Воздушный винт для сверх легкой авиации
Воздушный винт является важнейшей составной частью силовой установки, и от того, насколько он соответствует двигателю и летательному аппарату, во многом зависят летно-технические качества. Кроме выбора геометрических параметров, следует уделять внимание и вопросу согласования чисел оборотов винта и двигателя, т. е. подбору редуктора.
Приведенное в этой статье решение поставленных задач базируется на широко известной монографии В. Л. Александрова «Воздушные винты», отраслевых справочных материалах и анализе опыта смотров-конкурсов СЛА.
ПРИНЦИП РАБОТЫ ВОЗДУШНОГО ВИНТА
Предположим, что лопасть винта представляет собой в плане прямоугольник, ширина которого мала по сравнению с длиной. Пусть его плоскость составляет некоторый угол ϕ с плоскостью вращения и движется с поступательной скоростью V. Суммарная скорость движения элемента лопасти будет складываться из окружной скорости ωr и скорости полета V (рис. 1).
Угол ϕ на всех радиусах будет одним и тем же, а угол ß — подхода струи к сечению будет неодинаковым на разных радиусах из-за изменения ωr по диаметру винта.
Следовательно, с уменьшением радиуса r угол ß увеличивается, а угол атаки сечения α = ϕ - ß уменьшается и может стать равным нулю или отрицательным. Между тем, из аэродинамики известно, что профиль наиболее эффективно работает на углах максимального аэродинамического качества. Поэтому для того, чтобы заставить лопасть создавать наибольшую тягу при наименьшей затрате энергии, угол ϕ должен быть переменным по радиусу — меньшим на конце лопасти и большим вблизи оси вращения — то есть лопасть должна быть скручена.
Закон распределения толщин профиля и крутки по радиусу винта, а также форма профиля определяется в процессе проектирования и уточняется впоследствии на основании результатов продувки в аэродинамических трубах. Опытно-конструкторские бюро и самодеятельные конструкторы обычно пользуются уже разработанными семействами винтов, геометрические и аэродинамические характеристики которых представляются в форме безразмерных коэффициентов.
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВИНТА
Диаметр винта D считается по окружности, которую описывают концы его лопастей.
Ширина лопасти обозначается буквой b. В расчетах обычно используют относительную ширину
Толщиной лопасти с на каком-либо радиусе называется наибольшая на этом радиусе. Она уменьшается от центра винта к его концу. Относительная толщина:
Углом установки сечения лопасти ϕ называется угол, образованный хордой данного сечения с плоскостью вращения винта.
Шагом винта Н называется расстояние, которое он пройдет в осевом направлении при повороте на один оборот, ввинчиваясь в воздух как в твердую гайку.
Шаг и угол установки сечения лопасти связаны соотношением
Реальные воздушные винты имеют шаг, изменяющийся вдоль радиуса по определенному закону. В качестве характерного принимается, как правило, для угла установки сечения, расположенного на 0,75 R от оси вращения винта, обозначаемый как ϕ0,75.
Рис. 2. Геометрические характеристики английских винтов.
Пример. Определить параметры сечения лопасти винта D= 1,2 м на расстоянии 0,27 м от оси вращения; ϕ0,75= 20°
- По графику при r= 0,45; b= 0,163; с= 0,17
ϕ — ϕ0,75.= 10°30' Следовательно,
Ь = b*D = 0,163*1,2 = 0,196 м;
с= с*b= 0,17*0,196= 0,033 м;
ϕ = 20° + 10°30' = 30°30".
- Профиль сечения — RAF-6
rн = 0,12 с = 0,12 0,033 = 0,0040 м
rxb. = 0,09 с = 0,09*0,033 = 0,0030 м
при х/b = 0,2; х = 0,2Ь = 0,0392 м;
Уb = 0,961*0,0030 = 0,0320 м; Yn = 0. и т. д.
Круткой лопасти называется изменение по радиусу углов между хордой сечения на данном радиусе и хордой на радиусе 0,75R, т. е.
ϕ — ϕ0,75
Для удобства пользования все перечисленные геометрические характеристики обычно представляют графически в функции относительного текущего радиуса винта
В качестве примера на рис. 2 приведены данные, описывающие геометрию двухлопастного винта фиксированного шага.
Если винт, вращаясь с числом оборотов в секунду nс, движется поступательно со скоростью V (м/сек), то за один оборот он пройдет путь V/ nс. Эта величина называется поступью винта, а ее отношение к диаметру называется относительной поступью винта
Аэродинамические свойства винтов принято характеризовать безразмерным коэффициентом тяги
коэффициентом мощности
и коэффициентом полезного действия
где ϼ — плотность воздуха (в расчетах может быть принята равной 
Р и N соответственно тяга и мощность на валу винта, кг, л. с.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ ПРЕДЕЛ ТЯГИ ВИНТА
Для конструктора СЛА представляет интерес возможность без трудоемких расчетов делать приближенные оценки тяги, создаваемой силовой установкой. Эта задача достаточно просто решается с помощью теории идеального пропеллера, согласно которой тяга винта представляется функцией трех параметров: мощности двигателя, диаметра винта и скорости полета. Оказывается, что тяга рационально выполненных реальных винтов на 15—25% ниже предельных теоретических значений.
Результаты расчетов по теории идеального пропеллера показаны на графике рис. 3, который позволяет определить отношение тяги к мощности в зависимости от скорости полета и параметра N/D2. Видно, что при около нулевых скоростях тяга в сильной степени зависит от диаметра винта, однако уже на скоростях порядка 100 км/ч указанная зависимость менее существенна. Кроме того, график дает наглядное представление об интенсивности уменьшения тяги винта по скорости полета, что необходимо учитывать при оценке летных данных СЛА.
ПОДБОР ВИНТА К САМОЛЕТУ
Подбор винта к самолету подразумевает выбор серии винтов, диаметра, угла установки лопасти и угловой скорости вращения. Под серией винтов фиксированного шага понимается геометрически подобные винты, у которых переменным является только угол установки лопасти. Желательно характеристики серий винтов выбирать такими, чтобы расчетная точка λрасч, ß расч. приближалась к области максимальных КПД. Практически для двухлопастных деревянных винтов СЛА можно рекомендовать разработанную в 30-е годы серию СДВ-1 или аналогичные английские винты, справочные данные по которым можно найти в литературе (см., например, Кравец А. С. «Характеристики воздушных винтов». М., Оборонгиз, 1941).
Основными расчетными режимами при определении диаметра и числа оборотов винта являются — полет на максимальной скорости; с максимальной скороподъемностью; разбег самолета Lр . Достижение наибольшей тяги на первых двух требует обеспечения максимального кпд на соответствующих скоростях.
Предлагаемая методика определения наивыгоднейших значений nc и D двухлопастного винта выбранной серии (в данном примере — английских винтов) реализует следующий алгоритм.
Расчет производится по номограммам рис. 4, а графики рис. 5 позволяют найти некоторые дополнительные соотношения, используемые в основном расчете. В качестве примера показано определение Lp и η для винта D= 1,2 м при числе оборотов n = 2500 об/мин, а на рис. 6 приведены результаты подбора винта английской серии к самолету «Птенец» — призеру СЛА-87, с мотором «Привет-22» мощностью 22 л. с.
Графически изображены результаты расчета для трех диаметров винта. Выбранные на основе сравнительного анализа параметры позволяют при сохранении высокого значения кпд на максимальной скорости обеспечить длину разбега, близкую к минимальной. Кроме того, если принять во внимание тот факт, что максимальная скороподъемность СЛА реализуется на скорости, незначительно превышающей скорость отрыва, можно заключить, что выбранный винт в составе рассмотренной силовой установки должен обеспечить и близкую к максимальной скороподъемность.
Следует отметить, что предложенная методика расчета не учитывает взаимного влияния винта и самолета, эффектов сжимаемости воздуха, которые могут проявляться на концах лопастей большого диаметра при достаточно больших угловых скоростях вращения винта (ωR 220 м/с). Однако для винтов СЛА такой метод расчета пригоден и дает вполне удовлетворительные результаты.
Определив наивыгоднейшую угловую скорость вращения винта и зная скорость вращения вала двигателя nдв ,при которой снимается нормальная мощность, нетрудно определить коэффициент редукции от двигателя на винт:
Наиболее простым и легким можно считать клиноременной редуктор с числом ручьев 2—3. Он органично содержит в себе демпфер крутильных колебаний вала двигателя, позволяющий обеспечить больший ресурс.
КОНСТРУКЦИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВИНТА
Деревянные моноблочные винты по конструкции являются наиболее доступными и простыми в изготовлении. Ресурс их ограничен, как правило, износом поверхности в зоне передней кромки, либо появлением коробления вследствие неправильного хранения или изготовления.
Металлические (дюралюминиевые) винты склонны к образованию вдоль хорды лопасти усталостных трещин, обнаружить которые визуально практически невозможно. Развитие трещин нередко приводит к внезапному разрушению винта, что чревато опасностью для летчика и технического персонала.
Наилучшим деревом для винтов является красное, однако оно дорого и дефицитно. Обычно применяют более доступные породы, как, например, ясень, клен, дуб, бук, вяз, сосна. Для уменьшения коробления заготовка для винта склеивается из нескольких тонких досок (дрок) толщиной 8—15 мм. Дроки располагают таким образом, чтобы соседние стремились коробиться в разные стороны (рис. 7). Для склеивания применяют казеиновые клеи и эпоксидную смолу с пластификатором. Смазанные клеем доски сжимают под прессом или струбцинами со средним давлением 1,5 кг/см2 и выдерживают их до полной просушки или полимеризации клея. После склейки и выдержки заготовку обрабатывают по шаблонам, рассверливают ступицу и предварительно балансируют.
Обычно лопасть в тонкой ее части оклеивают полотном для предохранения от раскалывания при мелких повреждениях винта. После склейки винт грунтуется, шлифуется шкуркой, окончательно балансируется, покрывается краской и лакируется.
На валу двигателя или редуктора винт крепится с помощью втулки (рис. 8).
Похожие материалы: