Число оборотов винта самолета

Технические параметры и устройство винта самолета

Винт самолета (пропеллер) представляет собой агрегат, приводимый в действие двигателем. За счет вращения возникает тяговая сила, заставляющая летательный аппарат двигаться. Винтовые самолеты обладают как преимуществами, так и недостатками. Они гораздо экономичнее реактивных аналогов, однако при этом у них имеется ряд конструктивных ограничений.

Зачем самолету винт?

Винт самолета превращает крутящий момент двигателя в тяговую силу. Совмещение двигателя с пропеллером называется винтомоторной установкой. Винт включает лопасти, которые вращаются, захватывая воздух и выталкивая его назад.

Воздушные винты делятся на тянущие и толкающие. Толкающие пропеллеры редко используются при создании самолетов. Винтовые изделия также применяются для создания вертолетов, винтокрылов, винтопланов и автожиров. Для поднятия их в воздух применяются несущие и рулевые изделия.

Важно отметить винтопланы, которые объединяют свойства самолета и вертолета благодаря поворотным двигателям. Лопасти винтоплана могут изменять крутящий момент на тягу или подъемную силу.

Пропеллер — это соединение ступицы и лопастей, количество которых может варьироваться от 2 до 8. Изготавливается из высокопрочных материалов, часто используется термообработанный алюминиевый сплав. Скорость вращения воздушного пропеллера может достигать 1200 оборотов в минуту, поэтому для его производства применяются материалы максимальной прочности.

Основные технические характеристики изделия включают:

При работе пропеллера возникает эффект разворачивания. Причины его появления — реактивный и гироскопический момент винта, а также закручивание струи воздуха. Чтобы противостоять этому эффекту, винтовые самолеты делаются асимметричными.

Тяга воздушных винтов может быть изменена путем изменения оборотов двигателя или шага винта. Изменение шага позволяет изменить тягу, не меняя оборотов двигателя. Однако увеличение оборотов двигателя и ускорение вращения пропеллера являются наиболее быстрым способом увеличения тяги.

Воздушные винты имеют КПД около 85%, который означает отношение полезной мощности к мощности двигателя. Но, несмотря на это, они обладают недостатками, такими как повышенный уровень шума и эффект запирания — когда тяга винта перестает увеличиваться после определенных оборотов двигателя, несмотря на увеличение мощности.

Виды самолетных винтов

Обычно при создании винтовых самолетов используются только варианты с тянущими пропеллерами. Иногда можно встретить самолеты с толкающими пропеллерами, которые располагаются в задней части самолета. Однако следует учесть, что КПД тянущего винта выше, чем у толкающего.

Несущий вид не используется на самолетах, за исключением гибридов, которые называются винтопланами. Лопасти винтов несущих конвертопланов длиннее, примерно такие же, как лопасти вертолета.

Винты с разным количеством лопастей

Винты самолета должны быть прочными и надежными для обеспечения безопасности полетов. Для этого используются винтовые устройства с регулируемым шагом лопастей, что позволяет изменять их положение и осуществлять флюгирование в случае отказа двигателя для уменьшения лобового сопротивления.

Современный самолет может иметь до 4 винтовых двигателей, а средняя скорость таких самолетов составляет 500 км/ч. Ту-95 является самым быстрым турбовинтовым самолетом.

Преимущества и недостатки

Высокий уровень полезного действия и экономически эффективный расход топлива — главные преимущества винтовых самолетов. Однако, существуют и недостатки использования таких установок:

Ввиду небольших скоростей винтовых самолетов, их применение ограничено. Турбовинтовые самолеты редко используются в пассажирской авиации, в основном они применяются для перевозки грузов.

Как пулемет стреляет через винт самолета?

Первые истребители военной авиации работали на винтовых двигателях. Конструкторам столкнулись с проблемой вращающегося пропеллера, который мешал наведению огня на цели, находившиеся впереди. Одним из первых решений этой проблемы было установление на лопасти металлических уголков, которые защищали винтовое изделие и экипаж самолета от попадания пуль.

Нидерландский авиаконструктор изобрел более совершенное решение, которое полностью решает проблему. Он использовал синхронизатор стрельбы, который позволяет стрелять только в нужный момент, когда лопасти винта не мешают выстрелу. Специальный синхронизатор определяет момент вылета пули, что позволяет вести огонь прямо через лопасти винта несущегося самолета. Скорострельность при этом уменьшается.

Современные истребители оснащены реактивными двигателями, поэтому синхронизаторы не нужны. У гражданских и военных самолетов с винтовыми двигателями нет пулеметов, поэтому эта проблема не относится к ним.

Отличия винта от пропеллера

В авиации воздушные винты и пропеллеры имеют одинаковое значение, но винтовые изделия применяются и в других областях. Лопастные изделия используются при производстве:

Пропеллеры – это винтовые детали, используемые только в авиации для создания самолетов. Нельзя назвать пропеллером лопасть винта вертолета. Знание основных отличий позволяет легко классифицировать такие изделия.

Перспективные разработки

Разработки авиаконструкторов направлены на устранение недостатков винтовых самолетов. Наиболее перспективные проекты включают:

Разработка двигателя с турбовентилятором была успешно завершена, что позволило создать высококачественные двигатели. В настоящее время многие авиалинии используют их на пассажирских самолетах благодаря их повышенной экономичности, что является важным фактором для перевозки пассажиров.

Для избежания эффекта запирания крутящий момент двигателя распределяется между двумя винтовыми изделиями на одной оси. Это позволяет достичь более высокой скорости во время полета. Ту-95 является самолетом, который наиболее успешно использует этот метод. Кроме того, для решения проблемы реактивных моментов на вертолетах также применяются соосные лопасти несущих винтов.

