ТЕОРИЯ ВОЗДУШНОГО ВИНТА
Введение
Воздушный винт преобразует мощность вращения двигателя в поступательную силу тяги. Воздушный винт отбрасывает назад воздушную массу, при этом создается реактивная сила, толкающая самолёт вперёд. Тяга винта равна произведению массы воздуха на ускорение, приданное ей винтом.
Определения
Лопасть воздушного винта – это несущая поверхность, похожая на крыло самолёта. Такие определения, как хорда, кривизна профиля, относительная толщина профиля, относительное удлинение аналогичны определениям в отношении крыла самолёта.
Угол установки лопастей винта ( blade angle или pitch )
Это угол между хордой лопасти и плоскостью вращения. Угол установки уменьшается от корня лопасти к законцовке, потому что окружная скорость сечения лопасти растёт от комля к законцовке. Угол установки лопасти измеряют в сечении, расположенном в 75% от её длины, отсчитывая от комля.
Шаг винта ( geometric pitch )
Это расстояние, которое бы прошёл винт за один полный оборот, если бы двигался через воздух с углом установки лопастей. (Можно представить шаг винта как движение болта, закручивающегося по резьбе, но дальше такой аналогией мы пользоваться не будем)
Геометрическая крутка лопасти ( blade twist )
Сечения лопасти, расположенные ближе к её законцовке, за один оборот проходят больший путь. Чтобы шаг винта был одинаковый для всех сечений лопасти, угол установки сечений постепенно уменьшается от комля к законцовке.
Угол установки лопастей на многих винтах может меняться. Когда угол установки лопастей маленький, говорят, что винт на режиме малого шага (fine pitch), и когда, наоборот – на режиме большого шага (coarse pitch).
Поступь винта (effective pitch или advance per revolution)
В полёте, винт не проходит расстояние, равное шагу винта, за один оборот. Реальное расстояние, проходимое винтом, зависит от скорости самолёта и называется поступью винта.
Скольжение винта ( slip )
Разница между шагом и поступью винта называется скольжением винта.
Угол наклона винтовой линии ( helix angle )
Это угол между реальной траекторией сечения воздушного винта и плоскостью вращения.
Угол атаки(α)
Траектория движения сечения лопасти в воздухе определяет направление набегающего потока воздуха. Угол между хордой сечения лопасти и направлением набегающего потока является углом атаки сечения лопасти. На угол атаки влияет окружная скорость сечения (скорость вращения винта) и истинная скорость самолёта.
Воздушный винт фиксированного шага ( fixed pitch propeller )
На рисунках показана работа воздушного винта фиксированного шага при изменении условий полёта. Увеличение истинной скорости самолёта при неизменной скорости вращения винта (окружной скорости сечения) уменьшает угол атаки винта. Увеличение скорости вращения винта на постоянной истинной скорости полёта увеличивает угол атаки винта.
Аэродинамические силы, возникающие на воздушном винте
Лопасть винта представляет собой несущую поверхность, похожую на крыло самолёта. Когда она движется через воздух на некотором угле атаки, то на ней создаются аэродинамические силы так же, как и на крыле. Между поверхностями лопасти возникает перепад давления. Та поверхность лопасти, где создаётся большее давление, называется рабочей поверхностью лопасти (pressure face или thrust face). Когда винт создаёт прямую тягу, то рабочей является задняя (плоская) поверхность лопасти. Перепад давлений создаёт полную аэродинамическую силу, которую можно разложить на две составляющие, тягу и силу сопротивления вращению.
Тяга воздушного винта
Тяга - это компонент полной аэродинамической силы, перпендикулярный плоскости вращения. Сила тяги неравномерно создаётся по длине лопасти. Она минимальна на законцовке лопасти, где перепад давления между поверхностями исчезает, также уменьшается в комле из-за малой окружной скорости. Тяга создаёт изгибающий момент на каждой лопасти, стремясь погнуть их законцовками вперёд. (Сила равная и противоположная по направлению тяге винта отбрасывает воздух назад.)
Момент сопротивления вращению
Сила сопротивления вращению винта на плече от оси вращения до точки приложения полной аэродинамической силы создаёт момент сопротивления вращению. Равный по величине и противоположный по направлению момент воздействует на самолёт, стремясь повернуть его относительно продольной оси. Также момент сопротивления вращению создаёт изгибающие моменты на лопастях воздушного винта, стремясь согнуть их против направления вращения.
Центробежный скручивающий момент лопасти ( centrifugal twisting moment )
Боковые составляющие центробежных сил «А» и «В» создают момент относительно оси изменения угла установки лопасти, стремясь уменьшить шаг винта.
Аэродинамический скручивающий момент лопасти ( aerodynamic twisting moment )
Поскольку центр давления расположен впереди оси изменения угла установки лопасти, то полная аэродинамическая сила создаёт момент, стремящийся увеличить шаг винта.
Аэродинамический момент противодействует центробежному скручивающему моменту, но слабее его.
Коэффициент полезного действия воздушного винта
Коэффициент полезного действия винта определяется отношением тяговой мощности и мощности, подведённой к винту от двигателя. Тяговая мощность винта определяется произведением тяги винта на истинную скорость самолёта, а мощность двигателя – произведением крутящего момента двигателя на угловую скорость вращения винта.
к. п. д. винта = тяговая мощность / мощность двигателя
Зависимость к. п. д. винта от скорости полёта
Выше было показано, что при увеличении скорости полёта угол атаки лопастей винта фиксированного шага уменьшается. Это приводит к уменьшению тяги винта. На некоторой скорости этот угол уменьшится настолько, что тяга винта уменьшится до нуля. Это значит, что к. п. д. винта тоже станет равным нулю.
Для воздушного винта фиксированного шага существует только одна скорость при которой лопасти будут обтекаться под наиболее выгодным углом атаки и к. п. д. винта будет максимальным. (при постоянной угловой скорости вращения)
При дальнейшем уменьшении скорости самолёта угол атаки лопастей увеличивается. Тяга винта увеличивается, но произведение тяги на скорость (тяговая мощность) начинают падать. На нулевой скорости тяга винта максимальна, но винт не производит полезной работы, поэтому его к. п. д. снова равен нулю.
Коэффициент полезного действия винта фиксированного шага сильно изменяется при изменении скорости полёта.
Как видно из рисунка, используя винт изменяемого шага (угла установки лопастей), можно добиться его эффективной работы в широком диапазоне скоростей полёта.
Винт фиксированного шага с возможностью изменения угла установки лопастей в ступице при обслуживании на земле.
Воздушный винт с возможностью выбора трёх фиксированных углов установки лопастей в полёте. Малый шаг винта устанавливается для взлёта, набора высоты и посадки. При крейсерском полёте винт устанавливается в положение большого шага. При отказе двигателя винт устанавливается во флюгерное положение.
Воздушный винт изменяемого шага (constant speed propellers).
На современных самолётах устанавливаются винты, которые автоматически выдерживают заданную частоту вращения, изменяя угол установки лопастей. Это позволяет сохранять высокий к. п. д. в широком диапазоне скоростей, улучшить характеристики взлёта и набора высоты и обеспечить экономию топлива в крейсерском полёте.
Воздушный винт изменяемого шага
На рисунке изображен типичный пульт управления винтом и двигателем на маленьких поршневых самолётах. Все рычаги находятся в положении для взлёта (крайнем переднем).
Регулятор скорости вращения винта настроен на максимальную скорость.
Перемещение среднего рычага назад приведёт к уменьшению скорости вращения винта.
Обратите внимание: Можно провести аналогию между рычагом управления скоростью вращения винта и рычагом коробки передач в автомобиле.
Максимальная скорость винта – первая передача в машине.
Минимальная скорость винта – пятая передача в машине.
На рисунке показаны условия работы воздушного винта в начале разбега по ВПП. Обороты винта максимальны, поступательная скорость мала. Угол атаки лопастей оптимален, винт работает с максимальным к. п. д. По мере роста скорости угол атаки лопастей будет уменьшаться. Это приведет к уменьшению тяги и силы сопротивления вращению. При постоянной мощности двигателя обороты двигателя начнут возрастать. Регулятор поддержания постоянной скорости вращения винта начнёт увеличивать угол установки лопастей винта, чтобы не допустить увеличения оборотов винта. Таким образом, угол атаки лопастей всё время будет удерживаться на оптимальных значениях.
