя (возрастает подача топлива) при сохранении прежней мощности потребления винтом, произойдет рост оборотов двигателя. Это вызовет увеличение центробежных сил грузиков 6 и золотник 5 откроет доступ маслу в полость А. В этом случае М А + М а\д > М ц\б ,что вызовет перемещение лопасти на больший угол j. С увеличением потребляемой мощности винтом частота его вращения снижается до заданной величины и устанавливается равновесный режим.

С уменьшением мощности двигателя (сокращение подачи топлива) процесс происходит в обратном порядке. Особенностью таких винтов является их относительная простота конструкции. К числу недостатков следует отнести возможность раскрутки винта при нарушении герметичности полости А гидроцилиндра. Под действием М ц\б лопасти могут переместиться на минимальный угол установки. С этой целью необходимо предусматривать в конструкции винта специальные упоры, исключающие перемещение поршня при разгерметизации полости А.

Односторонний винт прямого действия имеет механизм поворота лопастей с односторонним подводом масла. В нем сила давления масла используется только для перевода лопастей на уменьшение углов установки (рис. 4.22).

Для перевода лопастей на увеличение углов установки применяются противовесы так, что момент от поперечных составляющих центробежных сил М г направлен встречно М ц/б. Таким образом, в сторону уменьшения угла установки лопасти поворачиваются при выполнении следующего неравенства: М А + М ц/б >М гр. + М а/д.

В этом случае масло подается в полость А через золотниковый канал центробежного регулятора.

Лопасти в сторону увеличения угла установки поворачиваются при условии: М гр. + М а/д > М А + М ц/б , что имеет место при сливе масла из полости А в картер двигателя в связи с перемещением золотника вверх за счет увеличенных центробежных сил грузиков регулятора. Применение противовесов в механизме поворота лопастей имеет большое значение в обеспечении безопасности полета при снижении давления в маслосистеме. В этом случае исключается возможность поворота лопастей винта в сторону малых углов установки, а, следовательно, раскрутки винта и появления отрицательной тяги. Однако наличие противовесов увеличивает массу винта.

В винтах двухстороннего действия давление масла используется как для увеличения, так и уменьшения угла установки лопастей (рис. 4.23) зависимости от положения золотника 5 масло от насоса может попадать как в полость А, так и в полость Б цилиндра. Поршень соединен с лопастью таким образом, что при его поступательном движении лопасть будет совершать вращательное движение относительно своей оси.

Если масло от насоса будет поступать в полость А , то из полости Б оно будет сливаться. Тогда соотношение моментов:

М А + М а/д >М Б + М ц/б,

где М А - А .

В данном случае угол установки лопастей будет увеличиваться. При подаче масла в полость Б из полости А масло будет сливаться и угол установки лопастей уменьшится. Соотношение моментов в этом случае будет

М А + М а/д,< М Б + М ц/б ,

где м Б - момент, создаваемый силой давления масла в полости Б .

Из рассмотрения работы винтов двустороннего действия видно, что моменты, создаваемые силой давления масла, являются управляемыми. Они определяются положением золотника 5. Моменты M а/д, и М ц/б , постоянно действующие, и управлению не поддаются.

4.9. СОВМЕСТНАЯ РАБОТА ВИНТА И РЕГУЛЯТОРА

На современных самолетах с ТВД применяются только автоматические винты, для чего в рассмотренных выше системах регулирования устанавливаются регуляторы частоты вращения с датчиком центробежного типа (рис.4.21). Назначение регуляторов состоит в том, чтобы, работая совместно с ВИШ, автоматически поддерживать заданную частоту вращения ротора двигателя постоянной. Задается она степенью сжатия пружины регулятора при помощи механизма настройки 7.

Предположим, что регулятору уже задана некоторая частота вращения. Она автоматически поддерживается постоянной системой винт-регулятор следующим образом. Во время работы двигателя на золотник 5 регулятора непрерывно действуют две силы: упругая сила пружины 7, стремящаяся опустить золотник вниз, и центробежные силы грузиков 6, стремящиеся поднять золотник вверх. Если двигатель работает на установившемся режиме, когда частота вращения поддерживается постоянной, золотник 5 находится в нейтральном положении (каналы для прохода масла перекрыты буртиками золотника), а между упругой силой пружины и центробежными силами грузиков устанавливается равновесие. Частота вращения ротора двигателя, соответствующая этому положению, называется равновесной или заданной. Очевидно, чем больше сжата пружина, тем большие потребуются центробежные силы грузиков, а, следовательно, и большая частота вращения ротора двигателя для удержания золотника в нейтральном положении и наоборот.

Предположим теперь, что частота вращения ротора двигателя по какой-либо причине изменилась, например, увеличилась. Очевидно, это возможно или при увеличении мощности, развиваемой двигателем, или при уменьшении мощности, поглощаемой винтом.

Рассмотрим наиболее простой случай - увеличение мощности двигателя за счет увеличения подачи топлива (при перемещении рычага управления двигателем (РУД) вперед). При этом нарушается равенство мощностей двигателя и винта, в результате чего частота вращения ротора двигателя увеличивается. На это реагирует центробежный регулятор частоты вращения, который должен поддерживать ее постоянной. При увеличении частоты вращения увеличиваются центробежные силы грузиков 6, которые, преодолевая упругую силу пружины, поднимают золотник 5 вверх. В этом случае масло с высоким давлением пойдет в полость А , а из полости Б оно будет сливаться в двигатель.

Моментами силы давления масла и аэродинамических сил лопасти будут поворачиваться в сторону увеличения угла установки, преодолевая при этом момент поперечных составляющих центробежных сил лопастей. Таким образом, винт будет «затяжеляться», его момент сопротивления вращению увеличится, а, следовательно, увеличивается и потребляемая им мощность. Процесс затяжеления винта будет продолжаться до восстановления заданной частоты вращения, когда по мере уменьшения центробежных сил грузиков золотник регулятора будет возвращен пружиной в нейтральное положение и перекроет масляные каналы.

При уменьшении мощности двигателя (за счет сокращения подачи топлива) будет наблюдаться обратная картина. Частота вращения ротора двигателя начнет снижаться, от чего упругая сила пружины, преодолевая центробежные силы грузиков, опустит золотник вниз. В этом случае масло от насоса поступает в полость Б , а из полости А оно сливается в двигатель. Лопасти винта под действием момента силы давления масла (в полости Б ) и моментов поперечных центробежных сил, преодолевая моменты аэродинамических сил, будут поворачиваться в сторону уменьшения углов установки. Винт при этом делается легче, так как потребляемая им мощность уменьшается. Процесс облегчения винта закончится, когда заданная частота вращения восстановится и золотник возвратится в нейтральное положение.

Дроссельная характеристика винта.

Описанный процесс регулирования частоты вращения при изменении подачи топлива представлен графикам (рис. 4.24), где показаны зависимости мощностей двигателя и винта от частоты вращения при разных расходах топлива.

Развиваемая мощность двигателя N дв имеет (с определенной погрешностью) степенную зависимость от частоты вращения: N дв ~ n (2…3) В то время как потребляемая мощность винтом N в имеет более высокую зависимость от его оборотов: N в ~ n 5 . Исходным режимом работы силовой установки является точка пересечения кривой мощности двигателя, соответствующей расходу топлива Q T 0 , с кривой мощности винта, лопасти которого установлены под углом φ 0 . Этому установившемуся режиму работы силовой установки соответствует частота вращения п 0 . При увеличении подачи топлива характеристика мощности двигателя будет располагаться выше исходной (изображена пунктиром Q T 1 > Q T 0 ) вследствие более высокой температуры газов перед турбиной. Как видно из графика, пересечение кривых мощности винта при φ 0 и мощности двигателя при Q T 1 > Q T 0 соответствует частоте вращения, которая больше п 0 . В данном случае центробежный регулятор, обеспечивая постоянство частоты вращения, переставит лопасти на больший угол установки φ 1 (пунктирная кривая мощности, винта при φ 1 >φ 0 ), что вызовет снижение оборотов, до ранее установленных п 0 .

Таким образом, с увеличением подачи топлива, а, следовательно, и с увеличением мощности двигателя винт будет затяжеляться, т. е. угол установки лопастей увеличивается и тяга возрастает. При уменьшении подачи топлива, наоборот, регулятор, поддерживая заданную частоту вращения, переводит лопасти на меньшие углы установки, тем самым, уменьшая тягу двигателя. Качественный характер изменения угла установки лопастей φ от подачи топлива Q T в двигатель представлен на рис 4.25.

Скоростная характеристика винта.

Рассмотрим теперь работу системы винт-регулятор при изменении скорости полета и постоянной подаче топлива в двигатель. Предположим, самолет переводится с режима набора высоты в режим горизонтального полета или с режима горизонтального полета в режим снижения. И в том и другом случаях скорость полета увеличится при неизменной подаче топлива.

На рис. 4.26 представлены графики изменения располагаемой мощности ГТД - N дв и потребляемой воздушным винтом мощности N в в зависимости от скорости полета V . В области дозвуковых скоростей полета мощность (что и тяга) двигателя N дв с увеличением скорости полета незначительно снижается в то же время N в падает более интенсивно. При скорости V 0 система двигатель – винт работает на равновесном режиме (N дв = N в ). С увеличением скорости полета до V 1 возникает избыток мощности ( N дв > N в) , вызывающий рост оборотов винта. Стремясь удержать обороты на заданном значении, центробежный регулятор оборотов переставит лопасти на большие углы установки φ 1 Это вызовет снижение оборотов за счет большей потребляемой мощности винта N в (φ 1) и равновесный режим восстанавливается, но при больших значениях углов уста новки лопастей.

Характер изменения φ=f(V) показан на графике рис.4.27.

При уменьшении скорости полета процесс регулирования протекает в обратном порядке. При уменьшении скорости полета угол атаки лопастей увеличивается, а, следовательно, винт делается «тяжелее». Частота вращения при этом снижается, а регулятор, стремясь поддержать заданное значение, переводит лопасти на меньшие углы установки.

Высотная характеристика

Система винт-регулятор будет реагировать и на изменение высоты полета, так как характеристика двигателя и винта по высоте изменяются неодинаково.

Высотная характеристика ТВД N дв =f(h) , представленная на графике рис.4.28, (верхняя ломаная кривая) имеет два характерных излома. На земле мощность двигателя определяется минимальной подачей топлива в двигатель, что соответствует потребной взлетной мощности. В интервале высот (0…h 1) сохранение постоянной мощности (N дв =const) за счет повышения температуры газов перед турбиной до максимально допустимой (увеличение подачи топлива) Т г мах . На высотах от h 1 до h=11км происходит падение мощности двигателя. В этом диапазоне высот уменьшение плотности воздуха атмосферы частично компенсируется возрастанием степени сжатия воздуха в компрессора, связанное с понижением температуры атмосферы (N дв ~ρ (0.8...0.9)) .

На высотах более 11 км, где температура окружающего воздуха постоянна, мощность двигателя снижается пропорционально уменьшению плотности воздуха ρ .

Мощность винта, как следует из рис.4.28 (серия кривых при различных φ), снижается с подъемом на высоту пропорционально изменению плотности воздуха ρ .

Если, предположить, что угол установки лопастей винта φ 0 на земле соответствовал условию N дв. =N в. , то при увеличении высоты полета N дв. >N в . Такое несоответствие N дв. и N в вызывает увеличение частоты вращения, но регулятор, поддерживая заданное ее значение, переводит лопасти винта на большие углы установки.

Таким образом, с увеличением высоты полета до h 1 происходит интенсивное увеличение углов установки лопастей; на высотах (h 1 …11)км углы продолжают возрастать, но с меньшей интенсивностью; на высотах более 11 км угол установки остается постоянным, так как изменение мощностей двигателя и винта одинаково пропорциональны изменению плотности воздуха.

При уменьшении высоты полета процесс изменения угла установки будет обратный, т. е. лопасти винта будут переводиться на меньшие углы установки. Характер изменения угла установки лопасти показан на рис. 4.29.

4.10. АЭРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ВИНТЫ

На самолетах с двигателями небольшой мощности применяют аэромеханические винты, у которых лопасти поворачиваются автоматически, без использования посторонних источников энергии и регулятора частота вращения. Таким образом, аэромеханические винты является автономными и автоматическими. Автоматический поворот лопастей достигается за счет изменения в полете величины крутящих моментов, действующих на лопасти винта.

У обычных винтов величина моментов аэродинамических сил невелика, а направление их действия определяется величинами углов атаки. Если лопастям придать специальную форму или изогнуть их на угол γ (рис. 4.30) относительно оси поворота лопасти, то за счет изменения положения центра давления моменты аэродинамических сил будут обеспечивать поворот лопасти во втулке в сторону уменьшения угла установки. На лопасти аэромеханических винтов устанавливаются противовесы, которые создают крутящие моменты, направленные в сторону увеличения угла установки (затяжеление винта).

На лопасти аэромеханических винтов устанавливаются противовесы, которые создают крутящие моменты, направленные в сторону увеличения угла установки (затяжеления винта). Моменты поперечных составляющих центробежных сил лопастей М ц стремятся развернуть лопасти в сторону уменьшения угла установки лопасти. Моменты М ц , создаваемые противовесами, больше моментов, создаваемых поперечными составляющими центробежных сил лопастей. На установившихся режимах соотношение моментов должно обеспечивать условие

М п =М ц +М а.

Однако значения указанных выше моментов в зависимости от режима полета изменяются, поэтому выбор правильного соотношения крутящих моментов, действующих на лопасти винта в широком диапазоне изменения угла установки, является весьма важной и сложной задачей. Это соотношение моментов должно обеспечивать «затяжеления» винта при увеличении скорости полета, и, наоборот, при снижении скорости полета винт должен «облегчаться». Частота вращения при неизменном режиме работы двигателя должна оставаться постоянной.

В соответствии с этим при работе двигателя на месте, когда тяга винта максимальна, а, следовательно, максимален крутящий момент от аэродинамических сил, лопасти винта устанавливаются на упор минимального угла. Этим обеспечиваются получение взлетной (максимальной) частоты вращения ротора двигателя и наивыгоднейшие условия взлета самолета.

В полете, по мере увеличения скорости, тяга винта уменьшается, уменьшаются и моменты М а, а моменты центробежных сил противовесов и лопастей, не зависящие от скорости полета, сохраняют прежние значения (при n =const ). В результате соотношение моментов изменится и лопасти постепенно будут поворачиваться в сторону увеличения угла установки, предотвращая раскрутку винта. Очевидно, при уменьшении скорости полета картина будет обратная. Таким образом, лопасти аэромеханического винта автоматически в зависимости от скорости полета изменяют угол установки. Частота вращения винта при этом меняется, но в сравнительно небольших пределах.