Лопастной винт самолета, он же пропеллер или лопаточная машина, которая приводится во вращение с помощью работы двигателя. С помощью винта происходит преобразование крутящего момента от двигателя в тягу.
Воздушный винт выступает движителем в таких летательных аппаратах, как самолеты, цикложиры, автожиры, аэросани, аппараты на воздушной подушке, экранопланы, а также вертолеты с турбовинтовыми и поршневыми двигателями. Для каждой из этих машин винт может выполнять разные функции. В самолетах он используется в качестве несущего винта, который создает тягу, а в вертолетах обеспечивает подъем и руление.
Все винты летательных аппаратов делятся на два основных вида: винты с изменяемым и фиксированным шагом вращения. В зависимости от конструкции самолета винты могут обеспечивать толкающую или тянущую тягу.
При вращении лопасти винта захватывают воздух и производят его отброс в противоположном направлении полета. В передней части винта создается пониженное давление, а позади – зона с высоким давлением. Отбрасываемый воздух приобретает радиальное и окружное направление, за счет этого теряется часть энергии, которая подводится к винту. Сама закрутка воздушного потока снижает обтекаемость аппарата. Сельскохозяйственные самолеты, проводя обработку полей, имеют плохую равномерность рассеивание химикатов из-за потока от пропеллера. Подобная проблема решена в аппаратах, которые имеют соосную схему расположения винтов, в данном случае происходит компенсация с помощью работы заднего винта, который вращается в противоположную сторону. Подобные винты установлены на таких самолетах, как Ан-22 , Ту-142 и Ту-95 .
Технические параметры лопастных винтов
Наиболее весомые характеристики винтов, от которых зависит сила тяги и сам полет, конечно же, шаг винта и его диаметр. Шаг – это расстояние, на которое может переместиться винт за счет ввинчивания в воздух за один полный оборот. До 30-х годов прошлого века использовались винты с постоянным шагом вращения. Только в конце 1930-х годов практически все самолеты оснащались пропеллерами со сменным шагом вращения
Параметры винтов:
Диаметр окружности винта – это размер, который описывают законцовки лопастей при вращении.
Поступь винта – реальное расстояние, проходящее винтом за один оборот. Данная характеристика зависит от скорости движения и оборотов.
Геометрический шаг пропеллера – это расстояние, которое мог бы пройти винт в твердой среде за один оборот. От поступи винта в воздухе отличается скольжением лопастей в воздухе.
Угол расположения и установки лопастей винта – наклон сечения лопасти к реальной плоскости вращения. За счет наличия крутки лопастей угол поворота замеряется по сечению, в большинстве случаев это 2/3 всей длины лопасти.
Лопасти пропеллера имеют переднюю – режущую – и заднюю кромки. Сечение лопастей имеет профиль крыльевого типа. В профиле лопастей имеется хорда, которая имеет относительную кривизну и толщину. Для повышения прочности лопастей винта используют хорду, которая имеет утолщение к корню пропеллера. Хорды сечения находятся в разных плоскостях, поскольку лопасть изготовлена закрученной.
Шаг винта является основной характеристикой гребного винта, он в первую очередь зависит от угла установки лопастей. Шаг измеряется в единицах пройденного расстояния за один оборот. Чем больший шаг делает винт за один оборот, тем больший объем отбрасывается лопастью. В свою очередь увеличение шага ведет за собой дополнительные нагрузки на силовую установку, соответственно, количество оборотов снижается. Современные летательные аппараты имеют возможность изменять наклон лопастей без остановки двигателя.
Преимущества и недостатки воздушных винтов
Коэффициент полезного действия винтов на современных самолетах достигает показателя в 86%, это делает их востребованными авиастроением. Также нужно отметить, что турбовинтовые аппараты значительно экономнее, чем реактивные самолеты. Все же винты имеют некоторые ограничения как в эксплуатации, так и в конструктивном плане.
Одним из таких ограничений выступает «эффект запирания», который возникает при увеличении диаметра винта или же при добавлении количества оборотов, а тяга в свою очередь остается на том же уровне. Это объясняется тем, что на лопастях пропеллера возникают участки со сверхзвуковыми или околозвуковыми потоками воздуха. Именно этот эффект не позволяет летательным аппаратам с винтами развить скорость выше чем 700 км/час. На данный момент самой быстрой машиной с винтами является отечественная модель дальнего бомбардировщика Ту-95 , который может развить скорость в 920 км/час.
Еще одним недостатком винтов выступает высокая шумность, которая регламентируется мировыми нормами ICAO. Шум от винтов не вписывается в стандарты шумности.
Современные разработки и будущее винтов самолета
Технологии и опыт работы позволяют конструкторам преодолеть некоторые проблемы с шумностью и повысить тягу, миновав ограничения.
Таким образом удалось миновать эффект запирания за счет применения мощного турбовинтового двигателя типа НК-12, который передает мощность на два соосные винта. Их вращение в разные стороны позволило миновать запирание и повысить тягу.
Также используются на винтах тонкие саблевидные лопасти, которые имеют возможность затягивания кризиса. Это позволяет достичь более высоких показателей скорости. Такой тип винтов установлен на самолете типа Ан-70.
На данный момент ведутся разработки по созданию сверхзвуковых винтов. Несмотря на то что проектирование ведется очень долго при немалых денежных вливаниях, достичь положительного результата так и не удалось. Они имеют очень сложную и точную форму, что значительно затрудняет расчеты конструкторов. Некоторые готовые винты сверхзвукового типа показали, что они очень шумные.
Заключение винта в кольцо – импеллер – является перспективным направлением развития, поскольку снижает концевое обтекание лопастей и уровень шума. Также это позволило повысить безопасность. Существуют некоторые самолеты с вентиляторами, которые имеют ту же конструкцию, что и импеллер, но дополнительно оснащаются аппаратом направления воздушного потока. Это значительно повышает эффективность работы винта и двигателя.
отношение полезной мощности, затрачиваемой на преодоление сопротивления движению летательного аппарата, к мощности двигателя
N: (η) = PV/N
(Р - , V - поступательная ).
При таких скоростях полёта, когда на лопастях воздушного винта не возникает местных сверхзвуковых течений, основные потери связаны с индуктивным сопротивлением (индуктивные потери) и профильным сопротивлением.
Индуктивные потери минимальны, если винт создаёт за собой поле скоростей, совпадающее с описываемой винтом твёрдой винтовой поверхностью. смещающейся с пост, скоростью в направлении своей оси. Такое или близкое к нему поле скоростей обеспечивается соответствующим выбором распределения циркуляции скорости вдоль лопасти (то есть выбором формы лопасти).
При больших дозвуковых скоростях полёта, когда на лопасти образуются области со сверхзвуковым течением, замыкаемые скачками уплотнений, существенным становится (волновые потери). Эффективным способом уменьшения волновых потерь является использование профилей с возможно большими значениями критических Маха чисел и сверхкритических профилей, а также отгиб лопасти назад (саблевидные лопасти) аналогично стреловидному крылу. Отгиб вперёд (обратная стреловидность) здесь эффекта не даёт вследствие роста относительной скорости обтекания с увеличением радиуса и смешения замыкающего скачка уплотнения к задней кромке. С ростом числа Маха полёта (η) воздушных винтов с широкими гонкими саблевидными лопастями (винтовентиляторов) уменьшается значительно меньше, чем (η) винтов с обычными узкими лопастями, хотя индуктивные потери одинаковы.
Авиация: Энциклопедия. - М.: Большая Российская Энциклопедия . Главный редактор Г.П. Свищев . 1994 .
