Что такое шаг винта в самолете

Как вычислить шаг воздушного винта

Чтобы обеспечить поступательное движение модели самолета, необходимо приложить к ней силу тяги. Ее создает воздушный винт, приводимый во вращение авиамодельным двигателем. Лопасти винта, вращаясь, отбрасывают поток воздуха назад — в сторону, противоположную направлению полета. Чем больше масса и скорость воздушного потока, отбрасываемого винтом, тем больше сила тяги винта.

Воздушные винты имеют различные геометрические характеристики. Важнейшими из них являются диаметр и шаг винта.

Диаметр винта D_B — это диаметр окружности, описываемой при вращении концами лопастей.

Теоретический шаг винта Н — это расстояние, проходимое элементом лопасти в направлении полета за 1 оборот винта, движущегося поступательно с определенной скоростью; при этом предполагается, что винт вращается в неподатливой (твердой) среде (см.рис). Но так как винт вращается в воздухе, частицы которого проскальзывают на поверхности винта, та за 1 оборот он проходит меньшее расстояние. Фактически пройденное расстояние называется действительным шагом или поступью винта, а разница между теоретическим (расчетным) шагом и действительным — скольжением. Действительный шаг винта можно вычислить по формуле H=v/n,

где v — скорость модели, м/с;

Для сравнения различных винтов введено понятие относительного шага: h=H/D_B у кордовых пилотажных моделей относительный шаг воздушных винтов равен (0,4—0,6) D_B. Для получения полной мощности двигателя модели нужно правильно подобрать размеры винта — диаметр, шаг, ширину лопасти.

Рассмотрим упрощенный способ расчета воздушного винта для кордовой тренировочной модели с двигателем МАРЗ-2,5: скорость полета 80 км/ч (22 м/с), частота вращения винта 10 000 об/мин (166 с-1).

Более детально ознакомиться со способами расчета воздушного винта можно в замечательной книге Жидкова Станислава «Секреты высоких скоростей кордовых моделей самолетов» начиная с 113 страницы

Если вам нужны простые советы и рекомендации по выбору воздушного винта для своей модели, смотрите тут.

Воздушный винт дополнительные сведения.

Рис. 1. Геометрические характеристики воздушного винта

Основные геометрические характеристики винта — его диаметр D и шаг — Н.

Если предположить, что винт вращается в плотной неупругой среде и вокруг оси винта описать цилиндр произвольного радиуса — r, то сечение лопасти, лежащее на поверхности этого цилиндра будет двигаться по винтовой линии (рис. 1) с углом подъема (углом установки) —ϕ. В развертке винтовая линия изобразится диагональю — ОВ, а сторона АВ характеризует перемещение сечения лопасти за один оборот, то есть шаг винта Н. Его можно выразить формулой:

Зная угол установки каждого сечения лопасти и радиус — r, можно найти соответствующий шаг. Если все сечения лопасти винта имеют одинаковую величину Н, то такие винты называются винтами постоянного шага; у винтов переменного шага в различных сечениях лопасти значения Н различны. Изменение шага по длине лопасти зависит от конструкции и формы винта. Обычно шаг винта к концу лопасти уменьшают.

Относительный шаг — это отношение шага к диаметру

Поскольку лопасть винта движется в упругой среде — воздухе, то за один оборот винт проходит расстояние меньше теоретического шага, именуемое поступью винта — Н_а (рис. 1).

Разность между шагом винта и его поступью называется скольжением — S = H—Н_а (рис. 1). Скольжение обычно дается в процентах. Для таймерных моделей с компрессионными силовыми установками оно составляет 20—40% от Н.

Из сказанного следует, что лопасть фактически движется по линии ОС, а это значит, что она имеет угол атаки α=ϕ-ß. Из рис. 1 хорошо видно, что угол атаки тем больше, чем больше скольжение S.

В расчетах часто пользуются понятием относительной поступи винта, определяемой как отношение поступи Н_а к диаметру D.

Легко показать, что

где ns — число оборотов пинта в секунду,

D — диаметр винта,

V — скорость полета модели.

Тяга, развиваемая винтом, подсчитывается по формуле: P=αρD 4 n_s 2 кг, где α— коэффициент тяги винта, который зависит от формы лопасти, h и λ; ρ — плотность воздуха.

А вот формула для мощности, необходимой для вращения винта:

где ß— коэффициент мощности винта, зависящий от тех же параметров, что и α. Коэффициентом полезного действия винта называется отношение полезной мощности, равной Р*V, к мощности, необходимой для его вращения.

Из соотношения — получим выражение для определения коэффициента полезного действия:

Основные параметры, характеризующие работу винта, узнаем опытным путем. Проверяя винт при различных значениях λ, можно вычислить коэффициенты α и ß. Их наносят на диаграмму, называемую характеристикой винта. Исследования производятся для винтов, имеющих одинаковую форму лопастей, диаметр и профили сечений, но разный относительный шаг. Получаются характеристики серии винтов, сходных по своим формам, но имеющих различные шаги. Характеристику строят в виде группы кривых ß по λ при различных h (рис. 2).

Рис. 2. Диаграмма-характеристика серии воздушных винтов.

Зная (мощность двигателя и соответствующее ей число оборотов, а также задавшись скоростью полета модели, можно найти необходимый шаг и диаметр винта.

Пусть N = 0,25 л. с. при n_s = 167 об/сек ( 10000 об/мин), а V = 11 м/сек (около 40 (км/час). Имеется в виду таймерная модель с серийным компрессионным двигателем, скорость которой на траектории редко превышает 10—12 м/сек при диаметре винта 220—240 мм. Из формулы для определения мощности двигателя находим величину потребного ß и λ;

Если ρ=1,8, а D=0,24 м, то подставляя данные в формулы, найдем λ и ß.

На рис. 3, откладывая по осям координат значения ß и λ, находим точку А и читаем относительный шаг h и к. п. д.—η.

Рис. 3. Вычерчивание шаблонов винта.

В нашем примере h=0,6, а η = 0,54. Тогда шаг винта будет Н = h * D = 0,6* 0,24 = 0,144 м. Для винта вычерчивают шаблоны: сначала лопасть «вид сверху», на котором размечают пять сечений (рис. 3). Таким образом узнаем верхний шаблон. Параллельно оси лопасти проводят прямую АВ, перпендикулярно к ней откладывают отрезок

После этого сечения лопасти переносят на линию АВ, полученные точки соединяют с вершиной О. Эти линии дают нам углы установки сечений. Затем ширину лопасти в первом сечении (на рис. 4—12 мм) переносят на горизонтальную прямую. Из точки С восстанавливают перпендикуляр и в пересечении с наклонной линией получают точку С’. Отрезок СС’ и есть высота бокового шаблона в сечении № 1. Дальнейшее построение видно из рисунка. Полученные точки соединяют плавной линией и получают боковой шаблон лопасти.

Значительное влияние на работу винта оказывает форма лопасти в поперечном сечении (профиль). Наибольшего значения тяга достигает при расположении максимальной толщины профиля на 30% от передней кромки.

На характеристику винта влияет и форма лопасти в плане. От взаимного расположения оси продольной жесткости лопасти и точки приложения полной аэродинамической силы образуется момент, который скручивает лопасть, увеличивая или уменьшая шаг.

На рис. 4 показаны шаблоны нескольких различных винтов.

Источник

Шаг винта

Шаг винта — одна из основных технических характеристик воздушного или гребного винта, зависящая от угла атаки его лопастей при их круговом движении в газовой или жидкостной среде.

Шаг винта — расстояние, пройденное поступательно винтом, ввинчивающимся в твердую среду, за один полный оборот (360°). Находится в тангенциальной зависимости от угла наклона лопастей относительно плоскости, перпендикулярной оси винта. Измеряется в единицах расстояния за один оборот. Чем больше шаг винта, тем больший объём газа или жидкости захватывают лопасти, однако, вследствие увеличения противодействия, тем больше нагрузка на двигатель и меньше скорость вращения винта (обороты). Конструкция современных воздушных и гребных винтов предусматривает способность изменения наклона лопастей без остановки агрегата.

Содержание

Воздушный винт (пропеллер)

В самолёте с винтовым движителем управление шагом винта осуществляется экипажем. Для самолёта шаг винта функционально является аналогом коробки передач в автомобиле. Увеличение шага приводит к увеличению тяги винта, уменьшение шага винта уменьшает тягу. Однако, при маленькой скорости движения и большом шаге винта (близком к 85° относительно плоскости винта) на лопастях будет формироваться срыв потока, и скорость движения будет увеличиваться очень медленно, так как лопасти будут просто перемешивать воздух, создавая очень маленькую тягу. Напротив, в случае маленького шага (5° — 10°) и высокой скорости полёта лопасти будут захватывать малый объём воздуха, скорость воздушного потока, создаваемого винтом, будет приближаться к скорости движения набегающего воздуха, остатки которого будут врезаться в винт и тормозить полёт. В некоторых случаях лопасти просто не выдержат перегрузок и разрушатся.

В связи с этим, пилотам (в особенности, времён Второй мировой войны) приходилось постоянно следить за скоростью, шагом винта и оборотами двигателя. Умело манипулируя оборотами и шагом винта, в зависимости от скорости полёта, можно было добиться меньших оборотов двигателя при высокой скорости, причём скорость не падала, а даже увеличивалась. Чтобы снизить расход топлива, а также не утруждать двигатель сильнейшими нагрузками, приходилось искать золотую середину.

На относительно современных турбовинтовых двигателях самолётов и вертолётов установлена автоматика, поддерживающая частоту вращения воздушного винта постоянной, за счёт непрерывной корректировки угла установки лопастей винта, а значит, и нагрузки на двигатель. Изменение мощности двигателя в сторону уменьшения или увеличения путем изменения подачи количества топлива приводит к автоматическому соответствующему изменению шага при сохранении неизменной частоты вращения. Говорят, что винт с большим шагом загружен, а с малым шагом — облегчён.

При аварийной остановке двигателя в полёте для снижения лобового сопротивления устанавливают максимальный угол наклона лопастей, равный 90° (параллельно оси винта). Значение шага винта в этом случае теряет смысл и становится условно равно ∞. Такой винт называется зафлюгированным.

