Что такое шаг винта в авиации

Шаг винта

Шагом воздушного винта Н называется расстояние, на которое он поступательно продвигается за один оборот (рис. 82).

Рис. 82. Шаг винта Н

Шаг для всех частей и сечений винта одинаков, т. е. винт имеет постоянный шаг. Это графически изображено на рис. 83,а, где показаны углы установки сечений лопасти на различных ее радиусах для винта постоянного шага.

Рис. 83. Углы установки сечений лопасти на различных радиусах:
а — винт постоянного шага; б — винт переменного шага

В действительности же условия работы винта в податливой среде (воздух) более сложны и форма винтовой поверхности, которой придерживались ранее, невыгодна. В настоящее время винты строятся переменного вдоль лопасти шага (рис. 83,6), который возрастает к концу лопасти. К винтам переменного шага также применяется понятие «шаг винта», но условно берется шаг, соответствующий сечению, расположенному на 0,75 R (или 75%).

Геометрический шаг винта Я можно подсчитать по формуле:

где R — радиус винта до рассматриваемого сечения допасти;
ϕ — угол установки профиля дужки лопасти в данном сечении.

Вследствие податливости воздуха винт в действительности за один оборот продвигается на расстояние меньше, чем H. Это расстояние называется поступью винта H и определяется из выражения:

аде v — (поступательная скорость винта, м/сек; n — число оборотов винта в секунду.

Разность между геометрическим шагом и поступью называется скольжением винта
S = H—Hа.

Для характеристики кривизны лопасти, или крутки лопасти, необходимо определить угол наклона всех сечений лопасти относительно одного из них. Разность между углами наклона сечений у конца лопасти и у комля называют закруткой лопасти.

Мощность винта данного диаметра, точнее, способность винта к поглощению мощности зависит от угла установки лопастей и от их площади. Последняя величина дается в виде отношения суммарной площади всех лопастей винта к площади, ометаемой винтом, и называется перекрытием винта.

С учетом скольжения геометрический, шаг винта может быть подсчитан из выражения:

где v — поступательная скорость винта, задаваемая конструктором; n — число оборотов винта, зависящее от тина двигателя и выбранного конструктором соотношения чисел оборотов коленчатого вала двигателя и винта; S — скольжение винта, которое выражается процентах от геометрического шага и для расчета аэросанных винтов принимается равным 25—30%.

Полученные результаты можно проверить, подсчитав углы ϕ установки сечений по лопасти, имеющие прямую зависимость от шага винта.

На рис. 84 показаны кривые углов установки сечений лопасти по отношению к относительному радиусу винта для уже построенных и испытанных аэросанных воздушных винтов, а в табл. 10 указаны основные данные этих винтов.

Таблица 10

№ кривой на рис. 84	Двигатель	Мощность двигателя, л. с.	Диаметр винта, м	Число оборотов винта в минуту	Аэросани
1	М-72	20	2,2	1700	РФ-12
2	НАМИ	22	1,45	2500	ОСГА-4
3	—	12	1,3	2400	ОСГА-4
4	ГАЗ-А	40	2,2	1600	А-2
5	ИЖ-49	11	1,6	1440	—
6	ГАЗ М-1	50	2	—	КМ-5
7	«Вальтер» (самолетный)	—	2,35	1400	—

Рис. 84. Кривые углов ϕ установки сечений лопасти, по отношению к относительному радиусу винта для аэросанных воздушных винтов

Источник

Шаг винта

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

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

Содержание

Воздушный винт (пропеллер)

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

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

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

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

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

Несущий винт вертолета

Ветрогенератор

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

Источник

Как вычислить шаг воздушного винта

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

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

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

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

где v — скорость модели, м/с;

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

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

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

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

Воздушный винт дополнительные сведения.

Рис. 1. Геометрические характеристики воздушного винта

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

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

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

Относительный шаг — это отношение шага к диаметру

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

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

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

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

Легко показать, что

где ns — число оборотов пинта в секунду,

D — диаметр винта,

V — скорость полета модели.

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

А вот формула для мощности, необходимой для вращения винта:

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

Из соотношения — получим выражение для определения коэффициента полезного действия:

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

Рис. 2. Диаграмма-характеристика серии воздушных винтов.

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

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

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

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

Рис. 3. Вычерчивание шаблонов винта.

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

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

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

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

На рис. 4 показаны шаблоны нескольких различных винтов.

Источник

ВИНТ С РЕГУЛИРУЕМЫМ ШАГОМ

Представим себе автомобиль без коробки скоростей. Мощность его мотора может быть передана задним колесам различными путя­ми, однако, соотношение между шестернями мотора и задними ко­лесами остается постоянным при всех скоростях автомобиля. Мощ­ность, вырабатываемая мотором, зависит в этом случае от того, стоит ли автомобиль неподвижно или он находится в движении. Если мы хотим пустить в ход автомобиль без применения посторон­ней силы, передача от мотора на задние колеса должна быть такая же, как при первой скорости. После того как автомобиль тронулся, та­кое положение шестерен позволит мотору развить наибольшую мощность и достичь наивысших оборотов. На этом автомобиле мы сможем взбираться на гору, ехать по плохим дорогам, так как он будет иметь достаточную мощность; однако, скорость движения будет невелика.

Если мы произведем тот же опыт с автомобилем, который имеет только высшую (третью) скорость, — результат будет обратный. Стар­товать будет очень трудно, дальнейшее ускорение будет итти очень медленно, и, чтобы добраться куда-либо, придется избегать подъемов. Такое устройство передачи не обеспечит гибкой работы мотора, поэтому наиболее приемлемым было бы нечто среднее между этими двумя скоростями.

Винт с постоянным шагом, который применялся на самолетах до последнего времени, давал те же результаты, что и автомобиль без коробки скоростей. Винт с регулируемым шагом значительно увеличивает возможности современного самолета по сравнению с ко­робкой скоростей, принятой в автомобилях.

Чтобы мотор с нагнетателем мог развить максимальную мощ­ность, необходимую для взлета, он должен развить максимальное число оборотов в минуту. Это возможно только при винте с регу­лируемым шагом, лопасти которого расположены под малым углом. Благодаря такому винту транспортные самолеты могут отрываться от земли с большим грузом после небольшого пробега.

У винта с регулируемым шагом угол, образуемый лопастями, мо­жет быть изменен либо летчиком, либо автоматически. Цель автомати­ческой регулировки — поддерживать постоянные обороты мотора по причинам, которые будут изложены ниже.

Рис. 331. Этим рисунком мы хотим показать, что винт меняет свой шаг так, чтобы полностью поглощать мощность, развиваемую мотором при 1 900 об/мин. Это изменение шага производится регу­лирующим приспособлением.

Самолет в положении L развил нормальную крейсерскую ско­рость. В положении М самолет слегка поднимается. Мотор продол­жает работать при 1 900 об/мин, что означает, что он дает винту ту же мощность, хотя с увеличением лобового сопротивления нагрузка на винт увеличилась. Последнее обстоятельство компенсируется уменьшением шага винта.

Мощность мотора в положении L используется, главным образом, на увеличение горизонтальной скорости, в то время как в М она используется преимущественно на преодоление лобового сопроти­вления.

В положении N условия те же, что ив М. Однако, сопротивление движению, увеличившееся с увеличением угла подъема, компен­сируется увеличением тяги винта вследствие уменьшения его шага. В положении 8 наблюдается обратное. С увеличением мощности мотора, само собой разумеется, необходимо увеличить размеры винта, для того чтобы поглотить эту мощность и не допустить чрезмерного увеличения скорости вращения вала мотора. Установлено, однако, что винт с очень большим диаметром несколько непропорционален размерам современных самолетов. Поэтому часто вместо двухлопаст­ного винта применяется трехлопастный. Коэфициент его полезного действия несколько ниже. Скорость вращения винта всегда огра­ничена известным пределом. А именно скорость движения концов лопастей винта должна быть менее 300 м/сек; этим предотвращаются так называемые «потери», которые привели бы к понижению эффек­тивности винта.

Имеется много образцов винтов с регулируемым шагом. В основ­ном они все одинаковы, но в них применяются различные виды энергии, необходимой для изменения и регулирования шага. Наи­более характерны следующие типы: 1) винт, в котором для регулиро­вания применяется гидравлическая сила (здесь шаг винта регули­руется маслом под давлением); 2) винт, в котором используется электроэнергия.

Рис. 332. Винт постоянной скорости Кертис. Лопасти этого винта изготовляются из дюралюминия или стали. В последнем случае они делаются пустотелыми. К ступице винта прикреплен небольшой моторчик, который создает силу, необходимую для изменения шага винта. Зубчатая передача с огромным переда­точным числом, установленная между моторчиком и лопастями винта,

делает этот моторчик очень сильным, так что он может преодолеть сопротивление винта.

Источником электроэнергии для мотора винта служит двадцати­вольтовая батарея, установленная на самолете. Шаг винта может изменяться автоматически с помощью шарикового (гироскопического) регулятора, который вращается мотором самолета; это делается для сохранения постоянной скорости вращения. Необходимое упра­вление регулятором производится вручную пилотом. Когда не тре­буется автоматического изменения шага, регулятор выключают, и пилот сам устанавливает желательный шаг лопастей винта. Ток, поступающий от батареи к электромотору винта для изменения шага винта, проходит через магниты и тормоз, который мешает электро­мотору продолжать вращение после того, как ток выключен. Как только тормоз выключен, мотор начинает свою работу и изменяет шаг винта. Когда желательный шаг получен, действие регулятора выключает ток, идущий от батареи в электромотор. В этот мо­мент тормозной магнит, не получая электроэнергии, уже не пре­пятствует пружинному тормозу остановить вал электромотора. Шаг винта, по желанию, может быть переведен из полного положитель­ного на полный отрицательный. Регулирование шага обеспечивает маневренность гидросамолетов на поверхности воды.

Рис. 333. В многомоторном самолете в случае остановки одно­го из моторов вся нагрузка ложится на моторы, продолжающие работать. Нагрузка на винты этих моторов увеличивается, и поэтому уменьшается быстрота вращения моторов. Однако, ре­гулятор приостанавливает эту тенденцию мотора, уменьшая шаг винта ниже нормального и позволяя, таким образом, мотору сохра­нять свою мощность. Несмотря на большое напряжение работающих

моторов, самолет будет отставать, так как остановившийся мотор не только не тянет вперед, но, наоборот, создает дополнительное сопротивление во встречном воздушном потоке, который сам вра­щает винт. Этот бесполезный мотор в таких условиях отнимает около 75 л. с. от мощности работающих моторов (если каждый из мо­торов имеет 500 л. с.). Если мы прекратим провертывание остановив­шегося мотора, то он поглотит только 35 л. с. мощности работающего мотора. Если же мы приостановим не только провертывание «мерт­вого» мотора, но также и вращение его винта, то потеря мощности работающего мотора составит только около 10 л. с. Это означает, что в последнем случае самолет сэкономит больше мощности, кото­рая сможет быть использована, например, для покрытия на одном моторе большего расстояния с большей безопасностью или для полу­чения большей тяги от винта работающего мотора; большая тяга особенно необходима, когда один из моторов отказывает в ра­боте вскоре после взлета самолета.

Взлет. Для сокращения разбега самолета при взлете, осо­бенно когда самолет тяжело нагружен, необходимо большое уско­рение. Такое ускорение можно получить только тогда, когда вся мощность мотора передается на винт и обеспечивает хорошую тягу винта. С этой целью регулятор винта устанавливают на максимально допускаемое мотором число оборотов; в этом положении лопасти будут установлены на самый малый шаг, что и позволит мотору развить максимальную мощность.

В то время как частичное увеличение мощности мотора, необ­ходимое для отрыва, может быть достигнуто уменьшением угла ло­пастей винта, дальнейшее увеличение мощности возможно лишь при питании мотора большим количеством горючего и при увели­чении давления во всасывающем патрубке с помощью нагнетателя; это вызывает образование большего количества тепловой энергии из большего количества горючего, посылаемого в цилиндр в минуту. Данная максимальная мощность мотора не может быть поддержана в течение долгого времени, потому что избыток тепла, собирающийся в цилиндрах, не может быть передан в воздух так же быстро, как он создается. Однако, на короткий период можно без опасения пу­стить мотор на полный ход, как это оговаривается специальными инструкциями, после чего необходимо понизить его нагрузку до минимального уровня, чтобы предупредить перегрев.

Набор высоты. При наборе высоты мы используем макси­мальную мощность мотора, допустимую в течение более или менее

продолжительного времени (однако, она меньше, чем мощность, допустимая для отрыва), обращая избыточную силу — сверх вели­чины, необходимой для преодоления лобового сопротивления, — на быстрый подъем. Скорость набора высоты при наличии винта с регулируемым шагом увеличивается, так как избыток мощности мотора, используемый на подъем, возрастает. Во время подъема мотор вращается с постоянной скоростью, которая развивает опре­деленную мощность при определенном давлении во всасывающем патрубке. Всякое изменение угла подъема увеличивает или умень­шает число оборотов мотора в минуту.

Но регулятор, который управляет лопастями винта, соответ­ственно изменяет шаг винта. Следовательно, мотор сохраняет свое число оборотов и свою мощность во время всего подъема. При этих условиях винт работает с постоянной эффективностью.

Крейсерская скорость. Как только самолет достиг­нет высоты, намеченной для горизонтального полета, регулятор скорости должен быть установлен соответственно числу оборотов

мотора, рекомендованному для крейсерской скорости; после этого давление во всасывающем патрубке может быть соответственно отре­гулировано дросселем.

Независимо от положения носа самолета относительно горизонта, постоянно-скоростной винт будет сохранять то же самое число обо­ротов мотора; если даже самолет перейдет в пике, мотор не будет вращаться с большей скоростью.

Рис. 334. На этом рисунке показаны: зависимость между углом установки лопастей, скоростью взлета, крейсерской скоростью и максимальной скоростью одномоторного транспортного самолета на уровне моря и на расчетной высоте мотора.

Рис. 335. Этот рисунок показывает то же, что и рис. 334, но на нем рассматривается двухмоторный транспортный самолет. В пра­вой стороне рисунка показано, как меняется угол установки лопастей винта работающего мотора на уровне моря и на расчетной высоте в случаях, когда один из моторов не работает.

Рис. 336. Этот рисунок показывает вам полетные качества транс­портного самолета, мотор которого имеет или винт с постоянным шагом или винт, имеющий только две возможные установки шага (минимальный и максимальный шаг), или винт Кертис.

Источник