Смотреть что такое "Коэффициент полезного действия воздушного винта" в других словарях:
коэффициент полезного действия воздушного винта Энциклопедия «Авиация»
коэффициент полезного действия воздушного винта - коэффициент полезного действия воздушного винта отношение полезной мощности, затрачиваемой на преодоление сопротивления движению летательного аппарата, к мощности двигателя N: η = PV/N (P тяга винта, V поступательная скорость … Энциклопедия «Авиация»
коэффициент полезного действия винта - к.п.д. винта Безразмерная величина, характеризуемая отношением эффективной мощности воздушного винта к мощности воздушного винта. [ГОСТ 21664 76] Тематики винты воздушные авиационных двигателей Синонимы к.п.д. винта … Справочник технического переводчика
воздушный винт Энциклопедия «Авиация»
воздушный винт - Рис. 1. Схемы воздушных винтов. воздушный винт лопастной движитель для преобразования крутящего момента двигателя в тягу винта. Устанавливается на самолётах, винтокрылах, аэросанях, аппаратах на воздушной подушке, экранопланах и т. д.В. в … Энциклопедия «Авиация»
воздушный винт - Рис. 1. Схемы воздушных винтов. воздушный винт лопастной движитель для преобразования крутящего момента двигателя в тягу винта. Устанавливается на самолётах, винтокрылах, аэросанях, аппаратах на воздушной подушке, экранопланах и т. д.В. в … Энциклопедия «Авиация»
воздушный винт - Рис. 1. Схемы воздушных винтов. воздушный винт лопастной движитель для преобразования крутящего момента двигателя в тягу винта. Устанавливается на самолётах, винтокрылах, аэросанях, аппаратах на воздушной подушке, экранопланах и т. д.В. в … Энциклопедия «Авиация»
- (пропеллер), лопастный движитель, преобразующий мощность (крутящий момент) двигателя в тягу, необходимую для поступательного движения летательных аппаратов, аэросаней, глиссеров, судов на воздушной подушке. Воздушные винты бывают тянущие –… … Энциклопедия техники
авиация Энциклопедия «Авиация»
авиация - Рис. 1. Изменение приведённой «вредной» площади манёвренных истребителей по годам. авиация (франц. aviation, от лат. avis птица) широкое понятие, связанное с полётами в атмосфере аппаратов тяжелее воздуха. А. включает необходимые технические… … Энциклопедия «Авиация»
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 последнее время отмечается определенное блуждание, а иногда и откровенное введение в заблуждение относительно выбора винта на моделях хоббистско-пилотажного профиля, к которым с определенными допущениями можно отнести и тренировочные модели. Причина здесь, кажется, в том, что по традиционно-спортивным направлениям давно выработаны ориентиры и проведены теоретические обоснования оптимального выбора винтов - в скоростных, гоночных, таймерных моделях. Чтобы придти к правильным критериям не сильно углубляясь в дебри классической теории винта предлагается на обсуждение следующий материал.
На первый взгляд теоретика все просто. Берешь внешнюю и дроссельные характеристики мотора и семейство аэродинамических характеристик имеющихся в продаже винтов, по последним строишь семейство графиков потребной мощности в тех же координатах, что и внешние характеристики мотора. Тогда в искомом скоростном режиме находишь пересечение графиков - вот и получил оптимальный винт. В жизни все сложнее. Если при должном трудолюбии внешние характеристики мотора еще можно снять на стенде, то продувочные характеристики модельных винтов - это вряд ли. Модельные фирмы, даже гранды, их тоже не дают. Выход напрашивается такой: за базовые параметры принимаются общепринятые или рекомендуемые изготовителем мотора, а дальше идет их последовательное приближение в нужную конструктору сторону. Для этого надо хотя бы качественно понимать, как те или иные конструктивные параметры влияют на характеристики винта. Об этом и пойдет дальше речь.
Начнем все же с основных положений теории винта, взяв из нее лишь несколько формул:
Тяга винта
Мощность, потребная на вращение винта
Относительная поступь винта
Коэффициент тяги винта
Коэффициент мощности винта
Плотность воздуха
Обороты винта
Диаметр винта
Скорость самолета
Больше формул брать не будем, а то многим станет не интересно.