На некоторых самолётах реализована система реверса тяги с помощью изменения шага винта, когда при приземлении во время пробега устанавливают отрицательный угол наклона лопастей, таким образом, вектор тяги винта меняет направление на обратное. Впрочем, сопротивление потоку незафлюгированного воздушного винта настолько велико, что на многих турбовинтовых самолётах для эффективного торможения в полёте или при пробеге на посадке вполне достаточно установить малый шаг винта (облегчить винт) простым переводом рычага управления тягой двигателя на минимальную тягу.

Несущий винт вертолета

Ветрогенератор

Управление шагом винта в промышленных ветряных турбинах позволяет достичь большей эффективности генератора.

Источник

Силовая установка самолета

СИЛОВАЯ УСТАНОВКА САМОЛЕТА

НАЗНАЧЕНИЕ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ И ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВОЗДУШНЫХ ВИНТАХ

Силовая установка предназначена для создания силы тяги, необходимой для преодоления лобового сопротивления и обеспечения поступательного движения самолета.

Сила тяги создается установкой, состоящей из двигателя, движителя (винта, например) и систем, обеспечивающих работу двигательной установки (топливная система, система смазки, охлаждения и т. д.).

В настоящее время в транспортной и военной авиации широкое распространение получили турбореактивные и турбовинтовые двигатели. В спортивной, сельскохозяйственной и различного назначения вспомогательной авиации пока еще применяются силовые установки с поршневыми авиационными двигателями внутреннего сгорания.

На самолетах Як-52 и Як-55 силовая установка состоит из поршневого двигателя М-14П и воздушного винта изменяемого шага В530ТА-Д35. Двигатель М-14П преобразует тепловую энергию сгорающего топлива в энергию вращения воздушного винта.

Работа воздушного винта основана на тех же принципах, что и крыло самолета.

КЛАССИФИКАЦИЯ ВОЗДУШНЫХ ВИНТОВ

Воздушный винт состоит из ступицы, лопастей и укрепляется на валу двигателя с помощью специальной втулки (Рис. 1).

Винт неизменяемого шага имеет лопасти, которые не могут вращаться вокруг своих осей. Лопасти со ступицей выполнены как единое целое.

Винт фиксированного шага имеет лопасти, которые устанавливаются на земле перед полетом под любым углом к плоскости вращения и фиксируются. В полете угол установки не меняется.

Винт изменяемого шага имеет лопасти, которые во время работы могут при помощи гидравлического или электрического управления или автоматически вращаться вокруг своих осей и устанавливаться под нужным углом к плоскости вращения.

Рис. 1 Воздушный двухлопастный винт неизменяемого шага

Рис. 2 Воздушный винт В530ТА Д35

По диапазону углов установки лопастей воздушные винты подразделяются:

на обычные, у которых угол установки изменяется от 13 до 50°, они устанавливаются на легкомоторных самолетах;

К воздушным винтам предъявляются следующие требования:

винт должен быть прочным и мало весить;

должен обладать весовой, геометрической и аэродинамической симметрией;

должен развивать необходимую тягу при различных эволюциях в полете;

должен работать с наибольшим коэффициентом полезного действия.

На самолетах Як-52 и Як-55 установлен обычный веслообразный деревянный двухлопастный тянущий винт левого вращения, изменяемого шага с гидравлическим управлением В530ТА-Д35 (Рис. 2).

ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВИНТА

Лопасти при вращении создают такие же аэродинамические силы, что и крыло. Геометрические характеристики винта влияют на его аэродинамику.

Рассмотрим геометрические характеристики винта.

Рис. 4 Диаметр, радиус, геометрический шаг воздушного винта

Рис. 5 Развертка винтовой линии

Сечения рабочей части лопасти имеют крыльевые профили. Профиль лопасти характеризуется хордой, относительной толщиной и относительной кривизной.

Диаметром винта называется диаметр окружности, описываемой концами лопастей при вращении винта. Диаметр современных винтов колеблется от 2 до 5 м. Диаметр винта В530ТА-Д35 равен 2,4 м.

Для определения, чему равен шаг винта, представим, что винт движется в цилиндре, радиус г которого равен расстоянию от центра вращения винта до точки Б на лопасти винта. Тогда сечение винта в этой точке опишет на поверхности цилиндра винтовую линию. Развернем отрезок цилиндра, равный шагу винта Н по линии БВ. Получится прямоугольник, в котором винтовая линия превратилась в диагональ этого прямоугольника ЦБ. Эта диагональ наклонена к плоскости вращения винта БЦ под углом j. Из прямоугольного треугольника ЦВБ находим, чему равен шаг винта:

(3.1)

Шаг винта будет тем больше, чем больше угол установки лопасти j. Винты подразделяются на винты с постоянным шагом вдоль лопасти (все сечения имеют одинаковый шаг), переменным шагом (сечения имеют разный шаг).

Воздушный винт В530ТА-Д35 имеет переменный шаг вдоль лопасти, так как это выгодно с аэродинамической точки зрения. Все сечения лопасти винта набегают на воздушный поток под одинаковым углом атаки.

Если все сечения лопасти винта имеют разный шаг, то за общий шаг винта считается шаг сечения, находящегося на расстоянии от центра вращения, равном 0,75R, где R-радиус винта. Этот шаг называется номинальным, а угол установки этого сечения — номинальным углом установки.

Геометрический шаг винта отличается от поступи винта на величину скольжения винта в воздушной среде (см. Рис. 4).

(3.2)

Поступь винта несколько меньше геометрического шага винта. Это объясняется тем, что винт как бы проскальзывает в воздухе при вращении ввиду низкого значения плотности его относительно твердой среды.

Разность между значением геометрического шага и поступью воздушного винта называется скольжением винта и определяется по формуле

АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВОЗДУШНЫХ ВИНТОВ

СКОРОСТЬ ДВИЖЕНИЯ И УГОЛ АТАКИ ЭЛЕМЕНТА ЛОПАСТИ ВИНТА

К аэродинамическим характеристикам воздушных винтов относятся угол атаки и тяга воздушного винта.

Углом атаки элементов лопасти винта a называется угол между хордой элемента и направлением его истинного результирующего движения W (Рис. 6).

Каждый элемент лопасти совершает сложное движение, состоящее из вращательного и поступательного. Вращательная скорость равна

(3.4)

Поступательная скорость-это скорость самолета V. Чем дальше элемент лопасти находится от центра вращения воздушного винта, тем больше вращательная скорость U.

При вращении винта каждый элемент лопасти будет создавать аэродинамические силы, величина и направление которых зависят от скорости движения самолета (скорости набегающего потока) и угла атаки.

Рассматривая Рис. 6, а, нетрудно заметить, что:

когда воздушный винт вращается, а поступательная скорость равна нулю (V=0), то каждый элемент лопасти винта имеет угол атаки, равный углу установки элемента лопасти j;

при поступательном движении воздушного винта угол атаки элемента лопасти винта отличается от угла наклона элемента лопасти винта (становится меньше его);

угол атаки будет тем больше, чем больше угол установки элемента лопасти винта;

результирующая скорость вращения элемента лопасти винта W равна геометрической сумме поступательной и вращательной скоростей и находится по правилу прямоугольного треугольника

(3.5)

чем больше вращательная скорость, тем больше угол атаки элемента лопасти воздушного винта. И наоборот, чем больше поступательная скорость воздушного винта, тем меньше угол атаки элемента лопасти воздушного винта.

В действительности картина получается сложнее. Так как винт засасывает и вращает воздух, отбрасывает его назад, сообщая ему дополнительную скорость v, которую называют скоростью подсасывания. В результате истинная скорость W’ будет по величине и направлению отличаться от скорости подсасывания, если их сложить геометрически. Следовательно, и истинный угол атаки a‘ будет отличаться от угла a (Рис. 6, б).

Анализируя вышесказанное, можно сделать выводы:

при поступательной скорости V=0 угол атаки максимальный и равен углу установки лопасти винта;

при увеличении поступательной скорости угол атаки уменьшается и становится меньше угла установки;

при большой скорости полета угол атаки лопастей может стать отрицательным;

чем больше скорость вращения воздушного винта, тем больше угол атаки его лопасти;

если скорость полета неизменна и обороты двигателя уменьшаются, то угол атаки уменьшается и может стать отрицательным.

Сделанные выводы объясняют, как изменяется сила тяги винта неизменяемого шага при изменении скорости полета и числа оборотов.

Сила тяги винта возникает в результате действия аэродинамической силы DR на элемент лопасти винта при его вращении (Рис. 7).

Разложив эту силу на две составляющие, параллельную оси вращения и параллельную плоскости вращения, получим силу ЛР и силу сопротивления вращению DХ элемента лопасти винта.

Суммируя силу тяги отдельных элементов лопасти винта и приложив ее к оси вращения, получим силу тяги винта Р.

Тяга винта зависит от диаметра винта Д, числа оборотов в секунду n, плотности воздуха r и подсчитывается по формуле (в кгс или Н)

(3.6)

Таким образом, сила тяги винта прямо пропорциональна своему коэффициенту, плотности воздуха, квадрату числа оборотов винта в секунду и диаметру винта в четвертой степени.

Так как лопасти винта имеют геометрическую симметрию, то величины сил сопротивления и удаления их от оси вращения будут одинаковые.

Сила сопротивления вращению определяется по формуле

(3.7)

где Схл — коэффициент сопротивления лопасти, учитывающий ее форму в плане, форму профиля, угол атаки и качество обработки поверхности;

К — количество лопастей.

Рис. 7 Аэродинамические силы воздушного винта

Рис. 8. Режимы работы воздушного винта

Сила сопротивления вращению винта относительно его вращения создает момент сопротивления вращению винта, который уравновешивается крутящим моментом двигателя:

Крутящий момент, создаваемый двигателем, определяется (в кгс-м) по формуле

(3.9)

где Ne-эффективная мощность двигателя.

Рассмотренный режим называется режимом положительной тяги винта, так как эта тяга тянет самолет вперед (Рис. 8, а). При уменьшении угла атаки лопастей уменьшаются силы Р и Х (уменьшается тяга винта и тормозящий момент). Можно достичь такого режима, когда Р=0 и X=R. Это режим нулевой тяги (Рис. 8, б).

При дальнейшем уменьшении угла атаки достигается режим, когда винт начнет вращаться не от двигателя, а от действия сил воздушного потока. Такой режим называется самовращением винта или авторотацией (Рис. 8, в).

При дальнейшем уменьшении угла атаки элементов лопасти винта получим режим, на котором сила сопротивления лопасти винта Х будет направлена в сторону вращения винта, и при этом винт будет иметь отрицательную тягу. На этом режиме винт вращается от набегающего воздушного потока и вращает двигатель. Происходит раскрутка двигателя, этот режим называется режимом ветряка (Рис. 8, г).

Режимы самовращения и ветряка возможны в горизонтальном полете и на пикировании.

На самолетах Як-52 и Як-55 эти режимы проявляются при выполнении вертикальных фигур вниз на малом шаге лопасти винта. Поэтому рекомендуется при выполнении вертикальных фигур вниз (при разгоне скорости более 250 км/ч) винт затяжелять на 1/3 хода рычага управлением шага винта.

ЗАВИСИМОСТЬ ТЯГИ ВИНТА ОТ СКОРОСТИ ПОЛЕТА. ВЛИЯНИЕ ВЫСОТЫ ПОЛЕТА НА ТЯГУ ВИНТА

С увеличением скорости полета углы атаки лопасти винта, неизменяемого шага и фиксированного, быстро уменьшаются, тяга винта падает. Наибольший угол атаки лопасти винта будет на скорости полета, равной нулю, при полных оборотах двигателя.

Соответственно уменьшается тяга воздушного винта до нулевого значения и далее становится отрицательной. Раскручивается вал двигателя. Чтобы предупредить раскрутку винта, уменьшают обороты двигателя. Если двигатель не дросселировать, то может произойти его разрушение.

Зависимость тяги винта В530ТА-Д35 от скорости полета изображена на графике Рис. 9. Для его построения замеряют тягу воздушного винта при разных скоростях. Полученный график называется характеристикой силовой установки по тяге.

ВЛИЯНИЕ ВЫСОТЫ ПОЛЕТА НА ТЯГУ ВИНТА.

Выясняя зависимость тяги от скорости полета, рассматривалась работа винта на неизменной высоте при постоянной плотности воздуха. Но при полетах на разных высотах плотность воздуха влияет на тягу воздушного винта. С увеличением высоты полета плотность воздуха падает, соответственно пропорционально будет падать и тяга винта (при неизменных оборотах двигателя). Это видно при анализе формулы (3.6).

Рис. 9 Характеристика силовой установки М-14П по тяге (для Н=500 м) самолетов Як-52 и Як-55 с воздушным винтом В530ТА-Д35

Рис. 10 Тормозящий момент воздушного винта и крутящий момент двигателя

ТОРМОЗЯЩИЙ МОМЕНТ ВИНТА И КРУТЯЩИЙ МОМЕНТ ДВИГАТЕЛЯ.

Как ранее рассматривалось, тормозящий момент винта противодействует крутящему моменту двигателя.

Для того чтобы винт вращался с постоянными оборотами, необходимо, чтобы тормозящий момент Мт, равный произведению , был равен крутящему моменту двигателя Мкр, равному произведению Fd,.т. е. Мт=Мкр или =Fd (Рис. 10). Если это равенство будет нарушено, то двигатель будет уменьшать обороты или увеличивать.

Увеличение оборотов двигателя приводит к увеличению Мкр и наоборот. Новое равновесие устанавливается на новых оборотах двигателя.

МОЩНОСТЬ, ПОТРЕБНАЯ НА ВРАЩЕНИЕ ВОЗДУШНОГО ВИНТА

Эта мощность затрачивается на преодоление сил сопротивления вращению винта.

Формула для определения мощности воздушного винта (в л. с.) имеет вид:

(3.10)

Из формулы (3.10) видно, что потребная мощность для вращения воздушного винта зависит от коэффициента мощности, от скорости и высоты полета, оборотов и диаметра воздушного винта.

С увеличением скорости полета уменьшается угол атаки элемента лопасти воздушного винта, количество отбрасываемого назад воздуха и его скорость, поэтому уменьшается и потребная мощность на вращение воздушного винта. С увеличением высоты полета плотность воздуха уменьшается и потребная на вращение воздушного винта мощность также уменьшается.

С увеличением оборотов двигателя увеличивается сопротивление вращению воздушного винта и потребная мощность на вращение воздушного винта увеличивается.

Воздушный винт, вращаемый двигателем, развивает тягу и преодолевает лобовое сопротивление самолета, самолет движется.

Работа, производимая силой тяги воздушного винта за 1 с при движении самолета, называется тягой или полезной мощностью воздушного винта.

Тяговая мощность воздушного винта определяется по формуле

(3.11)

С увеличением высоты и скорости полета тяговая мощность воздушного винта уменьшается. При работе воздушного винта, когда самолет не движется, развивается максимальная тяга, но тяговая мощность при этом равна нулю, так как скорость движения равна нулю.

КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ВОЗДУШНОГО ВИНТА. ЗАВИСИМОСТЬ КПД ОТ ВЫСОТЫ И СКОРОСТИ ПОЛЕТА

Часть энергии вращения двигателя затрачивается на вращение воздушного винта и направлена на преодоление сопротивления воздуха, закрутку отбрасываемой струи и др. Поэтому полезная секундная работа, или полезная тяговая мощность винта, nb, будет меньше мощности двигателя Ne, затраченной на вращение воздушного винта.