В настоящее время продолжается разработка улучшенных винтовых двигателей, однако они не могут конкурировать с турбовентиляторными или реактивными вариантами. Тем не менее, винтовые суда обладают некоторыми особенностями, которые позволяют использовать их для узкоспециализированных задач.

Штурмовики двухбалочной схемы с толкающим винтом БШ-МВ и Ш-218. СССР

При проектировании одномоторных штурмовиков в конце 30-х и начале 40-х годов, конструкторы столкнулись с проблемой обеспечения достаточно хорошего обзора вперед-вниз, используя традиционную схему компоновки. Для улучшения обзора пилота, одним из решений стала двухбалочная схема с фюзеляжем-гондолой, где мотор с толкающим винтом размещался в задней части.

Проект бронированного штурмовика БШ-МВ АМ-38 разработали А.А. Архангельский, Г.М. Можаровский и И.В. Веневидов в конце 1940 года. Идея создания самолета принадлежит Можаровскому и Веневидову — конструкторам завода № 32, авторам целого ряда разработок, связанных с вооружением: стрелковых турелей, прицелов, бомбардировочного вооружения, комбинированных стрелково-пушечных установок для штурмовиков с оружием, стреляющим под углом вниз от оси самолета, КАБВ (комбинированное артиллерийско-бомбардировочное вооружение). Для этого они экспериментировали со своими установками КАБВ на самолетах СБ 2М-103А, Як-2 2М-103 и пришли к выводу, что нужен специальный самолет-штурмовик, основу наступательного вооружения которого составит их комбинированная стрелково-пушечная установка. К проектированию штурмовика БШ-МВ привлекли конструктора А.А. Архангельского и возложили на него руководство работами. Здесь проблема обзора решалась достаточно успешно (был обеспечен угол обзора вперед-вниз около 15°), но возникали трудности другого рода, связанные с безопасным покиданием самолета лётчиком в полёте и обеспечением огневой защиты задней полусферы. Эксплуатация самолета с размещенным в хвосте винтом также вызывала сомнения. До начала ВОВ был построен макет самолёта.

В марте 1948 года главный конструктор ОКБ-21С.М. Алексеев предъявил эскизный проект двухместного бронированного штурмовика И-218(Ш-218). По компоновочной схеме самолет напоминал БШ-МВ — двухбалочный с толкающей установкой поршневого двигателя ВД-251 (М-251) мощностью около 2000 л.с. Х-образной схемы, с соосными винтами АВ-28 диаметром 3,6 м. Крыло было со стреловидностью 16° по передней кромке, задняя — прямая. В конструкции была применена новая сталь 30 ХГСНА (с добавкой никеля, допускала глубокий прокал).

Мотор, размещенный в ХЧФ с толкающим винтом, не нашел практического применения из-за невозможности обеспечить безопасность при посадке на больших углах атаки и наземной эксплуатации. Однако наличие хорошо отработанных катапультных сидений решало проблему безопасного покидания машины летчиком.

Схема штурмовика с передней кабиной обеспечивала летчику отличный обзор вперед-вниз (около 15°), а передняя часть фюзеляжа освобождала место для установки пушек, подвижных в вертикальной плоскости с углом отклонения 25° вниз, что позволяло вести прицельный огонь по наземным целям в горизонтальном полёте. Эти пушки могли быть в следующих вариантах: четыре НР-23 (4 × 150 снарядов), две Н-37 (2 × 40 снарядов) и две Н-57 (2 × 30 снарядов). В носовой части фюзеляжных балок располагались автоматические наружные ракетные установки (три реактивных орудия ОРО-132).

Ш-218 отличался от БШ-МВ наличием двух дистанционно управляемых боковых турельных установок с пулеметами БТ калибра 12,7 мм на внешних бортах балок. Это гарантировало защиту самолета, но были некоторые проблемы с его эксплуатацией.

В центроплане находились шесть бомб весом по 100 кг или несколько меньших, общий вес которых мог достигать 1500 кг. Также возможна была подвеска торпеды или бомбы весом до 1500 кг под фюзеляжем.

Для управления рулевыми поверхностями и элеронами используются отдельные системы для правой и левой половин самолета, что позволяет сохранить управляемость при повреждении одной из них.

21 июня 1948 года вышел приказ № 440с министра авиационной промышленности, согласно которому надлежало ликвидировать ОКБ при заводе № 21. Тем же приказом из плана опытных работ было исключено строительство экспериментального штурмовика Ш-218, хотя уже был построен макет самолёта.

5 ноября 1949 года на заседании Авиационно-технического комитета (АТК) ВВС по вопросу «О планах опытного строительства летательных аппаратов, поршневых и реактивных двигателей и НИР в этих областях на 1950-51 гг.»

По словам генерал-майора ИАС Н.А. Жемчужина, он отметил, что: С.М. Алексеев обратился 19 февраля 1951 года с письмом в ВВС и попросил вернуться к рассмотрению проекта. Председатель АТК ВВС Б.Н. Пономарёв считал, что строить Ш-218 нецелесообразно в связи с тем, что лётные данные его были хуже, чем у Ил-10. Отмечалось отсутствие бомб (только в перегрузочном варианте), слабое бронирование, невозможность разборки самолёта для его транспортировки. Зато по стрелково-пушечному и ракетному вооружению, а также по дальности полёта Ш-218 превосходил Ил-10.

Некоторые соображения по поводу деревянных воздушных винтов

В век аэрокосмических технологий, казалось бы, не должно остаться места одному из первых авиационных конструкционных материалов – древесине. Даже современные «слашники» в подавляющем большинстве эксплуатируют пластиковые воздушные винты, а также пластиковые, металлические или металлокомпозитные лопасти роторов вертолетов и автожиров. Но мы живем в экзотических странах – осколках бывшего СССР, по уровню образования приближающихся к европейским, а по уровню жизни находящихся в хвосте слаборазвитых стран африканского континента. Эта метаморфоза и определила «СНГовскую» специфику «слашников» – голь на выдумки хитра. Весь мировой опыт развития авиации основан на крови. Здесь каждый новый шаг – как у сапера на минном поле. Неспроста требования к авиадвигателям жестче, чем к моторам, устанавливаемым на наземном транспорте. Но реалии нашей жизни таковы, что за неимением возможности приобрести сертифицированные двигатели для СЛА многие хозяева мотодельтапланов, автожиров и самолетов устанавливают авиаконверсии автомобильных двигателей («Субару», «Судзуки» и т. п.). И зачастую успешно эксплуатируют их. Тем более, что современные авиационные версии этих двигателей по удельным параметрам лучше авиационных, устанавливаемых на легкие самолеты 30-х – 50-х годов. Если грамотно следить за конверсионной силовой установкой и аккуратно летать, наш «СНГовский» подход на данном этапе оправдан. Логична в такой ситуации и установка моноблочных деревянных двухлопастных винтов на эти СУ. Все верно. Дешевой силовой установке – дешевый и надежный, отработанный почти за 100 лет моноблочный деревянный воздушный винт.

В этой ситуации есть некоторые проблемы. Конверсионные двигатели изнашиваются по-разному, а условия эксплуатации неодинаковы. Поэтому моноблочный винт не всегда может «попасть в точку» с первой попытки — он может быть либо слишком легким, либо слишком тяжелым. Покупка двух моноблочных винтов не имеет смысла — лучше купить один «переставник» с пластиковыми лопастями. Однако, этот вариант не всегда работает из-за специфических моментных характеристик, и установка пяти-шестилопастных винтов может быть слишком дорогой. Поэтому для каждого случая нужен индивидуально подобранный воздушный винт. Однако, делать оснастку для пластикового винта для каждой силовой установки не всегда возможно, так как это слишком дорого.

Мысль реанимировать конструкционный материал конца 30-х – начала 40-х годов – прессованную древесину (дельтадревесину) в конструкции деревянных винтов приходила мне давно. Но уж очень трудно обрабатывать без специального станочного оборудования заготовки из дельтадревесины. Хотя механические характеристики ее весьма отменные: sизг. = 26–38 кг/мм2, sb = 22–32 кг/мм2 при плотности g = 1,3–1,4 г/см3.

Решено использовать эпоксидные смолы в качестве связующего материала и изготавливать основу лопасти из твердых пород древесины (ясень, бук) толщиной 0,65-0,75 мм, формовка производится под вакуумом. Лопасть выклеивается совместно с металлическим стаканом в заделке. Меньшая материалоемкость позволяет получить двухлопастный винт фиксированного шага по цене моноблочного двухлопастного.

Другой хитростью, упростившей процесс изготовления, была универсальная переналаживаемая матрица, которая позволяла формовать лопасти для винтов в диапазоне от 1,2 до 2,5 метра диаметром с любой круткой (т. е. винты правого либо левого вращения). В процессе вакуумной опрессовки пакета шпона и полимеризации связующего листы шпона пропитываются насквозь. Так, sизг. = 15–22 кг/мм2, sb = 16–20 кг/мм2, sсм = 620–650 кг/см2, sсреза = 150–220 кг/см2.

Даже при небольшой толщине концевых сечений, лопасть остается очень жесткой. Благодаря высоким механическим свойствам, диаметр стакана лопасти для трехлопастных винтов составляет 55 мм, что соответствует заделке комля обычного пластикового винта. В то же время, комплект деревянных лопастей стоит дешевле, чем комплект аналогичных пластиковых.

А теперь немного о преимуществах деревянных винтов перед современными пластиковыми. Особенно это касается дельталетов (где кончик винта находится от земли на высоте 0,4–0,5 м) и автожиров, выполненных по толкающей схеме. При попадании посторонних предметов (грязь, водяные брызги, мелкая галька) пластиковые лопасти очень быстро «размочаливаются» (несмотря на хваленое антиабразивное покрытие) до неремонтопригодного состояния. Деревянные же лопасти зачастую отремонтировать удается, и служат они дольше. Кроме того, для СЛА, требующих установки винтов фиксированного шага диаметром 2–2,5 м, альтернативных пластиковых просто нет.

В настоящее время разрабатывается втулка для аэромеханических винтов с диаметром 1,7-2,5 метра, а также производятся двух- и трехлопастные деревянные винты.

Это особенно актуально для разработчиков автожиров, где требуется высокая статическая тяга. В настоящее время мы проектируем лопасть для автожиров, которая будет изготовлена по уже отработанной технологии. Лонжерон – прессованный шпон (ясень), обшивка – стеклопластик.

Описание воздушного винта

Механизм воздушного винта самолета представляет собой набор лопастей, которые вращаются вокруг вала двигателя, создавая тягу, необходимую для передвижения летательного аппарата в воздухе. Лопасти вина наклоняются, чтобы отбрасывать воздух назад и создавать область пониженного давления перед собой и повышенного давления позади себя. Это устройство знакомо практически всем людям на земле, поэтому нет необходимости в многочисленных наукообразных определениях. Винт состоит из лопастей, втулки, соединенной с двигателем, балансировочных грузиков, механизма изменения шага винта и обтекателя, закрывающего втулку.