Аналитически здесь много не насчитаешь, потому что главное, это как ведут себя коэффициенты тяги и мощности винта, а также их отношение, определяющее КПД винта. Эти параметры устанавливаются эмпирически путем снятия продувкой в аэродинамической трубе характеристик конкретных винтов. Поэтому мы рассмотрим их качественное изменение в зависимости от разных параметров. Начнем с КПД. Для типового винта график выглядит так:
Обратите внимание, относительная поступь - величина безразмерная и равна единице при скорости полета 1м/сек, оборотах винта 60 об/мин и его диаметре 1 метр. Теперь надо объяснить, почему график выглядит так. При нулевой поступи КПД равен нулю, потому что винт не совершает никакой работы - самолет стоит на месте. При поступи 1,6 данный винт также не совершает работы, потому что его шаг таков, что лопасти движутся с нулевым углом атаки (т.е. перпендикулярно потоку) и не образуют никакой тяги. Для винтов с другим шагом общий вид графика такой же, но он пропорционально сжат (при меньшем шаге) или растянут (при большем шаге) по оси . При скольжении 20-30% (для данного винта в области =1.1 - 1.4) КПД винта максимален и может достигать значения 0,8. Это наиболее выгодная область с точки зрения использования мощности двигателя. Интересно, что в этой области КПД меняется незначительно, т.е. при понижении скорости в этом диапазоне тяга пропорционально возрастает, что положительно сказывается на устойчивости полета по скорости. При скольжении менее 15 - 20% КПД начинает резко падать, потому что угол атаки лопасти снижается, соответственно падает лопасти винта и снижается его тяга. В диапазоне относительной поступи от 0 до 0,9 КПД винта почти линейно зависит от скорости, что указывает на почти неизменную его тягу!!!. Т.е. вопреки расхожему мнению, тягу правильно подобранного винта в полете можно довольно точно определить по статической тяге с небольшими поправками. Если поточнее посмотреть на эту часть графика, то он несколько выпуклый в левой половине. Это происходит потому, что тяга винта несколько уменьшается при снижении скорости вследствии увеличения нагрузки на винт B (см. формулу, там скорость в знаменателе, да еще и в квадрате). Типовая зависимость при изменении B от нуля до 10 выглядит так:
Падение коэффициента тяги связано с изменением характера потока воздуха перед винтом при снижении скорости. Но нам важна не причина, а то, что правильно подобранный винт в статике дает тягу, меньшую тяги при максимуме КПД, не более чем на 15 %.
Теперь о том, что такое правильно подобранный винт. Вернемся к графику КПД. Если на нем нанести семейство графиков винтов, различающихся только шагом, то они будут напоминать имеющийся, но сжатый, либо растянутый по оси , как это упоминалось выше. Правда максимум КПД при уменьшении шага тоже уменьшается. Значение максимума 0,8 имеет место в случае, если оптимальное скольжение винта попадает на относительную поступь величиною около единицы. Это и есть один из критериев правильно подобранного винта.
Чтобы оценить, где находятся типовые значения возьмем мотор 40-го объема с мощностью 1,3 л.с. при 14000 оборотах в минуту и посчитаем типовой для этого случая винт размера 250 на 150. При пилотажной скорости 90 км/час получаем равным 0,43. При такой поступи максимальный КПД не превысит 0,6. Чтобы получить такой КПД шаг винта при скольжении 20% должен составить около 9 сантиметров, а для реализации располагаемой мощности с таким шагом диаметр винта надо увеличить до 27 - 30 сантиметров. С указанным же выше шагом КПД будет не выше 0,5. Такой низкий КПД получается из-за слишком высоких оборотов двигателя на максимальной мощности.
Посмотрим, как выглядят в свете выше сказанного профессионалы F3A. Подавляющее их большинство летают на OS MAX 140 RX с винтом 16 на 14 дюймов на скоростях 90 - 70 км/час при оборотах мотора около 9000. 14-ти дюймовый винт оптимален при 25% скольжении на скорости около 180 км/час. При 90 км/час его КПД составит 0,65, а при 70 км/час - 0,5. Простой расчет показывает, что в диапазоне скоростей 50 - 100 км/час тяга этого винта вообще от скорости не зависит, а определяется только оборотами мотора. Наверное именно это нравится профессионалам, т.к. с данным винтом в пилотажном диапазоне скоростей существует взаимно однозначная связь между положением ручки газа и тягой мотора. Оптимальный же винт размером 18 на 8 дюймов даст тягу, большую процентов на двадцать при 90 км/час, но она будет зависеть не только от оборотов мотора, но и от скорости самолета. Профи согласны пожертвовать этой добавкой ради лучшей управляемости тягой.
Наихудшее положение у таймерных моделей. Там мотор крутит до 30000 оборотов в минуту, а скорость подъема самолета маленькая. При очень маленьком диаметре винта нагрузка на винт получается жуткой. В контексте сказанного очень правдоподобно звучит замечание Е.Вербицкого, упомянутое в 5 номере МСиХ за 1999 год. Там сказано, что по его расчетам "...обычные воздушные винты F1C диаметром 180 мм на частоте вращения 28000 об/мин обладают эффективностью порядка 40%. Путем снижения оборотов до 7000 с помощью редуктора при одновременном увеличении диаметра воздушного винта можно увеличить КПД винта до 80%". Такие же результаты получились у автора этого материала.
