Основные режимы работы воздушных винтов изменяемого шага. Режимы работы винта

Углом атаки элементов лопасти винта  называется угол между хордой элемента и направлением его истинного результирующего движения W (Рис. 66).

Рис. 66 Угол установки и угол атаки лопастей: а - угол атаки элемента лопасти, б - скорости элемента лопасти

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

где n с - обороты двигателя.

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. 66, 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  ;

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  " будет отличаться от угла  (Рис. 66, 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  R на элемент лопасти винта при его вращении (Рис. 67).

Разложив эту силу на две составляющие, параллельную оси вращения и параллельную плоскости вращения, получим силу ЛР и силу сопротивления вращению  Х 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  и подсчитывается по формуле (в кгс или Н)

где  - коэффициент тяги винта, учитывающий форму лопасти в плане, форму профиля и угла атаки, определяется экспериментально. Коэффициент тяги воздушного винта самолетов Як-52 и Як-55 В530ТА-Д35 равен 1,3.

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 Сх л - коэффициент сопротивления лопасти, учитывающий ее форму в плане, форму профиля, угол атаки и качество обработки поверхности;

W - результирующая скорость, м/с;

S л - площадь лопасти;

К - количество лопастей.

Рис. 67 Аэродинамические силы воздушного винта

Рис. 68. Режимы работы воздушного винта

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

М тр =Х в r в (3.8)

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

(3.9)

где N e -эффективная мощность двигателя.

Рассмотренный режим называется режимом положительной тяги винта, так как эта тяга тянет самолет вперед (Рис. 68, 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. 68, 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. 68, 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. 68, 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

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. 69. Для его построения замеряют тягу воздушного винта при разных скоростях. Полученный график называется характеристикой силовой установки по тяге.

ВЛИЯНИЕ ВЫСОТЫ ПОЛЕТА НА ТЯГУ ВИНТА.

Рис. 69 Характеристика силовой установки М-14П по тяге (для Н=500 м) самолетов Як-52 и Як-55 с воздушным винтом В530ТА-Д35

Рис. 70 Тормозящий момент воздушного винта и крутящий момент двигателя

ТОРМОЗЯЩИЙ МОМЕНТ ВИНТА И КРУТЯЩИЙ МОМЕНТ ДВИГАТЕЛЯ.

Для того чтобы винт вращался с постоянными оборотами, необходимо, чтобы тормозящий момент М т, равный произведению , был равен крутящему моменту двигателя М кр, равному произведению F d ,. т.е. М т =М кр или =F d (Рис. 70). Если это равенство будет нарушено, то двигатель будет уменьшать обороты или увеличивать.

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

МОЩНОСТЬ, ПОТРЕБНАЯ НА ВРАЩЕНИЕ ВОЗДУШНОГО ВИНТА

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

(3.10)

Где  - коэффициент мощности, зависящий от формы воздушного винта, числа лопастей, угла установки, формы лопасти в плане, от условия работы воздушного винта (относительной поступи)

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

где Р в - тяга, развиваемая воздушным винтом; V-скорость самолета.

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

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

Рис. 71 Характеристики по мощности двигателя М-14П самолетов Як-52 и Як-55

Рис. 72 Примерный вид кривой изменения располагаемой мощности в зависимости от скорости полета

Рис. 73 Высотная характеристика двигателя М-14П на режимах 1 - взлетный, 2- номинальный 1, 3 - номинальный 2, 4 - крейсерский 1; 5 - крейсерский 2

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. 71.

График Рис. 72 называется характеристикой силовой установки по мощности.

При V=0, Np=0; при скорости полета V=300 км/ч, Np= =275 л.с. (для самолета Як-52) и V=320 км/ч, Np=275 л. с. (для самолета Як-55), где Np - потребная мощность.

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. 73.

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.

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) 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, которые преобразует тепловую энергию сгорающего топлива в энергию вращения воздушного винта..

На самолетах Як-18Т, Як-52 и Як-55 силовая установка состоит из поршневого двигателя М-14П и воздушного винта изменяемого шага В530ТА-Д35.

На многих спортивных самолётах используются двигатели Rotax:

КЛАССИФИКАЦИЯ ВОЗДУШНЫХ ВИНТОВ

по числу лопастей - двух-, трех-, четырех- и многолопастные;

по материалу изготовления - деревянные, металлические, смешанные;

по направлению вращения (смотреть из кабины самолета по направлению полета) - левого и правого вращения;

по расположению относительно двигателя - тянущие, толкающие;

по форме лопастей - обычные, саблевидные, лопатообразные;

по типам - фиксированные, неизменяемого и изменяемого шага.

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

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;

на флюгируемые - угол установки меняется от 0 до 90°;

на тормозные или реверсные винты, имеют изменяемый угол установки от -15 до +90°, таким винтом создают отрицательную тягу и сокращают длину пробега самолета.

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-18Т, 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

Рассмотрим геометрические характеристики винта.

Форма лопасти в плане - наиболее распространенная симметричная и саблевидная.

Рис. 3. Формы воздушного винта: а - профиль лопасти, б - формы лопастей в плане

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.

Для большей прочности применяют лопасти с переменной толщиной - постепенным утолщением к корню. Хорды сечений лежат не в одной плоскости, так как лопасть выполнена закрученной. Ребро лопасти, рассекающее воздух, называется передней кромкой, а заднее - задней кромкой. Плоскость, перпендикулярная оси вращения винта, называется плоскостью вращения винта (Рис. 3).

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.

Геометрический шаг винта - это расстояние, которое движущийся поступательно винт должен пройти за один свой полный оборот, если бы он двигался в воздухе как в твердой среде (Рис. 4).

Угол установки лопасти винта  - это угол наклона сечения лопасти к плоскости вращения винта (Рис. 5).

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  . Из прямоугольного треугольника ЦВБ находим, чему равен шаг винта:

(3.1)

Шаг винта будет тем больше, чем больше угол установки лопасти  . 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 называетсяноминальным, 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).

Поступь воздушного винта - это действительное расстояние, на которое движущийся поступательно винт продвигается в воздухе вместе с самолетом за один свой полный оборот. Если скорость самолета выражена в км/ч, а число оборотов винта в секунду, то поступь винта Н п можно найти по формуле

(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 называетсяскольжением винта и определяется по формуле

S = H - H n . (3.3)

СКОРОСТЬ ДВИЖЕНИЯ И УГОЛ АТАКИ ЭЛЕМЕНТА ЛОПАСТИ ВИНТА

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

Рис. 6 Угол установки и угол атаки лопастей: а - угол атаки элемента лопасти, б - скорости элемента лопасти

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

Где n с - обороты двигателя.

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  ;

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  " будет отличаться от угла  (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  R на элемент лопасти винта при его вращении (Рис.1).

Разложив эту силу на две составляющие, параллельную оси вращения и параллельную плоскости вращения, получим силу ЛР и силу сопротивления вращению  Х 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  и подсчитывается по формуле (в кгс или Н)

Где  - коэффициент тяги винта, учитывающий форму лопасти в плане, форму профиля и угла атаки, определяется экспериментально. Коэффициент тяги воздушного винта самолетов Як-18Т, Як-52 и Як-55 - В530ТА-Д35 равен 1,3.

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 Сх л - коэффициент сопротивления лопасти, учитывающий ее форму в плане, форму профиля, угол атаки и качество обработки поверхности;

W - результирующая скорость, м/с;

S л - площадь лопасти;

К - количество лопастей.

Рис.1 Аэродинамические силы воздушного винта.

Рис. 2. Режимы работы воздушного винта

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

М тр =Х в r в (3.8)

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

(3.9)

Где N e -эффективная мощность двигателя.

Рассмотренный режим называется режимом положительной тяги винта, так как эта тяга тянет самолет вперед (Рис. , 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. , 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. , 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. , 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.

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. 7. Для его построения замеряют тягу воздушного винта при разных скоростях. Полученный график называется характеристикой силовой установки по тяге.

Рис. 7 Характеристика силовой установки М-14П по тяге (для Н=500 м) самолетов Як-18Т, Як-52 и Як-55 с воздушным винтом В530ТА-Д35

ВЛИЯНИЕ ВЫСОТЫ ПОЛЕТА НА ТЯГУ ВИНТА.

ТОРМОЗЯЩИЙ МОМЕНТ ВИНТА И КРУТЯЩИЙ МОМЕНТ ДВИГАТЕЛЯ.

Для того чтобы винт вращался с постоянными оборотами, необходимо, чтобы тормозящий момент М т, равный произведению
, был равен крутящему моменту двигателя М кр, равному произведению F d ,. т.е. М т =М кр или =F d (Рис. 8).

Рис. 8 Тормозящий момент воздушного винта и крутящий момент двигателя

Если это равенство будет нарушено, то двигатель будет уменьшать обороты или увеличивать.

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

МОЩНОСТЬ, ПОТРЕБНАЯ НА ВРАЩЕНИЕ ВОЗДУШНОГО ВИНТА

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

(3.10)

Где  - коэффициент мощности, зависящий от формы воздушного винта, числа лопастей, угла установки, формы лопасти в плане, от условия работы воздушного винта (относительной поступи)

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 сек. при движении самолета, называется тягой или полезной мощностью воздушного винта.

Тяговая мощность воздушного винта определяется по формуле

(3.11)

Где Р в - тяга, развиваемая воздушным винтом; V-скорость самолета.

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

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

(3.12)

Рис. 9 Характеристики по мощности двигателя М-14П самолетов Як-52 и Як-55

Рис. 10 Примерный вид кривой изменения располагаемой мощности в зависимости от скорости полета

Рис. 11 Высотная характеристика двигателя М-14П на режимах 1 - взлетный, 2- номинальный 1, 3 - номинальный 2, 4 - крейсерский 1; 5 - крейсерский 2

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.

Np - потребная мощность.

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.

Рис. 12 Характеристики по мощности двигателя М-14П самолетов Як-52 и Як-55

Рис. 13 Примерный вид кривой изменения располагаемой мощности в зависимости от скорости полета

Рис. 14 Высотная характеристика двигателя М-14П на режимах 1 - взлетный, 2- номинальный 1, 3 - номинальный 2, 4 - крейсерский 1; 5 - крейсерский 2

График зависимости располагаемой эффективной мощности от скорости полета для самолетов Як-52 и Як-55 изображен на Рис. 9.

График Рис. 10 называется характеристикой силовой установки по мощности.

При V=0, Np=0; при скорости полета V=300 км/ч, Np= =275 л.с. (для самолета Як-52) и V=320 км/ч, Np=275 л. с. (для самолета Як-55), где Np - потребная мощность.

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. 11.

Рис. 15 Высотная характеристика двигателя М-14П на режимах 1 - взлетный, 2- номинальный 1, 3 - номинальный 2, 4 - крейсерский 1; 5 - крейсерский 2

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. 11.

ВИНТЫ ИЗМЕНЯЕМОГО ШАГА

ТРЕБОВАНИЯ К ВИШ:

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

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

Лопасти ВИШ либо управляются специальным механизмом, либо устанавливаются в нужное положение под влиянием сил, действующих на воздушный винт. В первом случае это гидравлические и электрические воздушные винты, во втором - аэродинамические.

Гидравлический винт - воздушный винт, у которого изменение угла установки лопастей производится давлением масла подаваемого в механизм, находящийся во втулке винта.

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

Аэромеханический винт - воздушный винт, у которого изменение угла установки лопастей производится автоматически - аэродинамическими и центробежными силами.

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. 16 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 N e будет больше мощности, потребной для вращения воздушного винта при установке лопастей на самый малый угол наклона (малый шаг).

На Рис. 16 показана схема работы ВИШ.

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

Работа ВИШ на взлете характерна тем, что на взлете используется вся мощность двигателя - развивается наибольшая тяга. Это возможно при условии, что двигатель развивает максимальные обороты, а каждая часть лопасти винта развивает наибольшую тягу, имея наименьшее сопротивление вращению.

Для этого необходимо, чтобы каждый элемент лопасти воздушного винта работал на углах атаки, близких к критическому, но без срыва воздушного потока. На Рис. 16, а видно, что угол атаки лопасти перед взлетом (V =0) за счет перетекания воздуха со скоростью  V немного отличается от угла наклона лопасти на величину ф мин. 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. 16, 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  ср .

При выполнении полета на максимальной скорости ВИШ также должен обеспечивать максимальное значение тяги. При полете на максимальной скорости угол наклона лопастей имеет предельное значение р макс (Рис. 16, в). Следовательно, при изменении скорости полета происходит изменение угла атаки лопасти, при уменьшении скорости полета угол атаки увеличивается - винт затяжеляется, при увеличении скорости полета угол атаки уменьшается - винт облегчается. РПО автоматически переводит лопасти винта на соответствующие углы.

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.

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:

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

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.

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.

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.

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

При обтекании лопасти потоком каждый элемент аналогично элементу крыла создает полную аэродинамическую силу, которую удобно разложить на составляющие – силу тяги (Р в) и силу сопротивления вращения (Х вр).

Сила Х вр создает момент сопротивления вращению, на преодоление которого должен быть затрачен вращающий момент двигателя. Таким образом, сила Х вр является «вредной» (направлена против вращения), а сила Р в, идущая на преодоление лобового сопротивления самолета, – полезной.

Рассмотрим характерные режимы работы элемента лопасти винта (рис. 2.10).

1. Режим работы на месте и режим положительной тяги. При работе на месте V = 0. Сила тяги на элементе лопасти максимальна, так как угол атаки максимален.

С увеличением поступательной скорости уменьшается угол атаки элемента лопасти и сила тяги. Это основной рабочий режим элемента лопасти, при котором лопасть обтекается потоком с положительными углами атаки. Режим положительной тяги называется пропеллерным (рис. 2.10, 1).

Рис. 2.10. Режимы работы винта:

1 – пропеллерный; 2 – нулевой тяги; 3 – торможения; 4 – авторотации; 5 – ветряка

2. Режим нулевой тяги. При увеличении поступательной скорости уменьшается угол атаки элемента лопасти и полная аэродинамическая сила (она разворачивается к плоскости вращения, и ее составляющая Р уменьшается, приближаясь к нулю). Элемент лопасти работает с небольшим отрицательным углом атаки (–0,5...–1°). Этот режим характерен для планирования с высоты полета самолета при малых режимах.

3. Режим торможения. При дальнейшем увеличении поступательной скорости угол атаки элемента лопасти еще более уменьшается. Полная аэродинамическая сила будет направлена в сторону, обратную полету, отрицательная тяга небольшая.

4. Режим авторотации. При увеличении скорости полетаполная аэродинамическая сила будет направлена по оси вращения винта против полета. Сила сопротивления вращению элемента лопасти в этом случае равна нулю. Винт мощность от двигателя не потребляет и не отдает, он вращается по инерции. Угол атаки отрицательный.

5. Режим ветряка. При больших значениях и отрицательных углах атаки полная аэродинамическая сила отклоняется еще больше, создается значительная отрицательная тяга, а сила сопротивления вращению элемента лопасти оказывается направленной в сторону вращения и, действуя относительно оси вращения, раскручивает вал двигателя.

Все эти режимы винт проходит при отказе двигателя. Из пропеллерного режима винт уходит на режим ветряка и вращается в этом режиме.

Если винт не флюгируется, то необходимо выдерживать наивыгоднейшую скорость планирования, при которой качество максимальное, и произвести посадку на ближайшем аэродроме.

полете самолет все время преодолевает сопротивле­ние воздуха. Эту работу выполняет его силовая уста­новка, состоящая либо из поршневого двигателя внут­реннего сгорания и воздушного винта, либо из реактив­ного двигателя. Мы кратко расскажем только о воздуш­ном винте.

С воздушным винтом каждый из нас знаком с дет­ства.

В деревнях ребята часто устанавливают на воротах двухлопастную ветрянку, которая при ветре вращается так быстро, что лопасти ее сливаются в сплошной круг. Ветрянка и есть простейший винт. Если насадить такой винт на ось, сильно закрутить между ладонями и вы­пустить, то он с жужжанием полетит вверх.