Характеристики воздушных винтов

Характеристики каждого винта, установленного на летательном аппарате, перечислены ниже:

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

Преимущества и недостатки воздушных винтов

Современные самолеты с винтовыми двигателями имеют коэффициент полезного действия в 86%, что делает их популярными в авиастроении. Также стоит отметить, что турбовинтовые самолеты экономичнее, чем реактивные. Однако, винтовые двигатели имеют некоторые ограничения в эксплуатации и конструкции.

«Эффект запирания» возникает при увеличении диаметра винта или оборотов, при этом тяга не увеличивается. Это связано с наличием сверхзвуковых или околозвуковых потоков воздуха на лопастях пропеллера. Этот эффект ограничивает скорость летательных аппаратов с винтами до 700 км/час. Ту-95 – самый быстрый летательный аппарат с винтами, развивающий 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.

Основой передвижения по воздуху на принципах аэродинамики является наличие силы, противодействующей сопротивлению воздуха в полете и силе тяжести. На всех современных летательных аппаратах, за исключение планеров, имеется двигатель, мощность которого преобразуется в эту силу. Механизмом, преобразующим вращение вала силовой установки в тягу, является воздушный винт самолета.

Воздушный винт самолета представляет собой механическое устройство с лопастями, вращаемое валом двигателя и создающее тягу для движения летательного аппарата в воздухе. За счет наклона лопастей винт отбрасывает воздух назад, создавая область пониженного давления перед собой и повышенного давления позади себя. Практически все люди на земле хотя бы раз в жизни имели возможность увидеть этот устройство, поэтому многочисленные наукообразные определения не требуются. Винт состоит из лопастей, втулки, соединенной с двигателем через специальный фланец, балансировочных грузиков, размещаемых на втулке, механизма изменения шага винта и обтекателя, закрывающего втулку.

Другие названия

Как еще называется винт самолета? Исторически сложились два основных названия: собственно воздушный винт и пропеллер. Однако в дальнейшем появились другие названия, подчеркивающие либо особенности конструкции, либо дополнительные функции, возлагаемые на этот агрегат. В частности:

Теория винта

По своей сути любой винт самолета представляет собой некие подвижные крылья в миниатюре, живущие по тем же законам аэродинамике, что и крыло. То есть, передвигаясь в атмосферной среде лопасти, благодаря своему профилю и наклону, создают поток воздуха, который является движущей силой летательного аппарата. Сила этого потока, помимо конкретного профиля, зависит от диаметра и частоты оборотов винта. При этом зависимость тяги от оборотов – квадратичная, а от диаметра – даже в 4-й степени. Общая формула тяги выглядит следующим образом: P = α * ρ * n2 * D4 , где:

Интересно сравнить с приведенной формулой, еще одну, выведенную из той же теории винта. Это потребная мощность для обеспечения вращения: T = Β * ρ * n3 * D5 , где Β – расчетный коэффициент мощности винта.

Из сопоставления этих двух формул видно, что, усиливая обороты винта самолета и увеличивая диаметр пропеллера, потребная мощность двигателя растет экспоненциально. Если уровень тяги пропорционален квадрату оборотов и 4-й степени диаметра, то потребная мощность двигателя растет уже пропорционально кубу оборотов и 5-й степени диаметра винта. С ростом мощности двигателя растет и его вес, что требует еще большей тяги. Очередной заколдованный круг в авиастроении.

Любой винт, установленный на самолете, имеет набор характеристик, приведенных ниже:

При этом главной характеристикой воздушного винта самолета остается его тяга, то есть то, ради чего он вообще нужен.

Достоинства

Летательные аппараты, использующие в качестве движителя воздушный винт, гораздо экономичней своих турбореактивных «собратьев». Коэффициент полезного действия достигает 86%, что является недостижимой величиной для реактивной авиации. Это их главное преимущество, которое фактически вновь ввело их в строй во время нефтяного кризиса 70-х годов прошлого века. На небольших дистанциях полета, скорость не имеет решающего значения по сравнению с экономичностью, поэтому большинство самолетов региональной авиации – винтовые.

Недостатки у самолета с воздушным винтом тоже имеются. В первую очередь, это минусы чисто «кинетические». Во время вращения винт самолета, обладая собственной массой, оказывает воздействие на корпус самолета. Если лопасти, например, вращаются по часовой стрелке, то корпус стремится вращаться, соответственно, против часовой стрелки. Создаваемые пропеллером завихрения активно взаимодействуют с крыльями и оперением летательного аппарата, создавая различные потоки справа и слева, тем самым дестабилизируя траекторию полета.

И наконец, вращающий пропеллер представляет собой своеобразный гироскоп, то есть он стремится сохранить свое положение, что затрудняет процесс изменения траектории полета для воздушного суда. Эти недостатки винта самолета были известны давно, и конструкторы научились с ними бороться путем внесения определенной асимметричности в конструкции самих кораблей или их управляющих поверхностей (рулей направления, спойлеров и т. д.). Справедливости ради надо отметить, что подобными «кинетическими» недостатками обладают и реактивные двигатели, но в несколько меньшей степени.

К минусам можно отнести и так называемый эффект запирания, когда увеличение диаметра и частоты вращения винта самолета до определенных пределов, перестают давать эффект в виде увеличения тяги. Этот эффект связан с появлением на отдельных участках лопастей потоков воздуха около- или сверхзвуковой скорости, что создает волновой кризис, то есть образование скачков уплотнения воздушной среды. По сути, они преодолевают звуковой рубеж. В связи с этим максимальная скорость самолетов с воздушным винтом не превышает 650-700 км/час.

