Воздушные винты. Классификация винтов. Аэродинамическая нагрузка винтов. Шаг и поступь винта. Режимы работы винтов. Тяга и мощность винтов

Воздушный винт является агрегатом, предназначенным для создания силы тяги, которая представляет собой реакцию, отбрасываемую винтом воздушного потока, создавая силу тяги, воздушный винт преобразует механическую энергию двигателя, в работу совершаемую при поступательном движении ЛА.

Требования:

1. высокий КПД;

2. автоматическое изменение угла установки лопастей в зависимости от режима полета и работы двигателя;

3. диапазон углов установки лопастей должен обеспечивать min положительную тягу на режиме малого газа. Работу винта флюгирования на режиме отрицательной тяги

4. скорость поворота лопастей при увеличении угла установки должен быть не менее 10 с/c;

5. должны быть автоматические защитные устройства для предотвращения возникновения отрицательной тяги;

6. защита лопастей и обтекателя втулки винта (кока) от обледенения.

Классификация винтов. Угол атаки лопастей винта зависит от скорости полета при не низменном угле установки. Это явление имеет место у винтов фиксированного шага. Основной недостаток таких винтов состоит в том, что на взлете при малой скорости полета они могут быть тяжелыми и не обеспечивается взлетной мощности двигателя. При горизонтальном полете при большой поступательной скорости винт оказывается легким и скорость вращения может возрастать до недопустимо больших значений, при которых не обеспечивается надежность работы двигателя. В прошлом, когда скорости полета были небольшими, применялись эти винты. По мере роста скорости полета стал применяться винты изменяемого шага – ВИШ (диапазон установки 100) с дальнейшим ростом скорость полета, т.е. с увеличением углов j - установки, стали применять винты с автоматическими системами регулирования скорости вращения, путем изменения j от режима полета. Винты с такими системами регулирования называют автоматическими воздушными винтами – АВИШ.

Аэродинамические силы.

Точка приложения результирующей силы находится в центре давления

Аэродинамические силы появляются в результате воздействия воздушного потока на лопасти и распределение по всей поверхности. Такую схему нагружения лопасти можно рассматривать как балку, закрепленную одним концом, и подверженную действию распределенной нагрузки, которая создает изгибающий и крутящий моменты. Центр давления находится впереди плоскости вращения. зависит от углов атаки лопасти и результирующих скоростей набегающего потока. Из-за сравнительно малых плеч а и b величина момента аэродинамических сил невелика. При отрицательных углах атаки лопастей направление меняется так, что крутящие моменты и стремятся повернуть лопасть в сторону уменьшения угла установки.

Шаг и поступь винта. Геометрический шаг винта H – расстояние, на которое передвинулся бы винт вдоль оси вращения за один оборот при ввинчивании в специально сделанную для него гайку = r – расстояние до рассматриваемого сечения. Винт характеризуется , R – радиус винта. Из (1) следует, что шаг винта задан скоростью изменения φ. Воздух (упруг и сжимаем) за один оборот винт перемещается на величину значительно меньшую, чем H – поступь винта , - скорость полета м/с, n – об/с.

При расчете пользуются относительной поступью , - ,безразмерна и называется характеристикой режима или коэффициентом скорости винта.

Режимы работы винтов

При постоянном угле установки угол атаки лопастей находится в зависимости от величины скорости полета. При увеличении скорости полета угол атаки уменьшается. В этом случае говорят—винт «облегчается», так как момент сопротивления вращению винта уменьшается, а следовательно, снижается потребная мощность двигателя. Это вызывает увеличение скорости вращения. При падении скорости полета, наоборот, угол атаки увеличивается и винт «затяжеляется», скорость вращения снижается.

При большом увеличении скорости полета или при малом угле установки угол атаки может стать равным нулю и даже отрицательным. В случае лопасти встречают воздушный поток не рабочей (тыльной) частью, а спинкой (передней частью). При этом тяга и мощность могут стать отрицательными.

Тяга Р и коэффициент тяги считаются положительными, если направление тяги совпадает с направлением движения летательного аппарата, при противоположном направлении — отрицательными. В этом случае винт создает сопротивление.

Мощность винта Т и коэффициент мощности считаются положительными, когда крутящий момент от аэродинамических сил винта противоположен направлению его вращения. Если крутящий момент этих сил поддерживает вращение винта, т. е. сила сопротивления вращению , мощность винта считается отрицательной.

При изменении и в широком диапазоне относительная поступь может изменяться от нуля до бесконечно больших положительных значений (когда ).

Рассмотрим наиболее характерные режимы работы винта.

Режим, при котором поступательная скорость = 0, следовательно, и равны нулю, называется режимом работы винта - на месте (рис. слева). На графике этому режиму соответствует точка а, где коэффициенты тяги и мощности обычно имеют максимальные значения. Угол атаки лопастей а при работе винта на месте примерно равен углу установки . Так как , 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. справа). Он является основным и наиболее важным режимом работы, который используется при рулении, взлете, наборе высоты, горизонтальном полете самолета, а частично — на планировании и посадке. На графике этому режиму полета соответствует участок аб, исключая точки а и б. По мере увеличения относительной поступи уменьшаются значения коэффициентов тяги и мощности. Коэффициент полезного действия винта при этом сначала возрастает, достигая максимума в точке б, а затем быстро падает. Точка б характеризует оптимальный режим работы винта для данного значения угла установки лопастей. Таким образом, пропеллерному режиму работы винта соответствуют положительные значения коэффициентов , , .

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. Режиму нулевой тяги на графике соответствует точка в. Здесь коэффициент тяги и к.п.д. винта равны нулю. Коэффициент мощности имеет некоторое положительное значение. Это означает, что для преодоления момента сопротивления вращению винта на этом режиме требуется мощность двигателя.

Режим нулевой тяги может иметь место при планировании самолета. Угол атаки лопастей при этом, как правило, несколько меньше нуля.

Режим работы винта, когда создается отрицательная тяга (сопротивление) при положительной мощности на валу двигателя, принято называть режимом торможения, или тормозным режимом винта. На этом режиме угол притекания струй больше угла установки , т. е. угол атаки лопастей — величина отрицательная. В данном случае воздушный поток оказывает давление на спинку лопасти, чем и создает отрицательную тягу. На графике этому режиму работы винта соответствует участок, заключенный между точками б и г, на котором коэффициенты и имеют отрицательные значения, а значения коэффициента изменяются от некоторого положительного значения до нуля. Мощность двигателя, как и в предыдущем случае, требуется для преодоления момента сопротивления вращению винта.

Отрицательная тяга винта используется для сокращения длины послепосадочного пробега. Для этого лопасти специально переводят на минимальный угол установки , при котором во время пробега самолета угол атаки 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. Двигатель при этом развивает мощность, необходимую лишь для преодоления внутренних сил и моментов трения, образующихся при вращении винта. На графике 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. На этом режиме винт не только не потребляет мощности двигателя, а сам вращает вал двигателя за счет энергии набегающего потока. На графике этому режиму соответствует участок правее точки г. Режим ветряка применяют для запуска остановившегося двигателя в полете. В этом случае вал двигателя раскручивается до необходимой для запуска скорости вращения, не требуя специальных пусковых устройств.

Торможение самолета при пробеге также начинается на режиме ветряка и проходит последовательно стадии авторотации и торможения до режима нулевой тяги.