Что называют шагом винта физика

Шаг винта

Шаг винта — одна из основных технических характеристик воздушного или гребного винта, зависящая от угла атаки его лопастей при их круговом движении в газовой или жидкостной среде.

Шаг винта — расстояние, пройденное поступательно винтом, ввинчивающимся в твердую среду, за один полный оборот (360°). Находится в тангенциальной зависимости от угла наклона лопастей относительно плоскости, перпендикулярной оси винта. Измеряется в единицах расстояния за один оборот. Чем больше шаг винта, тем больший объём газа или жидкости захватывают лопасти, однако, вследствие увеличения противодействия, тем больше нагрузка на двигатель и меньше скорость вращения винта (обороты). Конструкция современных воздушных и гребных винтов предусматривает способность изменения наклона лопастей без остановки агрегата.

Содержание

Воздушный винт (пропеллер)

В самолёте с винтовым движителем управление шагом винта осуществляется экипажем. Для самолёта шаг винта функционально является аналогом коробки передач в автомобиле. Увеличение шага приводит к увеличению тяги винта, уменьшение шага винта уменьшает тягу. Однако, при маленькой скорости движения и большом шаге винта (близком к 85° относительно плоскости винта) на лопастях будет формироваться срыв потока, и скорость движения будет увеличиваться очень медленно, так как лопасти будут просто перемешивать воздух, создавая очень маленькую тягу. Напротив, в случае маленького шага (5° — 10°) и высокой скорости полёта лопасти будут захватывать малый объём воздуха, скорость воздушного потока, создаваемого винтом, будет приближаться к скорости движения набегающего воздуха, остатки которого будут врезаться в винт и тормозить полёт. В некоторых случаях лопасти просто не выдержат перегрузок и разрушатся.

В связи с этим, пилотам (в особенности, времён Второй мировой войны) приходилось постоянно следить за скоростью, шагом винта и оборотами двигателя. Умело манипулируя оборотами и шагом винта, в зависимости от скорости полёта, можно было добиться меньших оборотов двигателя при высокой скорости, причём скорость не падала, а даже увеличивалась. Чтобы снизить расход топлива, а также не утруждать двигатель сильнейшими нагрузками, приходилось искать золотую середину.

На относительно современных турбовинтовых двигателях самолётов и вертолётов установлена автоматика, поддерживающая частоту вращения воздушного винта постоянной, за счёт непрерывной корректировки угла установки лопастей винта, а значит, и нагрузки на двигатель. Изменение мощности двигателя в сторону уменьшения или увеличения путем изменения подачи количества топлива приводит к автоматическому соответствующему изменению шага при сохранении неизменной частоты вращения. Говорят, что винт с большим шагом загружен, а с малым шагом — облегчён.

При аварийной остановке двигателя в полёте для снижения лобового сопротивления устанавливают максимальный угол наклона лопастей, равный 90° (параллельно оси винта). Значение шага винта в этом случае теряет смысл и становится условно равно ∞. Такой винт называется зафлюгированным.

На некоторых самолётах реализована система реверса тяги с помощью изменения шага винта, когда при приземлении во время пробега устанавливают отрицательный угол наклона лопастей, таким образом, вектор тяги винта меняет направление на обратное. Впрочем, сопротивление потоку незафлюгированного воздушного винта настолько велико, что на многих турбовинтовых самолётах для эффективного торможения в полёте или при пробеге на посадке вполне достаточно установить малый шаг винта (облегчить винт) простым переводом рычага управления тягой двигателя на минимальную тягу.

Несущий винт вертолета

Ветрогенератор

Управление шагом винта в промышленных ветряных турбинах позволяет достичь большей эффективности генератора.

Источник

Гребной винт и его основные характеристики. Определение шага винта.

Любой современный гребной винт — лопастной, и состоит из ступицы и лопастей, установленных на ступице радиально, на одинаковом расстоянии друг от друга и повёрнутых на одинаковый угол относительно плоскости вращения, и представляющих собой крылья среднего или малого удлинения.

Гребной винт насаживается на гребной вал, приводимый во вращение судовым двигателем. При вращении гребного винта каждая лопасть захватывает массу воды и отбрасывает её назад, сообщая ей заданный момент импульса, — сила реакции этой отбрасываемой воды передаёт импульс лопастям винта, лопасти, в свою очередь, — гребному валу посредством ступицы, и гребной вал, далее, — корпусу судна посредством главного упорного подшипника.

Двухлопастной гребной винт обладает более высоким КПД, чем трёхлопастной, однако при большом дисковом отношении весьма трудно обеспечить достаточную прочность лопастей двухлопастного винта. Поэтому наиболее распространены на малых судах трёхлопастные винты (двухлопастные винты применяют на гоночных судах, где винт оказывается слабо нагруженным, и на парусно-моторных яхтах, где гребной винт — вспомогательный движитель). Четырёх- и пятилопастные винты применяют сравнительно редко, — в основном на крупных моторных яхтах и крупных океанских судах для уменьшения шума и вибрации корпуса.

Диаметр винта — диаметр окружности, описываемой концами лопастей при вращении винта — современных винтов колеблется от десятков сантиметров до 5 метров (такие крупные винты характерны для крупных океанских судов).

Интерцептор — загнутая исходящая кромка — на гребных винтах способствует увеличению способности винта к захвату воды (особенно это важно на лодках с высоко установленным мотором и большими углами ходового дифферента). Интерцептор также обеспечивает дополнительный подъём носа катера в случае установки на линиях угла наклона лопасти. Применение интерцептора на исходящей и внешней кромках лопасти увеличивает шаг. Применение стандартного интерцептора обычно выражается в снижении оборотов на 200—400 об./мин. (это означает, что в случае замены обычного винта на винт с интерцептором потребуется снижение шага на 1-2 дюйма).

Скорость вращения гребного винта выгодно выбирать в пределах 200—300 об/мин или ниже — на крупных судах. Кроме того, при низкой скорости вращения существенно ниже механический износ нагруженных деталей двигателя, что весьма существенно при их больших габаритах и высокой стоимости.

Гребной винт лучше всего работает, когда его ось вращения расположена горизонтально. У винта, установленного с наклоном, и в связи с этим — обтекаемого «косым» потоком, коэффициент полезного действия всегда будет ниже, — это падение КПД сказывается при угле наклона гребного вала к горизонту большем чем 10°.

Ось гребного винта на глиссерах расположена сравнительно близко к поверхности воды, поэтому нередки случаи засасывания воздуха к лопастям винта (поверхностная аэрация) или оголения всего винта при ходе на волне. В этих случаях упор винта резко падает, а частота вращения двигателя может превысить допустимый максимум. Для уменьшения влияния аэрации шаг винта делается переменным по радиусу — начиная от сечения лопасти на r = (0,63—0,7) R по направлению к ступице шаг уменьшается на 15

Для передачи большой мощности часто применяют двух- и трехвальные установки, а некоторые большие корабли (например авианосцы, супертанкеры, атомные ледоколы) оснащаются четырьмя симметрично расположенными гребными винтами.

Гребные винты морских ледоколов арктического класса всегда имеют повышенную прочность, так как их вторая функция — дробление льда при движении ледокола задним ходом.

Гребные винты различаются по:

Шагу — расстоянию, которое проходит винт за один оборот без учёта скольжения;

Диаметру — окружности, описываемой наиболее удалёнными от центра концами лопастей;

Дисковому отношению — отношению суммарной площади лопастей к площади круга с радиусом равным радиусу винта;
количеству лопастей — от 2 до 7 (изредка больше, но наиболее часто 3—4 лопасти);

Конструкционному материалу — углеродистая или легированная (напр. нержавеющая) сталь, алюминиевые сплавы, пластики, бронзы, титановые сплавы;

Конструкции ступицы (резиновый демпфер, сменная втулка, сменные лопасти;

Прохождению выхлопа — выхлоп через ступицу или под антикавитационной плитой;

Количеству шлицов втулки.

Преимущества и недостатки

Работает как движитель только при непрерывной или возрастающей скорости вращения, в остальных случаях — как активный тормоз.

КПД винта

30-50 % (теоретически максимально достижимый — 75 %). «Идеальный» винт невозможно сделать из-за постоянного изменения условий его работы — условий рабочей среды.