Отношение полезной тяговой мощности к потребляемой воздушным винтом мощности (эффективной мощности двигателя) называется коэффициентом полезного действия (кпд) воздушного винта и обозначается h. Он определяется по формуле

(3.12)

Рис. 11 Характеристики по мощности двигателя М-14П самолетов Як-52 и Як-55

Рис. 12 Примерный вид кривой изменения располагаемой мощности в зависимости от скорости полета

Величина КПД воздушного винта зависит от тех же факторов, что и тяговая мощность воздушного винта.

КПД всегда меньше единицы и достигает у лучших воздушных винтов величины 0,8. 0,9.

График зависимости располагаемой эффективной мощности от скорости полета для самолетов Як-52 и Як-55 изображен на Рис. 11.

График Рис. 12 называется характеристикой силовой установки по мощности.

С увеличением высоты эффективная мощность падает вследствие уменьшения плотности воздуха. Характеристика изменения ее для самолетов Як-52 и Як-55 от высоты полета Н изображена на Рис. 13.

Для уменьшения скорости вращения воздушного винта в двигателе применяется редуктор.

Степень редукции подбирается таким образом, чтобы на номинальном режиме концы лопастей обтекались дозвуковым потоком воздуха.

ВИНТЫ ИЗМЕНЯЕМОГО ШАГА

Для устранения недостатков воздушных винтов неизменяемого шага и фиксированного применяется воздушный винт изменяемого шага (ВИШ). Основоположником теории ВИШ является Ветчинкин.

ТРЕБОВАНИЯ К ВИШ:

ВИШ должен устанавливать на всех режимах полета наивыгоднейшие углы атаки лопастей;

снимать с двигателя номинальную мощность на всем рабочем диапазоне скоростей и высот;

сохранять максимальное значение коэффициента полезного действия на возможно большем диапазоне скоростей.

Электрический винт — воздушный винт, у которого изменение угла установки лопастей производится электродвигателем, соединенным с лопастями механической передачей.

Наибольшее распространение получили гидравлические ВИШ. Автоматическое устройство в винтах изменяемого шага предназначено для сохранения постоянными заданных оборотов воздушного винта (двигателя) путем синхронного изменения угла наклона лопастей при изменении режима полета (скорости, высоты) и называется регулятором постоянства оборотов (РПО).

Рис. 14 Работа воздушного винта изменяемого шага В530ТА-Д35 при разных скоростях полета

РПО совместно с механизмом поворота лопастей изменяет шаг винта (угол наклона лопастей) таким образом, чтобы обороты, заданные летчиком с помощью рычага управления ВИШ, при изменении режима полета оставались неизменными (заданными).

При этом следует помнить, что обороты будут сохраняться до тех пор, пока эффективная мощность на валу двигателя Ne будет больше мощности, потребной для вращения воздушного винта при установке лопастей на самый малый угол наклона (малый шаг).

На Рис. 14 показана схема работы ВИШ.

При изменении скорости полета от взлетной до максимальной в горизонтальном полете угол установки лопастей j возрастает от своего минимального значения jмин до максимального jмакс (большой шаг). Благодаря этому углы атаки лопасти изменяются мало и сохраняются близкими к наивыгоднейшим.

Для этого необходимо, чтобы каждый элемент лопасти воздушного винта работал на углах атаки, близких к критическому, но без срыва воздушного потока. На Рис. 14, а видно, что угол атаки лопасти перед взлетом (V=0) за счет перетекания воздуха со скоростью DV немного отличается от угла наклона лопасти на величину фмин. Угол атаки лопасти соответствует величине максимальной подъемной силы.

Сопротивление вращению достигает в этом случае величины, при которой мощность, расходуемая на вращение винта, и эффективная мощность двигателя сравниваются и обороты будут неизменными. С увеличением скорости угол атаки лопастей воздушного винта уменьшается (Рис. 14, б). Уменьшается сопротивление вращению и воздушный винт как бы облегчается. Обороты двигателя должны возрастать, но РПО удерживает их за счет изменения угла атаки лопастей постоянными. По мере увеличения скорости полета лопасти разворачиваются на больший угол jср.

При увеличении высоты полета мощность двигателя уменьшается и РПО уменьшает угол наклона лопастей, чтобы облегчить работу двигателя, и наоборот. Следовательно, РПО удерживает обороты двигателя с изменением высоты полета постоянными.

При заходе на посадку воздушный винт устанавливается на малый шаг, что соответствует оборотам взлетного режима. Это дает возможность летчику при выполнении всевозможных маневров на глиссаде посадки получить взлетную мощность двигателя при увеличении оборотов до максимальных.

ДЕЙСТВИЕ НА ЛОПАСТЬ ВИНТА СОБСТВЕННЫХ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ СИЛ

При рассмотрении действия на лопасть воздушного винта собственных центробежных сил выделим в поперечном сечении элемента лопасти два небольших объема, расположенных в передней и задней частях сечения (Рис. 16).

Во время вращения воздушного винта на массы, заключенные в этих объемах, действуют центробежные силы Рц1 и Рц2, приложенные к их центрам тяжести и направленные по радиусам вращения r1 и г2.

Раскладывая эти центробежные силы на составляющие, направленные параллельно и перпендикулярно оси поворота лопасти, проанализируем их взаимодействие.

