Самолетен винт. Въздушно витло. Зависимост на тягата на витлото от скоростта на полета

Изобретението се отнася до транспортната техника и се отнася до устройство за въздушно задвижване, направено под формата на витло с ограничения на неговия диаметър и метод за увеличаване на силата на тягата и ефективността на витлото. Методът се състои в избор чрез изчисление на оптималния брой лопатки на базовия витло на моноплана, които осигуряват максимален коефициент на ефективност (COP) и теглителна сила, съответстваща на тази ефективност. Определете разликата между необходимите и изчислените теглителни сили. Получената разлика се компенсира от тънкостенни полипланарни работни повърхности, прикрепени към базовите лопатки главно от страната, обърната по посока на полета (издигане), при условие че скоростта на звука не надвишава периферните скорости на краищата на базовите лопатки на витлото и полипланарни работни повърхности: D n max ≤6000, където D е ограничен (зададен) диаметър на обработената площ, m; и n max - максимална скорост на витлото, об/мин. Перката за осъществяване на метода съдържа широки базови лопатки и симетрични напречни профили на лопатките. Полиплановите работни повърхности са направени, например, под формата на решетка с набор от плоски взаимно перпендикулярни плочи и монтирани върху базовите остриета, като се започне от края на острието. ЕФЕКТ: увеличаване на силата на тягата и повишаване на ефективността на витлото. 2 п. и 10 з.п. f-ly, 1 табл., 6 ил.

Изобретението се отнася до транспортната техника и се отнася до устройство за въздушно задвижване, направено под формата на витло.

Състоянието на техниката се определя от практически монопланови витла с ограничен брой лопатки с голям диаметър. Начинът за увеличаване на силата на тягата на витлото е свързан с увеличаване на броя на лопатките на витлото, а повишаването на ефективността се постига чрез намаляване на съпротивлението на допълнителни аеродинамични носещи (работни) повърхности във въздуха в дозвуковия диапазон на скоростта на края елементи на лопатките на витлото.

Аналог на изпълнението на този метод са така наречените тандемни винтове и решетъчни крила. Както знаете, основният недостатък на тези крила е по-ниското съотношение на повдигане и челно съпротивление в сравнение с едноплановите при дозвукови скорости. Най-голямо практическо значение имат опорните, стабилизиращите и направляващите решетъчни повърхности.

Описание на прототипа и неговите недостатъци

Най-близките аналози включват многолопатни витла със значителен диаметър на носещи и повдигащи устройства на самолети и роторкрафтове на хеликоптери, които се отличават с изключително големи диаметри и ниска напречна твърдост. С конструктивните ограничения върху диаметъра на витлото и свързаното с това намаляване на обхватната площ, теглителната сила на витлото (силата на повдигане) се намалява, което е основният недостатък на монопланните витла с малък диаметър. Недостатъкът на витлата с много лопатки е намаляването на ефективността на витлото, свързано с увеличаване на аеродинамичното съпротивление на такива витла в аксиална посока. Намаляването на ефективността на витлото води до увеличаване на разхода на гориво, намаляване на обхвата на полета, товароносимостта на самолета и др. Недостатъкът на конструкциите с въртящи се крила е разнородните надлъжни и напречни вибрации, които намаляват безопасността на работа на хеликоптера, особено в неравен терен и в планински условия (феноменът на "земния резонанс" и др.).

Техническият проблем, който трябва да бъде решен чрез този метод, е да се увеличи силата на тягата на витлото, като същевременно се намали дължината на основните му лопатки и се повиши неговата ефективност със съответната икономия на гориво. Увеличаването на тягата и повишаването на ефективността се постига благодарение на допълнителни полипланарни опорни повърхности, закрепени към опорните повърхности на базовите лопатки и осигуряващи постигането на необходимите и преди всичко икономични режими на движение на самолета, например крейсерска скорост на самолет или скорост на изкачване на хеликоптер. Това взема предвид, че мощността, погълната от винта, е пропорционална на третата степен на броя обороти на винта и на петата степен на диаметъра на винта. При постоянни стойности на броя обороти, диаметъра на витлото и ъгъла на атака на лопатките, погълнатата мощност нараства приблизително пропорционално на съотношението на развитата повърхност на базовите лопатки на витлото към размера на площта пометен от него. В резултат на това мощността, погълната от витлото, е приблизително пропорционална на броя на базовите лопатки на витлото, освен ако допълнителни многопланови устройства не увеличат развитата повърхност на базовите лопатки на витлото. В същото време проблемът с ограничаването на диаметъра на витлото възниква при хидроплани и някои машини, принадлежащи към нетрадиционни конструкции на въздухоплавателни средства, например към въздушни превозни средства, т.е. за превозни средства, превърнати в самолет съгласно патент на RF № 2169085.

Същността на метода за увеличаване на силата на тягата и ефективността на витло с много лопатки с ограничен (зададен) диаметър на обхватната площ на витлото е, че методът за изчисляване избира оптималния брой монопланни основни лопатки на витлото, които осигуряват максимална ефективност и теглителната сила, съответстваща на тази ефективност при даден дозвуков, например крейсерска скорост на полет на самолет, определяне на несъответствието между необходимите и изчислените сили на тягата, компенсиране на полученото несъответствие с тънкостенен полипланарен лагер (работен) повърхности, прикрепени към базовите лопатки главно от страната, обърната по посока на полета (издигане), при условие че периферните скорости на звука не надвишават базовите скорости на базовите лопатки на витлото и полипланарни носещи повърхности:

D·n max ≤6000, където D е ограниченият (зададен) диаметър на пометената площ в m, а n max е максималната скорост на въртене на витлото, rpm. Тези съществени характеристики на метода се допълват от организацията на взаимодействието на витлото с електроцентралата (двигателя).

За да се сведе до минимум разходът на гориво на електроцентралата, скоростта на въртене на витлото, която осигурява крейсерския режим на полета на самолета, се избира в съответствие с броя на оборотите на електроцентралата с минимален специфичен разход на гориво, с толеранс от минус 5-10%.

За да се разширят скоростните режими на самолета, скоростта на въртене на витлото, съответстваща на крейсерския режим на полета на самолета, се избира по-малка от броя на оборотите на електроцентралата при минимален специфичен разход на гориво, при условие че съответният специфичен разход на гориво разходът на гориво на електроцентралата няма да надвишава минималния специфичен разход на гориво с повече от 5-10%.

За да се разширят скоростните режими на самолета, скоростта на въртене на витлото, съответстваща на режима на максимална скорост, се избира да бъде по-голяма от броя на оборотите на силовата установка при минимален специфичен разход на гориво, при условие че съответният специфичен разход на гориво на електроцентралата няма да превишава минималния специфичен разход на гориво с повече от 5-10%.

В същото време, в крейсерски режим на полет и при по-високи скорости, ограничени от максималния брой обороти на витлото съгласно горната хиперболична зависимост от диаметъра на витлото D, има близки до оптималните съотношения на геометричните параметри на полипланарните опорни повърхности:

b pp ≤b lv, където b pp и b lv са съответно хордите на плановете и основната перка на витлото; Където c - дебелина на плана; Където t - стъпкови планове; λ pp =l/b pp, където l е дължината на плановете, l=(0,2-0,3) D; ν=6°-10°, където ν е заточването на ръбовете на плановете; m≤8, където m е броят на плановете в една клетка при m≤4, за m=5-8 полиплановото устройство може да бъде поставено от двете страни на основната лопатка; H=(m+1)·t, където H е височината на полиплановото устройство.

Аеродинамичните натоварвания на плановете, увеличаването на тягата и ефективността зависят от тези параметри.

Дадените параметри са показани на фиг.1, 2, 3, 5, 6. Следователно общият брой планове за този метод където k е броят на основните лопатки на витлото.

В същото време същността на този метод, изразена чрез връзката на кинематичните характеристики на витлото и поглъщаната от него мощност с енергийните характеристики на силовия агрегат (двигателя), се представя, при определени допускания, от следното баланс на мощността:

N t \u003d N e -N in, където N t е мощността на тягата на витлото при дадена скорост на полета, Ne е мощността на силовия агрегат в съответния режим на полет и Nv е мощността, погълната от витлото и изразходвана върху аеродинамичното съпротивление на въртене на витлото. В този случай разходът на гориво на силовия агрегат се дава чрез специфичния разход на гориво g e (g/l.c. час): G t =ge ·N e ·10 -3 , където G t е часовият разход на гориво (kg/h ). Тези отношения показват Фиг.4.

Следователно съотношението на N t към сумата на N t +N в дава възможност по принцип да се определи ефективността на метода и устройството за неговото прилагане, както чрез изчисление, така и чрез експеримент. Увеличаването на силата на тягата с няколко пъти въз основа на полипланарната конструкция на витлото е придружено от увеличаване на неговото аеродинамично съпротивление. Увеличението на съответната абсорбирана мощност обаче изостава от увеличаването на силата на тягата и N t, така че ефективността има тенденция да се увеличава при посочените стойности на t, т.е. брой равнини в многоплоско витло устройство.

По този начин този метод за увеличаване на силата на тягата и ефективността на витлото определя по-високо ниво на технологиите в разглежданата област, възможността за промишлено производство и използване в различни работни условия. Това дава основание методът да бъде защитен като индустриална собственост.

Връзка на съществените характеристики на метода с решението на техническия проблем

Причините за ограничаване на диаметъра на витлото могат да бъдат разнородните изисквания за производство и експлоатационна употреба на самолета. Във всеки случай, като се вземат предвид тактическите и технически изисквания и свързаният с тях диаметър на витлото, в случай на лопатки на витлото на моноплана, се намалява силата на сцепление или изтласкване. Това налага да се увеличи броят на витлата и съответно на силовите установки на самолета, за да се осигури необходимата скорост на полета и скорост на набор. Възможно е обаче да възникнат непредвидени технически несъответствия. Например при хидросамолети разполагането на витлови агрегати върху крилата води до увеличаване на пикиращия момент от силите на тягата, което изисква подходяща компенсация за противоположно действащите моменти на стабилизатора. Следователно наличието на посочените противоречия води до допълнителни проблеми от технико-икономически характер. Във връзка с гореизложеното използването на полипланарни лопатки на витлото може да направи възможно най-простото и рационално решаване на основния технически проблем, а именно да се елиминира появата на технически противоречия. Сред тях отбелязваме следното: заедно със силата на тягата обикновено възниква проблемът с ефективността, което от своя страна е свързано с потреблението и доставката на гориво на борда на самолета, ограничаване на товароносимостта или обхвата на полета и т.н. систематичен подход към проектирането и създаването на конкурентен обект на апаратура за авиационна техника, приоритетът е усъвършенстването на необходимите процеси за преобразуване на енергия с максимална ефективност, която за витлата зависи от броя на неговите лопатки (k). С увеличаване на броя на лопатките от минимум 2-3, ефективността на винта се увеличава и достига максимум при число k = 5-7, а с по-нататъшно увеличаване на k ефективността започва да намалява.

Има причина, на първо място, да се намери числото k, съответстващо на максималната ефективност, и след това да се увеличи силата на тягата на витлото чрез увеличаване на броя на тънкостенните носещи (работни) плочи на полипланарни повърхности на основните лопатки, без увеличаване на проекцията на витлото върху пометената площ и без значително увеличаване на челното съпротивление на витлото и самолета, както и без увеличаване на съпротивлението на въздуха при въртене на витлото.

По този начин първите съществени характеристики на предмета на изобретението са причинно свързани с решението на техническия проблем на метода.

Най-важните съществени характеристики са характеристиките на тънкостенните полипланарни опорни повърхности, които осигуряват минимизиране на тяхното съпротивление и енергията, погълната от витлото, т.е. намаляване на съпротивлението на витлото и повишаване на неговата ефективност. Последната причинно-следствена връзка е особено изразена, когато се сравнява този метод с метода на използване на тандемни винтове. Същата цел е и ограничаването (предотвратяването) на свръхзвукови периферни скорости в краищата на лопатките на витлото, изразено чрез горното числено условие, което ограничава максималния брой обороти на витлото в хиперболична зависимост от диаметъра на витлото.