Воздушный винт самолета насаживается на вал дви­гателя. При вращении винта лопасти набегают на воз­дух под некоторым углом атаки и отбрасывают его назад, благодаря чему, как бы отталкиваясь от воздуха, стре­мятся двигаться вперед. Таким образом, при вращении воздушный винт развивает аэродинамическую силу, на­правленную вдоль оси винта. Эта сила тянет самолет вперед и поэтому называется силой тяги.

Воздушный винт может иметь две, три или четыре лопасти. Профиль (сечение) лопасти подобен профилю крыла.

В работе по созданию силы тяги большую роль иг­рают шаг воздушного винта и угол установки лопасти к плоскости вращения.

Шагом воздушного винта называют расстояние, ко­торое винт должен был бы пройти за один свой полный оборот, если бы он ввинчивался в воздух, как болт в гайку. В действительности же при полете самолета воздушный винт из-за малой плотности воздуха продви­гается на несколько меньшее расстояние.

Шаг воздушного винта получается тем больше, чем больше угол установки лопасти к плоскости вращения (рис. 17, а).

Таким образом, винт с большим углом установки ло­пастей быстрее «шагает», чем винт с малым углом уста­новки (подобно тому как болт с крупной резьбой быст­рее ввинчивается в гайку, чем болт с мелкой резьбой). Следовательно, винт с большим шагом нужен для боль­шой скорости полета, а с малым шагом - для малой скорости.

Работа лопастей воздушного винта подобна работе крыла. Но движение винта сложнее. В отличие от крыла лопасти винта в полете не только движутся вперед, но еще и вращаются при этом. Эти движения складываются, и поэтому лопасти винта движутся в полете по некото­рой винтовой линии (рис. 17, б). Посмотрим, как возни­кает сила тяги воздушного винта.

Для этого выделим на каждой лопасти маленький элемент, ограниченный двумя сечениями (рис. 17, а). Его можно считать за маленькое крыло, которое в полете движется по винтовой линии, набегая на воздух под не­которым углом атаки. Следовательно, элемент лопасти, подобно крылу самолета, создаст аэродинамическую силу Р. Эту силу мы можем разложить на две силы - параллельно оси винта и перпендикулярно к ней. Сила,

Направленная вперед, и будет силой тяги элемента ло­пасти, вторая же, маленькая сила, направленная против вращения винта, будет тормозящей силой.

Элементарные силы тяги обеих лопастей в сумме дадут силу тяги Т всего винта, как бы прилаженную к его оси. Тормозящие силы преодолевает двигатель.

Сила тяги винта очень сильно зависит от скорости полета. С увеличением скорости она уменьшается. По­чему это происходит и какое имеет значение для по­лета?

Когда самолет стоит на земле и силовая установка работает, то лопасти винта имеют только одну скорость - окружную (рис. 17, а). Значит, воздух набегает на ло­пасть по направлению стрелки В, показанной в плоскости вращения винта. Угол между этой стрелкой и хордой про­филя лопасти будет, очевидно, углом атаки. Как видим, при неподвижном воздухе он равен углу установки ло­пасти к плоскости вращения. Иначе получается в полете, когда, кроме вращательного движения, винт движется еще и вперед (вместе с самолетом).

В полете эти движения складываются, и в результате лопасть движется по винтовой линии (рис. 17, б). По­этому воздух набегает на лопасть по направлению стрелки В1, и угол между ней и хордой профиля будет углом атаки. Вы видите, что угол атаки стал меньше угла установки. И чем больше будет скорость полета, тем меньше станут углы атаки лопастей, а поэтому тем меньше станет и сила тяги (при неизменном числе оборо­тов винта).

Этот недостаток в особенности присущ простому винту, у которого угол установки лопастей, а тем самым и шаг винта, нельзя изменять в полете (простой винт имеет и другие недостатки). Гораздо более совершенен винт из­меняемого шага (рис. 18). Такой винт благодаря особому устройству втулки без участия летчика изменяет свой шаг. Когда летчик уменьшает скорость полета, шаг винта тотчас же уменьшается, когда же летчик увеличивает скорость, винт увеличивает шаг.

В современной авиации применяются почти исключи­тельно винты изменяемого шага.