Вот у радиогонок - там как раз наоборот. Там скорости такие, что почти под любые обороты можно рассчитать винт с КПД близким к 0,8. Выше мало внимания уделялось коэффициенту мощности . Это не случайно. Дело в том, что данный параметр важен при расчетах экстремального режима. Если винт рассчитан на максимум тяги при максимуме мощности, то на частичных режимах, о которых говорилось в основном, есть уверенность что мощности двигателя хватит. Причем независимо от внешней характеристики мотора, потому что обороты в формуле потребной мощности стоят в третьей степени . Так быстро мощность не может падать со снижением оборотов даже у двигателей с резонансным выхлопом и скоростными фазами газораспределения. Для пилотажных моделей важнее не экстремальные режимы, а весь диапазон скоростей и нагрузок на винт.
Несколько строк о ширине лопасти. Широко распространено мнение, что уменьшая ширину лопасти винта можно несколько повысить его КПД. Это действительно так, но для скоростных режимов с относительно небольшой нагрузкой на винт. Для винта с узкой лопастью характеристика идет более круто. Настолько, что на большой нагрузке КПД винта с более широкой лопастью получается выше. Вместе с тем, это происходит в области малых абсолютных значений КПД.
Для низких скоростей полета при высокооборотных моторах снижать шаг и увеличивать диаметр винта можно не беспредельно. При угле атаки лопасти, меньшем наивыгоднейшего по поляре данного профиля, тяга единичного элемента снижается быстрее, чем растет ометаемая площадь винта. Т.е. для медленного полета есть минимальный шаг, дальше которого оптимизация винтомоторной установки возможна исключительно через редуктор.
Какие из выше означенных пространных рассуждений можно сделать выводы?
Первый - правильно подобранный винт обеспечит пилотажке примерно постоянную максимальную тягу в широком диапазоне скоростей полета, начиная от старта.
Второй - существующие модельные двигатели из-за скоростной внешней характеристики не позволяют на медленном пилотаже современных тенденций F3A использовать винты с хорошим КПД. Кстати из этого вывода следует широко представленное в статьях МСиХ мнение о важности для пилотажных и тренировочных моделей кубатуры двигателя, а не его мощности, в частности авторами А.Соколовым и Д.Дмитриевым.
Третий - для современного 3D-пилотажа и на самолетах типа фан-флай перспективным можно считать применение мотор-редуктора с резко увеличенным диаметром винта. Только этот путь позволит резко (вдвое) улучшить соотношение тяга/вес мотоустановки. Тогда можно расчитывать на большой запас тяги на вертолетных скоростях и висении. Сейчас на Diamante висят с винтами 310 на 95 мм. Это предел, ниже снижать шаг уже неэффективно.
И последнее - о винтах изменяемого шага. На моделях пилотажного типа их применение нецелесообразно. ВИШ, конечно, позволит на малых скоростях дать прирост тяги за счет более высокого КПД, но этот прирост там не нужен. К тому же этот прирост будет меньше теоретического из-за аэродинамической крутки лопасти. В отличие от вертолетных винтов, у самолетных приличная крутка, оптимальная только на одном шаге. В большой авиации ВИШ получил распространение в основном для обеспечения высокой экономичности мотоустановки, что для моделей роли не играет.
P.S. В материале приведены формулы и графики из монографий Александрова В.Л. "Воздушные винты" и Болонкина А.А. "Теория полета летающих моделей". В расчетах КПД использовалась сетка аэродинамических характеристик английского винта из последней работы.