Гребной винт все же проигрывает веслу (КПД

В сравнении с гребным колесом у гребного винта выше КПД и гребной винт очень компактен и легок. Но поврежденное гребное колесо может быть легко отремонтировано, гребные винты же чаще всего неремонтопригодны, и повреждённый гребной винт заменяют новым. Также, гребной винт наиболее уязвимый в сравнению с другими судовыми движителями и наиболее опасный для морской фауны и упавших за борт людей. Вместе с тем, гребные колеса обеспечивают бо́льшую тягу с места (что удобно для буксиров, а также позволяло им иметь меньшую осадку). Однако при волнении они очень быстро оголяются (колесо одного борта вхолостую вертится в воздухе, тогда как колесо противоположного полностью погружается под воду, до предела нагружая ведущую тяговую машину), что делает их практически непригодными для мореходных кораблей (вплоть до конца третьей четверти XIX веке их использовали по большому счёту лишь ввиду отсутствия альтернативы, а также вспомогательной роли парового двигателя на парусно-паровых кораблях тех лет).

Особенно преимущества винтового движителя перед колесным несомненны для военных кораблей — снималась проблема расположения артиллерии: батарея вновь могла занимать все пространство борта. Также исчезала и очень уязвимая цель для неприятельского огня, — гребной винт находится под водой.

Определение шага винта.

Источник

Простые механизмы: Винт

Начнем с определения винта.

Винт в физике – это простая машина, которая по способу действия сходна с клином. На винте и навинчивающейся на него гайке есть винтовая резьба. Когда винт вращается, гайка перемещается по этой резьбе.

Схематическое представление винта

Для наглядного представления одного витка резьбы винта можно использовать прямоугольный треугольник, который навивается на цилиндр. Его сторона А В (катет) будет соответствовать так называемому шагу винта – тому расстоянию, на которое смещается гайка при одном полном обороте, а сторона В С – длине окружности основания цилиндра, на который наносится винтовая резьба. Гипотенузе А С будет соответствовать край одного оборота резьбы. Край другого оборота резьбы гайки А ‘ С ‘ будет примыкать к ней.

Спектр применения винтов очень широк. Прежде всего, это всевозможные приспособления для крепления или сдавливания (шурупы, болты и т.д.). Используя винт для пресса, мы можем создать большую внешнюю силу давления, приложив сравнительно небольшое внешнее усилие.

Задачи на применение представлений о винтах

Условие: мини-компьютер имеет системный блок, состоящий из основания и крышки. Обе детали изготовлены из специального пластика. Крышка к основанию крепится при помощи винтов-саморезов. По всему периметру основания есть выступы с отверстиями, в которые и вкручиваются винты для компьютера при сборке. В процессе вкручивания винт нарезает резьбу внутри отверстия, совершая пластическую деформацию материала. Так обеспечивается довольно надежное крепление, однако для ремонта внутренней части компьютера системный блок приходится постоянно разбирать, и, следовательно, многократно выкручивать винты и потом ставить их на место. Из-за этого внутренняя резьба разрушается, и прочность крепления снижается, что, в свою очередь, негативно сказывается на функционировании компьютера. Как предотвратить эту проблему и снизить скорость разрушения резьбы?

Ответ: для профилактики необходимо нагреть саморез перед вкручиванием до такой температуры, чтобы пластик немного размягчился (но не расплавился), после чего поставить винты на нужное место. Механическое поле способствует быстрому формированию резьбы, а тепловое размягчает материал, после чего он упрочняется опять.

Источник

Как вычислить шаг воздушного винта

Чтобы обеспечить поступательное движение модели самолета, необходимо приложить к ней силу тяги. Ее создает воздушный винт, приводимый во вращение авиамодельным двигателем. Лопасти винта, вращаясь, отбрасывают поток воздуха назад — в сторону, противоположную направлению полета. Чем больше масса и скорость воздушного потока, отбрасываемого винтом, тем больше сила тяги винта.

Воздушные винты имеют различные геометрические характеристики. Важнейшими из них являются диаметр и шаг винта.

Диаметр винта D_B — это диаметр окружности, описываемой при вращении концами лопастей.

Теоретический шаг винта Н — это расстояние, проходимое элементом лопасти в направлении полета за 1 оборот винта, движущегося поступательно с определенной скоростью; при этом предполагается, что винт вращается в неподатливой (твердой) среде (см.рис). Но так как винт вращается в воздухе, частицы которого проскальзывают на поверхности винта, та за 1 оборот он проходит меньшее расстояние. Фактически пройденное расстояние называется действительным шагом или поступью винта, а разница между теоретическим (расчетным) шагом и действительным — скольжением. Действительный шаг винта можно вычислить по формуле H=v/n,

где v — скорость модели, м/с;

Для сравнения различных винтов введено понятие относительного шага: h=H/D_B у кордовых пилотажных моделей относительный шаг воздушных винтов равен (0,4—0,6) D_B. Для получения полной мощности двигателя модели нужно правильно подобрать размеры винта — диаметр, шаг, ширину лопасти.

Рассмотрим упрощенный способ расчета воздушного винта для кордовой тренировочной модели с двигателем МАРЗ-2,5: скорость полета 80 км/ч (22 м/с), частота вращения винта 10 000 об/мин (166 с-1).

Более детально ознакомиться со способами расчета воздушного винта можно в замечательной книге Жидкова Станислава «Секреты высоких скоростей кордовых моделей самолетов» начиная с 113 страницы

Если вам нужны простые советы и рекомендации по выбору воздушного винта для своей модели, смотрите тут.

Воздушный винт дополнительные сведения.

Рис. 1. Геометрические характеристики воздушного винта

Основные геометрические характеристики винта — его диаметр D и шаг — Н.

Если предположить, что винт вращается в плотной неупругой среде и вокруг оси винта описать цилиндр произвольного радиуса — r, то сечение лопасти, лежащее на поверхности этого цилиндра будет двигаться по винтовой линии (рис. 1) с углом подъема (углом установки) —ϕ. В развертке винтовая линия изобразится диагональю — ОВ, а сторона АВ характеризует перемещение сечения лопасти за один оборот, то есть шаг винта Н. Его можно выразить формулой:

Зная угол установки каждого сечения лопасти и радиус — r, можно найти соответствующий шаг. Если все сечения лопасти винта имеют одинаковую величину Н, то такие винты называются винтами постоянного шага; у винтов переменного шага в различных сечениях лопасти значения Н различны. Изменение шага по длине лопасти зависит от конструкции и формы винта. Обычно шаг винта к концу лопасти уменьшают.

Относительный шаг — это отношение шага к диаметру

Поскольку лопасть винта движется в упругой среде — воздухе, то за один оборот винт проходит расстояние меньше теоретического шага, именуемое поступью винта — Н_а (рис. 1).

Разность между шагом винта и его поступью называется скольжением — S = H—Н_а (рис. 1). Скольжение обычно дается в процентах. Для таймерных моделей с компрессионными силовыми установками оно составляет 20—40% от Н.

Из сказанного следует, что лопасть фактически движется по линии ОС, а это значит, что она имеет угол атаки α=ϕ-ß. Из рис. 1 хорошо видно, что угол атаки тем больше, чем больше скольжение S.

В расчетах часто пользуются понятием относительной поступи винта, определяемой как отношение поступи Н_а к диаметру D.

Легко показать, что

где ns — число оборотов пинта в секунду,

D — диаметр винта,

V — скорость полета модели.

Тяга, развиваемая винтом, подсчитывается по формуле: P=αρD 4 n_s 2 кг, где α— коэффициент тяги винта, который зависит от формы лопасти, h и λ; ρ — плотность воздуха.

А вот формула для мощности, необходимой для вращения винта:

где ß— коэффициент мощности винта, зависящий от тех же параметров, что и α. Коэффициентом полезного действия винта называется отношение полезной мощности, равной Р*V, к мощности, необходимой для его вращения.

Из соотношения — получим выражение для определения коэффициента полезного действия:

Основные параметры, характеризующие работу винта, узнаем опытным путем. Проверяя винт при различных значениях λ, можно вычислить коэффициенты α и ß. Их наносят на диаграмму, называемую характеристикой винта. Исследования производятся для винтов, имеющих одинаковую форму лопастей, диаметр и профили сечений, но разный относительный шаг. Получаются характеристики серии винтов, сходных по своим формам, но имеющих различные шаги. Характеристику строят в виде группы кривых ß по λ при различных h (рис. 2).

