Принцип работы воздушного винта. Классификация воздушных винтов

ТЕОРИЯ ВОЗДУШНОГО ВИНТА

Введение

Воздушный винт преобразует мощность вращения двигателя в поступательную силу тяги. Воздушный винт отбрасывает назад воздушную массу, при этом создается реактивная сила, толкающая самолёт вперёд. Тяга винта равна произведению массы воздуха на ускорение, приданное ей винтом.

Определения

Лопасть воздушного винта – это несущая поверхность, похожая на крыло самолёта. Такие определения, как хорда, кривизна профиля, относительная толщина профиля, относительное удлинение аналогичны определениям в отношении крыла самолёта.

Угол установки лопастей винта ( blade angle или pitch )

Это угол между хордой лопасти и плоскостью вращения. Угол установки уменьшается от корня лопасти к законцовке, потому что окружная скорость сечения лопасти растёт от комля к законцовке. Угол установки лопасти измеряют в сечении, расположенном в 75% от её длины, отсчитывая от комля.

Шаг винта ( geometric pitch )

Это расстояние, которое бы прошёл винт за один полный оборот, если бы двигался через воздух с углом установки лопастей. (Можно представить шаг винта как движение болта, закручивающегося по резьбе, но дальше такой аналогией мы пользоваться не будем)

Геометрическая крутка лопасти ( blade twist )

Сечения лопасти, расположенные ближе к её законцовке, за один оборот проходят больший путь. Чтобы шаг винта был одинаковый для всех сечений лопасти, угол установки сечений постепенно уменьшается от комля к законцовке.

Угол установки лопастей на многих винтах может меняться. Когда угол установки лопастей маленький, говорят, что винт на режиме малого шага (fine pitch), и когда, наоборот – на режиме большого шага (coarse pitch).

Поступь винта (effective pitch или advance per revolution)

В полёте, винт не проходит расстояние, равное шагу винта, за один оборот. Реальное расстояние, проходимое винтом, зависит от скорости самолёта и называется поступью винта.

Скольжение винта ( slip )

Разница между шагом и поступью винта называется скольжением винта.

Угол наклона винтовой линии ( helix angle )

Это угол между реальной траекторией сечения воздушного винта и плоскостью вращения.

Угол атаки(α)

Траектория движения сечения лопасти в воздухе определяет направление набегающего потока воздуха. Угол между хордой сечения лопасти и направлением набегающего потока является углом атаки сечения лопасти. На угол атаки влияет окружная скорость сечения (скорость вращения винта) и истинная скорость самолёта.

Воздушный винт фиксированного шага ( fixed pitch propeller )

На рисунках показана работа воздушного винта фиксированного шага при изменении условий полёта. Увеличение истинной скорости самолёта при неизменной скорости вращения винта (окружной скорости сечения) уменьшает угол атаки винта. Увеличение скорости вращения винта на постоянной истинной скорости полёта увеличивает угол атаки винта.

Аэродинамические силы, возникающие на воздушном винте

Лопасть винта представляет собой несущую поверхность, похожую на крыло самолёта. Когда она движется через воздух на некотором угле атаки, то на ней создаются аэродинамические силы так же, как и на крыле. Между поверхностями лопасти возникает перепад давления. Та поверхность лопасти, где создаётся большее давление, называется рабочей поверхностью лопасти (pressure face или thrust face). Когда винт создаёт прямую тягу, то рабочей является задняя (плоская) поверхность лопасти. Перепад давлений создаёт полную аэродинамическую силу, которую можно разложить на две составляющие, тягу и силу сопротивления вращению.

Тяга воздушного винта

Тяга - это компонент полной аэродинамической силы, перпендикулярный плоскости вращения. Сила тяги неравномерно создаётся по длине лопасти. Она минимальна на законцовке лопасти, где перепад давления между поверхностями исчезает, также уменьшается в комле из-за малой окружной скорости. Тяга создаёт изгибающий момент на каждой лопасти, стремясь погнуть их законцовками вперёд. (Сила равная и противоположная по направлению тяге винта отбрасывает воздух назад.)

Момент сопротивления вращению

Сила сопротивления вращению винта на плече от оси вращения до точки приложения полной аэродинамической силы создаёт момент сопротивления вращению. Равный по величине и противоположный по направлению момент воздействует на самолёт, стремясь повернуть его относительно продольной оси. Также момент сопротивления вращению создаёт изгибающие моменты на лопастях воздушного винта, стремясь согнуть их против направления вращения.

Центробежный скручивающий момент лопасти ( centrifugal twisting moment )

Боковые составляющие центробежных сил «А» и «В» создают момент относительно оси изменения угла установки лопасти, стремясь уменьшить шаг винта.

Аэродинамический скручивающий момент лопасти ( aerodynamic twisting moment )

Поскольку центр давления расположен впереди оси изменения угла установки лопасти, то полная аэродинамическая сила создаёт момент, стремящийся увеличить шаг винта.

Аэродинамический момент противодействует центробежному скручивающему моменту, но слабее его.

Коэффициент полезного действия воздушного винта

Коэффициент полезного действия винта определяется отношением тяговой мощности и мощности, подведённой к винту от двигателя. Тяговая мощность винта определяется произведением тяги винта на истинную скорость самолёта, а мощность двигателя – произведением крутящего момента двигателя на угловую скорость вращения винта.

к. п. д. винта = тяговая мощность / мощность двигателя

Зависимость к. п. д. винта от скорости полёта

Выше было показано, что при увеличении скорости полёта угол атаки лопастей винта фиксированного шага уменьшается. Это приводит к уменьшению тяги винта. На некоторой скорости этот угол уменьшится настолько, что тяга винта уменьшится до нуля. Это значит, что к. п. д. винта тоже станет равным нулю.

Для воздушного винта фиксированного шага существует только одна скорость при которой лопасти будут обтекаться под наиболее выгодным углом атаки и к. п. д. винта будет максимальным. (при постоянной угловой скорости вращения)

При дальнейшем уменьшении скорости самолёта угол атаки лопастей увеличивается. Тяга винта увеличивается, но произведение тяги на скорость (тяговая мощность) начинают падать. На нулевой скорости тяга винта максимальна, но винт не производит полезной работы, поэтому его к. п. д. снова равен нулю.

Коэффициент полезного действия винта фиксированного шага сильно изменяется при изменении скорости полёта.

Как видно из рисунка, используя винт изменяемого шага (угла установки лопастей), можно добиться его эффективной работы в широком диапазоне скоростей полёта.

Винт фиксированного шага с возможностью изменения угла установки лопастей в ступице при обслуживании на земле.

Воздушный винт с возможностью выбора трёх фиксированных углов установки лопастей в полёте. Малый шаг винта устанавливается для взлёта, набора высоты и посадки. При крейсерском полёте винт устанавливается в положение большого шага. При отказе двигателя винт устанавливается во флюгерное положение.

Воздушный винт изменяемого шага (constant speed propellers).

На современных самолётах устанавливаются винты, которые автоматически выдерживают заданную частоту вращения, изменяя угол установки лопастей. Это позволяет сохранять высокий к. п. д. в широком диапазоне скоростей, улучшить характеристики взлёта и набора высоты и обеспечить экономию топлива в крейсерском полёте.

Воздушный винт изменяемого шага

На рисунке изображен типичный пульт управления винтом и двигателем на маленьких поршневых самолётах. Все рычаги находятся в положении для взлёта (крайнем переднем).

Регулятор скорости вращения винта настроен на максимальную скорость.

Перемещение среднего рычага назад приведёт к уменьшению скорости вращения винта.

Обратите внимание: Можно провести аналогию между рычагом управления скоростью вращения винта и рычагом коробки передач в автомобиле.

Максимальная скорость винта – первая передача в машине.

Минимальная скорость винта – пятая передача в машине.

На рисунке показаны условия работы воздушного винта в начале разбега по ВПП. Обороты винта максимальны, поступательная скорость мала. Угол атаки лопастей оптимален, винт работает с максимальным к. п. д. По мере роста скорости угол атаки лопастей будет уменьшаться. Это приведет к уменьшению тяги и силы сопротивления вращению. При постоянной мощности двигателя обороты двигателя начнут возрастать. Регулятор поддержания постоянной скорости вращения винта начнёт увеличивать угол установки лопастей винта, чтобы не допустить увеличения оборотов винта. Таким образом, угол атаки лопастей всё время будет удерживаться на оптимальных значениях.

На рисунке показаны условия работы винта при полёте на большой скорости. По мере роста истинной скорости полёта регулятор поддержания оборотов винта постоянно увеличивает угол установки лопастей, поддерживая постоянный угол атаки.

Рисунок показывает работу винта в крейсерском полёте. Оптимальные режимы мощности и скорости вращения винта указываются в руководстве по лётной эксплуатации. Обычно рекомендуется сначала уменьшить мощность двигателя, а затем уменьшить скорость вращения винта.

В течение всего полёта регулятор поддержания постоянных оборотов управляет углом установки лопастей винта, чтобы сохранить заданные обороты. По крайней мере, пытается этого достичь.

Если крутящий момент от двигателя пропадает (режим малого газа или отказ), то регулятор, стремясь поддержать обороты, уменьшает угол установки лопастей на минимум. Угол атаки лопастей становится отрицательным. Теперь полная аэродинамическая сила на винте направлена в противоположную сторону. Её можно разложить на отрицательную тягу винта и силу, стремящуюся раскрутить винт. Теперь воздушный винт будет крутить двигатель.

На двухмоторном самолёте при отказе одного двигателя, если винт отказавшего двигателя авторотирует, то очень сильно ухудшаются характеристики набора высоты, дальность полёта и затрудняется управление самолётом из-за дополнительного разворачивающего момента. Также вращение отказавшего двигателя может привести к его заклинению или пожару.

Флюгирование

При повороте лопастей винта на угол атаки нулевой подъёмной силы исчезает сила вращающая винт и винт останавливается. Лобовое сопротивление (отрицательная тяга) винта уменьшается до минимума. Это значительно повышает характеристики набора высоты (при отказе одного из двух двигателей), поскольку градиент набора высоты зависит от разности между тягой двигателей и лобовым сопротивлением.

Также флюгирование лопастей винта уменьшает разворачивающий момент от отказавшего двигателя. Это улучшает управляемость самолёта и понижает минимальную эволютивную скорость при отказе двигателя V MC .

На однодвигательных самолётах флюгирование винта не предусматривается. Тем не менее, при отказе двигателя существует возможность существенно уменьшить отрицательную тягу винта. Для этого регулятор скорости вращения винта переводят на минимальную скорость. При этом винт будет установлен в положение максимального шага.

Это позволяет увеличить аэродинамическое качество самолёта, что уменьшит градиент потери высоты на планировании с отказавшим двигателем. Также уменьшатся обороты двигателя из-за уменьшения силы стремящейся раскрутить винт.

Если перевести регулятор оборотов винта на увеличение скорости вращения, то эффект будет противоположный.

Отбор мощности от двигателя на винт

Воздушный винт должен быть в состоянии воспринять всю мощность двигателя.

Также он должен работать с максимальным к. п. д. во всём эксплуатационном диапазоне самолёта. Критичным фактором является скорость обтекания законцовок лопастей. Если она приближается к скорости звука, то явления, связанные со сжимаемостью воздуха, приводят к уменьшению тяги и увеличению момента сопротивления вращению. Это значительно уменьшает к. п. д. винта и увеличивает его шумность.

Ограничение скорости обтекания законцовок лопастей накладывает ограничения на диаметр и угловую скорость вращения винта, а также на истинную скорость полёта.

Диаметр винта также ограничивается требованиями минимального зазора до поверхности аэродрома и фюзеляжа самолёта, а также необходимостью установить двигатель как можно ближе к фюзеляжу, чтобы уменьшить разворачивающий момент в случае его отказа. В случае если двигатель стоит далеко от продольной оси самолёта, то необходимо увеличивать вертикальное оперение, чтобы обеспечить балансировку самолёта при отказе двигателя на малой скорости. Всё вышесказанное показывает, что обеспечить, чтобы винт потреблял всю располагаемую мощность двигателя, одним только увеличением его диаметра нецелесообразно. Часто этого добиваются увеличением коэффициента заполнения воздушного винта.

Коэффициент заполнения воздушного винта ( solidity )

Это отношение фронтальной площади всех лопастей к площади ометаемой винтом.

Методы повышения коэффициента заполнения воздушного винта:

Увеличение хорды лопастей. Это приводит к уменьшению относительного удлинения лопасти, что приводит к снижению к. п. д.

Увеличение количества лопастей. Отбор мощности от двигателя увеличивается без увеличения скорости обтекания законцовок и уменьшения относительного удлинения лопастей. Увеличение числа лопастей более определённого количества (5 или 6) приводит к уменьшению к. п. д. винта.

Тяга винта создаётся отбрасыванием массы воздуха назад. Если чрезмерно увеличивать коэффициент заполнения воздушного винта, то будет уменьшаться масса воздуха, который может получить ускорение при прохождении через винт. Для эффективного увеличения числа лопастей используют соосные винты, вращающиеся на одной оси в противоположных направлениях.

Моменты и силы, создаваемые воздушным винтом

Винт создаёт моменты по всем трем осям самолёта. Причины возникновения этих моментов различны:

кренящий момент реакции винта

гироскопический момент

спиральный момент от спутной струи

момент, вызванный несимметричным обтеканием винта

Примечание: Большинство современных двигателей оснащено воздушными винтами вращающимися по часовой стрелке (если смотреть сзади). На некоторых двухмоторных самолётах на правый двигатель устанавливают винт, вращающийся против часовой стрелки, для устранения недостатков, связанных с появлением критического двигателя (см. главу 12).

Кренящий момент реакции винта

Поскольку винт вращается по часовой стрелке, то на самолёт действует равный по величине и противоположный по направлению момент.

При разбеге самолёта левый пневматик будет нести большую нагрузку, что создаст большее сопротивление качению. Поэтому самолёт будет иметь тенденцию к развороту влево. В полёте самолёт будет иметь тенденцию накрениться влево. Наиболее заметен этот момент будет при максимальной тяге винта и малой скорости полёта (малая эффективность рулей).

Кренящий момент реакции винта практически отсутствует у соосных винтов, вращающихся в противоположные стороны.

В оригинальном тексте написано, что у двухдвигательных самолётов с винтами, вращающимися в одну и ту же сторону, кренящий момент реакции винтов отсутствует до тех пор, пока не откажет один из двигателей. Это неверно. В теоретической механике сказано, что суммарный момент, действующий на твёрдое тело, равен алгебраической сумме моментов, лежащих в одной плоскости. То есть момент реакции винтов будет действовать на самолёт, не зависимо от количества работающих двигателей, и если все винты вращаются в одну и ту же сторону, то моменты будут складываться.

Гироскопический момент

Вращающийся воздушный винт имеет свойства гироскопа – стремится сохранить положение оси вращения в пространстве, а в случае приложения внешней силы – появляется гироскопический момент, стремящийся развернуть ось гироскопа в направлении, отличающемся на 90° от направления вынужденного вращения.

Направление действия гироскопического момента удобно определить, воспользовавшись следующим мнемоническим правилом. Представьте себя сидящим в кабине самолёта. Плоскость вращения двигателя (винта) изобразим окружностью, а направление вращения – стрелками по окружности.

Если из центра окружности провести одну стрелку в направлении движения носа самолёта, то вторая стрелка, направленная по касательной к окружности в направлении вращения двигателя (винта), покажет направление дополнительного (прецессионного) движения носа самолёта, вызванного действием гироскопического момента двигателя (винта).

Гироскопический момент появляется только при вращении самолёта по тангажу и по курсу.

У соосных винтов гироскопический момент отсутствует.

Спиральный момент от спутной струи

Воздушный винт отбрасывает назад закрученную струю воздуха, которая вращаясь вокруг фюзеляжа, изменяет обтекание киля. Поскольку винт вращается по часовой стрелке, то струя обтекает киль под углом слева, вызывая на нем боковую силу вправо.

Спиральный момент от спутной струи винта создаёт момент рыскания влево. Величина момента зависит от режима работы двигателя и оборотов воздушного винта.

Уменьшить спиральный момент можно с помощью:

используя соосные винты

установкой фиксированного компенсатора на руль направления

установкой двигателя с небольшим отворотом оси винта вправо

установкой киля под небольшим углом влево

Момент, вызванный несимметричным обтеканием винта

В полёте ось винта отклонена от направления набегающего потока на угол атаки. Это приводит к тому, что опускающаяся лопасть обтекается под большим углом атаки, чем поднимающаяся. Правая часть воздушного винта будет создавать большую тягу, чем левая. Таким образом, будет создаваться момент рыскания влево.

Наибольшую величину этот момент будет иметь на максимальном режиме работы двигателя и максимальном угле атаки.

Влияние атмосферных условий

Изменения в атмосферном давлении и/или температуре приводят к изменению плотности воздуха.

Это влияет на:

мощность двигателя при неизменном положении дроссельной заслонки

момент сопротивления вращению винта.

Увеличение плотности воздуха приводит к увеличению обоих этих параметров, но мощность двигателя увеличивается в большей степени.

Влияние плотности воздуха на работу двигателя с винтом фиксированного шага

Увеличение плотности приводит к росту оборотов винта и наоборот.

Влияние плотности воздуха на момент сопротивления вращению (потребный крутящий момент двигателя) винта фиксированного шага

Увеличение плотности приводит к росту момента сопротивления вращению винта и наоборот.

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.

К достоинствам этого типа винтов относятся: простота конструкции и эксплуатации, малые масса и габариты втулки винта, а к недостаткам - снижение заданной частоты вращения по мере подъема самолета, что вызывает снижение мощности двигателя. С подъемом на высоту в связи с уменьшением плотности воздуха тяга винта уменьшается. Это вызывает затяжеление винта и снижение частоты вращения и мощности двигателя. Возн

Надежин Никита

Теория воздушного винта: от первых пропеллеров к эффективным агрегатам будущего.

ПЛАН:

Введение.

1.1. Воздушный винт.

1.2.Технические требования к модели самолёта класса F1B.

3.Описание конструкции воздушного винта.

1.4. Описание модели самолёта.

Заключение.

Список литературы, программное обеспечение.

Приложения.

Введение

Воздушный винт, пропеллер, движитель, в котором радиально расположенные профилированные лопасти, вращаясь, отбрасывают воздух и тем самым создают силу тяги («Пропеллер» - студенческая многотиражка в Московском авиационном институте). Воздушный винт состоит из одной, двух или более лопастей, соединенных друг с другом ступицей. Основная часть винта - лопасти, так как только они создают тягу.

Идею воздушного винта предложил в 1475 году Леонардо да Винчи, и применил его для создания тяги впервые в 1754 году В.М. Ломоносов в модели прибора для метеорологических исследований.

М.В. Ломоносов

На самолете А.Ф. Можайского использовались воздушные винты. Братья Райт использовали толкающий винт.

Ещё до начала проектирования первого самолёта, А.Ф. Можайским были изготовлены несколько моделей самолёта, у которых движителем был воздушный винт, приводимый во вращение резиновым жгутом. В Америке братья Райт также сначала изготавливали модели самолёта, и только потом был спроектирован первый летающий самолёт.

С начала 20 века во всём мире молодые люди начали проектировать и строить модели самолётов и проводить соревнования. В нашей стране первые соревнования напутствовал Н.Е. Жуковский в1926году. Авиамодельный спорт стал культивироваться Международной авиационной федерацией FAI, разработан кодекс FAI, проводятся Всероссийские и международные соревнования.