На рисунке показаны условия работы винта при полёте на большой скорости. По мере роста истинной скорости полёта регулятор поддержания оборотов винта постоянно увеличивает угол установки лопастей, поддерживая постоянный угол атаки.
Рисунок показывает работу винта в крейсерском полёте. Оптимальные режимы мощности и скорости вращения винта указываются в руководстве по лётной эксплуатации. Обычно рекомендуется сначала уменьшить мощность двигателя, а затем уменьшить скорость вращения винта.
В течение всего полёта регулятор поддержания постоянных оборотов управляет углом установки лопастей винта, чтобы сохранить заданные обороты. По крайней мере, пытается этого достичь.
Если крутящий момент от двигателя пропадает (режим малого газа или отказ), то регулятор, стремясь поддержать обороты, уменьшает угол установки лопастей на минимум. Угол атаки лопастей становится отрицательным. Теперь полная аэродинамическая сила на винте направлена в противоположную сторону. Её можно разложить на отрицательную тягу винта и силу, стремящуюся раскрутить винт. Теперь воздушный винт будет крутить двигатель.
На двухмоторном самолёте при отказе одного двигателя, если винт отказавшего двигателя авторотирует, то очень сильно ухудшаются характеристики набора высоты, дальность полёта и затрудняется управление самолётом из-за дополнительного разворачивающего момента. Также вращение отказавшего двигателя может привести к его заклинению или пожару.
Флюгирование
При повороте лопастей винта на угол атаки нулевой подъёмной силы исчезает сила вращающая винт и винт останавливается. Лобовое сопротивление (отрицательная тяга) винта уменьшается до минимума. Это значительно повышает характеристики набора высоты (при отказе одного из двух двигателей), поскольку градиент набора высоты зависит от разности между тягой двигателей и лобовым сопротивлением.
Также флюгирование лопастей винта уменьшает разворачивающий момент от отказавшего двигателя. Это улучшает управляемость самолёта и понижает минимальную эволютивную скорость при отказе двигателя V MC .
На однодвигательных самолётах флюгирование винта не предусматривается. Тем не менее, при отказе двигателя существует возможность существенно уменьшить отрицательную тягу винта. Для этого регулятор скорости вращения винта переводят на минимальную скорость. При этом винт будет установлен в положение максимального шага.
Это позволяет увеличить аэродинамическое качество самолёта, что уменьшит градиент потери высоты на планировании с отказавшим двигателем. Также уменьшатся обороты двигателя из-за уменьшения силы стремящейся раскрутить винт.
Если перевести регулятор оборотов винта на увеличение скорости вращения, то эффект будет противоположный.
Отбор мощности от двигателя на винт
Воздушный винт должен быть в состоянии воспринять всю мощность двигателя.
Также он должен работать с максимальным к. п. д. во всём эксплуатационном диапазоне самолёта. Критичным фактором является скорость обтекания законцовок лопастей. Если она приближается к скорости звука, то явления, связанные со сжимаемостью воздуха, приводят к уменьшению тяги и увеличению момента сопротивления вращению. Это значительно уменьшает к. п. д. винта и увеличивает его шумность.
Ограничение скорости обтекания законцовок лопастей накладывает ограничения на диаметр и угловую скорость вращения винта, а также на истинную скорость полёта.
Диаметр винта также ограничивается требованиями минимального зазора до поверхности аэродрома и фюзеляжа самолёта, а также необходимостью установить двигатель как можно ближе к фюзеляжу, чтобы уменьшить разворачивающий момент в случае его отказа. В случае если двигатель стоит далеко от продольной оси самолёта, то необходимо увеличивать вертикальное оперение, чтобы обеспечить балансировку самолёта при отказе двигателя на малой скорости. Всё вышесказанное показывает, что обеспечить, чтобы винт потреблял всю располагаемую мощность двигателя, одним только увеличением его диаметра нецелесообразно. Часто этого добиваются увеличением коэффициента заполнения воздушного винта.
Коэффициент заполнения воздушного винта ( solidity )
Это отношение фронтальной площади всех лопастей к площади ометаемой винтом.
Методы повышения коэффициента заполнения воздушного винта:
Увеличение хорды лопастей. Это приводит к уменьшению относительного удлинения лопасти, что приводит к снижению к. п. д.
Увеличение количества лопастей. Отбор мощности от двигателя увеличивается без увеличения скорости обтекания законцовок и уменьшения относительного удлинения лопастей. Увеличение числа лопастей более определённого количества (5 или 6) приводит к уменьшению к. п. д. винта.
Тяга винта создаётся отбрасыванием массы воздуха назад. Если чрезмерно увеличивать коэффициент заполнения воздушного винта, то будет уменьшаться масса воздуха, который может получить ускорение при прохождении через винт. Для эффективного увеличения числа лопастей используют соосные винты, вращающиеся на одной оси в противоположных направлениях.
Моменты и силы, создаваемые воздушным винтом
Винт создаёт моменты по всем трем осям самолёта. Причины возникновения этих моментов различны:
кренящий момент реакции винта
гироскопический момент
спиральный момент от спутной струи
момент, вызванный несимметричным обтеканием винта
Примечание: Большинство современных двигателей оснащено воздушными винтами вращающимися по часовой стрелке (если смотреть сзади). На некоторых двухмоторных самолётах на правый двигатель устанавливают винт, вращающийся против часовой стрелки, для устранения недостатков, связанных с появлением критического двигателя (см. главу 12).
Кренящий момент реакции винта
Поскольку винт вращается по часовой стрелке, то на самолёт действует равный по величине и противоположный по направлению момент.
При разбеге самолёта левый пневматик будет нести большую нагрузку, что создаст большее сопротивление качению. Поэтому самолёт будет иметь тенденцию к развороту влево. В полёте самолёт будет иметь тенденцию накрениться влево. Наиболее заметен этот момент будет при максимальной тяге винта и малой скорости полёта (малая эффективность рулей).
Кренящий момент реакции винта практически отсутствует у соосных винтов, вращающихся в противоположные стороны.
В оригинальном тексте написано, что у двухдвигательных самолётов с винтами, вращающимися в одну и ту же сторону, кренящий момент реакции винтов отсутствует до тех пор, пока не откажет один из двигателей. Это неверно. В теоретической механике сказано, что суммарный момент, действующий на твёрдое тело, равен алгебраической сумме моментов, лежащих в одной плоскости. То есть момент реакции винтов будет действовать на самолёт, не зависимо от количества работающих двигателей, и если все винты вращаются в одну и ту же сторону, то моменты будут складываться.
Гироскопический момент
Вращающийся воздушный винт имеет свойства гироскопа – стремится сохранить положение оси вращения в пространстве, а в случае приложения внешней силы – появляется гироскопический момент, стремящийся развернуть ось гироскопа в направлении, отличающемся на 90° от направления вынужденного вращения.
Направление действия гироскопического момента удобно определить, воспользовавшись следующим мнемоническим правилом. Представьте себя сидящим в кабине самолёта. Плоскость вращения двигателя (винта) изобразим окружностью, а направление вращения – стрелками по окружности.
Если из центра окружности провести одну стрелку в направлении движения носа самолёта, то вторая стрелка, направленная по касательной к окружности в направлении вращения двигателя (винта), покажет направление дополнительного (прецессионного) движения носа самолёта, вызванного действием гироскопического момента двигателя (винта).
Гироскопический момент появляется только при вращении самолёта по тангажу и по курсу.
У соосных винтов гироскопический момент отсутствует.
Спиральный момент от спутной струи
Воздушный винт отбрасывает назад закрученную струю воздуха, которая вращаясь вокруг фюзеляжа, изменяет обтекание киля. Поскольку винт вращается по часовой стрелке, то струя обтекает киль под углом слева, вызывая на нем боковую силу вправо.
Спиральный момент от спутной струи винта создаёт момент рыскания влево. Величина момента зависит от режима работы двигателя и оборотов воздушного винта.
Уменьшить спиральный момент можно с помощью:
используя соосные винты
установкой фиксированного компенсатора на руль направления
установкой двигателя с небольшим отворотом оси винта вправо
установкой киля под небольшим углом влево
Момент, вызванный несимметричным обтеканием винта
В полёте ось винта отклонена от направления набегающего потока на угол атаки. Это приводит к тому, что опускающаяся лопасть обтекается под большим углом атаки, чем поднимающаяся. Правая часть воздушного винта будет создавать большую тягу, чем левая. Таким образом, будет создаваться момент рыскания влево.
Наибольшую величину этот момент будет иметь на максимальном режиме работы двигателя и максимальном угле атаки.
Влияние атмосферных условий
Изменения в атмосферном давлении и/или температуре приводят к изменению плотности воздуха.
Это влияет на:
мощность двигателя при неизменном положении дроссельной заслонки
момент сопротивления вращению винта.
Увеличение плотности воздуха приводит к увеличению обоих этих параметров, но мощность двигателя увеличивается в большей степени.
Влияние плотности воздуха на работу двигателя с винтом фиксированного шага
Увеличение плотности приводит к росту оборотов винта и наоборот.
Влияние плотности воздуха на момент сопротивления вращению (потребный крутящий момент двигателя) винта фиксированного шага
Увеличение плотности приводит к росту момента сопротивления вращению винта и наоборот.
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»
Изобретение относится к авиации. Винт содержит эллипсоидную ступицу 1 и лопасти, которые имеют передние кромки 3 и задние кромки 4. Каждая лопасть имеет рабочую поверхность 5. Концы лопастей снабжены концевыми гребнями 6, которые размещены со стороны задней кромки, а относительно рабочей поверхности 5 - под углом . Концевые гребни 6 выполнены с криволинейными кромками, имеющими максимальную кривизну вблизи задней кромки 4. Концевой гребень каждой лопасти выполнен плоским и составляет с рабочей поверхностью угол от 90 до 135 o , при этом его высота над рабочей поверхностью составляет от 0,5 до 3,5% от величины диаметра винта. Изобретение направлено на повышение коэффициента полезного действия. 4 з.п.ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к технике воздушных тяговых винтов для самолета и может быть использовано на пассажирских самолетах, на спортивных самолетах, на дельтапланах и на военных самолетах, а так же в качестве рулевого винта на вертолетах. Известные воздушные винты самолетов выполнены в виде двух, трех или в многолопастном исполнении. Все лопасти расположены симметрично и сбалансировано на цилиндрической или эллипсоидной ступице, лобовая часть которой снабжена куком. При вращении винта концы его лопастей формируют диаметр винта. Каждая лопасть винта самолета выполнена в виде плоско-профильной пластины с заостренной законцовкой по типу "ХОФФМАН" или с прямоугольной лопатовидной законцовкой по типу В-530ТА-Д35 . Лопасти винта установлены под определенным углом к плоскости вращения винта, что позволяет рабочей поверхности лопасти как наклонной поверхности перемещать массу воздуха от передней кромки к задней, обеспечивая при этом получение реактивной силы, направленной симметрично от всех лопастей вдоль оси вращения винта, которая обеспечивает перемещение самолета вперед. Недостатком таких известных воздушных винтов для самолета является то, что при быстром вращении винта омывающий его воздух не только смещается наклонными рабочими поверхностями лопастей вдоль оси вращения винта, но за счет создаваемой во вращающемся потоке воздуха центробежной силы часть вращающейся воздушной массы устремляется в радиальном направлении вдоль рабочих поверхностей лопастей и срывается с их концов в окружающее воздушное пространство, перенося в него всю кинетическую энергию, полученную при радиальном движении массы воздуха, и тем самым снижая КПД винта. Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является винтовентилятор СВ-27 самолета АН-70 . Лопасти этого вентилятора имеют саблевидную форму передних и задних кромок. Такая кривизна передних и задних кромок лишь в небольшой степени изменяет направление радиального потока воздуха, созданного центробежной силой. Недостатком такого технического решения является то, что частично измененный саблевидным профилем лопасти радиальный поток воздуха в значительной степени устремляется в окружном направлении, а не вдоль оси вращения винта. Поэтому, так же как и в аналогах , , большая часть воздушного потока, созданного действием центробежной силы, срывается с концов таких саблевидных лопастей и устремляется с большой скоростью, неся в себе и большую кинетическую энергию, в окружающее воздушное пространство, но не выполняя полезной работы и не повышая КПД винта. Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в увеличении коэффициента полезного действия винта самолета. Это достигается тем, что воздушный винт самолета, выполненный в виде сбалансированных и совмещенных на цилиндрической или эллипсоидной поверхности нескольких плоскопрофильных лопастей, имеющих передние и задние кромки, и концевые кромки которых составляют диаметр винта, а одна из двух их поверхностей рабочая, которая установлена под острым углом к плоскости вращения винта, при этом торцевая кромка каждой лопасти отогнута в сторону рабочей поверхности лопасти и составляет с ней угол , имеющий интервал от 90 до 135 o , при этом максимальная высота гребня относительно рабочей поверхности составляет от 0,5 до 3,5% от величины диаметра винта. Торцевая кромка каждой лопасти отогнута к ее рабочей поверхности, например, на угол , равный 90 o . Максимальная высота отогнутой торцевой кромки относительно рабочей поверхности может составлять, например, 1,5% от величины диаметра винта. Радиус отгиба торцевой кромки от рабочей поверхности лопасти может, например, составлять 1-5 единиц от толщины торцевой кромки. На фиг. 1 изображен вид двухлопастного винта самолета вдоль его оси. На фиг. 2 изображено сечение А-А лопасти на фиг. 1. На фиг. 3 изображен вид лопасти по стрелке Б на фиг.2. В статическом состоянии воздушный винт содержит эллипсоидную ступицу 1 и лопасти 2, которые имеют передние кромки 3 и задние кромки 4. Кроме того, каждая лопасть 2 имеет рабочую поверхность 5. Законцовки лопастей 2 отогнуты на угол , с образованием концевых гребней 6. Концевые гребни 6 выполнены с криволинейными торцевыми кромками 7, максимальная кривизна которых смещена к задней кромке 4. Относительно рабочей поверхности 5 кромка 7 гребня 6 поднята на высоту Н. Концевой гребень 6 отогнут от лопасти 2 плавным переходом, имеющим радиус r. Устройство работает следующим образом. Воздушный винт самолета диаметром D при вращении вокруг своей оси перемещает рабочими поверхностями 5 лопастей 2 большую массу воздуха, обеспечивая реактивную силу, перемещающую самолет, при этом рабочие поверхности 5 выполняют функцию наклонных поверхностей. При быстром вращении винта омывающий его лопасти 2 воздух получает и большую величину центробежной силы, которая всегда смещается радиально от оси вращения, вдоль рабочих поверхностей 5. Большая масса воздуха, дошедшая до концевых гребней 6, изменяет свое направление на угол , равный 90 o , и далее подмешивается к основному потоку воздуха перемещаемого вдоль оси винта рабочими поверхностями 5. При этом ядро радиального потока воздуха, смещаемого вдоль рабочей поверхности 5, как более инерционное, смещается к ее задней кромке 4, где профиль торцевой кромки 7 имеет максимальную высоту Н, а это позволяет в большей степени улавливать радиальный поток воздуха, который несет себе и большую кинетическую энергию от радиального потока вдоль поверхностей 5, изменять его направление на 90 o и направлять ее вдоль оси винта, увеличивая тем самым тягу винта и повышая его КПД. Полезность заявляемого устройства воздушного винта самолета заключается в том, что наличие концевых гребней со стороны рабочих поверхностей винта повышает его КПД, а это и тяговые характеристики и быстроходность самолета. Экспериментально-лабораторная проверка модельного варианта двухлопастного винта при скорости его вращения лишь 950 об/мин показала прирост тяги на 6,4 %. Источники информации 1. Журнал "Моделист-конструктор" 8, 1986 г., с.12. 2. Журнал "Моделист-конструктор" 11, 1987 г., с. 15. 3. Журнал "Техника молодежи" 12, 1997 г., с. 1.
Формула изобретения
1. Воздушный винт самолета, выполненный в виде сбалансированных и совмещенных на цилиндрической или эллипсоидной поверхности ступицы нескольких плоскопрофильных лопастей, имеющих передние и задние кромки, и концевые гребни которых составляют диаметр винта, а одна из двух их поверхностей рабочая, которая установлена под острым углом к плоскости вращения винта, отличающийся тем, что концевой гребень каждой лопасти, имеющий криволинейную торцевую кромку, выполнен плоским и составляет с рабочей поверхностью угол , имеющий интервал от 90 до 135 o , при этом максимальная высота гребня относительно рабочей поверхности составляет от 0,5 до 3,5% от величины диаметра винта. 2. Винт по п. 1, отличающийся тем, что концевой гребень каждой лопасти составляет с ее рабочей поверхностью угол , равный 90 o . 3. Винт по п. 1, отличающийся тем, что максимальная высота гребня относительно рабочей поверхности составляет 1,5% от величины диаметра винта. 4. Винт по п. 1, отличающийся тем, что радиус плавного перехода между рабочей поверхностью лопасти и рабочей поверхностью концевого гребня составляет 1-5 единиц от толщины гребня. 5. Винт по п. 1, отличающийся тем, что максимальная кривизна торцевой кромки смещена к задней кромке лопасти.
Похожие патенты:
Изобретение относится к авиационной технике, в частности к вертолетостроению, и может быть использовано при создании летательного аппарата укороченного взлета и посадки, а также для создания систем спасения возвращаемых космических объектов
Группа изобретений относится к устройствам преобразования механической энергии в кинетическую энергию текучей среды. Пропеллер по каждому варианту содержит лопасти с участками прямой и обратной саблевидности, каждая из которых закреплена комлевой частью на ступице приводного вала. В каждом варианте пропеллер характеризуется формой выполнения каждой фронтальной поверхности лопасти. Группа изобретений направлена на упрощение конструкции. 3 н.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к области авиационной техники, а именно к конструкциям лопастей несущего винта и способам их изготовления из слоистых композиционных материалов. Лопасть конструктивно выполнена по безлонжеронной силовой схеме с пенопластовым сердечником по всей длине хорды и работающей обшивкой. Пенопластовый сердечник выполнен из материала с изотропной ячеистой структурой, а обшивка - в виде многослойной оболочки из полимерно-композиционных материалов, охватывающей пенопластовый сердечник. Оболочка выполнена с переменной толщиной контура вдоль радиуса несущего винта и хорды лопасти, а ее внешние слои формируют аэродинамический профиль лопасти. В носовой части лопасти между слоями оболочки размещены секции центровочного груза, поверх внешнего слоя - противоэрозийная оковка. Технологически лопасть изготавливается методом «мокрой» выкладки слоев оболочки и последующим одношаговым «горячим» прессованием совместно с пенопластовым сердечником в пресс-форме. В процессе полимеризации оболочка и пенопластовый сердечник образуют монолитную интегральную структуру, обеспечивающую устойчивые геометрические параметры пера лопасти. Достигается снижение количества применяемой оснастки и стабильность упругомассовых характеристик лопасти. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 11 ил.
Изобретение относится к области винтовых движителей. Законцовка лопасти, выполненная в виде концевого крылышка, представляет собой профиль лопасти, разделенный на верхнюю и нижнюю части. Каждая часть концевого крылышка может иметь фиксированный или управляемый угол атаки, независимый от угла атаки другой части. Достигается уменьшение потерь мощности привода винта, улучшение аэродинамики лопасти, увеличение подъемной или тянущей силы и эффективности винта. 1 ил.
Изобретение относится к авиационной промышленности и может быть использовано при производстве лопастей несущих и рулевых винтов для вертолетов. Способ изготовления безлонжеронной лопасти винта вертолета заключается в том, что из термокомпрессионного пенопласта в соответствии с требуемыми размерами изготавливают заполнитель (1), имеющий форму лопасти. Из листов препрега формируют наружный (3), внутренний (2) и концевой пакеты (4), приклеивают центровочный груз (5) к внутреннему пакету (2), соединяют с последовательным расположением внутренний пакет (2), наружный пакет (3), резиновую накладку (8) и оковку (4). Размещают во внутреннем и наружном пакетах (2) и (3) заполнитель (1) таким образом, что внутренний пакет охватывает заполнитель по части его ширины, а наружный пакет - по всей ширине, и устанавливают концевой пакет (9). Собранное перо лопасти размещают в матрице и осуществляют ее тепловую обработку. При изготовлении пера лопасти может быть изготовлена и установлена продольная перегородка (11) из листов препрега, при этом размещение заполнителя (1) осуществляют частями. Достигается повышение точности наружной геометрии лопасти и сокращение количества технологической оснастки. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 7 ил.
Изобретение относится к области турбинных двигателей, а именно к способу изготовления металлического усиления для лопатки рабочего колеса турбинного двигателя. Способ последовательно включает этап расположения металлических скоб в формующий инструмент, имеющий матрицу и пуансон, при этом металлические скобы представляют собой металлические секции с прямолинейной формой, согнутые в форму U или V; и этап горячего изостатического прессования металлических скоб, вызывающий интеграцию металлических скоб таким образом, чтобы получить сжатую металлическую часть. Обеспечивается возможность легкого получения металлического усиления без использования больших объемов материалов. 14 з.п. ф-лы, 27 ил.
Изобретение относится к пассивному устройству поглощения энергии для элемента конструкции летательного аппарата и касается лопасти, лопатки или любого другого элемента винта, крыла, стойки или фюзеляжа летательного аппарата. Устройство поглощения кинетической энергии содержит наружную оболочку, выполненную из плетеного композиционного материала с возможностью сохранять целостность после удара, сердцевину из пеноматериала, заключенную в наружную оболочку и заполняющую наружную оболочку, усилительные элементы, интегрированные в сердцевину из пеноматериала. При этом усилительные элементы содержат прерывистые нити, введенные посредством вшивания в сердцевину из пеноматериала. Причем каждая из прерывистых нитей имеет головку в виде L или Т, отбортованную снаружи наружной оболочки. Достигается повышение надежности и целостности конструкции при столкновении с птицами или твердыми предметами. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 13 ил.
Изобретение относится к авиации
Надежин Никита
Теория воздушного винта: от первых пропеллеров к эффективным агрегатам будущего.
ПЛАН:
Введение.
1.1. Воздушный винт.
1.2.Технические требования к модели самолёта класса F1B.
3.Описание конструкции воздушного винта.
1.4. Описание модели самолёта.
Заключение.
Список литературы, программное обеспечение.
Приложения.
Введение
Воздушный винт, пропеллер, движитель, в котором радиально расположенные профилированные лопасти, вращаясь, отбрасывают воздух и тем самым создают силу тяги («Пропеллер» - студенческая многотиражка в Московском авиационном институте). Воздушный винт состоит из одной, двух или более лопастей, соединенных друг с другом ступицей. Основная часть винта - лопасти, так как только они создают тягу.
Идею воздушного винта предложил в 1475 году Леонардо да Винчи, и применил его для создания тяги впервые в 1754 году В.М. Ломоносов в модели прибора для метеорологических исследований.
М.В. Ломоносов
На самолете А.Ф. Можайского использовались воздушные винты. Братья Райт использовали толкающий винт.
Ещё до начала проектирования первого самолёта, А.Ф. Можайским были изготовлены несколько моделей самолёта, у которых движителем был воздушный винт, приводимый во вращение резиновым жгутом. В Америке братья Райт также сначала изготавливали модели самолёта, и только потом был спроектирован первый летающий самолёт.
С начала 20 века во всём мире молодые люди начали проектировать и строить модели самолётов и проводить соревнования. В нашей стране первые соревнования напутствовал Н.Е. Жуковский в1926году. Авиамодельный спорт стал культивироваться Международной авиационной федерацией FAI, разработан кодекс FAI, проводятся Всероссийские и международные соревнования.
По правилам соревнований все модели участников должны соответствовать определённым требованиям и, чтобы победить на соревнованиях, надо изготовить модель летающую лучше всех. Для этого необходимо увеличить высоту взлёта модели, но сделать это сложно, так как запас энергии на модели ограничен весом резиномотора, который проверяется во время проведения соревнований. Остается только увеличивать коэффициент использования энергии резины, а это механизация в полёте воздушного винта по изменению геометрических характеристик. Крутящий момент резиномотора переменный и имеет нелинейную характеристику. А крутящий момент необходимый для привода воздушного винта пропорционален диаметру винта в пятой степени. Для реализации имеющегося крутящего момента и увеличения КПД воздушного винта надо в полёте изменять диаметр и шаг. В существующих конструкциях изменяют шаг винта, так как это конструктивно проще, но это влечёт за собой увеличение скорости полёта, а значит и вредного сопротивления крыла. Выигрыш получается небольшой. Увеличение диаметра винта с одновременным увеличением шага позволяет использовать воздушный винт более качественно. Выигрыш получается больше.
Задача : проектирование механизмов, позволяющих увеличить КПД, уменьшить расход топлива для выработки различных видов энергии, приводящих к снижению вредных выбросов в атмосферу.
Тема данной работы очень актуальна для понимания развития современной техники. Работа по увеличению КПД воздушного винта делает возможным в дальнейшем проектирование более сложных механизмов, направленных на увеличение КПД других изделий, потребляющих тепловую и электрическую энергию и связанных с улучшением экологии окружающего пространства. В современном мире это очень важно так как применение механизмов, увеличивающих КПД на машинах, генераторах ведет к уменьшению расхода топлива, а следовательно выбросов продуктов сгорания в атмосферу и улучшению состояния экологии окружающей среды и здоровья человека.
Цель данной работы : проектирование механизма увеличивающего КПД использования механической энергии воздушным винтом резиномоторной модели самолета.
Значение работы : На примере проектирования простого механизма рассматриваются вопросы проектирования более сложных механизмов, которые можно эффективно использовать в будущем при разработке новой авиационной техники.
1. Воздушный винт
В спокойном воздухе самолет может лететь горизонтально или с набором высоты только тогда, когда у него есть движитель. Таким движителем может быть воздушный винт или реактивный двигатель. Воздушный винт должен приводиться во вращение механическим двигателем. И в том и в другом случае тяга создается за счет того, что некоторая масса воздуха или выхлопных газов отбрасывается в сторону, противоположную движению.
Рис.4. Схема сил, действующих на воздушный винт.
При своем движении лопасть воздушного винта описывает в пространстве винтовую линию. В своем поперечном сечении она имеет форму крыльевых профилей. В правильно спроектированном винте все сечения лопасти встречают поток под некоторым наивыгоднейшим углом. При этом на лопасти развивается сила, аналогичная аэродинамической силе на крыле. Эта сила, будучи разложенной на две составляющие (в плоскости винта и перпендикулярную плоскости) дают тягу и сопротивление ращению данного элемента лопасти. Просуммировав силы, действующие на все элементы лопастей, получают тягу, развиваемую винтом, и момент, потребный для вращения винта (Рисунок 4). В зависимости от величины потребляемой мощности применяются воздушные винты с различным числом лопастей - двух, трех и четырех лопастные, а также соосные винты, вращающиеся в противоположных направлениях для уменьшения потерь мощности на закручивание отбрасываемой струи воздуха. Такие винты применяют на самолетах Ту-95, Ан-22, Ту-114. На Ту-95 установлены 4 двигателя НК-12 конструкции Николая Кузнецова (Рисунок 5). Концы лопастей у этих винтов вращаются со сверхзвуковой скоростью, создавая сильный шум (Натовское название самолета Ту-95 - «Медведь», принят на вооружение в 1956 году и ВВС Росси используют этот самолет по сей день). В авиамодельном спорте для получения высоких результатов на соревнованиях используют и однолопастные винты. Коэффициент полезного действия винта зависит от величины покрытия винта
(где - число лопастей, - максимальная ширина лопасти), чем меньше величина покрытия винта, тем более высокий КПД винта можно получить. Беспредельному уменьшению покрытия препятствует прочность лопасти. Многолопастные винты не выгодны, так как они понижают КПД.
Рис.5. Самолет ТУ-95 с соосным винтом.
Первые воздушные винты имели фиксированный в полете шаг, определяемый постоянным углом установки лопастей винта. Для сохранения достаточно высокого КПД во всем диапазоне скоростей полета и мощностей двигателя, а так же для флюгирования и изменения вектора тяги при посадке применяются винты изменяемого шага (ВИШ). В таких винтах лопасти поворачиваются во втулке относительно продольной оси механическим, гидравлическим или электрическим механизмом.
Для увеличения тяги и КПД при малой поступательной скорости и большой мощности воздушный винт помещают в профилированное кольцо, в котором скорость струи в плоскости вращения больше, чем у изолированного винта, и само кольцо вследствие циркуляции скорости создает дополнительную тягу.
Лопасти воздушного винта изготавливают из дерева, дюралюминия. Стали, магния, композиционных материалов. При скоростях полета 600-800 км/час КПД воздушного винта достигает 0,8-0,9. При больших скоростях под влиянием сжимаемости воздуха КПД падает. Поэтому воздушный винт выгоден на дозвуковых скоростях полета самолета.
Идею воздушного винта предложил в 1475 году Леонардо да Винчи (Рисунок 1), а применил его для создания тяги впервые в 1754 году М.В. Ломоносов в модели прибора для метеорологических исследований (Рисунок 2). К середине XIX века на пароходах применялись гребные винты, аналогичные воздушному винту. В XX веке воздушные винты стали применяться на дирижаблях, самолетах, аэросанях, вертолетах, аппаратах на воздушной подушке и др.
Рис. 1. Геликоптер. Идея, предложенная Леонардо да Винчи. Модель по эскизу Леонардо да Винчи.
Рис.2. Модель прибора М.В. Ломоносова для метеорологических исследований.
Методы аэродинамического расчета и проектирования воздушных винтов основаны на теоретических и экспериментальных исследованиях. В 1892-1910 годах русский инженер-исследователь, изобретатель С.К. Джевецкий разработал теорию изолированного элемента лопасти, а в 1910-1911 годах русские ученые Б.Н. Юрьев и Г.Х. Сабинин развили эту теорию. В 1912-1915 годах Н.Е. Жуковский создал вихревую теорию, дающую наглядное физическое представление о работе винта и других лопаточных устройств и устанавливающую математическую связь между силами, скоростями и геометрическими параметрами в такого рода машинах. В дальнейшем развитии этой теории значительная роль принадлежит В.П. Ветчинкину. В 1956 году советским ученым Г.И. Майкопаровым вихревая теория воздушного винта была распространена на несущий винт вертолета.
Н.Е. Жуковский
В настоящее время для создания крупногабаритных магистральных самолетов потребовались двигательные установки большей мощности и очень экономичные. Одним из вариантов таких двигателей стали турбовентиляторные двигатели. Они обладают большой тягой и хорошей экономичностью. На всех зарубежных самолетах устанавливаются именно такие двигатели.
Развитие идеи Леонардо да Винчи воплотилось в создании газотурбинных двигателей с осевым компрессором. Лопатки осевого компрессора создают при своем движении повышение давления воздуха. Каждая ступень повышает давление на определенную величину и в конце сжатый компрессором воздух попадает в камеру сгорания, где к нему подводится тепло в виде сгорающего горючего. После чего горячий газ поступает на турбину, которая может быть и осевой и радиальной. Турбина в свою очередь крутит компрессор, а потерявшие часть энергии газы попадают в сопло и создают реактивную тягу.
Лопатки компрессора, это часть лопасти воздушного винта. Таких лопаток в каждой ступени может быть несколько десятков. Между ступенями находится неподвижный спрямляющий аппарат, который состоит из таких же лопаток, только установленных под определенным углом к закрученному воздушному потоку. Закрутка происходит за счет движения лопаток компрессора по окружности. Количество ступеней компрессора может быть более 15.
Если всю энергию, полученную в результате сгоревшего топлива, срабатывать на турбине, то на валу двигателя получится избыток мощности, который можно использовать для привода воздушного винта. Получится турбовинтовой двигатель, и тяга будет создаваться воздушным винтом. Тяга за счет выхлопных газов будет минимальна.
Следующим этапом развития стали двухконтурные двигатели. В этих двигателях часть воздуха проходит не через компрессор (снаружи), обычно это происходит после первых двух ступеней компрессора. Такой двигатель называется турбовентиляторным. Тяга двигателя создается за счет вентилятора (первые две ступени компрессора) и реактивной струи выхлопных газов. В данном случае вентилятор, а это по сути - воздушный винт, находится в профилированном корпусе.
Следующий этап развития это турбовинтовентиляторный двигатель (НК-93). Почему стали изготавливать такие двигатели? Да потому, что КПД винта на дозвуковых скоростях полета может приближаться к 0.9, а КПД реактивной струи гораздо меньше. Турбовинтовентиляторный двигатель в будущем - самый перспективный двигатель для самолетов, летающих на дозвуковых скоростях.
Двухконтурный турбореактивный двигатель.
В 1985 году ОКБ имени Н.Д. Кузнецова началось изучение концепции винтовентиляторного двигателя высокой степени двухконтурности. Было определено, что закапотированный двигатель с соосными винтами обеспечит на 7% большую тягу, чем незакопотированный ТВВД с одноступенчатым вентилятором.
В 1990 году КБ приступило к проектированию такого двигателя, получившего обозначение НК-93. Он предназначался прежде всего для самолетов ИЛ-96М, Ту-204П, Ту-214, но заинтересованность в новом двигателе проявило и Министерство обороны (планируется установка его на военно-транспортном Ту-330).
Самолет ИЛ-76 ЛЛ с двигателем НК-93.
Двигатель НК-93.
НК-93 выполнен по трехвальной схеме с двигателем закопотированного двухрядного винтовентилятора противоположного вращения СВ-92 через редуктор. Редуктор планетарный с 7 сателлитами. Первая ступень винтовентилятора 8-лопастная, вторая (на нее приходится 60% мощности) - 10-лопастная. Все лопасти саблевидные с углом стреловидности 30 0 на первых 5 двигателях изготавливали из магниевого сплава. Теперь их изготавливают из углепластика.
Схема двигателя НК-93.
Технические характеристики нового двигателя в мире аналогов не имеют. По параметрам термодинамического цикла НК-93 близок к ныне разрабатываемым за рубежом двигателям, но имеет лучшую экономичность (на 5%). Летные испытания проводятся на самолете ИЛ-76ЛЛ. Изюминкой этой винтомоторной установки является планетарный редуктор и винтовентилятор. Угол установки лопастей может изменяться в пределах 110 0 при работе двигателя. Подобный редуктор применяется в двигателях НК-12 на самолете Ту-95 и подобный редуктор используется в установках перекачки газа на магистральных газопроводах (НК-38). Так что опыт у нас есть.
На занятиях в авиамодельной лаборатории Костромского областного центра детского (юношеского) технического творчества рассматриваются вопросы теории полета самолетов и летающих моделей. С целью улучшения летных характеристик резиномоторных моделей, а также улучшения результатов выступления на соревнованиях была рассмотрена работа винтомоторной установки. Рассмотрев характеристики резиномотора, энергия которого определяет высоту взлета модели, выяснено, что крутящий момент резины на валу винта имеет нелинейную характеристику. Максимальный крутящий момент превышает средний момент в 5-6 раз. Крутящий момент, необходимый для вращения винта равен
где
Аэродинамический коэффициент
Плотность воздуха
Диаметр винта
Обороты винта в секунду
Из теории известно, что для того, чтобы КПД винта был достаточно высоким, необходимо неограниченно увеличивать диаметр винта. Как известно, конструктивно это условие выполнить нельзя. Но, зная это видим один из возможных способов увеличения продолжительности полета резиномоторной модели. Было принято решение компенсировать изменение крутящего момента изменением диаметра винта. Конструктивно изменять диаметр винта на величину, пропорциональную изменению крутящего момента довольно сложно, поэтому введено еще и изменение шага винта. Получился винт изменяемого диаметра и шага (ВИДШ). В большой авиации изменение диаметра воздушного винта не применяется из-за сложности конструкции и больших скоростей на концах лопастей, соизмеримых со скоростью звука, уменьшающих КПД винта.
Можно увеличить КПД воздушного винта путем уменьшения покрытия винта. Это значит, сделать винт однолопастным. Такие винты сейчас применяются на скоростных кордовых моделях. Результаты очень положительные. Скорость возрастает на 10-15 км/час, но там другие условия работы. Двигатель работает на постоянных оборотах и постоянной максимальной мощности. На резиномоторных моделях энергия резиномотора переменна и не линейна. При использовании однолопастного винта с изменяемым диаметром и шагом возникают сложности с противовесом лопасти винта. Поэтому принято решение для увеличения КПД воздушного винта резиномоторной модели самолета использовать винт двулопастный с изменяемым диаметром и шагом (ВИДШ).
2. Технические требования к модели самолета класса F 1 B
На конкурс представлена резиномоторная модель самолёта по классификации ФАИ - F1B, изготовленная Надежиным Никитой под руководством Смирнова Виктора Борисовича.
С этой моделью Надежин Никита в 2013 году на Первенстве России по авиационному моделированию стал чемпионом.
Резиномоторная модель - это модель летательного аппарата, которая приводится в движение двигателем из резины; подъёмная сила модели возникает за счёт аэродинамических сил, воздействующих на несущие поверхности модели.
Технические характеристики резиномоторных моделей должны соответствовать требованиям FAI:
площадь несущей поверхности - 17-19 дм 2
минимальный вес модели без резиномотора - 200 г
максимальный вес смазанного резиномотора - 30 г.
Каждый участник соревнований имеет право на 7 зачётных полётов продолжительностью не более 3-х минут каждый. Запуск модели должен быть произведён в ограниченное время, объявленное заранее. Сумма времени всех зачётных полётов каждого участника используется для окончательного распределения мест среди участников.
За время полёта модель может улетать от места старта на расстояние до 2,5-3 км. Для поиска модели на неё устанавливается радиопередатчик весом 4 грамма с питанием на несколько суток. У участника соревнований имеется радиоприёмник с направленной антенной для обнаружения модели.
Взлёт модели осуществляется за счёт энергии резиномотора, которая приводит во вращение воздушный винт. Изменение крутящего момента резиномотора при его раскрутке происходит неравномерно и максимальное его значение превосходит среднее значение в 4-5 раз. Поэтому в первоначальный момент взлёта модели воздушный винт работает на нерасчетных режимах, т.е. идет проскальзывание винта в воздушном потоке. Для того чтобы аэродинамически загрузить воздушный винт и использовать имеющуюся энергию резиномотора в полном объёме, необходимо увеличивать диаметр винта и угол установки лопастей винта в начальный период взлёта. Это хорошо показано в книге А.А.Болонкина «Теория полета летающих моделей»
3. Описание конструкции воздушного винта
Особенностью данной модели является воздушный винт (Приложения №4,5,6), который во время взлёта модели изменяет диаметр и шаг. Механизм винта при изменении крутящего момента резиномотора позволяет изменять диаметр винта и угол установки лопастей. Это позволяет существенно увеличить КПД винта и, следовательно, высоту взлёта модели, и, соответственно, увеличиваются продолжительность полёта и результат на соревнованиях.
Конструкция механизма винта представлена на сборочном чертеже 10.1000.5200.00 СБ ВИДШ (винт изменяемого диаметра и шага, Приложение №3) и представляет собой корпус, в котором на 2-х подшипниках вращается вал винта из стали ЗОХГСА. На валу установлена ступица винта, также на 2-х подшипниках, далее идёт втулка, имеющая возможность вращаться вокруг вала. На втулке установлены шатуны, на которых подвешены лопасти винта, изготовленные из бальзы. Шатуны установлены на осях, расположенных на радиусе R=11 от оси вала и под углом к нему примерно 6 градусов. Втулка и ступица соединены между собой упругим элементом (резиновое кольцо).В ступице имеется паз ограничивающий перемещение втулки относительно ступици. Это определяет рабочие углы поворота втулки и величину выдвижения шатунов. При приложении к валу винта крутящего момента относительно лопастей винта возникает сила, проворачивающая втулку относительно ступицы, при этом происходит выдвижение шатунов из ступицы и их проворот вокруг поперечной оси вала за счёт движения осей шатуна по образующей однополостного гиперболоида вокруг вала. В конструкции предусмотрено изменение угла наклона осей шатунов, что позволяет регулировать диапазон изменения шага при регулировке модели. (в первоначальном варианте регулировка пределов изменения шага не предусматривалась, чертёж 10.0000.5100.00 СБ, Приложение №2). Перемещение шатунов пропорционально крутящему моменту, приложенному к валу винта, относительно лопастей. На втулке установлен стандартный стопор, стопорящий лопасти винта в нужном положении после раскрутки резиномотора. Изменение шага при увеличении диаметра на 25 мм составляет 5 0 , что на R лопасти=200мм изменяет шаг с 670 мм до 815 мм. Для изготовления деталей использованы малогабаритные шарикоподшипники и высокопрочные материалы Д16Т, ЗОХГСА, 65С2ВА, 12х18Н10Т и углепластик.
4. Описание модели самолета
Конструкция самой модели представлена на чертеже 10.0000.5000.00СБ. (Приложение№1,7)
Продольный набор крыла состоит из двух углепластиковых лонжеронов переменного сечения, углепластикового кессона, передней и задней кромок из углепластика.
Поперечный набор состоит из нервюр, выполненных из бальзы, покрытых сверху и снизу углепластиковыми накладками толщиной 0,2 мм. На крыле применен профиль «Андрюков». Центр тяжести расположен на 54% САХ.
Весь набор собран на эпоксидной смоле. Крыло обтянуто синтетической бумагой (полиэстером) на эмалите. Для удобства транспортирования крыло имеет поперечный разъём с узлами крепления. Стабилизатор и киль выполнены аналогично крылу.
Фюзеляж состоит из двух частей. Передняя силовая часть выполнена из трубки, изготовленной из СВМ (кевлар) и углепластикового пилона, в который установлены программный механизм (таймер) и передатчик для поиска модели, спереди и сзади вклеены силовые шпангоуты из алюминиевого сплава Д16Т.
Хвостовая часть представляет конус и состоит из 2-х слоёв высокопрочной алюминиевой фольги Д16Т толщиной 0,03 мм, между которыми вклеен слой углеткани на эпоксидной смоле. На конце хвостовой части установлена площадка для крепления стабилизатора и механизм перебалансировки и посадки модели.
На модели используются резиномоторы из резины FАI “Super sport”, состоящие из 14 колец сечением 1/8 //
Применение в данном классе моделей механизма позволяющего одновременно изменять диаметр и шаг винта в зависимости от крутящего момента резиномотора, позволило увеличить коэффициент полезного действия воздушного винта, что выразилось в прибавлении высоты взлета модели на 10-12 метров, продолжительность полета увеличилась на 35-40 секунд по сравнению с другими моделями, а также улучшилась стабильность полетов. И как следствие - победа на соревнованиях.
Заключение
Вывод : Принцип преобразования поступательного движения во вращательное, заложенное в данной конструкции, может использоваться в случаях, когда нельзя использовать простые рычажные механизмы.
Практические рекомендации : Подобный механизм можно использовать в приводе элеронов крылатой ракеты. Поступательное движение тяги внутри крыла, вдоль задней кромки преобразуется во вращательное движение элерона. Использовать другие механизмы довольно сложно из-за малой строительной высоты профиля крыла в районе расположения элерона и удаления элерона от корпуса ракеты.
Таким образом, на примере проектирования простейшего механизма по увеличению КПД можно рассмотреть вопросы по созданию более совершенных механизмов преобразования энергии углеводородов в механическую тепловую и электрическую энергию, что в современных условиях позволит снизить уровень выброса вредных веществ в атмосферу и улучшит состояние экологии окружающей среды и здоровье Человека.
Список литературы, программного обеспечения
1.А.А.Болонкин. Теория полета летающих моделей, изд. ДОСААФ 1962г.
2.Э.П.Смирнов, Как спроектировать и построить летающую модель самолёта, изд. ДОСААФ 1973г.
3. Шмитц Ф.В. Аэродинамика малых скоростей, изд. ДОСААФ 1961г.
4. Проектирование выполнено в программе Компас V-11
Приложение 1.
Приложение 2.
Приложение 3.
М. Маслов
В конце 30-х годов нашего столетия ограниченные возможности воздушного винта вызвали трудности в решении проблемы дальнейшего увеличения скорости полета для самолетов с поршневыми двигателями. Возрастание мощности авиационных двигателей и в особенности увеличение их высотности при существовавших конструктивных ограничениях диаметра воздушных винтов привело к необходимости увеличения числа лопастей винтов, а также их рабочей поверхности, Из всех возможных вариантов получения более эффективного винтового движителя внимание конструкторов начали привлекать соосные воздушные винты.
Элементарные соображения наталкивали конструкторов на мысль о преимуществах винтов, вращающихся в противоположных направлениях. Суммарный реактивный момент таких винтов равнялся нулю, в результате чего отпадала необходимость в аэродинамических компенсаторах. При криволинейном полете устранялся гироскопический момент, что повышало маневренность. Воздушный поток, закрученный передним винтом, выпрямлялся задним, что создавало возможности увеличения КПД. Более того, выпрямленный поток обеспечивал симметричное обтекание самого самолета, что очень благоприятствовало улучшению управляемости на взлете и посадке. Естественно, что эти соображения нуждались в подтверждениях экспериментальными данными.
Нужно заметить, что интерес к соосным воздушным винтам проявляли столько же лет, сколько лет осуществлялись пилотируемые полеты. Еще братья Райт установили на своем первом самолете винты противоположного вращения с целью устранения реактивного момента винта. В 1918 г. исследования (далеко не единственные) двухлопастных соосных винтов были проведены в лабораториях Стенфордского университета в США. Результаты этих исследований были малообещающими, так как оказалось, что КПД такой системы винтов несколько ниже, чем у одиночного двухлопастного винта. Был сделан вывод (который и подтвердился во всех последующих исследованиях) о том, что при маломощных моторах, т.е. при малых относительных нагрузках на лопасти, соосные винты преимуществ не имеют. Исследования этого вопроса были прекращены более чем на 10 – 15 лет,
Конструкторы самолетов в этот период применяли винты противоположного вращения, при помощи которых стремились в основном добиться устранения реактивного момента и повысить устойчивость самолета за счет улучшения его обдувки. Это касается прежде всего летающих лодок Дорнье «Валь», До-18, Шорт «Сингапур» и Луар-Ныопор. Очевидно, жесткие требования к гидросамолетам привели к тому, что впервые возможности соосных винтов триумфально были продемонстрированы именно на гидросамолете- итальянском Макки-Кастольди М-7 2.
Этот самолет строился специально для международных состязаний на кубок Шнейдера, где часто устанавливались и мировые рекорды скорости, Особенностью гонок было участие в них исключительно гидросамолетов, причем это были в основном двухпоплавковые машины. Летчикам, участвующим в этих состязаниях, приходилось начинать взлет под прямым углом к ветру, так как неуравновешенный реактивный момент одиночного винта заставлял противоположный поплавок погружаться в воду, в результате чего получался полный разворот на 90° к направлению ветра. Понятно, что подобный маневр был сложен в исполнении и представлял собой немалую опасность. Очевидно, что именно этот недостаток заставил конструктора Map и о Кастольди использовать соосные винты на своем М-72. В процессе создания машины проведенные исследования показали, что можно ожидать и значительного увеличения скорости. И хотя вращение винтов не было синхронизированно (каждый винт вращался от отдельного двигателя, и практически всегда имелась некоторая разница в оборотах), успех был достигнут. В 1934 г. Макки-Кастольди М-72 установил мировой рекорд скорости 709 км/ч, который продержался до 1939 г.
С этого момента интерес к соосным винтам возобновился. Появился ряд опытных самолетов, на которых проверялись теоретические исследования в этой области. Наиболее интересной среди этих машин можно назвать голландский Кольховен FK .55 (рис. 1), продемонстрированный на Парижском авиасалоне 1936 г. Однако ни FK .55, ни какой-либо подобный самолет развития не получили. Сложность и большой вес редуктора при имеющихся мощностях двигателей заметного выигрыша пока не сулили.
Только в разгар второй мировой войны, когда мощности авиационных поршневых двигателей возросли до 2000 л. с. и более, проекты соосных воздушных винтов начали реально воплощаться в конструкциях самолетов. Английская фирма «Ротол», создавшая в 1942 г. опытный образец силовой установки с соосными винтами, к концу войны оснастила ею истребитель «Сифайр». Подобные установки с успехом Пыли испытаны и на двух других опытных английских истребителях: МВ-5 и Хоукер «Торнадо». В США в тот же период соосные воздушные винты применялись на опытных самолетах ХР-75, XF – 14C и ХВ-4 2, Успех, однако, был запоздалым, ибо триумфальное восшествие газотурбинного двигателя, сулящего гораздо более высокие полетные скорости, в значительной степени сузило возможности применения воздушных винтов вообще.
С этого момента, т.е. с середины 4 0-х годов, соосные воздушные винты нашли себе применение на пассажирских и транспортных самолетах. Получив второе рождение с развитием турбовинтовых двигателей, такие винты применяются с успехом и по сей день.
Продолжая затронутую тему, следует описать работы в этом направлении, проведенные в СССР.
Среди советских конструкторов одним из первых соосные воздушные винты решил применить Александр Москалев. В период 1933 – 1934 гг. ОКБ Москалева совместно с кафедрой аэромеханики Воронежского государственного университета начало разработку новых аэродинамических компоновок с целью получения высоких скоростей полета. В результате было найдено наиболее целесообразное направление в формировании облика самолета.