Рис. 2. Диаграмма-характеристика серии воздушных винтов.

Зная (мощность двигателя и соответствующее ей число оборотов, а также задавшись скоростью полета модели, можно найти необходимый шаг и диаметр винта.

Пусть N = 0,25 л. с. при n_s = 167 об/сек ( 10000 об/мин), а V = 11 м/сек (около 40 (км/час). Имеется в виду таймерная модель с серийным компрессионным двигателем, скорость которой на траектории редко превышает 10—12 м/сек при диаметре винта 220—240 мм. Из формулы для определения мощности двигателя находим величину потребного ß и λ;

Если ρ=1,8, а D=0,24 м, то подставляя данные в формулы, найдем λ и ß.

На рис. 3, откладывая по осям координат значения ß и λ, находим точку А и читаем относительный шаг h и к. п. д.—η.

Рис. 3. Вычерчивание шаблонов винта.

В нашем примере h=0,6, а η = 0,54. Тогда шаг винта будет Н = h * D = 0,6* 0,24 = 0,144 м. Для винта вычерчивают шаблоны: сначала лопасть «вид сверху», на котором размечают пять сечений (рис. 3). Таким образом узнаем верхний шаблон. Параллельно оси лопасти проводят прямую АВ, перпендикулярно к ней откладывают отрезок

После этого сечения лопасти переносят на линию АВ, полученные точки соединяют с вершиной О. Эти линии дают нам углы установки сечений. Затем ширину лопасти в первом сечении (на рис. 4—12 мм) переносят на горизонтальную прямую. Из точки С восстанавливают перпендикуляр и в пересечении с наклонной линией получают точку С’. Отрезок СС’ и есть высота бокового шаблона в сечении № 1. Дальнейшее построение видно из рисунка. Полученные точки соединяют плавной линией и получают боковой шаблон лопасти.

Значительное влияние на работу винта оказывает форма лопасти в поперечном сечении (профиль). Наибольшего значения тяга достигает при расположении максимальной толщины профиля на 30% от передней кромки.

На характеристику винта влияет и форма лопасти в плане. От взаимного расположения оси продольной жесткости лопасти и точки приложения полной аэродинамической силы образуется момент, который скручивает лопасть, увеличивая или уменьшая шаг.

На рис. 4 показаны шаблоны нескольких различных винтов.

Источник

Кинематические характеристики ВВ.

Геометрический шаг винта (H) — расстояние, проходимое ВВ за один оборот в твердой среде.

Относительная поступь (λ)

Рис. 11.4. Кинематические характеристики ВВ.

Аэродинамические силы ВВ. (Рис. 11.5.) Лопасть винта находится под воздействием:

— окружной скорости U;

— поступательной скорости V;

— результирующей скорости W;

Эти скорости образуют треугольник скоростей со следующими углами: угол, заключенный между результирующей скоростью W и хордой элемента лопасти называется углом атаки α;

Рис.11.5. Аэродинамические силы элемента лопасти.

— угол заключенный между плоскостью вращения (окружной скоростью и) и хордой элемента лопасти называется углом установки лопасти φ. При обтекании лопасти воздушным потоком на каждом элементе лопасти возникает полная аэродинамическая сила элемента лопасти ΔR.

При разложении этой силы ΔR на составляющие получаем:

Сумма элементарных сил тяги составляет силу тяги винта и определяется по формуле:

где: α- коэффициент тяги, учитывающий форму профиля лопасти, относительной поступи и т.д.

Сумма элементарных сил сопротивления винта составляют силу сопротивления вращению лопасти винта (X).

Сила сопротивления на плече r создает момент реактивный М_реакт винта (рис.11.6).

Рис.11.6. Аэродинамические силы и моменты ВВ.

Тяга ВВ. Влияние скорости полета, частоты вращения, высоты полета, угла установки лопасти φ на силу тяги ВВ.

Скольжение и поступь характеризует способность создавать тягу ВВ. На скорости равной нулю скольжение максимально и тяга ВВ максимальна. С увеличением скорости полета скольжения уменьшается и уменьшается тяга ВВ.