Преобразующий мощность (крутящий момент) двигателя в тягу, необходимую для поступательного движения летательных аппаратов, аэросаней, глиссеров, судов на воздушной подушке. Воздушные винты бывают тянущие – устанавливаются на самолёте и др. впереди двигателя (по направлению движения) и толкающие – помещаются позади двигателя. Винты могут быть одиночными и сдвоенными соосными, когда два винта расположены один над другим, вал верхнего винта проходит через полый вал нижнего винта и вращаются они в противоположные стороны. По способу крепления лопастей к втулке различают винты: неизменяемого шага, лопасти которых выполнены заодно со втулкой; изменяемого шага – наиболее распространённый тип, лопасти которого в полёте можно поворачивать во втулке вокруг оси на некоторый угол, называемый шагом винта; реверсивные, у которых в полёте лопасти могут быть установлены под отрицательным углом для создания тяги, направленной в противоположную от движения сторону (такой лопастей используется, напр., для эффективного торможения и уменьшения длины пробега самолёта при посадке). Особенность флюгерного воздушного винта – возможность в полёте устанавливать лопасти по воздушному потоку, чтобы при остановке двигателя в полёте не увеличивать лобового сопротивления самолёта от винта. Число лопастей воздушных винтов от 2 до 6 у одиночных и до 12 – у соосных.
Разновидностями воздушных винтов являются несущий винт и рулевой винт , применяемые на вертолётах, винтокрылах, автожирах .
Энциклопедия «Техника». - М.: Росмэн . 2006 .
Лопастной движители для преобразования крутящего момента двигателя в тягу винта. Устанавливается на самолётах, винтокрылах, аэросанях, аппаратах на воздушной подушке, экранопланах и т. д.
В. в. подразделяются; по способу установки лопастей - на винты неизменяемого, фиксированного и изменяемого шага (могут быть флюгерными или флюгерно-реверсивными); по механизму изменения шага - с механическим, электрическим или гидравлическим приводом; по схеме работы - прямой или обратной схемы; по конструкции - на одиночные, соосные, двухрядные, В. в. в кольце.
В. в. состоит из лопастей (см.
Лопасть винта), втулки и может также включать изменения шага винта. В. в. различаются диаметром D (0,5-6,2 м) и числом лопастей k (2-12). Втулка служит для крепления лопастей и передачи крутящего момента от вала двигателя. Механизм изменения шага обеспечивает изменение угла установки лопастей в полёте.
1)
У В. в. неизменяемого шага лопасти не поворачиваются вокруг своих осей.
2)
Лопасти В. в. фиксированного шага могут быть установлены под необходимым углом перед полётом, но во время работы они не поворачиваются.
3)
У В. в. изменяемого шага можно изменять угол установки лопастей с помощью системы ручного управления или автоматически с помощью регулятора частоты вращения. Регулятор поддерживает заданную частоту вращения двигателя, управляя шагом посредством подачи масла через систему каналов в соответствующие полости механизма управления В. в. с гидравлическим приводом.
4)
У флюгерного В. в. лопасти могут устанавливаться по потоку для уменьшения аэродинамического сопротивления при вынужденной остановке двигателя в полёте (см.
Флюгирование винта).
5)
Лопасти флюгерно-реверсивного В. в. могут также устанавливаться в такое положение, когда при его вращении создаётся отрицательная тяга, используемая на посадке для сокращения длины пробега и маневрирования на земле (см.
Реверсирование винта).
Механические и электрические механизмы изменения шага обладают большой инерционностью и поэтому практически не используются. Наиболее распространены В. в. с гидравлическим приводом.
1)
У В. в. с гидравлическим приводом прямой схемы лопасти устанавливаются на малый шаг с помощью усилий, создаваемых давлением масла, а на большой шаг - центробежными силами противовесов. Такие В. в. применяются при мощностях двигателя до 2000 кВт.
2)
При мощностях свыше 2000 кВт значительно возрастает масса противовесов, поэтому используются В. в. обратной схемы, у которых лопасти устанавливаются на большой шаг с помощью усилий, создаваемых давлением масла, а на малый шаг - центробежными силами самих лопастей.
- Одиночный винт имеет один ряд лопастей,
- соосный В. в. состоит из двух одиночных винтов, установленных на соосных валах и вращающихся в противоположные стороны (см.
Соосный винт),
- двухрядный В. в. состоит из двух одиночных винтов, расположенных один за другим и вращающихся в одном направлении.
- в. в. в кольце имеет профилированное кольцо, благодаря которому создастся дополнит тяга; эффективен на малых скоростях (до 200 км/ч).
Для уменьшения аэродинамического сопротивления и потерь мощности на входе в на В. в. устанавливают обтекатели (эллиптические, конические и др.), закрывающие втулку и прикомлевые части лопастей. На В. в. могут размещаться противообледенительные системы.