За да изясним и потвърдим горните разпоредби, нека разгледаме резултатите от проектните изчисления на витло за тежко въздушно превозно средство (маса G = 3 тона). Мощност на двигателя съгласно гореспоменатия RF патент № 2169085 N max ≤600 к.с. Ограничението на диаметъра на витлото (D) на това въздухоплавателно средство се дължи на факта, че не трябва да надвишава общата ширина на въздушното превозно средство, в противен случай въздушното превозно средство няма да бъде сертифицирано за пътни експлоатационни условия според изискванията за пътна безопасност. Поради тази причина диаметърът на витлото трябва да бъде ограничен (D≤2m).

Нека оценим изчислената сила на тягата на витлото (T p) и неговата ефективност (η) за зададената крейсерска скорост v=200 km/h и скорост на въртене на витлото n=2000 rpm за редица стойности на броя на основните лопатки на витлото k=4-8 .

N (к.с.)	к	Tr (кг)	η (%)
400	4	399,0	0,74
	6	407,9	0,755
8	405,9	0,752
500	4	491,0	0,727
	6	497,5	0,737
8	489,9	0,726
600	4	565,4	0,698
	6	581,5	0,718
8	579,0	0,715

Изчисленията са направени от А. Н. Кишалов.

Получените данни дават основание да се избере изчисленият брой k=6 лопатки и тяга, равна на T p =581,5 kg за монопланен винт. Но за поддържане на крейсерския режим на полета при определеното n се задава сила на тягата, равна на T t >T p съгласно техническите изисквания. Следователно несъответствието ΔT=T t -T r ≈T r ≈0,5 T t.

За да се получи даден T t, е необходима допълнителна площ от полипланарни работни повърхности, приблизително равна на площта на основните остриета. Разпределяйки тази площ върху частичната дължина на лопатките на моноплана, ние получаваме препоръки за по-нататъшни изчисления на дизайна и за производството на прототипи на многопланово витло. В същото време отбелязваме, че има резерв за увеличаване на силата на тягата с увеличаване на броя на оборотите на витлото до n max, осигурявайки съответната максимална скорост. Сравнявайки условието, че периферните скорости в краищата на лопатките на витлото не надвишават скоростта на звука, можем да се уверим, че е осъществимо: n max =6000·D -1 =3000 rpm.

Следователно проектираният самолет има резерв за увеличаване на скоростта на полета чрез увеличаване на броя на оборотите на витлото над този, който осигурява крейсерската скорост на полета. От представените данни може да се види също, че при необходимост е допустимо да се опита да се получи по-висока теглителна сила при по-ниски скорости на витлото чрез увеличаване на броя на полипланарните опорни повърхности.

Следователно използването на този метод също така представлява потенциална възможност за намаляване на експлоатационните разходи за гориво, когато зададеният брой обороти на винта, съответстващ на крейсерската скорост n k, не съвпада в определени граници с броя обороти на електроцентрала, съответстващ на минималния специфичен разход на гориво.

По този начин този метод разширява границите на интегрираното повишаване на ефективността на "електроцентрала - витло", или накратко "двигател - задвижване", увеличава теглителната сила T и ефективността, има индустриално значение и може да бъде подаден за патент защита на индустриалната собственост.

Уточняваме причинно-следствените връзки на признаците и техническите резултати от метода.

Възможността за повишаване на ефективността се дължи на факта, че увеличаването на тягата се постига чрез използване на тънкостенни полипланарни опорни повърхности със значително по-ниско аеродинамично съпротивление от базовите лопатки на витлото. Следователно увеличаването на теглителната сила е пропорционално на увеличаването на броя на полипланарните работни повърхности, докато съпротивлението на въздуха на витлото се увеличава в много по-малка пропорция. Това променя баланса на мощността и ефективността на витлото в желаната посока съгласно следния израз:

η=1/,

N t е силата на тягата на витлото на моноплана;

N in - мощност, погълната от витло на моноплан;

ΔT е коефициентът на увеличаване на силата на тягата на витлото с полипланарно устройство;

ΔC - коефициент на увеличение на съпротивлението на витлото с полипланарно устройство;

В същото време се прави предположението, че известните компоненти на обобщената ефективност на монопланен витло запазват своите стойности, когато витлото е оборудвано с полипланово устройство.

Разбира се, трябва да се има предвид, че мощността, погълната от винта, е пропорционална на третата степен на броя обороти на винта, както е отбелязано по-горе. Поради тази физическа причина промените в броя на оборотите на витлото имат значителен ефект върху промените в мощността, погълната от витлото. Така че, в границите на промяна на броя на оборотите с 5-10%, абсорбираната мощност се променя с 16-33%. Използването на това явление позволява да се получат допълнителни възможности за повишаване на ефективността и намаляване на специфичния разход на гориво на електроцентралата, главно за витло, работещо при постоянна скорост, съответстваща например на минималния специфичен разход на гориво.

По този начин представеният метод за увеличаване на силата на тягата и ефективността на витлото, като се вземат предвид характеристиките на скоростните характеристики на електроцентралата и характеристиките на разхода на гориво, отваря допълнителни възможности за подобряване на ефективността на двигателно-задвижващата система .

За прилагане на представения метод за увеличаване на силата на тягата и ефективността е необходимо устройство за витло, главно с широки основни лопатки и симетричен напречен профил на лопатките. За да се намали поглъщаната мощност и да се увеличи ефективността на полипланарните носещи (работни) повърхности, те се изработват например под формата на решетка с набор от плоски взаимно перпендикулярни плочи и се монтират на ограничена дължина на основата остриета, започвайки от края на острието. Основните остриета са изработени с променлива дебелина, която не надвишава от край до край (т.е. от дупето до края) 10% от дължината на струната на острието, общата дебелина на допълнителните планове не надвишава 1/3 от дебелината на основното острие и дебелината на планови плочи и разстоянието между тях трябва да се отнася за хордата b pp, както е посочено по-горе, т.е. а освен това предният и задният ръб на допълнителните планове са заострени.

В същото време нивото на технологиите се повишава поради отчитането на кръговото движение на полиплановото устройство. Плочите, свързващи полипланарните опорни (работни) повърхности, са направени цилиндрични с радиусите на цилиндричните повърхности, равни на разстоянията на тези плочи от центъра на въртене на витлото, а образуващите на цилиндричните повърхности са наклонени от нормалата към равнина на симетрия на основната лопатка от средния ъгъл на атака на базовите лопатки, който се задава в крейсерски режим на полет, а наклонът на образуващите цилиндрични повърхности се извършва в посоката на въртене на винта (към въртене на острието), в резултат на което тези генератори са успоредни на оста на въртене на винта.

За да се осигурят къси разстояния при излитане и кацане на самолета, плановете на полиплановото устройство са зададени със собствени ъгли на атака при неутрално положение на базовата лопатка.

За да се повиши ефективността на полиплановото устройство на всички етапи на полета от излитане до кацане, плановете се правят профилирани по протежение на основната лопатка на разстояние 30-50% от хордата от предния ръб на плана с извивката на плановата плоча под ъгъл γ и с възможност за увеличаване на ъгъла на огъване в посока към оста на въртене на винта в съответствие със зависимостта на ъгъла от дължината на плана l p и разстоянието от края на основата острие l i чрез израза:

tgγ i =(l+l i /l n)tgγ o , където γ o е началният ъгъл на огъване на плана, образуван с равнината на асиметричното напречно сечение на основната лопатка и определен в края на основната лопатка (виж фиг. .5 и 6).

За да се увеличи твърдостта на плановете в надлъжна и напречна посока и да се намали нивото на шума, главно за асиметричния профил на основната лопатка, плановете са направени криволинейно-гофрирани, а радиусите на кривината се променят по дължината на основната лопатка и са равни на разстоянията на върха на всяко отделно гофриране до центъра на въртене на винта.

За да се осигури твърдост и здравина, да се намалят вибрациите и нивата на шум, неразглобителната връзка на плановете между тях и основното острие се извършва главно чрез високотемпературно запояване и с аморфизиране на слоевете на спойка, например остри дълбоко охлаждане.

В същото време, за да се осигури ремонтопригодност и да се подобри адаптивността към различни условия на работа, витлото е оборудвано със сменяеми (модулни) полипланови устройства, които се отстраняват от базовите лопатки, които се различават по степента на увеличаване на тягата, например за плоски и високопланински условия. Това обстоятелство е важно както за разработения метод за патентоване, така и за устройството за неговото прилагане.

Предвид възможността за използване на този метод и устройство при различни климатични и метеорологични условия, за борба с обледеняването, перката е оборудвана с устройство против обледеняване.

Описание на устройството в статика.

Фигури 1, 2, 5 и 6 показват структурата на основната лопатка на витло с полипланарно устройство, което служи за увеличаване на тягата и ефективността. Фигура 1 показва следните конструктивни елементи на устройството: 1 - основна лопатка с ос на въртене 2, 3 - план на плочата, 4 - планове на скобата на капака, 5 - планове на свързващите плочи.

Основната лопатка на тези фигури на витлото е представена в неутрално положение при липса на ъгъл на атака (α=0). Устройството Polystan, монтирано на основната лопатка, съдържа планови плочи с допълнителни работни повърхности, които увеличават общата аеродинамична опорна повърхност с основната лопатка. Поставянето на полиплановото устройство, започващо от края на основната лопатка, повишава неговата ефективност както в статика, така и в динамика. В статиката многоплановото устройство намалява масата на това устройство в сравнение с моноплановото устройство с витло с по-голям диаметър. Това предимство е особено очевидно при машините с ротационни крила и, което е много важно, поради скъсяването на лопатките, безопасността на хеликоптерите се повишава в условия на работа в неравен терен при полет на ниска надморска височина, маневриране и др.

В същото време полиплановото устройство увеличава надлъжната и напречната твърдост на основната лопатка, което позволява да се намали нейната дебелина, а в динамиката увеличава теглителната сила, като същевременно минимизира общата маса на полипланерното устройство и основната лопатка. Всъщност полипланарното устройство, заедно с основната лопатка, образува конструкция от фермов тип, която съответно рязко увеличава собствените честоти на трептене на лопатката, намалява амплитудите на трептене и вътрешните напрежения в строителните материали. Това увеличава якостта на умора на витлото.

Увеличаването на ефективната площ на полиплановото устройство може да се извърши както от едната страна (фигура 1 и 5), така и от двете страни (фигура 6) на основната лопатка на витлото, започвайки от края и завършвайки при дължина 0,5-0,7 от дължината на базовите лопатки за намаляване на концентрацията на напрежение от действието на двустранни еднопосочни натоварвания.

Симетричен профил по отношение на хордата на лопатките (фиг. 5а и 6а) е за предпочитане пред асиметричен (фиг. 5b и 6b).

Според данните технологията на производство на решетъчни крила представлява неотделими конструкции на полипланови устройства, като се има предвид тяхното еднократно използване в повечето случаи (например в ракетната наука). Напротив, самолетът за многократна употреба се характеризира с дългосрочна употреба за многократна употреба, което предизвиква интерес към разглобяемите конструкции, например трябва да се вземе предвид не само поддръжката, но и възможността за използване на полипланови устройства с различна мощност, като се вземе предвид различни експлоатационни условия и изисквания за полипланови витла. Така, например, за равнинни и високопланински условия полипланните устройства могат да се различават по броя и размера на плановете, за да осигурят най-голяма ефективност на самолета, изисквания за икономия на гориво и др.

Следователно, на едно базово витло могат да се използват различни полиплан модули, които са подвижни и сменяеми.

По този начин в процеса на разработване и научноизследователска и развойна дейност трябва да бъдат представени различни дизайни на полипланови витла. Това обстоятелство трябва да бъде отразено в патентната защита на този метод и устройството за неговото прилагане.

Използването на решетъчни крила за кръгово движение на лопатките на витлото усложнява задачата за осигуряване на минимално въздушно съпротивление на многоплоска конструкция. Факт е, че с праволинейно движение на плочите на плановете могат да бъдат плоски и взаимно перпендикулярни. За витло свързващите плочи, монтирани перпендикулярно на лопатката на витлото, не могат да бъдат плоски, т.к. в този случай те ще увеличат съпротивлението на въздуха при въртенето на витлото (т.е. ще „загребват“ въздуха, ще му кажат да се движи по лопатката, увеличавайки турбулентността в зоната на полипланарните опорни повърхности).

За да се елиминира това неблагоприятно явление, плочите, свързващи полипланарните повърхности, трябва да бъдат профилирани, т.е.

цилиндрични, с радиуси на кривина R1, R2,...Rn, равни на разстоянията на тези плочи от центъра на въртене на винта (фигура 2). С този дизайн на плочите, свързващи плановете, те ще осигурят минимално съпротивление при въртенето на витлото.

Освен това същите плочи трябва да вземат предвид въртенето на лопатките на базовия витло под ъгъла на атака, за да създадат сила на натиск (повдигане). Решението на този проблем трябва да се търси при витла с променливи ъгли на атака на лопатките, като се отчита продължителността на работа на витлото с един или друг ъгъл на атака. В повечето случаи най-правилна ще бъде ориентацията към ъгъла на атака, съответстващ на крейсерския режим на полета на самолета. Отчитането на ъгъла на атака на основната лопатка при образуването на свързващите плочи трябва да гарантира, че образуващата на цилиндричната повърхност е успоредна на оста на въртене на витлото. Тогава ще бъде осигурено минимизиране на въздушното съпротивление на тези плочи по време на кръгово движение (в рамките на кръга, изметен от витлото).

Така в крайна сметка свързващите плочи на полипланарно устройство ще бъдат наклонен разрез на цилиндрична повърхност, т.е. всъщност сегмент от елипсовидна повърхност. Това обстоятелство трябва да се вземе предвид, като се започне с производството на първите прототипи на витло по този метод. Всъщност тези уточнения се отнасят до "ноу-хау" на метода за увеличаване на тягата и ефективността на витлото, както и устройството за неговото прилагане.

Наред със спецификата на формирането на свързващите плочи е необходимо да се вземат предвид условията за повишаване на ефективността на опорните повърхности на плановете във взаимодействие с базовите лопатки.

Тези условия са свързани с три ограничения: първо, разстоянието от основното острие до следващата опорна повърхност на плана зависи главно от дебелината на плановите плочи, съотношението им трябва да бъде около 1:10 (оптимум); второто - ъгълът на атака на плана β i трябва да бъде по-голям от ъгъла на атака на основната лопатка α с няколко градуса (1°-5°), фиг.5 и 6; трето - същото може да се отнася и за ъглите на атака на следващите планове, т.е. β i -β i-1 =1°-5°.

Последното ограничение може да бъде свързано и с разликата в периферните скорости в края на лопатката на витлото и в средната част на лопатката, в зоната на която се препоръчва да се завърши полипланарното устройство, където споменатото съотношение 1: 10 се намалява до 1:8.

Теорията и практиката за използване на полипланови устройства на решетъчни крила показва, че колкото по-тънки са плановете, толкова по-малко разстояние между тях е необходимо, за да се получи необходимото повдигане (или управление). Ограничението е здравината и твърдостта на плановете, както и технологичните проблеми на надеждността на съединенията, направени чрез запояване. В същото време отрицателен страничен ефект е разширяването на спектъра от звукови явления с намаляване на твърдостта на тънките равнини.

Използването на гофрирани плочи с вдлъбнатини и издатини, съизмерими с дебелината на плановете, вместо плоски плочи, е препоръчително, т.к. това драстично увеличава твърдостта на плановете. Това може да се оцени чрез методите на теорията на еластичността, като се определи така наречената цилиндрична коравина на гофрираните плочи.

От използването на гофри може да се очаква и положителен аеродинамичен ефект: ламинаризиране на съседните слоеве на въздушния поток по протежение на гофрирането, забавяне на отделянето на потока от повърхността на плана, когато потокът е нестабилен и скоростта му се увеличава.

Отбелязаните признаци и характеристики на гофрираните плочи позволяват леко да се увеличат ъглите на атака на плановете.

Следователно, отчитането на разнородните явления, свързани с работата на полиплановото устройство, позволява да се подобри и увеличи ефективността на витловото устройство, т.е. задвижването на самолета.

По този начин този метод за увеличаване на силата на тягата и ефективността е осъществим с представеното витло за различни условия на работа на самолети, хеликоптери, въздушни превозни средства и друго авиационно оборудване.

Работата на полиплановото витло се разглежда с автоматично регулиране на скоростта, което осигурява най-икономичното използване на цялата мощност на двигателя в различни режими на полет. В същото време условията на работа на полиплановия витло се разглеждат от гледна точка на изпълнение на изискванията за кратко излитане и кацане, минимизиране на моментите на инерция и жироскопични моменти при управление на вектора на тягата на витлото.

Известно е, че саморегулиращите се витла оптимизират условията за излитане и изкачване, увеличават границата на постижимата скорост. Това е обяснено в системата "двигател-задвижване" на фиг.4. Освен това трябва да се има предвид, че самонастройващите се витла подобряват управляемостта на превозното средство с кабриолет на въздухоплавателно средство при шофиране по пътя и извън него по стръмни наклони, особено при използване на управление на вектора на тягата.

Въпреки това, като се имат предвид приоритетните изисквания за висока горивна ефективност и повишаване на ефективността, основно работата на многоплановото витло се разглежда при постоянна скорост в зона А (фигура 4), съответстваща на най-висока ефективност и икономия на гориво в режим на крейсерски полет. Тази разпоредба остава в сила при поставяне и решаване на проблема с късо излитане и кацане на самолет. В същото време, при решаване на проблема с късо излитане, работата на витло с полипланарно устройство може да се разглежда в зоната на по-високи скорости, ограничена от външната характеристика на двигателя и зона B (фиг. 4) на погълната мощност на витлото, т.е. при (Ne-Nv)≥Nt.

При поставяне на задачата за осигуряване на кратко излитане и кацане (във взаимодействие със спирачките на колелата на колесника), пробегът до спиране на самолета може да бъде намален почти наполовина. В този случай спирачната сила, развивана от витлото, може да надвиши силата на тягата. Съответно, мощността, погълната от винта, също се увеличава. Цялостното подобряване на тягата и характеристиките на тягата на витло с полипланово устройство се постига по-лесно с двустранно разположение на полипланерно устройство, т.е. от двете страни на основното острие (фигура 6). В случаите, когато е необходимо да се компенсират жироскопичните моменти на витлото при управление, например, на вектора на тягата, препоръчително е да се използват две противоположно въртящи се витла, което ограничава условията за поставяне на полипланарни устройства. За преодоляване на това техническо противоречие могат да се използват профилни планови плочи, които са схематично отразени на фиг.5b и 6b.

По този начин полиплановото устройство, заедно с увеличаването на тяговите характеристики на витлото с ограничен диаметър, разширява възможностите за подобряване на други важни функционални и експлоатационни свойства на самолета. В този случай работата на полипланарното устройство е свързана с по-малко съпротивление при въртене на витлото, т.е. причинява по-малко абсорбирана мощност на винта, което повишава неговата ефективност.

Нека разгледаме по-подробно работата на основната лопатка с двустранно и симетрично разположение на полипланарното устройство (горна и долна, фиг.6а). В този случай, когато α=0 и въртенето на витлото под ъглите на атака на горния β i и долния β j планове, има практически балансирани многопосочни сили T i и T j . С увеличаване на подаването на гориво към двигателя и увеличаване на броя на оборотите, автоматичното управление осигурява завъртането на основната лопатка под ъгъл α и в същото време привежда цялото многопланово устройство до положителни ъгли на атака и , съответно, към еднопосочни сили T. Общата сила на натиск на основната лопатка и планове нараства бързо, в резултат на което излитането се ускорява и съкращава. При кацане всичко се случва в обратен ред. След преминаване на неутралното положение (α=0) на базовата лопатка и плановете на полипланарното устройство възникват отрицателни ъгли на атака и отрицателно насочени сили Т, т.е. спирачни сили. По този начин спирачният процес се интензифицира, а спирачният път се съкращава два до три пъти в сравнение със спиране само с колесни спирачки.

Сложността на въздушния поток в полипланарно устройство има поне три ефекта: 1 - възможността за увеличаване на силата на тягата на витлото и неговата ефективност; 2 - възможността за създаване на спирачна сила от витлото при промяна на посоката на въртене с постоянен ъгъл на атака на основната лопатка или с постоянна посока на въртене, но с промяна на ъгъла на атака на основата лопатка от положителна към отрицателна и 3 - възможността за обледеняване на витлото и полиплановото устройство поради ефекта Джаул Томпсън.

Ако първите два ефекта трябва да се отдадат на положителните резултати от този метод и устройство, то третото явление изисква мерки за борба с обледяването, главно при висока влажност и относително ниски температури, например в планински и високопланински условия на работа на самолет. Последното обаче изисква експериментална проверка, тъй като неизбежните вибрации на структурните елементи на полиплановото устройство могат да имат разрушителен ефект върху ледената покривка (кора) на тънколистови планове. Увеличаването на теглителната сила и ефективността, както и възможността за съкращаване няколко пъти на пробега по време на излитане и кацане на самолет, базиран на този метод и устройство, трябва да се отдаде на по-високо ниво на авиационни технологии и необходимостта от защита на индустриалната собственост.

ЛИТЕРАТУРА

1. Белоцерковски С.М., Фролов В.П. и други решетъчни крила. - М.: Машиностроение, 1985. 320 с.

2. Морозов О.А., Белоцерковски С.М., Фролов В.П. и др. авт. сертификат № 1512859 СССР, MKI V63N 16/04,1987, B.I. № 37, 1989.

3. Goshek I. Аеродинамика на високи скорости. - М.: Изд-во иностр. лит., 1954. 547 с.

4. Петраков В.М., Фролов В.П., Ципенко В.Г. Многокорпусен самолет. авт. сертификат № 2111896 RF, MKI V64S 35/00.

5. Луканин В.Н., Дербаремдикер А.Д. RF патент № 2169085, IPC B60F 5/02, 1999, B.I. бр.17, 2001.

6. Белоцерковски С.М., Камнев П.И. Решетъчни крила в ракетостроенето, космонавтиката, авиацията. / Ед. Белоцерковски С.М., Фролов В.П., Подобедова В.А., Плаунова В.П. - М.: Нови център, 2007. 407 с.

7. Курочкин Ф.П. Проектиране и конструиране на самолети с вертикално излитане и кацане. - М.: Машиностроение, 1977. 223 с.

Списък с чертежи

Фиг. 1. Структурна схема на лопатка на витло с полипланарно устройство в края на лопатката: 1 - основна лопатка на витло; 2 - оста на въртене на витлото и посоката на силата на тягата T; 3 - планова плоча; 4 - планове на капак; 5 - свързващи плочи на планове; D - диаметър на витлото; 1 и Н са съответно дължината и височината на полиплановото устройство.

Фиг.2. Изглед на основното острие с полипланово устройство по оста на въртене на винта: 6 - гофрирана повърхност на капака на държача на планове и радиуси на кривина R 1 и R 5 на крайните стени на държача на планове и свързване стелажи на планове R 2 , R 3 , R 4 ; b - ширина на острието (хорда). Обозначенията 1-5 са показани на фиг.1.

Фиг.3. Видове полипланови устройства: а - рамка; b - клетъчен; в - комбиниран.

Фиг.4. Пример за външна скоростна характеристика на мощността на бутален двигател с вътрешно горене на самолет с характеристика на специфичния разход на гориво и схема за координиране на оптималните режими на работа на системата за задвижване на двигателя и минимизиране на разхода на гориво с повишена ефективност на витло: Ne - мощност на двигателя в зависимост от скоростта на въртене на коляновия вал (n) ; g e - характеристика на специфичния разход на гориво;

A - зоната на икономична работа на витлото в крейсерски режим на полет на самолета; B - зоната на характеристиките на мощността, погълната от витлото, в зависимост от скоростта на въртене на коляновия вал на двигателя.

Фиг.5. Структурни схеми на едностранна инсталация на полипланарно устройство върху лопатките: а - лопатки със симетрично напречно сечение и б - с асиметрично напречно сечение: 1 - базова лопатка; 7 - центърът на оста на въртене на основната лопатка при ъгъла на атака на лопатката: +α по време на излитане и полет и -α по време на кацане и спиране след докосване на референтната повърхност с постоянна посока на въртене; 3 - планове на многопланово устройство, обърнато към полета (издигане) и монтирано на собствени ъгли на атака β i и β m спрямо хоризонталата; 8 - посока на въртене на винта (виж фигура 1); T l - сила на тягата на отделна лопатка на витлото. Обозначенията 1-3 са показани на фиг.1.

Фиг.6. Структурни диаграми на двустранно монтиране на полипланово устройство върху базовите лопатки на витлото: a и b - съответно със симетрично и асиметрично напречно сечение на лопатките; 1-7 същото като на фиг.1 и 5; 9 - планове на полипланово устройство, монтирано от противоположната страна на острието под ъгли и

1. Метод за увеличаване на силата на тягата и ефективността на витло с много лопатки с ограничен зададен диаметър на пометената площ на витлото, което се състои в избора на оптимален брой монопланни основни лопатки на витлото чрез изчислителния метод, осигуряващ максимална ефективност и теглителната сила, съответстваща на тази ефективност при даден дозвуков, например крейсерска скорост на полет на самолет, определя разликата между необходимите и изчислените сили на тягата, компенсира получената разлика с тънкостенна полипланарна носеща товароносимост ( работни) повърхности, прикрепени към основните лопатки главно от страната, обърната по посока на полета (издигане), при условие че периферните скорости на краищата на базовите лопатки на витлото не надвишават скоростта на звука и многоравнинни носещи повърхности: D n max ≤6000;
където D е ограниченият (даден) диаметър на пометената площ, m,
и n max - максимална скорост на витлото, об/мин.

2. Метод съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че скоростта на въртене на витлото, която осигурява крейсерския режим на самолета, се избира в съответствие с броя на оборотите на електроцентралата с минимален специфичен разход на гориво с толеранс. от минус 5-10%.

3. Метод съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че скоростта на въртене на витлото, съответстваща на крейсерския режим на самолета, се избира по-малка от броя на оборотите на електроцентралата при минимален специфичен разход на гориво при условие, че съответното специфично гориво потреблението на електроцентралата няма да надвишава минималния специфичен разход на гориво гориво с повече от 5-10%.

4. Метод съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че скоростта на въртене на витлото, съответстваща на режима на максимална скорост, се избира да бъде по-голяма от броя на оборотите на електроцентралата при минимален специфичен разход на гориво при условие, че съответното специфично гориво потреблението на електроцентралата няма да надвишава минималния специфичен разход на гориво гориво с повече от 5-10%.

5. Витло за изпълнение на метода съгласно която и да е от претенциите от 1 до 4, предимно с широки базови лопатки и симетричен напречен профил на лопатките, характеризиращо се с това, че полипланарните опорни (работни) повърхности са направени, например, във формата на решетка с набор от плоски взаимно перпендикулярни плочи и са монтирани на ограничена дължина на базовите лопатки, започвайки от края на лопатката, докато основните лопатки са направени с променлива дебелина, която не надвишава 10% от дължината на хордата на лопатката от края до задника, общата дебелина на допълнителните планове не надвишава 1/3 от дебелината на основното острие, а дебелината на плановете на плочите и разстоянието между тях трябва да бъдат съотнесени като: 1: (90 ± 10), а предните и задните ръбове на допълнителните планове са заострени.

6. Витло съгласно претенция 5, характеризиращо се с това, че плочите, свързващи полипланарните опорни (работни) повърхности, са направени с радиуси на цилиндрични повърхности, равни на разстоянията на тези плочи от центъра на въртене на винта, а образуващите на цилиндричните повърхности са наклонени от нормалата към равнината на симетрия на основната лопатка към средния ъгъл на атака на базовите лопатки, който се задава в крейсерски режим на полет, а наклонът на образуващите на цилиндричните повърхности се извършва в посока на въртене на витлото (към въртенето на лопатката), в резултат на което тези образуващи са успоредни на оста на въртене на витлото.

7. Витло съгласно претенция 5, характеризиращо се с това, че плановете на полиплановото устройство са монтирани със собствени ъгли на атака с основната лопатка в неутрално положение.

8. Витло съгласно претенция 7, характеризиращо се с това, че плановете са профилирани по протежение на основната лопатка на разстояние 30-50% от хордата от предния ръб на плана с плановата плоча, огъваща се под ъгъл γ, и с възможността за увеличаване на ъгъла на огъване в посока към оста на въртене на винта в съответствие с зависимостта на ъгъла от дължината l n на плана и разстоянието l i от края на основната лопатка съгласно израза: tgγ i =(l+l i /l n) tgγ o , където γ o е началният ъгъл на огъване на плана, образуван с равнината на асиметричното напречно сечение на основната лопатка и определен в края на основната лопатка.

9. Витлото съгласно претенция 8, характеризиращо се с това, че плановете са криволинейно гофрирани, а радиусите на кривината варират по протежение на основната лопатка и са равни на разстоянията на върха на всяка отделна гофра до центъра на въртене на винта.

Предназначение и видове самолетни силови установки.

Електрическата централа е проектирана за създаване на силата на тягата, необходима за преодоляване на съпротивлението и осигуряване на движението на самолета напред.

Теглителната сила се генерира от инсталация, състояща се от двигател, витло (витло) и системи, които осигуряват работата на задвижващата система (горивна система, система за смазване, система за охлаждане и др.).

В момента турбореактивните и турбовитловите двигатели се използват широко в транспортната и военната авиация. В спорта, селското стопанство и различни цели на спомагателната авиация все още се използват електроцентрали с бутални самолетни двигатели с вътрешно горене, които преобразуват топлинната енергия на горящото гориво в енергията на въртене на витлото.

На самолетите Як-18Т, Як-52 и Як-55 силовата установка се състои от бутален двигател M-14P и витло V530TA-D35 с променлива стъпка.

Много спортни самолети използват двигатели Rotax:

КЛАСИФИКАЦИЯ НА ВИТЛАТА

Винтовете се класифицират:

според броя на лопатките - дву-, три-, четири- и многолопаткови;

според материала на изработка - дървени, метални, смесени;

по посока на въртене (изглед от пилотската кабина по посока на полета) - ляво и дясно въртене;

по местоположение спрямо двигателя - теглене, бутане;

според формата на остриетата - обикновени, саблевидни, лопатовидни;

по видове - фиксирана, неизменна и променлива стъпка.

Перката се състои от главина, лопатки и е монтирана на вала на двигателя със специална втулка.

Винт с фиксирана стъпка има остриета, които не могат да се въртят около осите си. Ножовете с главината са направени като едно цяло.

винт с фиксирана стъпка има остриета, които са монтирани на земята преди полет под произволен ъгъл спрямо равнината на въртене и са фиксирани. По време на полет ъгълът на монтаж не се променя.

винт с променлива стъпка Има лопатки, които по време на работа могат чрез хидравлично или електрическо управление или автоматично да се въртят около осите си и да се настройват под желания ъгъл спрямо равнината на въртене.

Ориз. 1 Двулопатен въздушен витло с фиксирана стъпка

Ориз. 2 Витло V530TA D35

Според диапазона на ъглите на лопатките витлата се разделят на:

на конвенционалните, при които ъгълът на монтаж варира от 13 до 50 °, те се монтират на леки самолети;

на пернат - ъгълът на монтаж варира от 0 до 90°;

на спирачни или обратни витла, имат променлив ъгъл на монтаж от -15 до +90 °, с такъв витло те създават отрицателна тяга и намаляват дължината на пробега на самолета.

Витлата са предмет на следните изисквания:

винтът трябва да е силен и да тежи малко;

трябва да има тегловна, геометрична и аеродинамична симетрия;

трябва да развие необходимата тяга по време на различни еволюции в полета;

трябва да работи с най-висока ефективност.

На самолетите Як-18Т, Як-52 и Як-55 е монтирано конвенционално дървено двулопатно тракторно витло с ляво въртене, променлива стъпка с хидравлично управление V530TA-D35 (фиг. 2).

ГЕОМЕТРИЧНИ ХАРАКТЕРИСТИКИ НА ВИНТА

По време на въртене лопатките създават същите аеродинамични сили като крилото. Геометричните характеристики на витлото влияят върху неговата аеродинамика.

Помислете за геометричните характеристики на винта.

Форма на острието в план- най-често срещаните симетрични и сабя.

Ориз. 3. Форми на витлото: a - профил на лопатките, b - форми на лопатките в план

Ориз. 4 Диаметър, радиус, геометрична стъпка на витлото

Ориз. 5 Развитие на спиралата

Секциите на работната част на острието са с крилчати профили. Профилът на острието се характеризира с хорда, относителна дебелина и относителна кривина.

За по-голяма здравина се използват остриета с променлива дебелина - постепенно удебеляване към корена. Акордите на секциите не лежат в една и съща равнина, тъй като острието е направено усукано. Ръбът на острието, който прорязва въздуха, се нарича преден ръб, а задният ръб се нарича заден ръб. Равнината, перпендикулярна на оста на въртене на винта, се нарича равнина на въртене на винта (фиг. 3).

диаметър на винта наречен диаметър на кръга, описан от краищата на лопатките, когато витлото се върти. Диаметърът на съвременните витла варира от 2 до 5 м. Диаметърът на витлото V530TA-D35 е 2,4 м.

Геометрична стъпка на винта - това е разстоянието, което транслационно витло трябва да измине за един пълен оборот, ако се движи във въздуха като в твърда среда (фиг. 4).

Ъгъл на лопатките на витлото  - това е ъгълът на наклона на сечението на лопатката към равнината на въртене на витлото (фиг. 5).

За да определите каква е стъпката на витлото, представете си, че витлото се движи в цилиндър, чийто радиус r е равен на разстоянието от центъра на въртене на витлото до точка B на лопатката на витлото. Тогава участъкът на винта в тази точка ще опише спирала върху повърхността на цилиндъра. Нека разширим сегмента на цилиндъра, равен на стъпката на винта H по линията BV. Ще получите правоъгълник, в който спиралата се е превърнала в диагонал на този правоъгълник на Централната банка. Този диагонал е наклонен към равнината на въртене на винта BC под ъгъл  . От правоъгълния триъгълник ЦВБ намираме на какво е равна стъпката на винта:

(3.1)

Стъпката на винта ще бъде толкова по-голяма, колкото по-голям е ъгълът на монтиране на острието  . Витлата се подразделят на витла с постоянна стъпка по дължината на лопатката (всички секции имат еднаква стъпка), променлива стъпка (секциите имат различна стъпка).

Витлото V530TA-D35 има променлива стъпка по протежение на лопатката, тъй като това е полезно от аеродинамична гледна точка. Всички секции на лопатката на витлото попадат във въздушния поток под един и същи ъгъл на атака.

Ако всички секции на лопатката на витлото имат различна стъпка, тогава стъпката на секцията, разположена на разстояние от центъра на въртене, равно на 0,75R, където R е радиусът на витлото, се счита за обща стъпка на витло. Тази стъпка се нарича номинален, и ъгъла на монтаж на тази секция- номинален ъгъл на монтаж .

Геометричната стъпка на витлото се различава от стъпката на витлото по степента на приплъзване на витлото във въздуха (виж Фиг. 4).

Стъпка на витлото - това е действителното разстояние, което прогресивно движещо се витло се движи във въздуха с самолета за един пълен оборот. Ако скоростта на самолета е изразена в km/h и броя на оборотите на витлото в секунда, тогава стъпката на витлото е з Пможе да се намери с помощта на формулата

(3.2)

Стъпката на винта е малко по-малка от геометричната стъпка на винта. Това се обяснява с факта, че винтът, така да се каже, се плъзга във въздуха по време на въртене поради ниската си плътност спрямо твърда среда.

Разликата между стойността на геометричната стъпка и стъпката на витлото се нарича винтово приплъзване и се определя по формулата

С= з- з н . (3.3)

СКОРОСТ НА ДВИЖЕНИЕ И ЪГЪЛ НА АТАКА НА ЕЛЕМЕНТА НА ЛОПАТА НА ВИТЛОТО

Аеродинамичните характеристики на витлата включват ъгъл на атака и тяга на витлото.

Ъгълът на атака на елементите на лопатката на витлото  наречен ъгъл между хордата на елемента и посоката на неговото истинско резултантно движение У(фиг. 6).

Ориз. 6 Монтажен ъгъл и ъгъл на атака на лопатките: a - ъгъл на атака на лопатковия елемент, b - скорост на лопатковия елемент

Всеки елемент на острието извършва сложно движение, състоящо се от ротационно и транслационно. Скоростта на въртене е

Където н с- обороти на двигателя.

скорост напред е скоростта на самолета V . Колкото по-далеч е лопатковият елемент от центъра на въртене на витлото, толкова по-голяма е скоростта на въртене U .

Когато витлото се върти, всеки елемент на перката ще създаде аеродинамични сили, чиято величина и посока зависят от скоростта на самолета (скоростта на настъпващия поток) и ъгъла на атака.

Като се има предвид фиг. 6а, лесно е да се види, че:

Когато витлото се върти и скоростта напред е нула (V=0), тогава всеки елемент от лопатката на витлото има ъгъл на атака, равен на ъгъла на монтаж на лопатката  ;

При постъпателното движение на витлото ъгълът на атака на елемента на лопатката на витлото се различава от ъгъла на наклона на елемента на лопатката на витлото (става по-малък от него);

Ъгълът на атака ще бъде толкова по-голям, колкото по-голям е ъгълът на монтаж на елемента на лопатката на витлото;

Получената скорост на въртене на елемента на лопатката на витлото Уе равна на геометричната сума от транслационните и ротационните скорости и се намира по правилото на правоъгълния триъгълник

(3.5)

Колкото по-голяма е скоростта на въртене, толкова по-голям е ъгълът на атака на елемента на лопатката на витлото. Обратно, колкото по-голяма е скоростта напред на витлото, толкова по-малък е ъгълът на атака на елемента на лопатката на витлото.

В действителност картината е по-сложна. Тъй като винтът засмуква и върти въздуха, хвърля го назад, като му придава допълнителна скорост v, което се нарича скорост на засмукване. В резултат на това истинската скорост W"ще се различават по големина и посока от скоростта на засмукване, ако се добавят геометрично. Следователно истинският ъгъл на атака  " ще бъде различен от ъгъла  (Фиг. 6, b).

Анализирайки горното, можем да заключим:

със скорост напред V=0 ъгълът на атака е максимален и е равен на ъгъла на монтаж на лопатката на витлото;

с увеличаване на скоростта на транслация ъгълът на атака намалява и става по-малък от ъгъла на монтаж;

при висока скорост на полета ъгълът на атака на лопатките може да стане отрицателен;

колкото по-голяма е скоростта на въртене на витлото, толкова по-голям е ъгълът на атака на неговата лопатка;

ако скоростта на полета е постоянна и скоростта на двигателя намалява, тогава ъгълът на атака намалява и може да стане отрицателен.

Направените изводи обясняват как силата на тягата на витлото с фиксирана стъпка се променя при промяна на скоростта на полета и броя на оборотите.

тяга на витлото възниква в резултат на действието на аеродинамична сила  Р върху елемента на лопатката на витлото по време на нейното въртене (фиг. 1).

Развивайки тази сила на два компонента, успоредни на оста на въртене и успоредни на равнината на въртене, получаваме LR силата и съпротивителната сила на въртене  х лопатков елемент на витлото.

Обобщавайки силата на тягата на отделните елементи на лопатката на витлото и прилагайки я към оста на въртене, получаваме силата на тягата на витлото Р .

Тягата на витлото зависи от диаметъра на витлото д, обороти в секунда н, плътност на въздуха  и се изчислява по формулата (в kgf или N)

Където  - експериментално се определя коефициентът на тяга на витлото, като се вземат предвид формата на лопатката в план, формата на профила и ъгълът на атака. Коефициентът на тяга на витлото на самолетите Як-18Т, Як-52 и Як-55 - V530TA-D35 е 1,3.

По този начин силата на тягата на витлото е право пропорционална на неговия коефициент, плътността на въздуха, квадрата на оборотите на витлото в секунда и диаметъра на витлото на четвърта степен.

Тъй като лопатките на витлото са геометрично симетрични, големината на съпротивителните сили и тяхното отдалечаване от оста на въртене ще бъдат еднакви.

Силата на съпротивление на въртене се определя по формулата

(3.7)

Където Cx л - коефициент на съпротивление на острието, като се вземат предвид неговата форма в план, форма на профил, ъгъл на атака и повърхностно покритие ;

У - резултатна скорост, m/s;

С л - площ на острието;

ДА СЕ - броя на остриетата.

Фиг.1 Аеродинамични сили на витлото.

Ориз. 2. Режими на работа на перката

Силата на съпротивление на въртенето на винта спрямо неговото въртене създава момент на съпротивление на въртенето на винта, който се балансира от въртящия момент на двигателя:

М тр =X V r V (3.8)

Въртящият момент, генериран от двигателя, се определя (в kgf-m) по формулата

(3.9)

Където н д- ефективна мощност на двигателя.

Разглежданият режим се нарича режим на положителна тяга на витлото, тъй като тази тяга дърпа самолета напред (фиг. , а). Когато ъгълът на атака на лопатките намалява, силите намаляват. R и X(намалена тяга на витлото и спирачен момент). Възможно е да се постигне ситуация, при която P=0 их= Р. Това е режимът на нулева тяга (фиг. , b).

При по-нататъшно намаляване на ъгъла на атака се достига режим, когато витлото започва да се върти не от двигателя, а от действието на силите на въздушния поток. Този режим се нарича самовъртяща се перка или авторотация (Фиг. , c).

С по-нататъшно намаляване на ъгъла на атака на елементите на лопатката на витлото получаваме режим, при който съпротивителната сила на лопатката на витлото хще бъде насочен по посока на въртене на винта, като в същото време винтът ще има отрицателна тяга. В този режим винтът се върти от насрещния въздушен поток и завърта двигателя. Двигателят се върти, този режим се нарича режим вятърна мелница (Фиг., d).

Режимите на самозавъртане и вятърна мелница са възможни при хоризонтален полет и при гмуркане.

На самолетите Як-52 и Як-55 тези режими се проявяват при изпълнение на вертикални фигури надолу с малка стъпка на лопатката на витлото. Ето защо, когато изпълнявате вертикални фигури надолу (при ускорение над 250 km / h), се препоръчва да затегнете витлото с 1/3 от хода на лоста, като контролирате стъпката на витлото.

ЗАВИСИМОСТ НА ТЯГАТА НА ВИТЛА ОТ СКОРОСТТА НА ПОЛЕТА.

С увеличаване на скоростта на полета, ъглите на атака на лопатката на витлото, фиксирана стъпка и фиксирана, бързо намаляват, тягата на витлото пада. Най-големият ъгъл на атака на лопатката на витлото ще бъде при нулева въздушна скорост при пълна скорост на двигателя.

Съответно тягата на витлото намалява до нула и след това става отрицателна. Валът на двигателя се върти. За да предотвратите въртене на винта, намалете оборотите на двигателя. Ако двигателят не е дроселиран, той може да бъде унищожен.

Зависимостта на тягата на витлото V530TA-D35 от скоростта на полета е показана на графиката на фиг. 7. За да се построи, тягата на витлото се измерва при различни скорости. Получената графика се нарича характеристика на тягата на електроцентралата.

Ориз. 7 Характеристики на силовата установка M-14P по отношение на тягата (за H = 500 m) на самолетите Як-18Т, Як-52 и Як-55 с витло V530TA-D35

ВЛИЯНИЕ НА ВИСОЧИНАТА НА ПОЛЕТА ВЪРХУ ПРАГА НА ВИТЛОТО.

Откривайки зависимостта на тягата от скоростта на полета, беше разгледана работата на витлото на постоянна височина с постоянна плътност на въздуха. Но когато летите на различни височини, плътността на въздуха влияе върху тягата на витлото. С увеличаване на височината на полета, плътността на въздуха намалява, съответно тягата на витлото също ще намалее пропорционално (при постоянна скорост на двигателя). Това се вижда от анализа на формула (3.6).

СПИРАЧЕН МОМЕНТ НА ​​ВИТЛОТО И МОМЕНТ НА ​​ДВИГАТЕЛЯ.

Както беше обсъдено по-рано, съпротивителният момент на витлото противодейства на въртящия момент на двигателя.

За да може винтът да се върти с постоянна скорост, е необходимо спирачният момент M t, равен на произведението
, беше равен на въртящия момент на двигателя M cr, равен на произведението от F d ,. тези. M t \u003d M cr или \u003d F d (фиг. 8).

Ориз. 8 Спирачен момент на витлото и въртящ момент на двигателя

Ако това равенство е нарушено, тогава двигателят ще намали скоростта или ще увеличи.

Увеличаването на скоростта на двигателя води до увеличаване на M ​​cr и обратно. Новото равновесие се установява при новата скорост на двигателя.

НЕОБХОДИМА МОЩНОСТ ЗА ВЪРТЕНЕ НА ПРОПЕЛЕРА

Тази мощност се изразходва за преодоляване на силите на съпротивление при въртенето на витлото.

Формулата за определяне на мощността на витлото (в к.с.) е:

(3.10)

Където  - фактор на мощността в зависимост от формата на витлото, броя на лопатките, ъгъла на монтаж, формата на лопатката в план, от условията на работа на витлото (относителна стъпка)

От формула (3.10) се вижда, че необходимата мощност за въртене на витлото зависи от фактора на мощността, от скоростта и височината на полета, оборотите и диаметъра на витлото.

С увеличаване на скоростта на полета ъгълът на атака на елемента на лопатката на витлото, количеството изхвърлен въздух и неговата скорост намаляват, следователно мощността, необходима за въртене на витлото, също намалява. С увеличаване на височината на полета, плътността на въздуха намалява и мощността, необходима за въртене на витлото, също намалява.

С увеличаване на скоростта на двигателя съпротивлението на въртене на витлото се увеличава и мощността, необходима за въртене на витлото, се увеличава.

Витлото, завъртяно от двигателя, развива тяга и преодолява съпротивлението на самолета, самолетът се движи.

Работата, извършена от силата на тягата на перката за 1 секунда. когато самолетът се движи, се нарича тяга или нетната мощност на витлото.

Мощността на тягата на витлото се определя по формулата

(3.11)

Където P in е тягата, развивана от витлото; V е скоростта на самолета.

С увеличаване на височината и скоростта на полета силата на тягата на витлото намалява. Когато витлото работи, когато самолетът не се движи, се развива максимална тяга, но мощността на тягата е нула, тъй като скоростта на движение е нула.

ЕФЕКТИВНОСТ НА ПРОПЕЛЕРА.

ЗАВИСИМОСТ НА ЕФЕКТИВНОСТТА ОТ ВИСОЧИНАТА И СКОРОСТТА НА ПОЛЕТА

Част от енергията на въртене на двигателя се изразходва за въртене на витлото и е насочена към преодоляване на въздушното съпротивление, завихряне на изхвърлената струя и т.н. Следователно полезната втора работа, или полезната теглителна сила на витлото, н b, ще има по-малка мощност на двигателя н дизразходвани за въртене на витлото.

Съотношението на полезната задвижваща мощност към мощността, консумирана от витлото (ефективна мощност на двигателя), се нарича коефициент на ефективност (ефективност) на витлото и се обозначава  . Определя се по формулата

(3.12)

Ориз. 9 Силови характеристики на двигателя М-14П на самолетите Як-52 и Як-55

Ориз. 10 Приблизителен изглед на кривата на промяна на наличната мощност в зависимост от въздушната скорост

Ориз. 11 Височинна характеристика на двигателя М-14П в режими 1 - излитане, 2 - номинален 1, 3 - номинален 2, 4 - крейсерски 1; 5 - круиз 2

Стойността на ефективността на витлото зависи от същите фактори като пропулсивната мощност на витлото.

Ефективността винаги е по-малка от единица и достига 0,8 ... 0,9 за най-добрите витла.

Np- необходима мощност.

За да се намали скоростта на въртене на витлото в двигателя, се използва скоростна кутия.