Рис. 15 Характер действия на лопасть воздушного винта собственных центробежных сил

Продольная сила X, направленная параллельно оси поворота лопасти, стремится вырвать лопасть из лопастного стакана, вызывая растяжение лопасти. Поперечная сила Т, направленная перпендикулярно оси поворота лопасти, стремится повернуть лопасть в сторону уменьшения угла установки j (Поперечные силы T1 и Т2 создают моменты Мл1 и Мл2 лопасти, которые зависят от их массы, числа оборотов воздушного винта и установочного угла лопасти j, а также от расстояния объемов от оси поворота лопасти h1 и h2. Максимальное значение его соответствует 0 или 90°.

Рассмотрим действие на лопасть винта центробежных сил противовеса (Рис. 15).

Центробежные силы противовесов лопастей Рпр приложены в центре тяжести противовесов и направлены по радиусам их вращения.

При анализе действия центробежной силы противовеса Рпр раскладываем ее на две составляющие: силу К, направленную параллельно оси лопасть, которая стремится изогнуть кронштейн противовеса, и силу N, направленную перпендикулярно оси поворота лопасти, которая стремится повернуть лопасть в сторону увеличения ее угла установки j

Момент противовеса MПР=Nh(Kгc) зависит от величины массы противовеса, радиуса его вращения, числа оборотов воздушного винта, угла установки лопасти и угла установки противовеса jпр.

Аэродинамическая сила R (Рис. 16, б), приложенная в центре давления профиля, создает момент, поворачивающий лопасть в сторону увеличения шага.

При увеличении угла установки лопасти j увеличивается и момент аэродинамической силы, но его абсолютное значение в диапазоне рабочих углов поворота рабочих лопастей небольшое по сравнению с величинами аэродинамических центробежных моментов лопастей и противовесов.

Автоматические воздушные винты с гидравлическим управлением работают по прямой, обратной или двусторонней схеме.

ВЗАИМНОЕ ВЛИЯНИЕ ВОЗДУШНОГО ВИНТА И САМОЛЕТА

Воздушный винт, установленный на самолетах Як-52 и Як-55, при работе испытывает влияние от расположенных вблизи него частей самолета, при этом уменьшается скорость воздушного потока в плоскости вращения винта, что увеличивает тягу воздушного винта. Такое изменение тяги характеризуется величиной е, называемой коэффициентом торможения скорости, и входит в виде поправки в относительную поступь

(3.13)

Кроме того, за счет того, что скорость отбрасываемого воздушного потока воздушным винтом больше скорости полета, при обтекании частей самолета создается дополнительный прирост подъемной силы. Величина ее зависит от площади крыла, скорости полета, мощности силовой установки.

1- без обдувки, 2- работа двигателя в номинале 3- работа двигателя на взлетном режиме

Увеличение скорости полета уменьшает прирост аэродинамических сил.

Чем больше мощность силовой установки, тем больше прирост аэродинамических сил.

Для учета влияния обдувки воздушного винта на аэродинамические силы и их коэффициенты проводится их перерасчет для наиболее характерных режимов силовой установки

Из Рис. 17 видно, что обдувка крыла увеличивает значения Су и Сх, причем Су увеличивается больше, чем Сх.

Чем больше углы атаки крыла, тем больше прирост Су. Так, для самолетов Як-52 и Як-55 на взлетном режиме работы двигателя на угле атаки a, равном 14°, прирост Су составляет примерно 0,4.

Увеличение Сх за счет увеличения местной скорости воздушного потока на крыле происходит в меньшей степени, чем Су. На угле атаки a, равном 16°, Сх возрастает на 0,046 или на 22% потому, что индуктивное сопротивление обдуваемой части будет меньше, чем его величина для крыла вне струи от винта.

(Приложение. Описание работы винта В530-ТА-Д35)

ВОЗДУШНЫЙ ВИНТ В530ТА-Д35

Автоматическая работа воздушного винта с регулятором оборотов обеспечивает поддержание постоянных оборотов, заданных летчиком, путем поворота лопастей в сторону увеличения или уменьшения установочного угла для изменения нагрузки на двигатель и снятия с винта наибольшего КПД.

При отказе регулятора оборотов центробежные силы и аэродинамические силы лопастей переводят винт на большой шаг, сохраняя безопасность полета.

ОСНОВНЫЕ ДАННЫЕ ВОЗДУШНОГО ВИНТА В530ТА-Д35

Тип винта Тянущий, автоматический, изменяемого шага

Схема работы Прямая

Принцип работы Гидроцентробежный

Направление вращения Левое

Диаметр винта, м 2,4

Число лопастей две

Материал Сосна, дельта-древесина, фанера и стальная оковка

Форма лопастей Веслообразная

Угол установки лопастей на 1000 мм:

минимальный 14030′10′

максимальный 34°3030′

Диапазон установки противовеса 20°+40′

Угол установки противовеса 25°

Масса винта, кг 40+2%

СОВМЕСТНАЯ РАБОТА ВОЗДУШНОГО ВИНТА В530ТА-Д35 И РЕГУЛЯТОРА ОБОРОТОВ Р2

Совместная работа воздушного винта и регулятора оборотов обеспечивает автоматическое изменение шага винта и сохранение заданной частоты вращения коленчатого вала двигателя.

Работа регулятора оборотов основана на гидроцентробежном принципе. Необходимая частота вращения коленчатого вала двигателя задается изменением силы сжатия золотника вниз и подводом масла в цилиндр для перевода винта на малый шаг.

