Пропелер

Messerchmidt

Повітряний гвинт, пропелер - лопаткова 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 лопатей повітряний гвинт поділяються на гвинти фіксованого і змінного кроку. В залежності від способу використання повітряні гвинти діляться на тягнуть і штовхають.

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 штовхає пропелером; біплан (поліплан) без перегородок на крилі з тягне гвинтом і задньо-розташованим оперенням; моноплан «нормальної» схеми з тягне гвинтом; моноплан з самобалансірующейся крилом без стабілізуючого хвостового оперення; моноплан-тандем.

Але сьогодні, коли паливо стає все дорожче, конструктори згадали про більш економічніповітряні гвинти, придумали так звані гвинтовентилятори - пропелери з 8-12 тонкими лопатями. Порівняно із звичайними гвинтами вони меншого діаметру і ваги, набагато менше шумлять, а, головне, економлять майже третину палива.

 

 

Принцип роботи

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

У будь-якому перерізі лопаті 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 максимального аеродинамічного якості. Тому для того, щоб змусити лопать створювати найбільшу тягу при найменшій витраті енергії, кут φ повинен бути змінним по радіусу: меншим на кінці лопаті і великим поблизу осі обертання - лопать повинна бути скручена.

Закон поширення товщин профілю та крутки по радіусу гвинта, а також форма гвинтового профілю 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

Технічні параметри Визначальними технічними параметрами є діаметр гвинта, ширина і товщина лопаті, 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 лопаті під час обертання.

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

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

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

Кроком перетину лопаті 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 лопаті приймається, як правило, кут установки перерізу, розташованого на 0,75 R від осі обертання гвинта, що позначається як φ0.75.

Круткою лопаті 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 лопат – 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 лопати не повертаються навколо своїх осей.

2) Лопати 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 лопат 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 лопати можуть установлюватися по потоці для зменшення аеродинамічного опору при змушеній зупинці двигуна в польоті.

5) Лопати реверсивного та флюгерн-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 В. в. з гідравлічним приводом. 1) У повітряних гвинтах з гідравлічним приводом прямої схеми лопати 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 з воротної схеми, у яких лопати встановлюються на великий крок за допомогою зусиль, створюваних тиском масла, а на малий крок – відцентровими силами самих лопат.

- Одиночний гвинт має один ряд лопат;

- 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

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 лопатях гвинта ділянок з навколозвукових і надзвуковим плином повітря (так званої Хвильової кризи). Це явище накладає суттєві обмеження на технічні характеристики літаків з гвинтокорилої силовою установкою. Зокрема, сучасні літаки з повітряними гвинтами, як правило, не можуть розвинути швидкість понад 650-700 км / ч. 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