Пожалуй, единственным исключением стал бомбардировщик Ту-95, развивающий скорость до 950 км/час, то есть почти звуковую скорость. Каждый его двигатель оснащен двумя соосными винтами, вращающимися в противоположных направлениях. Ну и последней проблемой винтовых самолетов является их шумность, требования к которой со стороны авиационных властей, постоянно ужесточаются.

Классификация

Существует много вариантов классификации воздушных винтов самолета. Они подразделяются на группы в зависимости от материала, из которого они изготовлены, от формы лопастей, их диаметра, количества, а также по ряду других характеристик. Однако наиболее важной является их классификация по двум признакам:

Первый устанавливается в передней части самолета, а второй, соответственно, в задней его части. Самолет с толкающим винтом возник раньше, однако затем был на некоторое время предан забвению и лишь относительно недавно вновь появился в небе. Сейчас эта компоновка широко применяется на небольших летательных аппаратах. Имеются даже совсем экзотические варианты, оснащенные и тянущими и толкающими лопастями одновременно. Самолет с винтом сзади имеет ряд преимуществ, главным из которых является его более высокое аэродинамическое качество. Однако из-за отсутствия дополнительного обдува крыла потоком воздуха от пропеллера у него худшие взлетно-посадочные характеристики.

Винты с изменяемым шагом

Практически на всех современных средних и крупных самолетах устанавливаются винты с изменяемым шагом. При большом шаге лопастей достигается большая тяга, но если обороты двигателя довольно низкие, набор скорости будет производиться крайне медленно. Это очень похоже на ситуацию с автомобилем, когда на высших передачах пытаться тронуться с места.

Высокая скорость и маленький шаг винта создают опасность срыва потока и падения тяги до ноля. Поэтому в процессе полета шаг постоянно изменяется. Сейчас это делает автоматика, а раньше пилот сам должен был постоянно следить за этим и вручную корректировать угол наклона. Механизм изменения шага винта представляет собой специальные втулки с приводным механизмом, поворачивающие лопасти относительно оси вращения на требуемый градус.

Современная разработка в России

Работы над совершенствованием устройств никогда не прекращались. В настоящее время проводятся испытания нового воздушного винта самолета АВ-112. Он будет применяться на легком военно-транспортном самолете Ил-112В. Это 6-лопастной пропеллер, с коэффициентом полезного действия 87 %, диаметром 3,9 метра и частотой вращения 1200 оборотов в минуту и изменяемым шагом винта. Разработан новый профиль лопастей и облегчена его конструкция.

Первый этап расчета воздушного винта

Расчет винта условно можно разделить на три последовательных этапа.

Целью первого этапа расчета является определение предполагаемых радиуса, тяги и КПД винта.

Исходными данными первого этапа являются:

Расчет целесообразно вести с использованием международной системы единиц СИ.

Если частота вращения винта задана в оборотах в минуту, то, воспользовавшись формулой

ее необходимо перевести в радианы в секунду.

Расчетная скорость винта V выбирается в зависимости от назначения СЛА и величины

где К-расчетное максимальное аэродинамическое качество сверхлегкого самолета; m -взлетная масса.

При Э<1000 необходимо принимать Vo = 1,2Vотр , где Vотр -расчетная скорость отрыва самолета.

При значениях величины Э от 1000 до 1500 за расчетную скорость винта Vо целесообразно принимать крейсерскую скорость полета Vкр .

И при значениях Э более 1500 за расчетную скорость можно принять скорость, вычисленную по формуле

При выборе Vо следует учитывать то обстоятельство, что при заданной мощности двигателя уменьшение расчетной скорости V ведет к уменьшению максимальной скорости полета, а ее увеличение — к ухудшению взлетных характеристик СЛА.

Исходное значение желаемого КПД выше 0,8 для скоростных и выше 0,75 для нескоростных СЛА выбирать нецелесообразно, поскольку на практике это неосуществимо. Шаг его снижения

первоначально можно принять равным 0,05 и затем уменьшать по мере приближения к действительному значению КПД.

На основании исходных данных последовательно определяются:

Если потребный радиус R окажется больше граничного RГР , то это значит, что первоначально заданный КПД получен быть не может. Необходимо уменьшить

на выбранную величину

Цикл повторяется до тех пор, пока не выполнится условие R

uК.ГР , то задается новое значение

После определения значений радиуса R, тяги Р и КПД винта

можно переходить ко второму этапу расчета.

Второй этап расчета воздушного винта

Целью второго этапа расчета является определение тяги, потребляемой мощности и геометрических размеров воздушного винта.

Исходными данными для второго этапа расчета являются:

Для проведения расчетов лопасть винта (рис. 6. 7)

Первоначально максимальную относительную ширину лопасти

для деревянных винтов целесообразно задавать равной 0,08.

Закон изменения ширины лопасти и относительной толщины может быть задан в виде формулы, таблицы или чертежа винта (рис. 6. 1).

Величины углов атаки

выбранных сечений задаются конструктором с учетом обратного аэродинамического качества

. Значения коэффициентов Су и K=1/

снимаются с графиков рис. 6.4 и 6.5 с учетом выбранного профиля и значений

Рис 6.5 Зависимость коэффициента подьемной силы и обратного аэродинамического качества от угла атаки и относительной толщины для профиля РАФ-6

Первым шагом второго этапа расчета является определение скорости потока V в плоскости винта. Эта скорость определяется по формуле

полученной из совместного решения уравнений тяги и расхода воздуха, проходящего через ометаемую винтом площадь.

Предполагаемые значения тяги Р, радиуса R и площади Sом берутся из первого этапа расчета.

В некоторых случаях может оказаться, что потребляемая винтом мощность и его тяга более чем на 20% отличаются от предполагаемых по результатам первого этапа расчета. В этом случае по соотношению потребляемой и располагаемой мощностей

с использованием графика (рис. 6. 10) определяются значения коэффициентов kR и kP . Эти коэффициенты показывают, во сколько раз необходимо изменить предполагаемые радиус и тягу винта, являющиеся исходными для второго этапа расчета. После этого второй этап расчета повторяется.

По окончании второго этапа расчета необходимые для изготовления геометрические размеры винта (R, r, b, с и

) в удобных для его изготовления единицах сводятся в таблицу.

Третий этап расчета воздушного винта

Целью третьего этапа является проверка воздушного винта на прочность. Этот этап расчета сводится к определению нагрузок, действующих в различных сечениях лопастей, и сравнению их с допустимыми с учетом геометрии и материала, из которого изготовлены лопасти.

Для определения нагрузок лопасть разбивается на отдельные элементы, как и на втором этапе расчета, начиная с сечения

=0,3 с шагом 0,1 до

На каждый выделенный элемент лопасти массой т на радиусе r (рис. 6. 11) действуют инерционная сила

и элементарная аэродинамическая сила

Рис 6.12 Распределение напряжений в сечении лопасти винта

оказываются волокна задней стороны лопасти, так как в этих волокнах напряжения от инерционных сил и изгибающего момента складываются. Для обеспечения заданной прочности необходимо, чтобы фактические напряжения в этих наиболее отдаленных от оси сечения лопасти участках были меньше допустимых для выбранного материала.

Значения необходимых для расчетов радиусов r, на которых расположены рассматриваемые участки лопасти, хорд b, относительных толщин

F берутся из таблиц второго этапа расчета. Затем для каждого участка последовательно определяются:

Коэффициент заполнения k3 зависит от профиля, используемого для винта. Для наиболее распространенных винтовых профилей он равняется: Clark-Y- k3 =0,73;
BC-2- k3 =0,7 и РАФ-6- k3 = 0,74.

После вычислений величин

Pин на каждом отдельном участке производится их суммирование от свободного конца лопасти до рассматриваемого сечения. Разделив суммарную силу, действующую в каждом рассматриваемом сечении, на площадь этого сечения, можно получить напряжения растяжения

Напряжения изгиба лопасти под воздействием аэродинамических сил

F определяются как для консольной балки с неравномерно распределенной нагрузкой.

Если прочность лопасти обеспечена, то расчет воздушного винта можно считать завершенным.

Если прочность лопасти не обеспечивается, то необходимо либо выбрать другой, более прочный материал, либо, увеличив относительную ширину лопасти, повторить все три этапа расчета.

Если относительная ширина лопасти

превышает 0,075 для винтов, выполненных из твердых пород дерева, и 0,09 для винтов, выполненных из мягких пород дерева, то необходимость выполнения третьего этапа расчета отпадает, так как заведомо будет обеспечена необходимая прочность.

по материалам: П.И.Чумак, В.Ф Кривокрысенко «Расчет и проектирование СЛА»

Воздушный винт — принцип работы, характеристики

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

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

Принцип работы воздушного винта

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Шаг и угол установки сечения связаны очевидным соотношением:

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

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

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

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

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

Аэродинамические свойства винтов принято характеризовать безразмерным коэффициентом тяги:

и коэффициентом полезного действия

где р — плотность воздуха, в расчетах может быть принята равной 0,125 кгс с2/м4

— угловая скорость вращения винта об/с

D — диаметр винта, м

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

Теоретический предел тяги винта

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

Результаты расчетов по теории идеального пропеллера показаны на следующем графике, который позволяет поределить отношение тяги к мощности в зависимости от скорости полета и параметра N/D2. Видно, что при околонулевых скоростях тяга в сильной степени зависит от диаметра винта, однако уже на скоростях опрядка 100 км/ч указанная зависимость менее существенна. Кроме того, график дает наглядное представление о неизбежности уменьшения тяги винта по скорости полета, что необходимо учитывать при оценке летных данных СЛА.

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

Режим работы воздушного винта на аэросанях

При подборе и расчете воздушного винта необходимо правильно выбрать режим его работы, зависящий от скорости движения аэросаней.

При расчете воздушных винтов для самолетов наилучший КПД подбирают для наиболее важного режима работы, задаваемого конструктором данному самолету. Так, для истребителя ближнего боя самым важным режимом работы является скороподъемность, для истребителя-перехватчика — достижение максимальной скорости, а для пассажирского самолета — достижение наибольшей скорости при наименьшем расходе топлива.

Каждый режим отличается различными скоростями и различными нагрузками, т. е. различными требованиями к тяговому усилию на заданном режиме:  
Винты фиксированного шага, рассчитанные на достижение наибольшего КПД на данном режиме, на всех других режимах, отличающихся от заданного, будут иметь пониженный КПД

Аналогичная картина наблюдается и на аэросанях.

Какой же режим работы для аэросаней должен быть положен в основу расчета воздушного винта?
Многолетняя практика эксплуатации и ряд испытательных пробегов аэросаней показали, что их скорости движения колеблются от 10—15 до 100—110 км/час. Но эксплуатационная скорость аэросаней, как правило, ограничиваемая профилем дороги, не превышает 30—40 км/час.

Наиболее тяжелыми дорожными условиями для аэросаней является их движение по целинному снегу, когда скорость движения не превышает 10—20 км/час. Кроме того, известно, что даже при кратковременной стоянке снег прилипает к лыжам, поэтому очень трудно аэросани стронуть с места.

Для транспортных аэросаней нужно обеспечить максимальное тяговое усилие воздушного винта, т. е. в наиболее тяжелых условиях их работы получить наибольшую силу тяги при работе двигателя на месте.