По правилам соревнований все модели участников должны соответствовать определённым требованиям и, чтобы победить на соревнованиях, надо изготовить модель летающую лучше всех. Для этого необходимо увеличить высоту взлёта модели, но сделать это сложно, так как запас энергии на модели ограничен весом резиномотора, который проверяется во время проведения соревнований. Остается только увеличивать коэффициент использования энергии резины, а это механизация в полёте воздушного винта по изменению геометрических характеристик. Крутящий момент резиномотора переменный и имеет нелинейную характеристику. А крутящий момент необходимый для привода воздушного винта пропорционален диаметру винта в пятой степени. Для реализации имеющегося крутящего момента и увеличения КПД воздушного винта надо в полёте изменять диаметр и шаг. В существующих конструкциях изменяют шаг винта, так как это конструктивно проще, но это влечёт за собой увеличение скорости полёта, а значит и вредного сопротивления крыла. Выигрыш получается небольшой. Увеличение диаметра винта с одновременным увеличением шага позволяет использовать воздушный винт более качественно. Выигрыш получается больше.

Задача : проектирование механизмов, позволяющих увеличить КПД, уменьшить расход топлива для выработки различных видов энергии, приводящих к снижению вредных выбросов в атмосферу.

Тема данной работы очень актуальна для понимания развития современной техники. Работа по увеличению КПД воздушного винта делает возможным в дальнейшем проектирование более сложных механизмов, направленных на увеличение КПД других изделий, потребляющих тепловую и электрическую энергию и связанных с улучшением экологии окружающего пространства. В современном мире это очень важно так как применение механизмов, увеличивающих КПД на машинах, генераторах ведет к уменьшению расхода топлива, а следовательно выбросов продуктов сгорания в атмосферу и улучшению состояния экологии окружающей среды и здоровья человека.

Цель данной работы : проектирование механизма увеличивающего КПД использования механической энергии воздушным винтом резиномоторной модели самолета.

Значение работы : На примере проектирования простого механизма рассматриваются вопросы проектирования более сложных механизмов, которые можно эффективно использовать в будущем при разработке новой авиационной техники.

1. Воздушный винт

В спокойном воздухе самолет может лететь горизонтально или с набором высоты только тогда, когда у него есть движитель. Таким движителем может быть воздушный винт или реактивный двигатель. Воздушный винт должен приводиться во вращение механическим двигателем. И в том и в другом случае тяга создается за счет того, что некоторая масса воздуха или выхлопных газов отбрасывается в сторону, противоположную движению.

Рис.4. Схема сил, действующих на воздушный винт.

При своем движении лопасть воздушного винта описывает в пространстве винтовую линию. В своем поперечном сечении она имеет форму крыльевых профилей. В правильно спроектированном винте все сечения лопасти встречают поток под некоторым наивыгоднейшим углом. При этом на лопасти развивается сила, аналогичная аэродинамической силе на крыле. Эта сила, будучи разложенной на две составляющие (в плоскости винта и перпендикулярную плоскости) дают тягу и сопротивление ращению данного элемента лопасти. Просуммировав силы, действующие на все элементы лопастей, получают тягу, развиваемую винтом, и момент, потребный для вращения винта (Рисунок 4). В зависимости от величины потребляемой мощности применяются воздушные винты с различным числом лопастей - двух, трех и четырех лопастные, а также соосные винты, вращающиеся в противоположных направлениях для уменьшения потерь мощности на закручивание отбрасываемой струи воздуха. Такие винты применяют на самолетах Ту-95, Ан-22, Ту-114. На Ту-95 установлены 4 двигателя НК-12 конструкции Николая Кузнецова (Рисунок 5). Концы лопастей у этих винтов вращаются со сверхзвуковой скоростью, создавая сильный шум (Натовское название самолета Ту-95 - «Медведь», принят на вооружение в 1956 году и ВВС Росси используют этот самолет по сей день). В авиамодельном спорте для получения высоких результатов на соревнованиях используют и однолопастные винты. Коэффициент полезного действия винта зависит от величины покрытия винта

(где - число лопастей, - максимальная ширина лопасти), чем меньше величина покрытия винта, тем более высокий КПД винта можно получить. Беспредельному уменьшению покрытия препятствует прочность лопасти. Многолопастные винты не выгодны, так как они понижают КПД.

Рис.5. Самолет ТУ-95 с соосным винтом.

Первые воздушные винты имели фиксированный в полете шаг, определяемый постоянным углом установки лопастей винта. Для сохранения достаточно высокого КПД во всем диапазоне скоростей полета и мощностей двигателя, а так же для флюгирования и изменения вектора тяги при посадке применяются винты изменяемого шага (ВИШ). В таких винтах лопасти поворачиваются во втулке относительно продольной оси механическим, гидравлическим или электрическим механизмом.

Для увеличения тяги и КПД при малой поступательной скорости и большой мощности воздушный винт помещают в профилированное кольцо, в котором скорость струи в плоскости вращения больше, чем у изолированного винта, и само кольцо вследствие циркуляции скорости создает дополнительную тягу.

Лопасти воздушного винта изготавливают из дерева, дюралюминия. Стали, магния, композиционных материалов. При скоростях полета 600-800 км/час КПД воздушного винта достигает 0,8-0,9. При больших скоростях под влиянием сжимаемости воздуха КПД падает. Поэтому воздушный винт выгоден на дозвуковых скоростях полета самолета.

Идею воздушного винта предложил в 1475 году Леонардо да Винчи (Рисунок 1), а применил его для создания тяги впервые в 1754 году М.В. Ломоносов в модели прибора для метеорологических исследований (Рисунок 2). К середине XIX века на пароходах применялись гребные винты, аналогичные воздушному винту. В XX веке воздушные винты стали применяться на дирижаблях, самолетах, аэросанях, вертолетах, аппаратах на воздушной подушке и др.

Рис. 1. Геликоптер. Идея, предложенная Леонардо да Винчи. Модель по эскизу Леонардо да Винчи.

Рис.2. Модель прибора М.В. Ломоносова для метеорологических исследований.

Методы аэродинамического расчета и проектирования воздушных винтов основаны на теоретических и экспериментальных исследованиях. В 1892-1910 годах русский инженер-исследователь, изобретатель С.К. Джевецкий разработал теорию изолированного элемента лопасти, а в 1910-1911 годах русские ученые Б.Н. Юрьев и Г.Х. Сабинин развили эту теорию. В 1912-1915 годах Н.Е. Жуковский создал вихревую теорию, дающую наглядное физическое представление о работе винта и других лопаточных устройств и устанавливающую математическую связь между силами, скоростями и геометрическими параметрами в такого рода машинах. В дальнейшем развитии этой теории значительная роль принадлежит В.П. Ветчинкину. В 1956 году советским ученым Г.И. Майкопаровым вихревая теория воздушного винта была распространена на несущий винт вертолета.

Н.Е. Жуковский

В настоящее время для создания крупногабаритных магистральных самолетов потребовались двигательные установки большей мощности и очень экономичные. Одним из вариантов таких двигателей стали турбовентиляторные двигатели. Они обладают большой тягой и хорошей экономичностью. На всех зарубежных самолетах устанавливаются именно такие двигатели.

Развитие идеи Леонардо да Винчи воплотилось в создании газотурбинных двигателей с осевым компрессором. Лопатки осевого компрессора создают при своем движении повышение давления воздуха. Каждая ступень повышает давление на определенную величину и в конце сжатый компрессором воздух попадает в камеру сгорания, где к нему подводится тепло в виде сгорающего горючего. После чего горячий газ поступает на турбину, которая может быть и осевой и радиальной. Турбина в свою очередь крутит компрессор, а потерявшие часть энергии газы попадают в сопло и создают реактивную тягу.

Лопатки компрессора, это часть лопасти воздушного винта. Таких лопаток в каждой ступени может быть несколько десятков. Между ступенями находится неподвижный спрямляющий аппарат, который состоит из таких же лопаток, только установленных под определенным углом к закрученному воздушному потоку. Закрутка происходит за счет движения лопаток компрессора по окружности. Количество ступеней компрессора может быть более 15.

Если всю энергию, полученную в результате сгоревшего топлива, срабатывать на турбине, то на валу двигателя получится избыток мощности, который можно использовать для привода воздушного винта. Получится турбовинтовой двигатель, и тяга будет создаваться воздушным винтом. Тяга за счет выхлопных газов будет минимальна.

Следующим этапом развития стали двухконтурные двигатели. В этих двигателях часть воздуха проходит не через компрессор (снаружи), обычно это происходит после первых двух ступеней компрессора. Такой двигатель называется турбовентиляторным. Тяга двигателя создается за счет вентилятора (первые две ступени компрессора) и реактивной струи выхлопных газов. В данном случае вентилятор, а это по сути - воздушный винт, находится в профилированном корпусе.

Следующий этап развития это турбовинтовентиляторный двигатель (НК-93). Почему стали изготавливать такие двигатели? Да потому, что КПД винта на дозвуковых скоростях полета может приближаться к 0.9, а КПД реактивной струи гораздо меньше. Турбовинтовентиляторный двигатель в будущем - самый перспективный двигатель для самолетов, летающих на дозвуковых скоростях.

Двухконтурный турбореактивный двигатель.

В 1985 году ОКБ имени Н.Д. Кузнецова началось изучение концепции винтовентиляторного двигателя высокой степени двухконтурности. Было определено, что закапотированный двигатель с соосными винтами обеспечит на 7% большую тягу, чем незакопотированный ТВВД с одноступенчатым вентилятором.

В 1990 году КБ приступило к проектированию такого двигателя, получившего обозначение НК-93. Он предназначался прежде всего для самолетов ИЛ-96М, Ту-204П, Ту-214, но заинтересованность в новом двигателе проявило и Министерство обороны (планируется установка его на военно-транспортном Ту-330).

Самолет ИЛ-76 ЛЛ с двигателем НК-93.

Двигатель НК-93.

НК-93 выполнен по трехвальной схеме с двигателем закопотированного двухрядного винтовентилятора противоположного вращения СВ-92 через редуктор. Редуктор планетарный с 7 сателлитами. Первая ступень винтовентилятора 8-лопастная, вторая (на нее приходится 60% мощности) - 10-лопастная. Все лопасти саблевидные с углом стреловидности 30 0 на первых 5 двигателях изготавливали из магниевого сплава. Теперь их изготавливают из углепластика.

Схема двигателя НК-93.

Технические характеристики нового двигателя в мире аналогов не имеют. По параметрам термодинамического цикла НК-93 близок к ныне разрабатываемым за рубежом двигателям, но имеет лучшую экономичность (на 5%). Летные испытания проводятся на самолете ИЛ-76ЛЛ. Изюминкой этой винтомоторной установки является планетарный редуктор и винтовентилятор. Угол установки лопастей может изменяться в пределах 110 0 при работе двигателя. Подобный редуктор применяется в двигателях НК-12 на самолете Ту-95 и подобный редуктор используется в установках перекачки газа на магистральных газопроводах (НК-38). Так что опыт у нас есть.

На занятиях в авиамодельной лаборатории Костромского областного центра детского (юношеского) технического творчества рассматриваются вопросы теории полета самолетов и летающих моделей. С целью улучшения летных характеристик резиномоторных моделей, а также улучшения результатов выступления на соревнованиях была рассмотрена работа винтомоторной установки. Рассмотрев характеристики резиномотора, энергия которого определяет высоту взлета модели, выяснено, что крутящий момент резины на валу винта имеет нелинейную характеристику. Максимальный крутящий момент превышает средний момент в 5-6 раз. Крутящий момент, необходимый для вращения винта равен

где

Аэродинамический коэффициент

Плотность воздуха

Диаметр винта

Обороты винта в секунду

Из теории известно, что для того, чтобы КПД винта был достаточно высоким, необходимо неограниченно увеличивать диаметр винта. Как известно, конструктивно это условие выполнить нельзя. Но, зная это видим один из возможных способов увеличения продолжительности полета резиномоторной модели. Было принято решение компенсировать изменение крутящего момента изменением диаметра винта. Конструктивно изменять диаметр винта на величину, пропорциональную изменению крутящего момента довольно сложно, поэтому введено еще и изменение шага винта. Получился винт изменяемого диаметра и шага (ВИДШ). В большой авиации изменение диаметра воздушного винта не применяется из-за сложности конструкции и больших скоростей на концах лопастей, соизмеримых со скоростью звука, уменьшающих КПД винта.

Можно увеличить КПД воздушного винта путем уменьшения покрытия винта. Это значит, сделать винт однолопастным. Такие винты сейчас применяются на скоростных кордовых моделях. Результаты очень положительные. Скорость возрастает на 10-15 км/час, но там другие условия работы. Двигатель работает на постоянных оборотах и постоянной максимальной мощности. На резиномоторных моделях энергия резиномотора переменна и не линейна. При использовании однолопастного винта с изменяемым диаметром и шагом возникают сложности с противовесом лопасти винта. Поэтому принято решение для увеличения КПД воздушного винта резиномоторной модели самолета использовать винт двулопастный с изменяемым диаметром и шагом (ВИДШ).

2. Технические требования к модели самолета класса F 1 B

На конкурс представлена резиномоторная модель самолёта по классификации ФАИ - F1B, изготовленная Надежиным Никитой под руководством Смирнова Виктора Борисовича.

С этой моделью Надежин Никита в 2013 году на Первенстве России по авиационному моделированию стал чемпионом.

Резиномоторная модель - это модель летательного аппарата, которая приводится в движение двигателем из резины; подъёмная сила модели возникает за счёт аэродинамических сил, воздействующих на несущие поверхности модели.

Технические характеристики резиномоторных моделей должны соответствовать требованиям FAI:

площадь несущей поверхности - 17-19 дм 2

минимальный вес модели без резиномотора - 200 г

максимальный вес смазанного резиномотора - 30 г.

Каждый участник соревнований имеет право на 7 зачётных полётов продолжительностью не более 3-х минут каждый. Запуск модели должен быть произведён в ограниченное время, объявленное заранее. Сумма времени всех зачётных полётов каждого участника используется для окончательного распределения мест среди участников.

За время полёта модель может улетать от места старта на расстояние до 2,5-3 км. Для поиска модели на неё устанавливается радиопередатчик весом 4 грамма с питанием на несколько суток. У участника соревнований имеется радиоприёмник с направленной антенной для обнаружения модели.

Взлёт модели осуществляется за счёт энергии резиномотора, которая приводит во вращение воздушный винт. Изменение крутящего момента резиномотора при его раскрутке происходит неравномерно и максимальное его значение превосходит среднее значение в 4-5 раз. Поэтому в первоначальный момент взлёта модели воздушный винт работает на нерасчетных режимах, т.е. идет проскальзывание винта в воздушном потоке. Для того чтобы аэродинамически загрузить воздушный винт и использовать имеющуюся энергию резиномотора в полном объёме, необходимо увеличивать диаметр винта и угол установки лопастей винта в начальный период взлёта. Это хорошо показано в книге А.А.Болонкина «Теория полета летающих моделей»

3. Описание конструкции воздушного винта

Особенностью данной модели является воздушный винт (Приложения №4,5,6), который во время взлёта модели изменяет диаметр и шаг. Механизм винта при изменении крутящего момента резиномотора позволяет изменять диаметр винта и угол установки лопастей. Это позволяет существенно увеличить КПД винта и, следовательно, высоту взлёта модели, и, соответственно, увеличиваются продолжительность полёта и результат на соревнованиях.

Конструкция механизма винта представлена на сборочном чертеже 10.1000.5200.00 СБ ВИДШ (винт изменяемого диаметра и шага, Приложение №3) и представляет собой корпус, в котором на 2-х подшипниках вращается вал винта из стали ЗОХГСА. На валу установлена ступица винта, также на 2-х подшипниках, далее идёт втулка, имеющая возможность вращаться вокруг вала. На втулке установлены шатуны, на которых подвешены лопасти винта, изготовленные из бальзы. Шатуны установлены на осях, расположенных на радиусе R=11 от оси вала и под углом к нему примерно 6 градусов. Втулка и ступица соединены между собой упругим элементом (резиновое кольцо).В ступице имеется паз ограничивающий перемещение втулки относительно ступици. Это определяет рабочие углы поворота втулки и величину выдвижения шатунов. При приложении к валу винта крутящего момента относительно лопастей винта возникает сила, проворачивающая втулку относительно ступицы, при этом происходит выдвижение шатунов из ступицы и их проворот вокруг поперечной оси вала за счёт движения осей шатуна по образующей однополостного гиперболоида вокруг вала. В конструкции предусмотрено изменение угла наклона осей шатунов, что позволяет регулировать диапазон изменения шага при регулировке модели. (в первоначальном варианте регулировка пределов изменения шага не предусматривалась, чертёж 10.0000.5100.00 СБ, Приложение №2). Перемещение шатунов пропорционально крутящему моменту, приложенному к валу винта, относительно лопастей. На втулке установлен стандартный стопор, стопорящий лопасти винта в нужном положении после раскрутки резиномотора. Изменение шага при увеличении диаметра на 25 мм составляет 5 0 , что на R лопасти=200мм изменяет шаг с 670 мм до 815 мм. Для изготовления деталей использованы малогабаритные шарикоподшипники и высокопрочные материалы Д16Т, ЗОХГСА, 65С2ВА, 12х18Н10Т и углепластик.

4. Описание модели самолета

Конструкция самой модели представлена на чертеже 10.0000.5000.00СБ. (Приложение№1,7)

Продольный набор крыла состоит из двух углепластиковых лонжеронов переменного сечения, углепластикового кессона, передней и задней кромок из углепластика.

Поперечный набор состоит из нервюр, выполненных из бальзы, покрытых сверху и снизу углепластиковыми накладками толщиной 0,2 мм. На крыле применен профиль «Андрюков». Центр тяжести расположен на 54% САХ.

Весь набор собран на эпоксидной смоле. Крыло обтянуто синтетической бумагой (полиэстером) на эмалите. Для удобства транспортирования крыло имеет поперечный разъём с узлами крепления. Стабилизатор и киль выполнены аналогично крылу.

Фюзеляж состоит из двух частей. Передняя силовая часть выполнена из трубки, изготовленной из СВМ (кевлар) и углепластикового пилона, в который установлены программный механизм (таймер) и передатчик для поиска модели, спереди и сзади вклеены силовые шпангоуты из алюминиевого сплава Д16Т.

Хвостовая часть представляет конус и состоит из 2-х слоёв высокопрочной алюминиевой фольги Д16Т толщиной 0,03 мм, между которыми вклеен слой углеткани на эпоксидной смоле. На конце хвостовой части установлена площадка для крепления стабилизатора и механизм перебалансировки и посадки модели.

На модели используются резиномоторы из резины FАI “Super sport”, состоящие из 14 колец сечением 1/8 //

Применение в данном классе моделей механизма позволяющего одновременно изменять диаметр и шаг винта в зависимости от крутящего момента резиномотора, позволило увеличить коэффициент полезного действия воздушного винта, что выразилось в прибавлении высоты взлета модели на 10-12 метров, продолжительность полета увеличилась на 35-40 секунд по сравнению с другими моделями, а также улучшилась стабильность полетов. И как следствие - победа на соревнованиях.

Заключение

Вывод : Принцип преобразования поступательного движения во вращательное, заложенное в данной конструкции, может использоваться в случаях, когда нельзя использовать простые рычажные механизмы.

Практические рекомендации : Подобный механизм можно использовать в приводе элеронов крылатой ракеты. Поступательное движение тяги внутри крыла, вдоль задней кромки преобразуется во вращательное движение элерона. Использовать другие механизмы довольно сложно из-за малой строительной высоты профиля крыла в районе расположения элерона и удаления элерона от корпуса ракеты.

Таким образом, на примере проектирования простейшего механизма по увеличению КПД можно рассмотреть вопросы по созданию более совершенных механизмов преобразования энергии углеводородов в механическую тепловую и электрическую энергию, что в современных условиях позволит снизить уровень выброса вредных веществ в атмосферу и улучшит состояние экологии окружающей среды и здоровье Человека.

Список литературы, программного обеспечения

1.А.А.Болонкин. Теория полета летающих моделей, изд. ДОСААФ 1962г.

2.Э.П.Смирнов, Как спроектировать и построить летающую модель самолёта, изд. ДОСААФ 1973г.

3. Шмитц Ф.В. Аэродинамика малых скоростей, изд. ДОСААФ 1961г.

4. Проектирование выполнено в программе Компас V-11

Приложение 1.

Приложение 2.

Приложение 3.

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.