Степента на намаляване е избрана по такъв начин, че в номинален режим краищата на лопатките да се обтичат от дозвуков въздушен поток.

Ориз. 12 Характеристики на мощността на двигателя М-14П на самолетите Як-52 и Як-55

Ориз. 13 Приблизителен изглед на кривата на промяна на наличната мощност в зависимост от въздушната скорост

Ориз. 14 Височинна характеристика на двигателя М-14П в режими 1 - излитане, 2 - номинален 1, 3 - номинален 2, 4 - крейсерски 1; 5 - круиз 2

Графиката на наличната ефективна мощност спрямо скоростта на полета за самолети Як-52 и Як-55 е показана на фиг. 9.

Графика Фиг. 10 се нарича характеристика на електроцентралата по отношение на мощността.

При V=0, Np=0; при скорост на полета V=300 км/ч, Np==275 к.с (за самолет Як-52) и V=320 км/ч, Np=275 л. с. (за самолета Як-55), където Np- необходима мощност.

С увеличаване на надморската височина ефективната мощност намалява поради намаляване на плътността на въздуха. Характеристиката на изменението му за самолетите Як-52 и Як-55 от височината на полета Н е показана на фиг. единадесет.

Ориз. 15 Височинна характеристика на двигателя М-14П в режими 1 - излитане, 2 - номинален 1, 3 - номинален 2, 4 - крейсерски 1; 5 - круиз 2

С увеличаване на надморската височина ефективната мощност намалява поради намаляване на плътността на въздуха. Характеристиката на изменението му за самолетите Як-52 и Як-55 от височината на полета Н е показана на фиг. единадесет.

ВИНТОВЕ С ПРОМЕНЛИВА СТЪПКА

За да се премахнат недостатъците на витлата с фиксирана и фиксирана стъпка, се използва витло с променлива стъпка (VSP). Ветчинкин е основоположник на теорията за ВИС.

ИЗИСКВАНИЯ ЗА ВИШ:

ВИШ трябва да задава най-благоприятните ъгли на атака на лопатките във всички режими на полет;

Отстранете номиналната мощност от двигателя в целия работен диапазон от скорости и височини;

Поддържайте максималната стойност на коефициента на полезно действие във възможно най-широк диапазон от скорости.

Лопатките на VISH или се управляват от специален механизъм, или се настройват в желаната позиция под въздействието на сили, действащи върху витлото. В първия случай това са хидравлични и електрически витла, във втория - аеродинамични.

хидравличен винт - витло, при което промяната на ъгъла на монтиране на лопатките се извършва от налягането на маслото, подадено към механизма, разположен в главината на витлото.

електрически винт - витло, при което промяната на ъгъла на монтиране на лопатките се извършва от електродвигател, свързан с лопатките чрез механична трансмисия.

Авиомеханично витло - витло, при което промяната на ъгъла на монтиране на лопатките се извършва автоматично - чрез аеродинамични и центробежни сили.

Най-широко използваните хидравлични ВИШ. Автоматично устройство в витла с променлива стъпка е предназначено да поддържа постоянна зададена скорост на витлото (двигателя) чрез синхронна промяна на ъгъла на наклона на лопатките при промяна на режима на полет (скорост, надморска височина) и се нарича регулатор на постоянството на скоростта ( RPO).

Ориз. 16 Работа на витлото с променлива стъпка V530TA-D35 при различни скорости на полет

RPO, заедно с механизма за завъртане на лопатките, променя стъпката на витлото (ъгъла на наклона на лопатките) по такъв начин, че оборотите, зададени от пилота с помощта на лоста за управление VIS, остават непроменени (зададени) при полет промени в режима.

В този случай трябва да се помни, че оборотите ще се поддържат, докато ефективната мощност на вала на двигателя N e е по-голяма от мощността, необходима за въртене на витлото, когато лопатките са настроени на най-малкия ъгъл на наклон (малка стъпка ).

На фиг. 16 е показана схема на работа на ВИС.

При промяна на скоростта на полета от излитане до максимум при хоризонтален полет, ъгълът на монтиране на лопатките  нараства от минималната си стойност  мин до максимум  Макс (голяма крачка). Поради това ъглите на атака на острието се променят малко и остават близки до най-изгодните.

Работата на ВИС по време на излитане се характеризира с това, че при излитане се използва цялата мощност на двигателя - развива се най-голямата тяга. Това е възможно при условие, че двигателят развива максимална скорост и всяка част от лопатката на витлото развива най-голяма тяга, като има най-малко съпротивление на въртене.

За да направите това, е необходимо всеки елемент от лопатката на витлото да работи при ъгли на атака, близки до критичните, но без спиране на въздушния поток. На фиг. 16, но се вижда, че ъгълът на атака на перката преди излитане (V=0) поради въздушния поток със скорост  Vмалко по-различен от ъгъла на наклона на острието със стойността f min. Ъгълът на атака на острието съответства на големината на максималната повдигаща сила.

Съпротивлението на въртене в този случай достига стойност, при която мощността, изразходвана за въртене на винта, и ефективната мощност на двигателя се сравняват и оборотите ще останат непроменени. С увеличаване на скоростта ъгълът на атака на лопатките на витлото намалява (фиг. 16, b). Съпротивлението на въртене намалява и витлото сякаш става по-леко. Оборотите на двигателя трябва да се увеличат, но RPO ги поддържа постоянни, като променя ъгъла на атака на лопатките. С увеличаване на скоростта на полета лопатките се завъртат под по-голям ъгъл.  ср .

Когато летите с максимална скорост, VIS трябва да осигурява и максималната стойност на тягата. При полет с максимална скорост ъгълът на наклона на лопатките има гранична стойност pmax (фиг. 16, в). Следователно, с промяна в скоростта на полета, ъгълът на атака на лопатката се променя, с намаляване на скоростта на полета, ъгълът на атака се увеличава - витлото става по-тежко, с увеличаване на скоростта на полета ъгълът на атака намалява - витлото става по-леко. RPO автоматично премества лопатките на витлото към подходящите ъгли.

С увеличаване на височината на полета мощността на двигателя намалява и RPO намалява ъгъла на наклона на лопатките, за да улесни работата на двигателя, и обратно. Следователно RPO поддържа постоянна скоростта на двигателя с промяна във височината на полета.

При заход за кацане витлото се настройва на малка стъпка, която съответства на скоростта на излитане. Това дава възможност на пилота, когато извършва различни маневри по глисадата за кацане, да получи излетна мощност на двигателя с увеличаване на скоростта до максимум.

Витлото с лопатки на самолет, известно също като витло или машина с лопатки, което се задвижва във въртене от работата на двигателя. С помощта на винт въртящият момент от двигателя се преобразува в тяга.

Витлото действа като витло в летателни апарати като самолети, цикложири, автожири, моторни шейни, кораби на въздушна възглавница, екранопланове, както и хеликоптери с турбовитлови и бутални двигатели. За всяка от тези машини винтът може да изпълнява различни функции. В самолетите се използва като основен ротор, който създава тяга, а в хеликоптерите осигурява подемна сила и рулиране.

Всички самолетни витла са разделени на два основни типа: витла с променлива и фиксирана стъпка. В зависимост от конструкцията на самолета, витлата могат да осигурят тласкаща или теглеща тяга.

При въртене лопатките на витлото улавят въздух и произвеждат отхвърлянето му в посока, обратна на полета. Създава се ниско налягане пред винта и зона с високо налягане отзад. Изхвърленият въздух придобива радиална и периферна посока, поради което част от енергията, която се подава към витлото, се губи. Самото завихряне на въздушния поток намалява рационализацията на апарата. Селскостопанските самолети, когато работят на полета, имат лоша равномерност в разпръскването на химикали поради потока от витлото. Подобен проблем се решава в устройства, които имат коаксиално разположение на винта, в този случай компенсацията се извършва с помощта на работата на задния винт, който се върти в обратна посока. Подобни витла са инсталирани на самолети като Ан-22, Ту-142 и Ту-95.

Технически параметри на витлата

Най-важните характеристики на витлата, от които зависи силата на тягата и самият полет, разбира се, са стъпката на витлото и неговия диаметър. Наклонът е разстоянието, което витлото може да измине, като бъде завинтено във въздуха за един пълен оборот. До 30-те години на миналия век се използват витла с постоянна стъпка на въртене. Едва в края на 30-те години почти всички самолети са оборудвани с витла с променлива стъпка.

Параметри на винта:

Диаметърът на кръга на витлото е размерът, който върховете на лопатките описват при въртене.

Стъпката на винта е действителното разстояние, изминато от винта за един оборот. Тази характеристика зависи от скоростта на движение и оборотите.

Геометричната стъпка на витлото е разстоянието, което витлото може да измине в твърда среда за един оборот. Различава се от протектора на витлото във въздуха по плъзгането на лопатките във въздуха.

Ъгълът на разположение и монтаж на лопатките на витлото е наклонът на сечението на лопатката спрямо реалната равнина на въртене. Поради наличието на усукване на лопатките, ъгълът на въртене се измерва по дължината на сечението, в повечето случаи е 2/3 от цялата дължина на острието.

Лопатките на витлото имат преден - режещ - и заден ръб. Напречното сечение на лопатките е с профил тип крило. В профила на лопатките има хорда, която има относителна кривина и дебелина. За увеличаване на здравината на лопатките на витлото се използва хорда, която има удебеляване към корена на витлото. Акордите на сечението са в различни равнини, тъй като острието е направено усукано.

Стъпката на витлото е основната характеристика на витлото, зависи главно от ъгъла на лопатките. Стъпката се измерва в единици изминато разстояние за оборот. Колкото по-голяма стъпка прави витлото за един оборот, толкова повече обем се изхвърля от перката. От своя страна увеличаването на стъпката води до допълнителни натоварвания на електроцентралата, съответно броят на оборотите намалява. Съвременните самолети имат способността да променят наклона на лопатките без спиране на двигателя.

Предимства и недостатъци на витлата

Ефективността на витлата на съвременните самолети достига 86%, което ги прави търсени от авиационната индустрия. Трябва също да се отбележи, че турбовитловите са много по-икономични от реактивните самолети. Въпреки това, винтовете имат някои ограничения както в работата, така и в конструктивния план.

Едно от тези ограничения е "блокиращият ефект", който възниква, когато диаметърът на винта се увеличи или когато се добави броят на оборотите, а тягата от своя страна остава на същото ниво. Това се дължи на факта, че върху лопатките на витлото се появяват участъци със свръхзвукови или трансзвукови въздушни потоци. Именно този ефект не позволява на самолетите с витла да достигнат скорости над 700 км/ч. В момента най-бързият автомобил с витла е домашният модел на бомбардировача за дълъг обсег Ту-95, който може да достигне скорост от 920 км / ч.

Друг недостатък на винтовете е високото ниво на шум, което се регулира от световните стандарти на ICAO. Шумът от винтовете не се вписва в стандартите за шум.

Съвременни разработки и бъдещето на самолетните витла

Технологията и опитът позволяват на дизайнерите да преодолеят някои от проблемите с шума и да увеличат сцеплението отвъд ограниченията.

По този начин беше възможно да се заобиколи заключващият ефект поради използването на мощен турбовитлов двигател от типа NK-12, който предава мощност на две коаксиални витла. Тяхното въртене в различни посоки направи възможно заобикалянето на заключването и увеличаването на сцеплението.

На витлата се използват и тънки саблевидни лопатки, които имат способността да забавят кризата. Това ви позволява да постигнете по-високи скорости. Този тип витла са монтирани на самолет Ан-70.

В момента се развиват разработки за създаване на свръхзвукови витла. Въпреки факта, че проектирането се извършва от много дълго време със значителни парични инжекции, не е възможно да се постигне положителен резултат. Те имат много сложна и прецизна форма, което значително усложнява изчисленията на дизайнерите. Доказано е, че някои готови витла от свръхзвуков тип са много шумни.

Обграждането на витлото в пръстен - работно колело - е перспективна посока на развитие, тъй като намалява крайния поток около лопатките и нивото на шума. Освен това подобри сигурността. Има някои самолети с вентилатори, които имат същия дизайн като работното колело, но са допълнително оборудвани с устройство за насочване на въздушния поток. Това значително подобрява ефективността на витлото и двигателя.

ТЕОРИЯ ЗА ПРОПЕЛЕРИТЕ

Въведение

Перката преобразува силата на въртене на двигателя в тяга напред. Витлото избутва въздушната маса назад, създавайки реактивна сила, която избутва самолета напред. Тягата на винта е равна на произведението на масата на въздуха и ускорението, дадено му от винта.

Дефиниции

лопатка на витлотоТова е носеща повърхност, подобна на крило на самолет. Определения като хорда, кривина на профила, относителна дебелина на профила, относително удължение са подобни на определенията за крило на самолет.

Ъгълът на монтаж на лопатките на витлото ( острие ъгъл или стъпка )

Това е ъгълът между хордата на лопатката и равнината на въртене. Ъгълът на монтаж намалява от основата на острието към върха, тъй като периферната скорост на секцията на острието се увеличава от задника към върха. Ъгълът на монтаж на острието се измерва в участък, разположен на 75% от дължината му, считано от дупето.

Стъпка на винта ( геометрична стъпка )

Това е разстоянието, което витлото би изминало за един пълен оборот, ако се движи във въздуха под ъгъла на лопатките. (Можете да си представите стъпката на винта като движението на болт, усукващ се по резба, но няма да използваме тази аналогия по-нататък)

Геометрично усукване на острието ( острие усукване )

Секциите на острието, разположени по-близо до върха му, изминават по-голямо разстояние за един оборот. За да бъде стъпката на винта еднаква за всички секции на острието, ъгълът на монтиране на секциите постепенно намалява от дупето към върха.

Ъгълът на монтиране на лопатките на много витла може да варира. Когато ъгълът на лопатките е малък, казват, че витлото е в режим на фина стъпка, а когато, напротив, е в режим на голяма стъпка (груба стъпка).

протектор винтове (ефективна стъпка или аванс на оборот)

По време на полет витлото не изминава разстояние, равно на стъпката на витлото за един оборот. Действителното разстояние, изминато от витлото, зависи от скоростта на самолета и се нарича стъпка на витлото.

винтово приплъзване ( приплъзване )

Разликата между стъпката и напредването на винта се нарича приплъзване на винта.

Ъгъл на спиралата ( спирала ъгъл )

Това е ъгълът между действителната траектория на секцията на витлото и равнината на въртене.

Ъгъл на атака (α)

Траекторията на движение на секцията на перката във въздуха определя посоката на настъпващия въздушен поток. Ъгълът между хордата на сечението на лопатката и посоката на настъпващия поток е ъгълът на атака на сечението на лопатката. Ъгълът на атака се влияе от периферната скорост на секцията (скоростта на ротора) и истинската скорост на самолета.

Витло с фиксирана стъпка ( фиксирани стъпка витло )

Фигурите показват работата на витло с фиксирана стъпка при променящи се условия на полет. Увеличаването на истинската скорост на самолета при постоянна скорост на витлото (периферна секционна скорост) намалява ъгъла на атака на витлото. Увеличаването на скоростта на витлото при постоянна истинска въздушна скорост увеличава ъгъла на атака на витлото.

Аеродинамични сили, възникващи върху витлото

Лопатката на витлото е носеща повърхност, подобна на крило на самолет. Когато се движи във въздуха под определен ъгъл на атака, тогава върху него се създават аеродинамични сили по същия начин, както върху крилото. Между повърхностите на острието има разлика в налягането. Повърхността на острието, където се създава по-голям натиск, се нарича работна повърхност на острието (натискаща повърхност или натискаща повърхност). Когато витлото създава директна тяга, работната е задната (равна) повърхност на лопатката. Разликата в налягането създава обща аеродинамична сила, която може да се разложи на два компонента, тяга и съпротивление при въртене.

Тяга на витлото

тягае компонентът на общата аеродинамична сила, перпендикулярна на равнината на въртене. Силата на натиск се генерира неравномерно по дължината на острието. То е минимално на върха на острието, където спадът на налягането между повърхностите изчезва, а също така намалява в дупето поради ниската обиколна скорост. Тягата създава огъващ момент на всяко острие, опитвайки се да ги огъне с върховете им напред. (Сила, равна и противоположна по посока на тягата на витлото, избутва въздуха обратно.)

Въртящ момент на съпротивление при въртене

Силата на съпротивление на въртене на витлото върху рамото от оста на въртене до точката на прилагане на пълната аеродинамична сила създава момент на съпротивление на въртене. Момент, равен по големина и противоположен по посока, действа върху самолета, опитвайки се да го завърти около надлъжната ос. Също така моментът на съпротивление на въртене създава огъващи моменти върху лопатките на витлото, опитвайки се да ги огъне срещу посоката на въртене.

Центробежният момент на усукване на острието ( центробежен усукване момент )

Страничните компоненти на центробежните сили "А" и "В" създават момент спрямо оста на промяна на ъгъла на лопатката, опитвайки се да намалят стъпката на витлото.

Аеродинамичен момент на усукване на острието ( аеродинамичен усукване момент )

Тъй като центърът на натиск е разположен пред оста на промяна на ъгъла на монтиране на лопатката, общата аеродинамична сила създава момент, стремящ се да увеличи стъпката на витлото.

Аеродинамичният момент противодейства на центробежния усукващ момент, но е по-слаб от него.

ефективност на витлото

Ефективността на витлото се определя от съотношението на тяговата мощност и мощността, подадена към витлото от двигателя. Мощността на тягата на витлото се определя от произведението на тягата на витлото от истинската скорост на самолета, а мощността на двигателя се определя от произведението на въртящия момент на двигателя от ъгловата скорост на витлото.

ефективност на витлото = задвижваща мощност / мощност на двигателя

Зависимост на ефективността на витлото от скоростта на полета

По-горе беше показано, че с увеличаване на скоростта на полета ъгълът на атака на лопатките на витлото с фиксирана стъпка намалява. Това води до намаляване на тягата на витлото. При някаква скорост този ъгъл ще намалее толкова много, че тягата на витлото ще намалее до нула. Това означава, че ефективността на винта също ще стане нула.

За витло с фиксирана стъпка има само една скорост, при която лопатките ще се движат около най-благоприятния ъгъл на атака и ефективността на витлото ще бъде максимална. (при постоянна ъглова скорост на въртене)

С по-нататъшно намаляване на скоростта на самолета ъгълът на атака на лопатките се увеличава. Тягата на витлото се увеличава, но произведението от тягата и скоростта (теглителната сила) започва да пада. При нулева скорост тягата на витлото е максимална, но витлото не произвежда полезна работа, така че ефективността му отново е равна на нула.

Ефективността на витлото с фиксирана стъпка варира значително в зависимост от въздушната скорост.

Както може да се види от фигурата, с помощта на витло с променлива стъпка (ъгъл на лопатките) е възможно да се постигне неговата ефективна работа в широк диапазон от скорости на полета.

Витло с фиксирана стъпка с възможност за промяна на ъгъла на лопатките в главината при обслужване на земята.

Витло с избор от три фиксирани ъгъла на лопатките по време на полет. Витлото с малка стъпка е настроено за излитане, изкачване и кацане. По време на крейсерски полет витлото е настроено на високо положение. В случай на повреда на двигателя, винтът се поставя в положение на перката.

Витло с променлива стъпка (витла с постоянна скорост).

На съвременните самолети са инсталирани витла, които автоматично поддържат дадена скорост чрез промяна на ъгъла на лопатките. Това ви позволява да поддържате висока ефективност в широк диапазон от скорости, да подобрите производителността при излитане и изкачване и да осигурите икономия на гориво при круизен полет.

витло с променлива стъпка

Фигурата показва типичен панел за управление на витло и двигател на малък бутален самолет. Всички лостове са в позиция за излитане (далеч напред).

Контролът на скоростта на витлото е настроен на максимална скорост.

Преместването на средния лост назад ще намали скоростта на витлото.

Забележка: Може да се направи аналогия между лост за управление на скоростта на витлото и скоростен лост в автомобил.

Максималната скорост на витлото е първа предавка в колата.

Минималната скорост на витлото е пета предавка в колата.

Фигурата показва условията на работа на витлото в началото на пистата за излитане и кацане. Оборотите на витлото са максимални, постъпателната скорост е ниска. Ъгълът на атака на лопатките е оптимален, перката работи с максимална ефективност.С увеличаване на скоростта ъгълът на атака на лопатките ще намалява. Това ще доведе до намаляване на тягата и устойчивостта на въртене. При постоянна мощност на двигателя скоростта на двигателя ще се увеличи. Контролът на скоростта на витлото ще започне да увеличава стъпката на лопатките на витлото, за да предотврати увеличаването на скоростта на витлото. По този начин ъгълът на атака на лопатките ще се поддържа на оптимални стойности през цялото време.

Фигурата показва условията на работа на витлото при полет с висока скорост. С увеличаването на истинската въздушна скорост контролът на скоростта на витлото постоянно увеличава стъпката на лопатките, поддържайки постоянен ъгъл на атака.

Фигурата показва работата на витлото при крейсерски полет. Оптималната мощност и скоростите на витлото са посочени в ръководството за полети. Обикновено се препоръчва първо да се намали мощността на двигателя и след това да се намали скоростта на витлото.

По време на полета контролерът за постоянна скорост контролира стъпката на лопатките на витлото, за да поддържа желаната скорост. Поне се опитва да го постигне.

Ако въртящият момент от двигателя изчезне (режим на празен ход или повреда), тогава регулаторът, опитвайки се да поддържа скорост, намалява ъгъла на лопатките до минимум. Ъгълът на атака на лопатките става отрицателен. Сега общата аеродинамична сила върху витлото е насочена в обратна посока. Тя може да се разложи на отрицателната тяга на витлото и силата, която се стреми да завърти витлото. Сега перката ще завърти двигателя.

При двумоторен самолет, ако единият двигател се повреди, ако витлото на отказалия двигател се върти автоматично, тогава характеристиките на изкачване и обхватът на полета се влошават много и управлението на самолета става трудно поради допълнителния въртящ момент. Също така въртенето на неуспешен двигател може да доведе до неговото блокиране или пожар.

оперение

Когато лопатките на витлото се завъртят до ъгъл на атака от нулево повдигане, силата, която върти витлото, изчезва и витлото спира. Съпротивлението (отрицателната тяга) на витлото е намалено до минимум. Това значително подобрява характеристиките на изкачване (в случай на повреда на един от двата двигателя), тъй като градиентът на изкачване зависи от разликата между тягата на двигателите и съпротивлението.

Също така, огъването на лопатките на витлото намалява въртящия момент от повредения двигател. Това подобрява управляемостта на самолета и намалява минималната еволюционна скорост в случай на повреда на V MC двигател.

При еднодвигателни самолети не се предвижда опериране на витлото. Въпреки това, в случай на повреда на двигателя, е възможно значително да се намали отрицателната тяга на витлото. За да направите това, регулаторът на скоростта на винта е настроен на минимална скорост. В този случай винтът ще бъде настроен на максимална стъпка.

Това ви позволява да увеличите съотношението на повдигане към съпротивление на самолета, което ще намали градиента на загуба на височина при планиране с повреден двигател. Скоростта на двигателя също ще намалее поради намаляване на силата, която се стреми да завърти винта.

Ако завъртите контрола на скоростта на витлото, за да увеличите скоростта на въртене, тогава ефектът ще бъде обратен.

Отвод на мощност от двигателя към перката

Витлото трябва да може да поеме пълната мощност на двигателя.

Освен това трябва да работи с максимална ефективност в целия оперативен обхват на самолета. Критичният фактор е скоростта на потока около върховете на лопатките. Ако се доближи до скоростта на звука, тогава явленията, свързани със свиваемостта на въздуха, водят до намаляване на тягата и увеличаване на момента на съпротивление на въртене. Това значително намалява ефективността на витлото и увеличава неговия шум.

Ограничаването на скоростта на потока около върховете на лопатките налага ограничения върху диаметъра и ъгловата скорост на въртене на витлото, както и върху истинската скорост на полета.

Диаметърът на витлото също е ограничен от изискванията за минимален просвет до повърхността на летището и фюзелажа на самолета, както и от необходимостта двигателят да се монтира възможно най-близо до фюзелажа, за да се намали въртящият момент в случай на повреда. Ако двигателят е разположен далеч от надлъжната ос на самолета, тогава е необходимо да се увеличи вертикалната опашка, за да се осигури баланс на самолета в случай на повреда на двигателя при ниска скорост. Всичко по-горе показва, че е непрактично да се гарантира, че витлото консумира цялата налична мощност на двигателя чрез просто увеличаване на диаметъра му. Често това се постига чрез увеличаване на коефициента на запълване на перката.

Коефициент на запълване на витлото ( солидност )

Това е съотношението на челната площ на всички лопатки към площта, пометена от витлото.

Методи за увеличаване на коефициента на запълване на витлото:

Увеличаване на акорда на лопатките. Това води до намаляване на относителното удължение на острието, което води до намаляване на ефективността.

Увеличаване на броя на остриетата. Отвеждането на мощност от двигателя се увеличава, без да се увеличава скоростта на потока около върховете и да се намалява относителното удължение на лопатките. Увеличаването на броя на лопатките над определено количество (5 или 6) води до намаляване на ефективността на витлото.

Подпорната тяга се създава чрез изхвърляне на маса въздух назад. Ако коефициентът на запълване на витлото се увеличи прекомерно, тогава масата на въздуха, която може да се ускори, докато преминава през витлото, ще намалее. За ефективно увеличаване на броя на лопатките се използват коаксиални винтове, които се въртят на една и съща ос в противоположни посоки.

Моменти и сили, генерирани от витлото

Винтът създава моменти и в трите оси на самолета. Причините за тези моменти са различни:

момент на наклон на реакцията на винта

жироскопичен момент

събуждане спирален момент

момент поради асиметричен поток около витлото

Забележка: Повечето съвременни двигатели са оборудвани с въртящи се по посока на часовниковата стрелка витла (гледани отзад). При някои двумоторни самолети, витло, въртящо се обратно на часовниковата стрелка, е инсталирано на десния двигател, за да се премахнат недостатъците, свързани с появата на критичен двигател (вижте глава 12).

Момент на крен на реакцията на витлото

Тъй като витлото се върти по посока на часовниковата стрелка, върху самолета действа равен и противоположен въртящ момент.

Когато самолетът излита, лявата пневматична ще носи по-голямо натоварване, което ще създаде повече съпротивление при търкаляне. Следователно самолетът ще се стреми да завие наляво. По време на полет самолетът ще има тенденция да се търкаля наляво. Този момент ще бъде най-забележим при максимална тяга на витлото и ниска скорост на полета (ниска ефективност на кормилата).

Наклоняващият момент на реакцията на витлото практически липсва при коаксиални витла, въртящи се в противоположни посоки.

В оригиналния текст се казва, че двумоторните самолети с едновременно въртящи се витла нямат въртящ момент на наклон, докато един от двигателите не откаже. Това не е вярно. В теоретичната механика се казва, че общият момент, действащ върху твърдо тяло, е равен на алгебричната сума на моментите, лежащи в същата равнина. Тоест, моментът на реакция на витлата ще действа върху самолета, независимо от броя на работещите двигатели и ако всички витла се въртят в една и съща посока, тогава моментите ще се сумират.

Жироскопичен момент

Въртящият се витло има свойствата на жироскоп - той се стреми да поддържа позицията на оста на въртене в пространството, а в случай на прилагане на външна сила се появява жироскопичен момент, стремящ се да завърти оста на жироскопа в посока, която се различава с 90 ° от посоката на принудително въртене.

Удобно е да се определи посоката на действие на жироскопичния момент, като се използва следното мнемонично правило. Представете си, че седите в пилотската кабина на самолет. Равнината на въртене на двигателя (витлото) ще бъде изобразена като кръг, а посоката на въртене - със стрелки по кръга.

Ако една стрелка е начертана от центъра на кръга по посока на движението на носа на самолета, тогава втората стрелка, насочена тангенциално към кръга по посока на въртене на двигателя (витлото), ще покаже посоката на допълнителния (прецесионно) движение на носа на самолета, предизвикано от действието на жироскопичния момент на двигателя (витлото).

Жироскопичният момент се появява само когато самолетът се върти по тангаж и курс.

Коаксиалните витла нямат жироскопичен момент.

Събуждащ спирален момент

Витлото изхвърля назад въртяща се струя въздух, която, въртейки се около фюзелажа, променя потока около кила. Тъй като винтът се върти по посока на часовниковата стрелка, струята тече около кила под ъгъл наляво, причинявайки странична сила върху него надясно.

Спиралният момент от следата на витлото създава момент на отклонение наляво. Размерът на въртящия момент зависи от режима на работа на двигателя и скоростта на витлото.

Можете да намалите спиралния момент с:

с помощта на коаксиални винтове

монтаж на неподвижен компенсатор на руля

монтиране на двигателя с малък ревер на оста на витлото вдясно

поставяне на кила под лек ъгъл наляво

Момент, причинен от асиметричен поток около перката

По време на полет оста на витлото се отклонява от посоката на насрещния поток под ъгъла на атака. Това води до факта, че низходящото острие се движи под по-голям ъгъл на атака от издигащото се. Дясната страна на витлото ще генерира повече тяга от лявата страна. Така ще се създаде момент на отклонение наляво.

Този момент ще има най-голяма стойност при максимален режим на работа на двигателя и максимален ъгъл на атака.

Влияние на атмосферните условия

Промените в атмосферното налягане и/или температурата водят до промяна в плътността на въздуха.

Това засяга:

мощност на двигателя при постоянно положение на дросела

момент на съпротивление при въртене на винта.

Увеличаването на плътността на въздуха води до увеличаване на двата параметъра, но мощността на двигателя се увеличава в по-голяма степен.

Влияние на плътността на въздуха върху работата на двигател с фиксирана стъпка

Увеличаването на плътността води до увеличаване на скоростта на витлото и обратно.

Влияние на плътността на въздуха върху момента на съпротивление на въртене (необходим въртящ момент на двигателя) на витло с фиксирана стъпка

Увеличаването на плътността води до увеличаване на момента на съпротивление на въртенето на винта и обратно.

Това е отделна независима единица или по-скоро цяла единица с остриета. Той е витлото за апарата, на който е монтиран, тоест превръща мощността на двигателя в тяга и в крайна сметка в движение.

Човекът отдавна обръща внимание на винта. Първите теоретични доказателства за това все още са в ръкописите и рисунките на Леонардо да Винчи. И практически за първи път е използван (за метеорологични инструменти) от М. В. Ломоносов. първоначално е инсталиран на дирижабли, по-късно и до днес на самолети и при използване на двигатели. Използва се и на наземни превозни средства. Това са така наречените кораби на въздушна възглавница, както и моторни шейни и планери. Тоест нейната история (както и историята на цялата авиация :-)) е дълга и увлекателна и като че ли далеч не е приключила.

Що се отнася до теорията и принципа на действие ... исках да започна да рисувам векторни диаграми, а след това промених решението си :-). Първо, не този сайт, и второ, вече описах всичко това и дори :-). Само да кажа, че лопатките на витлото имат аеродинамичен профил и когато се върти във въздуха, се получава същата картина, както при движение на крилото.

Аеродинамична сила (снимка от предишна статия :-))

Все едно, същото скосяване на потока, само че сега повдигащата сила се превръща в тяга на витлото, принуждавайки самолета да се движи напред.

Има, разбира се, и техните собствени характеристики. В края на краищата (по-точно неговите остриета) в сравнение с прави по-сложно движение: ротационно плюс транслационно движение напред. И всъщност теорията за витлото е доста сложна. Но за фундаментално разбиране на въпроса всичко казано е напълно достатъчно. Ще се спра само на някои характеристики.Между другото отбелязвам, че има не само теглещи витла, но и бутащи витла (такива, между другото, имаше в самолета на братята Райт).

Перката на немския дирижабъл SL1 (1911) с диаметър 4,4 m.

Витло за транспортен самолет А400М.

Транспортен самолет A400M.

Когато витлото се върти и едновременно се движи напред, всяка негова точка сякаш се движи спираловидно, а самото витло изглежда „завинтено във въздуха“, почти като винт в гайка или винт в дърво. Аналогията е много значима :-). Прилича на резба от двойка болт-гайка. Всяка нишка има параметър като стъпка. Колкото по-голяма е стъпката, толкова по-опъната е резбата и болтът се завинтва в гайката по-бързо. Концепцията за стъпка съществува и за витлото. Всъщност това е толкова въображаемо разстояние, че перката, въртяща се във въздуха, ще се движи, когато се завърти с един оборот. За да се "завинти" по-бързо, е необходимо силата, която го дърпа (тягата на винта, самият аналог на повдигащата сила) да е по-голяма. Или всички, съответно, обратното. И това може да се постигне чрез промяна на стойността на аналога на ъгъла на атака, който се нарича ъгъл на лопатката на витлото или просто стъпката на витлото. Концепцията за стъпка на витлото съществува за всички видове витла, както за самолети, така и за хеликоптери, като принципът на тяхното действие като цяло е един и същ.

Транспортер Hercules C-4 на ВВС Кролев, паркиран с витла в лопатков режим.

Първите витла на самолетите са имали фиксирана стъпка. Но факт е, че всеки винт има такъв параметър като ефективност, който оценява ефективността на неговата работа. И може да се промени в зависимост от промяната в скоростта на полета, мощността на двигателя и съпротивлението на витлото влияе върху това. Тук, за да се поддържа ефективност на достатъчна височина, е изобретена система за промяна на стъпката (още през 30-те години на 20 век) и се появяват витла с променлива стъпка в полет (VISH). Сега, в зависимост от режима на полет, зададен от пилота, стъпката на витлото може да се променя. Освен това обикновено има още два специални режима. Реверсивен - за създаване, когато самолетът спира на земята и перката, която се използва при изключване (често аварийно) на двигателя по време на полет. След това лопатките се настройват "надолу по течението", за да не създават ненужно съпротивление на полета.

Диаметърът и стъпката на витлото са основните технически параметри на витлото. Има и такова нещо като обрат. Тоест всяко острие е леко усукано по цялата дължина. Това се прави отново, така че при същата мощност острието да създава най-голяма тяга.

Американски експериментален самолет Bell X-22 с работни колела 1966 г

Френски експериментален самолет с работни колела NORD 500 CADET. 1967 г

1932 Италия. Експериментален самолет с работно колело "Летяща цев"

Съвременните винтове като цяло са доста разнообразни в дизайна си. Броят на остриетата може да варира (средно от 2 до 8). може да бъде както дърпане, така и бутане. Винтът се нарича още витло. Това е старо име и идва от латинското prōpellere, което означава карам, бутам напред. Сега обаче се използва друга дума. Това е думата работно колело. Това означава "работно колело" и те го наричат ​​определен тип витло, затворено в пръстеновидна обвивка. Това ви позволява да увеличите ефективността на работата му, да намалите загубите и да повишите безопасността. Такива самолети обаче са само в етап на експериментална разработка.

Основният скоростен диапазон за използване на витла е ограничен до скорости от 700-750 km / h. Но дори това е доста висока скорост и се използват различни технически трикове, за да се осигури стабилна и ефективна работа в целия диапазон. По-специално се разработват многолопатни витла със саблевидни лопатки, работи се върху свръхзвукови витла и се използват гореспоменатите работни колела. В допълнение, така наречените коаксиални винтове се използват дълго време, когато две витла се въртят в различни посоки на една и съща ос. Пример за самолет с такива витла би бил най-бързият турбовитлов самолет, руският стратегически бомбардировач Ту-95. Неговата скорост (макс.) е 920 км/ч.

Стратегически бомбардировач ТУ-95.

За съжаление, , особено в комбинация с , все още има ограничен обхват. Разбира се, там, където самолетите за къси разстояния са толкова необходими, така нареченият той все още ще се покаже. Но въпреки това, той, заедно със своя спътник бутален двигател, вече е загубил конкуренцията по височина-скорост. Но повече за това в друга публикация...

Снимките могат да се кликват.