Влияние частоты вращения ВВ на тягу винта видно из формулы (11.6.), где тяга пропорциональна квадрату частоты вращения винта, но это справедливо только до того, как скорость обтекания лопасти достигнет местной скорости звука (Рис.11.10.).

Рис. 11.7. График зависимости тяги ВВ от скорости полёта.

Если самолет летит с постоянной скоростью, а частота вращения винта увеличивается то скольжение увеличивается, углы атаки растут, растёт и тяга (рис.11.8.).

Рис. 11.9. График зависимости силы тяги ВВ от высоты полета.

Рис. 11.8. Изменение угла атаки в зависимости от увеличения n_секВВ.

Рис. 11.10. График зависимости Р от частоты вращения ВВ.

Полезная мощность ВВ.

Полезной мощностью (тяговой мощностью) называется работа силы тяги за одну секунду.

Из формулы (11.9.) видно, что при V=0, полезная мощность (тяговая мощность) равна нулю N=0, при определенной скорости называемой расчетной, произведение PV максимальное, при дальнейшем увеличении скорости полета, тяга падает до нуля и на этой скорости полезная мощность равна нулю.

При постоянной скорости полёта и увеличении частоты вращения ВВ увеличивается тяга (Рис.1.8) и полезная мощность воздушного винта, при уменьшении частоты вращения ВВ тяга и полезная мощность уменьшается.

Рис.11.11. График зависимости полезной мощности от скорости полёта.

Мощность, потребная на вращение винта. Мощность, необходимая для преодоления работы сил сопротивления вращению винта за единицу времени называется мощностью, потребной на вращение винта.

Для данного винта мощность потребная на вращение N_п.в. зависит от:

— частоты вращения ВВ;

С увеличением скорости полета, угол атаки лопастей уменьшается, поэтому сопротивление Х_в и потребная мощность N_Н.B. также уменьшается. С увеличением частоты вращения ВВ, при постоянной скорости полёта, окружная скорость увеличивается, увеличиваются и углы атаки лопастей, поэтому увеличиваются сопротивление винта и мощность потребная на вращение винта. С увеличением высоты полета плотность воздуха уменьшается, а следовательно уменьшается сопротивление и потребная мощность.

Мощность, которая снимается с носка вала называется эффективной мощность N_e. Для того, чтобы при определенной V и Н двигатель поддерживал постоянную частоту вращения необходимо, чтобы эффективная мощность двигателя была равна мощности, потребной на вращение винта.

Коэффициентом полезного действия ВВ. Коэффициентом полезного действия (КПД) винта называется отношение полезной мощности (тяговой мощности) винта к эффективной мощности двигателя

Максимальный КПД современных винтов равен 0,8÷0,9.

На КПД ВВ влияют пpoфиль и форма лoпacти в плане. Больший КПД имеют тонкие симметричные профили с симметричной формой лопасти в плане т.к. у таких лопастей профильное и индуктивное сопротивление меньше, чем у толстых профилей. На КПД ВВ также влияют скорость, высота полета и частота вращения ВВ. При изменении скорости, высоты полета и частоты вращения ВВ, но при постоянной эффективной мощности двигателя, КПД винта меняется также как и полезная мощность винта (из Рис.10.11) При увеличении скорости полета от 0 до расчетной скорости КПД (рис.11.12) растет за счет увеличения относительной поступи λ, при увеличении скорости выше V расчетной, КПД падает в результате возрастания волновых потерь на концах лопасти и падения силы тяги. Увеличение КПД на больших скоростях полёта можно добиться увеличением М_крит лопасти и уменьшением частоты вращения ВВ. М_крит лопасти увеличивается за счет уменьшения относительной толщины профиля лопасти, для чего делают широкие, прямоугольные концы лопастей. Возможно придание лопасти саблевидной формы в плане. В этом случае лопасть работает аналогично стреловидному крылу.

Для уменьшения скорости обтекания лопасти уменьшают частоту вращения ВВ, чем добиваются уменьшения волнового сопротивления. Для этой цели применяются редукторы, которые уменьшают частоту вращения винта, не меняя частоту вращения двигателя. Для предотвращения падения тяги с увеличением скорости полёта применяют винты изменяемого шага о которых речь пойдёт в дальнейшем.

Работа винта фиксированного шага (ВФШ) на различных режимах.

При постоянной частоте вращения винта мощность двигателя N_e равна мощности потребной на вращение винта N_Н.B.. При увеличении скорости полёта N_e и N_Н.B. меняются. Эффективная мощность поршневых двигателей с увеличением скорости полета немного увеличивается, (Рис.11.13) а мощность потребная на вращение винта с увеличением скорости, уменьшается т.к. уменьшаются силы сопротивления вращению винта (уменьшается угол атаки а винта и, следовательно, индуктивное сопротивление.)

Рис. 11.12. График зависимости КПД винта фиксированного шага от V и n сек.

Мощность потребная для вращения винта с поднятием на высоту уменьшается пропорционально массовой плотности воздуха. При анализе двух графиков (рис.11.14.) видно, что винт и двигатель соответствуют друг другу на одной расчетной высоте Н_расч. На меньших и больших высотах винт оказывается «тяжелым».

Для анализа совместной работы винта и двигателя совместим графики (11.13) N_e=f(V) и N_Н.В.=f(V). Из графика (рис.10.13.) видно, что только на расчетной скорости V_расч винт фиксированного шага и двигатель соответствуют друг другу, т.е. N_e =N_Н.В.

При уменьшении скорости полета винт требует большую мощность для вращения, чем ему может дать двигатель. Это приводит к уменьшению частоты вращения винта. Такой винт называется «тяжелым». На скорости большей V_расч винт требует меньшей мощности, чем развивает двигатель, поэтому идет увеличение частоты вращения, т.е. винт становится «легким».

При увеличении высоты полета эффективная мощность до расчетной высоты увеличивается, а затем уменьшается. На самолете Ан-2 расчетная высота 1500м мощность у земли номинальная 606,8 кВт (820л.с.) на расчетной высоте 621,6 кВт (840 л.с.)

Таким образом, видно, что ВФШ обеспечивает равенство N_e и N_Н.В. только на одной высоте и скорости т.е. на одном расчетном режиме полета. Применение такого винта на современных самолетах нецелесообразно. Устраняется этот недостаток применением винтов изменяемого шага (ВИШ).

Рис. 11.13. К объяснению совместной работы ВФШ и двигателя.

Рис. 11.14. График зависимости N потребного для вращения винта от высоты полёта.

Рис. 11.15. Рабочие характеристики ВФШ.

Винты фиксированного шага (ВФШ) имеют несколько характерных режимов работы (рис.11.15.) К ним относятся:

— режим максимальной тяги (точка 1) Скорость ровна нулю, угол атаки равен углу установки, тяга максимальна;

— режим нулевой тяги (точка 3). Небольшой отрицательный угол атаки, тяга отрицательна, вся мощность идет на преодоление тормозящего момента;

По принципу перевода лопастей на новый установочный угол φ винты делятся на прямую, обратную и двойную схемы.

Рис. 11.16. Схемы перевода угла установки φ лопастей.

Применение ВИШ уменьшает длину разбега (l) и увеличивает вертикальную скорость набора (V_y) высоты, увеличивает потолок самолета, увеличивает платную загрузку на 15%, увеличивает дальность и продолжительность полета на 20%.

Работа и управление винтом изменяемого шага (ВИШ) на различных режимах полета.

— На взлете устанавливается малый шаг для того, чтобы винт не был тяжелым и двигатель мог развить частоту вращения винта соответствующему взлётному режиму.

— На разбеге по мере роста скорости и уменьшения угла атаки РПО переводит угол установки на увеличение угла установки φ, в результате этого увеличивается угол атаки лопастей и, следовательно, увеличивается потребная мощность на вращение винта, при этом угол атаки α будет несколько меньше исходного.

— Набор высоты. В этом случае устанавливается наивыгоднейшая скорость, а затем наивыгоднейшая частота вращения винта для получения наибольшей мощности. До расчетной высоты эффективная мощность N_l увеличивается, а мощность потребная для вращения винтаN_a.B уменьшается, но частота вращения винта остается постоянной т.к. РПО переводят лопасти большие углы атаки.

— Горизонтальный полет. РПО сохраняет частоту вращения винта n_сек постоянной.

— Расчетные высота и скорость. РПО устанавливает лопасти на большой шаг и при максимальном установочном угле φ ВИШ работает как ВФШ.