Вследствие этого невозможно перевести винт на большой шаг при наддуве ниже 400 мм рт. ст., что соответствует частоте вращения коленчатого вала 1300 об/мин при малом шаге.

Таким образом, регулятор оборотов автоматически разгружает двигатель при любом положении рычага управления винтом, переведя винт на малый шаг во время посадки самолета и при остановке двигателя. Это происходит потому, что зубчатая рейка не имеет кинематической связи с золотником и не может удерживать его в верхнем положении.

Перемещение золотника вверх осуществляется центробежными силами Г-образных грузиков, значение которых зависит от числа оборотов коленчатого вала двигателя. Коническая пружина перемещает золотник вниз во всех условиях, случаях, когда сила ее упругости больше центробежных сил Г-образных грузиков.

РАБОТА ВОЗДУШНОГО ВИНТА И РЕГУЛЯТОРА ОБОРОТОВ НА РАВНОВЕСНОМ РЕЖИМЕ

При работе на равновесных режимах (оборотах) (Рис. 18), когда мощность двигателя, скорость полета и высота не меняются, центробежные силы Г-образных грузиков уравновешивают силу упругости конической пружины и удерживают золотник в нейтральном положении. При этом масло, находящееся в полости цилиндра воздушного винта, оказывается закрытым в ней. Лопасти воздушного винта под действием аэродинамических и центробежных сил противовесов стремятся повернуться в сторону увеличения шага и переместить поршень воздушного винта вперед, а закрытое в цилиндре масло удерживает поршень, являясь для него гидравлическим упором. Это удерживает лопасти от поворота, сохраняя шаг винта и обороты двигателя постоянными.

Масло, нагнетаемое насосом регулятора, при работе на равновесных оборотах не расходуется и направляется через редукционный клапан на вход в насос с давлением не выше 15 кгс/см2.

Если в полете увеличивается частота вращения коленчатого вала двигателя в результате повышения наддува или увеличения скорости полета, растут центробежные силы Г-образных грузов, которые, преодолевая силу сжатия конической пружины, перемещают золотник вверх, открывая канал слива масла из цилиндра винта в картер двигателя. Масло из нагнетательной полости насоса поступает через редукционный клапан на вход в насос с давлением 15 кгс/см2 Лопасти винта под действием аэродинамических и центробежных сил противовесов поворачиваются в сторону увеличения шага (Рис. 19), повышая нагрузку на двигатель. При этом уменьшается число оборотов двигателя, снижаются центробежные силы Г-образных грузиков и коническая пружина перемещает золотник в нейтральное положение при оборотах, равных заданным, при которых центробежные силы грузиков уравновешиваются силой упругости конической пружины

Рис. 18 Схема работы воздушного винта на равновесных оборотах

Рис. 19 Схема работы воздушного винта при переводе лопастей на «Большой шаг» (см. Рис. 18)

Если в полете число оборотов двигателя уменьшается в результате снижения наддува или скорости полета, уменьшаются центробежные силы Г-образных грузиков и коническая пружина перемещает золотник вниз, открывая канал подвода масла в цилиндр винта для перемещения поршня назад и по ворота лопастей в сторону уменьшения шага (Рис. 20)

При этом увеличиваются обороты двигателя, растут центробежные силы Г-образных грузиков, которые, преодолевая упругость сжатой конической пружины, перемещают золотник в нейтральное положение при оборотах, равных заданным, обеспечивая восстановление равновесия между силой упругости сжатой конической пружины и центробежными силами вращения грузиков.

Рис. 20 Схема работы воздушного винта при переводе лопастей на «Малый шаг»

ПРИНУДИТЕЛЬНОЕ ИЗМЕНЕНИЕ ШАГА ВОЗДУШНОГО ВИНТА

Во время опробования двигателя для проверки работы воздушного винта и регулятора оборотов устанавливают рычагом газа 2050 об/мин (70%), а затем, плавно перемещая рычаг управления регулятором оборотов в положение «Большой шаг», проверяют изменение режима работы двигателя.

Число оборотов коленчатого вала двигателя при этом должно снизиться до 1450 об/мин (50%).

Зубчатая рейка регулятора оборотов перемещается вверх, уменьшается сжатие конической пружины, и Г-образные грузики под действием центробежных сил перемещают золотник в верхнее положение, обеспечивая слив масла из цилиндра винта в картер двигателя и поворот лопастей на большой шаг под действием центробежных сил противовесов и аэродинамических сил лопастей. Масло, нагнетаемое насосом, будет перепускаться редукционным клапаном на вход в насос регулятора.

Во время перемещения рычага управления регулятора оборотов в положение «Малый шаг» зубчатая рейка передвигается в нижнее положение, увеличивая сжатие конической пружины, которая перемещает золотник в нижнее положение, обеспечивая подвод масла в цилиндр винта и поворот лопастей на малый шаг. При этом обороты восстанавливаются до первоначальных 2050 об/мин (70%), указывая на полный диапазон поворота лопастей и нормальную работу регулятора оборотов.

Полное затяжеление винта со взлетного режима вызывает уменьшение оборотов до 2050 об/мин, т. е. на 850 об/мин, и снижение наддува на 50 мм рт. ст. и мощности на 120 л. с. Следовательно, взлет самолета и уход на второй круг при большом шаге винта затрудняются.

Источник