Проект, получивший обозначение «Сигма» (рис. 2), представлял собой схему стилизованного треугольного «летающего крыла» очень малого удлинения (меньше единицы). На самолете предполагалось установить два двигателя Испано-Сюиза 12 YBRS с соосными винтами противоположного вращения. Как и итальянец Марио Кастольди на своем МК-72. Москалев добивался прежде всего устранения реактивного момента винта и улучшения управляемости и так же мог бы получить на «Сигме» рекордную скорость. В ноябре 1934 г. проект был окончен и направлен в Москву, в Главное управление авиационной промышленности, на рассмотрение. Идея, однако, показалась слишком необычной, проект сочли преждевременным и сдали в архив. Впоследствии автору удалось реализовать подобный самолет с маломощным мотором, но до применения соосных винтов дело не дошло.
В 1936 г. заведующий кафедрой самолетостроения Военно-воздушной академии им. Н. Е. Жуковского Виктор Болховитинов, удовлетворенный достигнутым успехом при создании четырехмоторного тяжелого бомбардировщика ДБ-А, обращается к проблеме создания скоростного боевого самолета. Из многих вариантов компоновок он выбирает схему с двумя двигателями М-103, установленными один за другим (тандемом) с передачей на соосные воздушные винты, Для решения этой задачи он конструирует спаренную установку двигателей с последующей отработкой на стенде. Стендовые испытания дели обнадеживающие результаты, поэтому в 1937 г. под руководством Болховитинова разрабатывается проект скоростного ближнего бомбардировщика, получившего индекс «С» (существовало несколько вариантов расшифровки индекса: «Сталин», «Спарка», «Спартак»). Первоначально это был самолет с однокилевым оперением и с различными вариантами применения и вооружения. На представленных схемах изображены именно первые прорисовки самолета «С» (рис. 3).
Основные данные: размах крыла 1 = 5,63 м; площадь крыла S = 32.5 м г; удлинение X = 0,975; полетный вес Ц, – 3080 кг; двигатели 2 х 124В75; = 1000 км/ч; v ^, = 125 км/ч
В дальнейшем было решено оперение машины сделать двухкилевым, В таком виде «С» был построен в 1 938 г. Винтомоторная установка этой машины представлена на рис. 4.
Проведенные испытания показали жизнеспособность силовой установки, однако полученные летные данные не удовлетворяли военных. Максимальная скорость «С» на высоте 4600 м составила 570 км/ч, что было неплохо, однако высокими оказались и скорости взлета и посадки. Было признано, что самолет испытаний не выдержал, а конструктору было предложено заняться усовершенствованием машины. В течение 1940 г. Болхо-витинов продолжает работать над своим детищем, в частности над улучшением его взлетно-посадочных характеристик и возможной установкой более мощных двигателей, Помимо прочего он настойчиво занимается поиском новых схем и компоновок.
В период конца 1940 -начала 1941 г. решение проблемы соосных воздушных винтов становится
более актуальным. Активно в этой области работают ученые ЦАГИ. Наряду с теоретическими работами по определению аэродинамических характеристик соосных винтов ведутся практические эксперименты в аэродинамической трубе ЦАГИ Т-5.
Однако еще до окончания исследований и получения результатов появляются проекты самолетов, в которых реально могла воплотиться исследуемая идея, Даже далекое от «сухопутных» проблем конструкторское бюро Бсриева, специализирующееся на машинах для гидроавиации, разрабатывает в 1 940 г. проект такого самолета, получившего обозначение Б-1 0 (рис, 5). 1 5 февраля 1940 г. Берисв обращается в Наркомат авиационной промышленности к заместителю наркома А. С. Яковлеву с просьбой рассмотреть его предложение и включить в план работ авиапромышленности на 1940- 1941 гг. Эскизный проект Б-10 представлял собой перехватчик или пикирующий бомбардировщик, выполненный по двухфюзе-ляжной схеме. Самолет предполагалось оснастить двумя двигателями М-107 с приводом на соосные толкающие винты. Подобная схема с использованием ламинарного профиля крыла NACA 23012 давала расчетную скорость 8 1 8 км/ч. Проект имел следующие основные данные:
Размах, м…1 3,0
Длина, м …1 1,260
Плошадь крыла, м…26,0
Полетный вес, кг…ЗЯ70
Практический потолок, м… 10000
Дальность, км…1 000 (0,9 Nm , ix |.
В заключении ГУАС КА (Главное Управление Снабжения Красной Армии) по проекту Б-10 говорилось, что проект вполне реален и может быть реализован. Однако, так как Берисв уже имел задание на катапультируемый корабельный разведчик КОР-2, было признана целесообразным передать разработку проекта Болховнт.пюву, который к тому времени уже имел опыт работы в этой области и реально летающий самолет «С».
В КБ Болховитинова эта машина получила обозначение «И». Разработка велась до весны 194 1 г. Пришлось преодолеть большое количество трудностей конструктивного и технологического характера. Однако неожиданное препятствие остановило разработку машины. 25 апреля 1 94 1 г. Болховитипон был вызван на совещание к заместителю наркома авиапромышленности Баландину. Присутствующие на совещании директор моторного завода Лаврентьев и главный конструктор двигателей Климов сообщили о невозможности создания снарки двигателей М-107П.
Основной причиной отказа было чрезмерное форсирование М-107П; считалось, что на этом сверх напр я жен и ом двигателе при установке удлиненного вала на рабочих оборотах могут возникнуть опасные резонансные явления, которые приведут к разрушению конструкции, Кроме того, завод имел огромный план по выпуску двигателей, вел сложную работу по доводке двигателей М-105, М-107, М-1 20. Загнанному в угол Болховитинову было предложено выбрать любой другой тип двигателя из имеющихся в стране и переработать под него свой проект. После размышлений конструктор выбрал дизель М-4 0, который хотя и был тяжеловат, но расходовал в два раза меньше топлива.
Смена двигателя повлекла за собой и изменение всего проекта. Предварительные изыскания, проведенные в мае – июне 1941 г., вернули конструктора к схеме «С». Кроме того, заинтересовавшись характеристиками М-4 0, Болховитинов разрабатывает проект четырехмоторного бомбардировщика с тандемной установкой двигателей. Однако начавшаяся война не позволила продолжить эти работы.
Примерно в середине 1941 г. были закончены исследования соосных воздушных винтов в ЦАРИ, позволившие сделать следующие выводы.
1. КПД соосных винтов при больших относительных поступях (большая поступь винта, т. е. большой шаг соответствует высокой полетной скорости) на 2 – 4% выше, чем КПД одного из одиночных винтов комбинации.
2. На режиме взлета при углах установки лопастей меньше 35° КПД соосных винтов несколько меньше, чем КПД одиночных винтов. При больших значениях коэффициента мощности тяга соосных винтов па режиме взлета больше, чем тяга одиночных винтов с покрытием (равноценной рабочей поверхностью), равным суммарному покрытию соосных.
3. Для того чтобы мощности переднего и заднего винтов были одинаковы при достижении максимального КПД, угол установки лопастей заднего винта должен быть на 1 -1,5° меньше, чем угол установки переднего винта.
4. Изменение расстояния между винтами комбинации в пределах, допустимых по конструктивным соображениям (в пределах ширины лопастей), заметного влияния на величину КПД не оказывает,
В течение войны, однако, применить на практике результаты исследований не представилось возможным. После ее окончания из трофейных немецких архивов стало известно, что в Германии в период 1941-19 4 2 гг, были проведены обширные исследования соосных воздушных винтов в аэродинамической трубе института DVL , которые практически совпали с советскими исследованиями. Совпадали они и с выводами американских ученых из NACA , но, как уже говорилось, настало время реактивной авиации.
И все-таки винты с противоположным вращением нашли применение. В начале 50-х годов КБ Туполева в поисках увеличения дальности при сохранении высокого показателя скорости создает стратегический бомбардировщик Ту-95. Эта выдающаяся машина, которая впоследствии была трансформирована в пассажирский Ту-114, летает и по сей день. Установленные на Ту-95 четыре двигателя НК-12 конструкции Н. Кузнецова развивают мощность по 15 ООО л. е. каждый и вращают соосные воздушные винты. Мощнейшая силовая установка в сочетании с такими винтами позволяет Ту-95 летать со скоростью, значительно превосходящей скорость других самолетов с турбовинтовыми двигателями. Впоследствии данная силовая установка с успехом была использована на другом советском самолете – гигантском транспортнике Ан-2 2.
В наше время идея соосных воздушных винтов нашла свое воплощение в создающихся винтовен-тиляторных двигателях.