— Заход на посадку. Устанавливается малый шаг для улучшения условий ухода на второй круг.

Во избежание детонации двигателя требуется соблюдать следующее правило управлением силовой установкой:

— При увеличении мощности двигателя, установить обороты, затем наддув.

— При уменьшении мощности двигателя уменьшить наддув и установить обороты.

Сопротивление винта при отказе двигателя.

При отказе двигателя на самолете Ан-2 сопротивление винта увеличивается. Если винт переходит на авторотацию, то частота вращения винта падает, что приводит к возникновению отрицательных углов атаки на лопастях винта, что может привести к отрицательной тяге. Сопротивление винта снижает качество самолета. Величина сопротивления зависит от:

— угла установки лопастей;

— авторотирует или остановлен винт;

При снижении на средних скоростях авторотирующий винт имеет меньшее сопротивление, чем остановленный.

При снижении на малых скоростях (на посадке) авторотирующий винт имеет большее сопротивление.

-Сопротивление винта остановленного на малом шаге, больше чем у винта на большом шаге на 40-50%.

-Для достижения большой дальности при отказе двигателя лопасти винта должны быть установлены на большой шаг.

Скорость планирования наивыгоднейшая V=160 км/час. Скорость планирования экономическая V=140км/ч.

Влияние работы винта на аэродинамические характеристики самолёта. Наибольшее влияние на улучшение аэродинамических характеристик самолёта оказывает двигатель на максимальном режиме работы и на большом угле атаки крыла.

В условиях когда на углах атаки выше наивыгоднейшего винт работает в условиях косой обдувки сила тяги винта делится на две составляющие одну из которых P_q расходуется на преодоление сопротивления самолета, а другая Р_у действует по направлению подъемной силы, увеличивая ее.

При работе винта аэродинамические силы самолета увеличиваются за счет увеличения местной скорости обтекания частей самолета на величину скорости струи отбрасываемой винтом. Качество самолета при этом практически не меняется т.к.лобовое сопротивление и подъёмная сила меняются пропорционально квадрату скорости набегающего потока. Меняется аэродинамические характеристики самолета за счет увеличения подъемной силы крыла на величину составляющей Р_у.

— коэффициент С_у резко увеличивается с увеличением углов атаки;

— чем больше режим работы двигателя, тем большее влияние оказывает на прирост С_у составляющая тяги двигателя Р_у;

— увеличение С_х происходит значительно меньше чем С_у.

Рис. 11.17. Влияние косой обдувки винта на подъёмную силу крыла.

Улучшение аэродинамических свойств самолета Ан-2 за счет работы силовой установки позволило уменьшить скорость отрыва, длину разбега и взлетную дистанцию.

Особенности устройства ВИШ самолетов с ТВД Винты самолетов с ТВД должны иметь следующее дополнительные устройства:

— автоматическое управление поворотом лопастей;

— широкий диапазон углов установки лопастей;

— автоматическую установку ВВ во флюгер при отказе двигателя;

— иметь реверс винта при посадке;

— иметь минимальный установочный угол лопастей при запуске с целью уменьшения крутящего момента двигателя в первоначальный момент разгона;

— иметь промежуточный упор для обеспечения безопасности полета, при этом обеспечить снятие с промежуточного упора на посадке для создания отрицательной тяги для уменьшения длины пробега;

— иметь автоматические устройства, предохраняющие раскрутку воздушного винта и выход его на частоту вращения выше максимально допустимого;

— иметь большой КПД на важных режимах полета.

Контрольные вопросы.

1. Дайте объяснение характеристикам воздушного винта: профиль, хорда,
средняя линия.

2. Что такое геометрический шаг, поступь и скольжение воздушного винта?

3. Назовите аэродинамические силы элемента лопасти.

4. Есть ли разница между углом атаки и углом установки лопасти?

5. Что создаёт реактивный момент винта?

6. Как влияет скорость полёта на угол атаки В.В.?

7. Как изменяется тяга при увеличении скорости полёта?

8. Что такое эффективная и потребная мощности?

9. Что называется КПД В.В.?

10. Какие преимущества имеет ВИШ перед ВФШ?

11. Какие особенности имеют ВИШ на самолётах с ТВД?

Источник