Если спортивные аэросани предназначены для движения в сравнительно легких условиях, то, чтобы достичь больших скоростей, расчет можно вести для получения наибольшего КПД на расчетной скорости, т. е. при v = 50—60 км/час.

Для достижения высокого КПД большое значение имеют обороты воздушного винта.

Аэродинамические исследования показали что при  достижении окружной скорости концом лопасти  винта, равной скорости звука, КПД воздушного винта резко снижается. Поэтому при выборе числа оборотов винта не следует превышать критические числа оборотов, приведенные в табл. 9.

На многооборотных двигателях применяют редукторы, понижающие число оборотов воздушного винта. Но редукторы усложняют конструкцию винтомоторной установки, снижают ее надежность, увеличивают вес,  что для аэросаней особенно вредно, и требуют непроизводительного расхода от 2 до 5% мощности двигателя  (в зависимости от конструкции редуктора) на преодоление трения в элементах передачи (шестернях, ремнях и т. п.).

Применять редукторы целесообразно лишь в том случае, когда потери покрываются выигрышем, определяемым КПД винта.

Воздушный, винт — это аэродинамический движитель, который, поглощая мощность установленного на аэросани двигателя внутреннего сгорания, и создает аэродинамическую силу — силу тяги.

Воздушный винт состоит из ступицы 2 (рис. 25), которой он с помощью промежуточной детали (втулки винца) закрепляется на валу, и двух, трех и более лопастей, создающих силу тяги.

Каждая лопасть воздушного винта представляет собой пластинку, выполненную в сечении в виде аэродинамического профиля, расположенного под углом атаки α по отношению к (плоскости вращения винта.

Рис. 25. Основные элементы воздушного винта: 1 — лопасть; 2 — ступица; 3— ребро атаки; 4 — сечение лопасти; 5 — задняя кромка; а — угол атаки

При вращении воздушного винта его лопасти за счет угла атаки а, так же как болт за счет наклона его резьбы (шага резьбы) ввертывается в гайку, ввинчиваются в воздух (рис. 26). Но так как плотность воздуха небольшая, лопасти винта проскальзывают в воздухе и отбрасывают, как вентилятор, какую-то массу воздуха назад. Эта масса воздуха является как бы подушкой, от которой винт отталкивается, создавая реактивную силу — силу тяги, за счет которой и движутся аэросани.

Рис. 26. Воздушный винт как бы ввинчивается в воздух

Очевидно, чем больше масса отбрасываемой винтом струи воздуха, тем больше будет и сила тяги, развиваемая воздушным винтом.

Чтобы увеличить массу воздуха, отбрасываемую винтом, можно или увеличить сечение струи (ометаемую площадь) путем использования винта  большего диаметра, или ускорить движение струи, чего можно достигнуть увеличением числа оборотов винта и выбором формы лопасти винта.

Форма лопасти винта имеет исключительно большое значение для получения необходимой силы тяги. Самый мощный двигатель и хорошие формы корпуса и лыж не могут дать необходимого эффекта при плохо сконструированном или изготовленном воздушном винте.

В связи с этим желательно, чтобы установленный на аэросанях воздушный винт снимал с двигателя максимально возможную силу тяги, т. е. как принято определять в технике, имел бы высокий коэффициент полезного действия.

Коэффициент полезного действия винта равен отношению полезной мощности винта к потребляемой мощности:

Из этого выражения силу тяги воздушного винта можно определить по формуле:

Из формулы видно, что сила тяги воздушного винта обратно пропорциональна скорости, т. е. снижается с увеличением скорости движения аэросаней.

Мощность, потребляемая винтом, определяется потерями, вызываемыми сопротивлением воздуха. Эти потери зависят от конструкции воздушного винта и режима его работы и, как правило, требуют проведения экспериментов в виде продувки винта в аэродинамической трубе и ряда испытаний, без результатов которых невозможно произвести точный расчет.

Так как проведение подобных испытаний под силу только крупным научно-исследовательским институтам, а аэродинамический расчет, с помощью которого можно было бы подобрать наивыгоднейший винт, чрезвычайно сложен, ниже приведены сведения, которые дадут общее представление о выборе отдельных важнейших параметров воздушного винта для аэросаней. Эти сведения не дают окончательных рекомендаций о подборе винта с наиболее возможным коэффициентом полезного действия, но вполне достаточны для практических целей по подбору винта к аэросаням.

Конечным результатом работы по подбору винта к аэросаням является получение силы тяги или тяги.

Но что же такое тяга и от чего она зависит?
Если в потоке воздуха, имеющего скорость υ разместить плоскую пластинку (рис. 27,а), имеющую площадь F, так, чтобы поверхность ее была перпендикулярна к потоку, то воздух, набегающий на нее, тормозится и старается обойти ее, за счет чего за пластинкой образуется зона разрежения с сильными завихрениями воздуха.

Рис. 27. Возникновение силы лобового сопротивления и подъемной силы при обтекании прямой пластинки воздухом: а — лобовое сопротивление; б — возникновение подъемной силы

Давление воздуха на пластинку R1 с одной ее стороны и подсос за счет разрежения R2 с другой стороны составят равнодействующую силу сопротивления воздуха R, или силу лобового сопротивления Q.

По закону Бернулли, изменение скорости связано с изменением давления, которое, будучи выражено во времени (за 1 секунду) секундным объемом воздуха W, и будет определять силу R = Q.

Опытами было установлено, что, ударяясь о пластинку, частицы воздуха не полностью теряют скорость, поэтому в формулу, определяющую силу сопротивления, вводится коэффициент α, показывающий, какая часть полной скорости υ потеряна струей воздуха при обтекании пластинки.

Таким образом, сила R будет равна:
R—αpFυ2, где р — плотность воздуха у земли;
F — площадь профиля.

Так как степень торможения потока воздуха зависит от формы тела, которое он обтекает, и замерить ее практически очень трудно, сначала в аэродинамической лаборатории получают опытные величины сопротивления тела к, а потом уже определяют коэффициент а из выражения:

В рассмотренном случае обтекания пластинки не учитывалось трение воздуха о поверхность обтекаемого тела, которое имеет место при обтекании шара, куба и т. п. тел и которое учитывается также коэффициентом α.

Пластинка, шар и куб имеют симметричную форму. У этих плохо обтекаемых тел большую часть сопротивления составляет лобовое сопротивление. При рассмотрении тел несимметричных или симметричных, но расположенных под некоторым углом к набегающему на них потоку воздуха, характер обтекания и возникающие при этом силы изменяются.

Если прямую пластинку (рис. 27,6) установить под некоторым углом а к направлению потока воздуха, то последний будет неравномерно обтекать эту пластинку. Причем на нижней поверхности ее возникает (за счет положительного угла наклона пластинки и набегающего на нее потока) повышенное давление Pi воздуха, а на верхней за счет отрицательного угла воздух отрывается от поверхности, появляются завихрения, давление понижается и создает подсос P2 воздуха.

Силы P1 и P2 будут направлены в одну сторону и в сумме составят силу Р. Сила Р, разложенная по правилу параллелограмма на составляющие, образует две силы—подъемную силу Т1 и силу сопротивления R.

Величина сил, действующих на прямую пластинку, зависит от угла а, наклона пластинки и скорости набегающего на нее потока воздуха, причем сила R уменьшится с уменьшением угла наклона пластинки. Подъемная сила Т1 имеет максимальную величину при каком-то определенном значении угла α наклона пластинки по отношению к потоку воздуха, обтекающего пластинку со скоростью υ, и уменьшается при изменении наклона пластинки в ту или иную сторону.

Лопасти воздушного винта, так же как и рассмотренная пластинка, расположены под углом к плоскости вращения, Следовательно, на каждом  небольшом: отрезке лопасти возникают силы: подъемная сила Т1, которая в данном случае будет силой тяти, и сила сопротивления воздуха R.

Мощность установленного на аэросанях двигателя и должна затрачиваться на создание силы тяги Т1 и преодоление силы R сопротивления воздуха вращению винта.

Желательно, чтобы сила тяги Т1 была как можно больше, а сила сопротивления воздуха R — как можно меньше.

Практика показала, что, используя для воздушного винта металлическую пластинку постоянной толщины, Можно достичь неплохих результатов. Но аэродинамические исследования доказали, что применение аэродинамических профилей (дужек), выбираемых в зависимости От условий работы винта, задаваемых конструктором, позволяет при прочих равных условиях, т. е. при одних и тех же углах атаки а, установки профиля и скорости потока воздуха v, получить значительно большую силу тяги Т1 и меньшую силу сопротивления воздуха R.

Выгодное изменение величины сил Т1 и R по сравнению с силами для прямой пластинки происходит из-за того, что воздух обтекает профилированную дужку более плавно, не образуя сильных завихрений на ее верхней части, что снижает сопротивление воздуха. Одновременно за счет) удлинения пути воздуха, обтекающего выпуклую профилированную дужку сверху, по сравнению с длиной пути воздуха, обтекающего дужку снизу, резко увеличивается скорость воздуха на верхней поверхности, что способствует значительному росту силы P2 (рис.28), входящей составной частью в силу тяги.

Полное сопротивление дужки можно выразить через известную уже нам формулу:

где С — коэффициент сопротивления;
ρ —плотность воздуха;

Составляющие силы R и Т полного сопротивления (рис. 28) представляют собой  проекции равнодействующей Р (при разложении ее по правилу параллелограмма) на различные направления. Эти составляющие силы могут быть выражены в виде:

где сх — коэффициент лобового сопротивления;
су — коэффициент подъемной силы данного профиля дужки;
ρυ2 —величина скоростного напора.

В этих формулах сх и су — безразмерные величины, а силы R и Т выражены в кг. Эти аэродинамические силы прямо пропорциональны значениям их коэффициентов и квадрату скорости.

Значения аэродинамических коэффициентов определяются экспериментом, причем величина коэффициента сопротивления сх, зависит от формы тела и состояния его поверхности. Величина сх может колебаться в очень больших пределах. Так, для плоской пластинки, установленной поперек воздушного потока, сх = 1,28, а для хорошо обтекаемого тела сх = 0,025.

Значение сх для аэродинамических профилей гораздо меньше, чем для тел самой лучшей обтекаемой формы. Это относится только к телам, которые создают подъемную силу*.

При выборе профиля для лопасти воздушного винта необходимо стремиться подобрать в зависимости от углов атаки такой профиль, который имел бы наименьший коэффициент сх и наибольший коэффициент су.

Величины коэффициентов сх и су для каждого профиля, подвергнутого продувке в лаборатории, изображаются графиком, называемым полярой Лилиенталя. График дает значения коэффициентов сх и су при различных углах атаки а.

На рис. 29 изображены такие кривые для профилей NACA-2309 и CLARY-УН, а в приложении 3 даны их геометрические характеристики. Из приведенных характеристик видно, что два мало отличающихся по форме профиля дают совершенно различные коэффициенты cy и сх.

Рис. 29. Поляры Лилиенталя для аэродинамических профилей: 1 —NACA-2309; 2 —CLARY-УН Цифры у точек кривых указывают значения угла α

*В. А. Попов. Основы авиационной техники. Оборонгиз, 1947.