К В. в. нового поколения относятся В. в. уменьшенного диаметра с большим числом широких тонких саблевидных лопастей, которые необоснованно называются винтовентиляторами.
В начальный период развития авиации В. в. изготовлялись главным образом из древесины, а в последующие годы нашли применение другие (сталь , титан, алюминиевый сплавы, композиционные материалы и др.).
Для оценки качества В. в. и сопоставления их между собой используются в основном безразмерные α и мощность
(β) = N/(ρ)n3D5
(N - , (ρ) - плотность воздуха, n - частота вращения винта)
и коэффициент полезного действия воздушного винта
(η) = (αλ)/(β)((λ) = V/nD - относительная , V - скорость полёта). Характеристики В. в. определяют в лётных испытаниях, из исследований В. в. и их моделей в аэродинамических трубах, а также теоретическим путем. При расчётах различают 2 случая; определение формы, размеров и числа лопастей по заданным значениям (α), (β) и (η) (прямая задача) и определение (α), (β), и (η) по известной геометрии В. в. (обратная задача).
Впервые рассматривать лопасть В. в. как предложил русский инженер С. К. Джевецкий в 1892, он же в 1910 выдвинул гипотезу плоских сечений (каждое сечение лопасти рассматривается как ). Путём разложения подъёмной силы профиля dY и его сопротивления аэродинамического dX определяют тягу dP и силу dQ сопротивления вращению рассматриваемого элемента лопасти, а полные тягу лопасти и силу сопротивления её вращению (отсюда - потребную для вращения В. в. мощность двигателя) получают интегрированием вдоль лопасти. В основном действующие на элемент лопасти силы определяются относительной скоростью W набегающего потока и её геометрическим углом атаки
(α)r = (φ)-arctg(V/(ω)r),
(φ) - угол установки элемента лопасти.
В идеальном случае скорость набегающего потока
W = (ω)Xr + V,
где (ω) - угловая скорость лопасти, r - радиус-вектор рассматриваемого сечения, V - вектор скорости полёта. При своём движении лопасть увлекает за собой , придавая ему дополнительную, индуктивную скорость w. В результате истинная скорость Wн,. обтекания элемента и истинный ((α)н отличаются от идеальных. Вычисление w и (α)н являются основной задачей теории винта.
В 1910-1911 Г. X. Сабинин и Б. Н. Юрьев развили теорию Джевецкого, включив в неё, в частности, некоторые положения теории идеального пропеллера. Расчёты В. в. по полученным ими формулам вполне удовлетворительно согласовывались с экспериментальными результатами. В 1912 Н. Е. предложил вихревую теорию, дающую точное физическое представление о работе винта, и практически все расчёты В. в. стали проводиться на основе этой теории.
Согласно теории Жуковского, винт заменяется системой присоединённых и свободных вихрей. При этом лопасти заменятся вихрями присоединёнными, которые переходят в , идущий вдоль оси винта, а с задней кромка лопасти сходят свободные вихри, образующие в общем случае винтовую вихревую пелену. При допущении, что (ω) связь (ω) с циркуляцией скорости вокруг сечения лопасти. Гипотеза плоских сечений при безотрывном обтекании лопасти была подтверждена экспериментально совпадением распределений давления по сечениям лопасти вращающегося В. в. и крыльев с теми же профилями сечений. Оказалось, однако, что вращение влияет на распространение срыва потока по поверхности лопасти и в особенности на разрежение в области отрыва. Начинающаяся на конце лопасти область отрыва потока подобна вращающейся трубе, разрежение в ней управляется центробежной силой и на внутренней части лопасти намного больше, чем на крыле.
При (λ) 1 отличие истинной (ω) от средней становится заметным, и расчёт В. в. с истинной (ω) становится аналогичным расчёту крыла конечного размаха (см.
Крыла теория). При расчёте тяжело нагруженных В. в. (с большим отношением мощности к сметаемой винтом поверхности) необходимо учитывать деформацию вихрей.
Вследствие того, что к окружной скорости В. в. добавляется поступательная , влияние сжимаемости воздуха сказывается прежде всего на В. в. (приводит к уменьшению коэффициента полезного действия). При дозвуковых окружной скорости конца лопасти, поступательной скорости самолёта и дозвуковой скорости W влияние сжимаемости воздуха на (ω) слабое и сказывается лишь на обтекании лопасти. В случае же дозвуковой скорости летательной и сверхзвуковой скорости W на конце лопасти (когда необходим учёт сжимаемости среды) теория В. в., основанная на схеме присоединённых (несущих) вихрей, становится практически неприменимой, к нужен переход к схеме несущей поверхности. Такой переход необходим и при дозвуковой скорости конца лопасти, если её ширина достаточно велика. Полученные в СССР экспериментальным путём В. в. и поправки, обусловленные сжимаемостью воздуха, широко применялись при выборе диаметров и числа лопастей В. в. и вместе с выбором формы лопастей (в особенности профилей их сечений) дали возможность улучшить лётные характеристики отечественных самолетов, в том числе участвовавших в Великой Отечественной войне.
В течение первого периода освоения больших дозвуковых скоростей основной задачей проектирования В. в. считали создание винтов большого диаметра (до 6 м) с высоким коэффициентом полезного действия (Воздушный винт85%) при максимальной скорости полёта. Характеристики профилей при больших околозвуковых скоростях полота впервые были получены экспериментально на винтах с так называемыми дренированными лопастями, причём один из профилей имел свойства сверхкритического профиля (1949). Для второго периода (с 60-х гг.) характерно дополнительное требование - увеличенная тяга В. в. при взлёте. С этой целью были разработаны лопасти с профилями увеличенной кривизны. Дальнейшее развитие В. в. связывают с разработкой винтов с большим числом широких тонких саблевидных лопастей. С увеличением числа и ширины лопастей большое значение приобретает обтекание их комлевых частей, где существенен эффект решётки профилей. Средством уменьшения волнового сопротивления может быть выбор формы кока. Расчеты и эксперименты показывают, что на скоростях полёта, соответствующих Маха числу полёта M В СССР большой вклад в разработку теории, методов расчёта и проектирование В. в. внесли С. Ш. Бас-Дубов, Б. П. Бляхман, В. П. Ветчинкин, К. И. Жданов, Г. М. Заславский, В. В. Келдыш, А. Н. Кишалов, Г. И. Кузьмин, А. М. Лепилкин, Г. И. Майкапар, И. В. Остославский, Н. Н. Поляков, Д. В. Халезов.
Авиация: Энциклопедия. - М.: Большая Российская Энциклопедия . Главный редактор Г.П. Свищев . 1994 .
воздушный винт Энциклопедия «Авиация»
воздушный винт - Рис. 1. Схемы воздушных винтов. воздушный винт лопастной движитель для преобразования крутящего момента двигателя в тягу винта. Устанавливается на самолётах, винтокрылах, аэросанях, аппаратах на воздушной подушке, экранопланах и т. д.В. в … Энциклопедия «Авиация»
воздушный винт - Рис. 1. Схемы воздушных винтов. воздушный винт лопастной движитель для преобразования крутящего момента двигателя в тягу винта. Устанавливается на самолётах, винтокрылах, аэросанях, аппаратах на воздушной подушке, экранопланах и т. д.В. в … Энциклопедия «Авиация»
воздушный винт - Рис. 1. Схемы воздушных винтов. воздушный винт лопастной движитель для преобразования крутящего момента двигателя в тягу винта. Устанавливается на самолётах, винтокрылах, аэросанях, аппаратах на воздушной подушке, экранопланах и т. д.В. в … Энциклопедия «Авиация»
ВОЗДУШНЫЙ ВИНТ - лопастной движитель, рабочей средой которого является воздух. Воздушный Винт распространенный авиационный движитель. Судовой Воздушный Винт по геометрии лопастей и гидродинамическим характеристикам существенно отличаются от авиационных и… … Морской энциклопедический справочник
Пропеллер, движитель, в котором радиально расположенные профилированные лопасти, вращаясь, отбрасывают воздух и тем самым создают силу тяги. В. в. состоит из втулки, расположенной на валу двигателя, и лопастей, имеющих вдоль размаха… … Большая советская энциклопедия
воздушный винт - orasraigtis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. impeller airscrew; propeller vok. Luftschraube, f; Propeller, m; Saugschraube, f rus. воздушный винт, m; пропеллер, m pranc. aéro propulseur, m; hélice aérienne, f; hélice propulsive, f … Fizikos terminų žodynas