Аэродинамические силы лопасти и винта

<17 18 192021 22 23 >

Аэродинамические силы элемента лопасти. Картина обтекания элемента лопасти пинта аналогична картине обтекания профиля крыла. Вследствие взаимодействия потока с элементом лопасти на ней возникает элементарная аэродинамическая сила (Рис.4.5).

Составляющая силы , направленная вдоль оси вращения винта, есть элементарная сила тяги , возникающая в результате разности давлений на поверхностях лопасти.

Сила тяги элемента совпадает с направлением движения винта.

Составляющая силы , направленная перпендикулярно оси вращения винта, есть элементарная сила сопротивления вращению винта. Эта сила возникает вследствие действия сил трения воздуха в пограничном слое на поверхности лопасти и разности давлений у её передней и задней кромок.

Сила сопротивления элемента лопасти действует в плоскости вращения винта и направлена в сторону, противоположную вращению винта.

Аэродинамические силы винта

а

Рис. 4.6 Аэродинамические силы воздушного винта

Сила тяги винта.Является равнодействующей сил тяг всех элементов лопастей винта:

P= .

Тяга приложена к центру втулки винта и направлена вдоль оси вращения винта (Рис.4.6). Определяется по формуле:

где a - коэффициент тяги винта. Он учитывает форму лопасти в плане, форму профиля, углы атаки лопасти, определяется экспериментально.

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

Основными факторами, влияющими на тягу винта, являются: геометрические параметры винта, скорость полета, высота полета, число оборотов винта.

Зависимость тяги винта от скорости полета. С помощью рисунка 4.4 было показано, что при увеличении скорости полета углы атаки лопастей уменьшаются, поэтому уменьшается коэффициент тяги a. Зависимость силытяги от скорости полета для данной частоты вращения воздушного винта на данной высоте определяется с помощью характеристики воздушного винта для тяги (рис.4.7).

Рис. 4.7 Характеристика воздушного винта по тяге

С помощью данной зависимости можно определить тягу винта для любой скорости и оборотов:

-На V=0 винт создает наибольшую тягу, т.к. =max;

-С увеличением скорости тяга из-за снижения коэффициента уменьшается и на некоторой максимальной скорости становится равной нулю при данной частоте вращения винта.

-Частота вращения винта значительно влияет на тягу – пропорционально n². Однако при дальнейшем увеличении оборотов тяга резко снижается из-за развития волнового кризиса на лопастях.

Влияние высоты полета на тягу винта. Выясняя зависимость тяги от скорости полета, рассматривалась работа винта на неизменной высоте при постоянной плотности воздуха.

Но при полетах на разных высотах плотность воздуха изменяется, что влияет на тягу воздушного винта. Это видно при анализе формулы тяги.

Для других высот тяга воздушного винта определяется по формуле:

,

где Р₀ – сила тяги, определенная для Н=0 при заданной скорости полета и данной частоте вращения винта;

- сила тяги винта на данной высоте;

- относительная плотность, определяется по таблице СА.

Из формулы следует, что чем больше высота полета, тем меньше создаваемая винтом тяга.

Момент сопротивления вращению винта.Кроме тяги, на каждую лопасть действуют силы сопротивления вращениюлопастей Х_л_,полученные суммированием сил сопротивления элементов: Х_л= (рис.4.6).

Силы сопротивления приложены в центре давления лопастей. Они образуют пару сил Х_л, находящихся на плече l друг от друга (рис.4.8).

Рис.4.8 Тормозящий момент воздушного винта

и крутящий момент двигателя

Сила сопротивления вращению лопасти Xл определяется по формуле:

X_л= С_x_{л ,}

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

W - результирующая скорость, м/с;

Sл - площадь лопасти.

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

Силы сопротивления относительно оси вращения винта создаютмомент сопротивления вращению винта (тормозящий момент), который определяется по формуле:

М_т=Х_лr_лк_л,,

где r_л- плечо действия силы Х_л;

к_л- количество лопастей винта

Момент сопротивления направлен в сторону, противоположную вращению винта. Он преодолевает действие крутящего момента двигателя и уравновешивает его (Рис.4.8).

Крутящий момент, создаваемый двигателем, определяется по формуле: