Пропелер

Пропелер літака

Повітряний гвинт, пропелер

Автожир

- лопастна машина (лопастной агрегат), що приводиться в обертання двигуном і призначений для перетворення потужності (обертового моменту) двигуна в тягу. Повітряний гвинт застосовується як рушійна сила для літаків, автожирів, цикложирів-циклокоптерів і вертольотів з поршневими і турбогвинтовими двигунами, а також в тій же якості - для екранопланів, аеросаней, аероглісерів і суден на повітряній подушці. У автожирів і вертольотів повітряний гвинт застосовується також в якості несучого гвинта, а у вертольотів ще й в якості рульового гвинта. В залежності від наявності можливості зміни кроку лопастей повітряний гвинт поділяють на гвинти фіксованого і змінного кроку. В залежності від способу використання повітряні гвинти діляться на тягнучі і штовхаючі.

 

Історія

Ідею повітряного гвинта ще в 1475 році запропонував Леонардо да Вінчі, а вперше примінив на практиці М.В.Ломоносов. В 1754 році він побудував

Літальний апарат Леонардо да Вінчі

] модель приладу з повітряним гвинтом для метеодосліджень. Перші гвинти робили з дерева. В 20-х роках вони стали металевими (із дюралюмінію). З появою реактивних літаків пропелери відійшли на задній план. Основними аеродинамічними варіантами літаків в період з 1905 по

Біплан з коробчастим крилом

1908 р. були: біплан з коробчастим крилом, переднім кермом висоти і штовхльним пропелером; біплан (поліплан) без перегородок на крилі з тягнучим гвинтом; моноплан «нормальної» схеми з тягнучим гвинтом; моноплан з самобалансуючим крилом без стабілізуючого хвостового оперення; моноплан-тандем. В кінці 1913 року літаки були хоч і важкими, але розвивали швидкість до 130 км / год.

Прагнення авіаконструкторів двокрилих машин перевищити швидкісні показники монопланів привело до появи нового типу біплана, названого «Скаут». Для них були характерні невеликі розміри, одностійкова коробка крил і мала величина корисного навантаження. У проектах цих машин передбачалося лише одне місце для пілота. Найменший лобовий опір, невелике навантаження на крило і хороша енергоозброєність дозволяли «скаутам» розвивати великі швидкості. Але сьогодні, коли паливо стає все дорожче, конструктори згадали про більш економічні повітряні гвинти, придумали так звані гвинтовентилятори - пропелери з 8-12 тонкими лопастями. Порівняно із звичайними гвинтами вони меншого діаметру і ваги, набагато менше шумлять, а, головне, економлять майже третину палива.

Принцип роботи

Лопасть гвинта здійснює складний рух - поступальний і обертальний. Швидкість руху елемента лопасті буде складатися з окружної швидкості і поступальної (швидкості польоту) - V

У будь-якому перерізі лопасті складова швидкості V буде незмінною, а окружна швидкість буде залежати від величини радіусу, на якій знаходиться цей розріз. Отже зі зменшенням радіусу ωr кут підходу струменя β до перетину збільшується, а кут атаки перерізу α=φ-β зменшується і може стати рівним нулю або негативним. Між тим відомо, що крило найбільш ефективно "працює" на кутах атаки, близьких до кутів максимальної аеродинамічної якості. Тому для того, щоб змусити лопасть створювати найбільшу тягу при найменшій витраті енергії, кут φ повинен бути зміненим по радіусу: меншим на кінці лопасті і великим поблизу осі обертання - лопасть повинна бути скручена.

Закон поширення товщин профілю та крутки по радіусу гвинта, а також форма гвинтового профіля визначається в процесі проектування гвинта і уточнюється згодом на підставі продувки в аеродинамічних трубах. Подібні дослідження проводяться, як правило, в спеціалізованих конструкторських бюро або інститутах, оснащених сучасним обладнанням і засобами обчислювальної техніки. Дослідно-конструкторські бюро, а також самодіяльні конструктори зазвичай користуються вже розробленими видами гвинтів, геометричні та аеродинамічні характеристики яких подаються у формі безрозмірних коефіцієнтів.

Технічні параметри

Визначальними технічними параметрами є діаметр гвинта, ширина і товщина лопасті, а також крок гвинта. Існують гвинти з можливістю зміни кроку як на землі, так і в польоті. Останні набули поширення в кінці 1930-х років. Діаметром гвинта - D називається діаметр кола, яку описують кінці його лопасті під час обертання.

Ширина лопасті-це хорда перетину на заданому радіусі. У розрахунках зазвичай використовують відносну ширину лопасті.

Товщиною лопасті на радіусі називається найбільша товщина перерізу на цьому радіусі. Товщина змінюється вздовж радіуса лопасті, зменшуючись від центру гвинта до його кінця. Під відносною товщиною розуміють відношення абсолютної товщини до ширини лопасті на тому ж радіусі:

Кутом установки перерізу φ лопасті називається кут, утворений хордою даного перетину з площиною обертання гвинта.

Кроком перетину лопасті H називається відстань, яку пройде це перетин в осьовому напрямку при повороті гвинта на один оборот навколо своєї осі, вгвинчуючись в повітря як в тверде тіло.

Крок і кут установки перерізу пов'язані очевидним співвідношенням:

Реальні повітряні гвинти мають крок, що змінюється вздовж радіуса за певним законом. В якості характерного кута установки лопасті приймається, як правило, кут установки перерізу, розташованого на 0,75 R від осі обертання гвинта, що позначається як φ0.75.

Круткою лопасті називається зміна по радіусу кутів між хордою перетину на даному радіусі та хордою на радіусі 0,75 R, тобто φ-φ0.75

Для зручності користування всі перераховані геометричні характеристики зазвичай представляють графічно у функції щодо поточного радіусу гвинта.

Типи

Повітряні гвинти поділяються: по способі установки лопастей – на гвинти незмінного, фіксованого й змінюваного кроку (можуть бути флюгерними або флюгерно-реверсивними); по механізму зміни кроку – з механічним, електричним або гідравлічним приводом; за схемою роботи – прямої або зворотної схеми; по конструкції – на одиночні, співвісні, дворядні, повітряні гвинти у кільці.

1) У повітряних гвинтах незмінного кроку лопасті не повертаються навколо своїх осей.

2) Лопасті повітряних гвинтів фіксованого кроку можуть бути встановлені під необхідним кутом перед польотом, але під час роботи вони не повертаються.

3) У повітряних гвинтах змінюваного кроку можна змінювати кут установки лопастей за допомогою системи ручного керування або автоматично за допомогою регулятора частоти обертання. Регулятор підтримує задану частоту обертання двигуна, управляючи кроком за допомогою подачі масла через систему каналів у відповідні порожнини механізму керування повітряних гвинтах з гідравлічним приводом.

4) У флюгерного повітряного гвинта лопасті можуть установлюватися по потоці для зменшення аеродинамічного опору при змушеній зупинці двигуна в польоті.

5) Лопасті реверсивного та флюгерно-реверсивного повітряного гвинта можуть також установлюватися в таке положення, коли при його обертанні створюється негативна тяга, використовувана на посадці для скорочення довжини пробігу й маневрування на землі.

Механічні й електричні механізми зміни кроку володіють великий инерционностью й тому практично не використаються. Найпоширеніші повітряні гвинти з гідравлічним приводом. 1) У повітряних гвинтах з гідравлічним приводом прямої схеми лопасті встановлюються на малий крок за допомогою зусиль, створюваних тиском масла, а на великий крок – відцентровими силами противаг. Такі повітряні гвинти застосовуються при потужностях двигуна до 2000 кВт.

2) При потужностях понад 2000 кВт значно зростає маса противаг, тому використовуються повітряні гвинти зворотної схеми, у яких лопасті встановлюються на великий крок за допомогою зусиль, створюваних тиском масла, а на малий крок – відцентровими силами самих лопастей.

- Одиночний гвинт має один ряд лопастей;

- співвісний повітряний гвинт складається із двох одиночних гвинтів, установлених на співвісних валах й обертових у протилежні сторони;

- дворядний повітряний гвинт складається із двох одиночних гвинтів, розташованих один за іншим й обертових в одному напрямку.

- повітряний гвинт у кільці має профільоване кільце, завдяки якому створиться доповююча тяга; ефективна на малих швидкостях (до 200 км/ч).

 

Позитивні та негативні сторони повітряного гвинта

ТУ-95

ККД сучасних повітряних гвинтів досягає 82-86 відсотків, що робить їх дуже привабливими для авіаконструкторів. Літаки з турбогвинтовими силовими установками значно економніші, ніж літаки з реактивними двигунами. Однак повітряний гвинт має і деякі обмеження, як конструктивного, так і експлуатаційного характеру. Частина цих обмежень описана нижче. «Ефект замикання». Цей ефект виникає або при збільшенні діаметра повітряного гвинта, або при збільшенні оборотів, і виражається у відсутності зростання тяги зі збільшенням потужності, що передається на гвинт. Ефект пов'язаний з появою на лопаcтях гвинта ділянок з навколозвуковим і надзвуковим плином повітря (так званої хвильової кризи). Це явище накладає суттєві обмеження на технічні характеристики літаків з гвинтокриловою силовою установкою. Зокрема, сучасні літаки з повітряними гвинтами, як правило, не можуть розвинути швидкість понад 650-700 км / год. Найшвидший гвинтовий літак - бомбардувальник ТУ-95 - має максимальну швидкість 920 км / год. Підвищена галасливість. Шумність сучасних літаків в даний час регламентується нормами ICAO. Повітряний гвинт в ці норми не вписується.

Література

Воздушные винты. В.Л. Александров. Государственное издательство оборонной промышленности 1951 г.

Авіаційна енциклопедія