Как работает воздушный винт. Воздушные винты конструкции А.Я

Воздушный винт в кольце

Самодеятельные конструкторы аэросаней, аэроглиссеров, самолетов и других транспортных средств, использующих воздушные винты, часто решают дилемму получения приемлемой тяги при малых габаритах винтомоторной установки. Одним из способов повышения тяги без увеличения диаметра винта является увеличение количества лопастей. Так увеличение количества лопастей с 2-х до 4-х приводит к увеличению тяги винта на 70-80%. Но в данном случае уменьшается КПД винта, поэтому требуется двигатель с в два раза большей мощностью. Одним из способов увеличения статической тяги винта без повышения мощности двигателя является применение кольцевой насадки. При этом статическая тяга увеличивается в 1,2 раза, что равносильно увеличению диаметра винта на 30%.

Лопасти винта, вращаясь, захватывают воздух и отбрасывают его в направлении, противоположном движению. Перед винтом создается зона пониженного давления, за винтом - повышенного. Вращение лопастей воздушного винта приводит к тому, что отбрасываемые им массы воздуха приобретают окружные и радиальные направления и на это расходуется часть энергии подводимой к винту.

Комплекс воздушный винт - направляющая насадка обладает рядом специфических преимуществ, связанных с действием насадки:

1. Возникающая вокруг профиля насадки циркуляция набегающего потока разгружает винт, перекладывая часть упора комплекса на насадку.

2. При работе комплекса в косом потоке насадка формирует поле скоростей перед винтом, выравнивая его практически соосно винту, сохраняя величину скорости натекания. В результате скос натекающего потока мало влияет на винт.

3. Разница давлений на нагнетающей и засасывающей сторонах лопастей винта без насадки, обуславливающая полезное действие винта, уменьшается вследствие перетекания у концов лопастей (как на крыле самолета). Наличие насадки препятствует такому перетеканию, практически исключает концевые потери и повышает, таким образом, КПД комплекса.

В целом КПД комплекса может на 20 % превысить КПД винта без насадки.

Насадка представляет собой кольцо охватывающее гребной винт. Сечению насадки вдоль оси винта придается крыльевой профиль, обращенный выпуклой поверхностью к винту (рис.1).

Благодаря скосу потока воздуха профиль насадки обтекается под некоторым углом атаки. В результате возникают подъемная сила Cy и сила тяги P . Эффективность насадки существенно зависит от режима работы пропульсивного комплекса. Так, при разбеге, когда винт создает большой упор при низкой скорости самолета, скос потока на входе насадки достаточно велик, что приводит к разгрузке лопастей. Профильное сопротивление насадки при низкой скорости невелико. Однако на высоких скоростях скос потока уменьшается, а профильное сопротивление резко возрастает. Эффективность насадки падает.

Зазор между концом лопасти винта и насадкой составляет 1-2% радиуса винта. При большем зазоре КПД комплекса приблизительно соответствует КПД винта без насадки. При меньшем зазоре сложно обеспечить беспрепятственное вращение винта из-за вибраций и температурных деформаций частей комплекса.

Насадка создает более равномерную нагрузку на двигатель. Уменьшая вредное воздействие косого потока на винт насадка снижает переменные нагрузки на лопасти и вал винта, служит своеобразным демпфером при боковых порывах ветра. Насадка служит также защитой винта от повреждений и делает более безопасной эксплуатацию судна.

Расчет насадки достаточно сложен. Так же как и расчет воздушного винта, он часто не дает на практике расчетных результатов. Поэтому насадку проще подбирать экспериментально.

Ниже даны параметры четырехлопастного движительного комплекса «винт в кольце» в сравнении с двух и четырех лопастными винтами без насадок.

Г. В. Махоткин

Проектирование воздушного винта

Воздушный винт завоевал репутацию незаменимого движителя для быстроходных плавсредств, эксплуатируемых на мелководных и заросших акваториях, а также для аэросаней-амфибий, которым приходится работать на снегу, на льду и на воде. И у нас и за рубежом накоплен уже немалый опыт применения воздушных винтов на скоростных малых судах и амфибиях . Так, с 1964 г. в нашей стране серийно выпускаются и эксплуатируются аэросани-амфибии (рис. 1) КБ им. А. Н. Туполева. В США несколько десятков тысяч аэролодок, как их называют американцы, эксплуатируются во Флориде.

Проблема создания быстроходной мелкосидящей моторной лодки с воздушным винтом продолжает интересовать и наших судостроителей-любителей. Наиболее доступна для них мощность 20-30 л. с. Поэтому рассмотрим основные вопросы проектирования воздушного движителя с расчетом именно на такую мощность.

Тщательное определение геометрических размеров воздушного винта позволит полностью использовать мощность двигателя и получить тягу, близкую к максимальной при имеющейся мощности. При этом особую важность будет иметь правильный выбор диаметра винта, от которого во многом зависит не только КПД движителя, но и уровень шума, прямо обусловленный величиной окружных скоростей.

Исследованиями зависимости тяги от скорости хода установлено, что для реализации возможностей воздушного винта при мощности 25 л. с. необходимо иметь его диаметр - около 2 м. Чтобы обеспечить наименьшие энергетические затраты, воздух должен отбрасываться назад струей с большей площадью сечения; в нашем конкретном случае площадь, ометаемая винтом, составит около 3 м². Уменьшение диаметра винта до 1 м для снижения уровня шума уменьшит площадь, ометаемую винтом, в 4 раза, а это, несмотря на увеличение скорости в струе, вызовет падение тяги на швартовах на 37%. К сожалению, компенсировать это снижение тяги не удается ни шагом, ни числом лопастей, ни их шириной.

С увеличением скорости движения проигрыш в тяге от уменьшения диаметра снижается; таким образом, увеличение скоростей позволяет применять винты меньшего диаметра. Для винтов диаметром 1 и 2 м, обеспечивающих максимальную тягу на швартовах, на скорости 90 км/ч величины тяги становятся равными. Увеличение диаметра до 2,5 м, увеличивая тягу на швартовах, дает лишь незначительный прирост тяги на скоростях более 50 км/ч. В общем случае каждому диапазону эксплуатационных скоростей (при определенной мощности двигателя) соответствует свой оптимальный диаметр винта. С увеличением мощности при неизменной скорости оптимальный по КПД диаметр увеличивается.

Как следует из приведенного на рис. 2 графика, тяга воздушного винта диаметром 1 м больше тяги водяного гребного винта (штатного) подвесного мотора «Нептун-23» или «Привет-22» при скоростях свыше 55 км/ч, а воздушного винта диаметром 2 м - уже при скоростях свыше 30-35 км/ч. Расчеты показывают, что на скорости 50 км/ч километровый расход топлива двигателя с воздушным винтом диаметром 2 м будет на 20-25% меньше, чем наиболее экономичного подвесного мотора «Привет-22».

Последовательность выбора элементов воздушного винта по приводимым графикам такова. Диаметр винта определяется в зависимости от необходимой тяги на швартовах при заданной мощности на валу винта. Если эксплуатация мотолодки предполагается в населенных районах или районах, где существуют ограничения по шуму, приемлемый (на сегодня) уровень шумов будет соответствовать окружной скорости - 160-180 м/с. Определив, исходя из этой условной нормы и диаметра винта, максимальное число его оборотов, установим передаточное отношение от вала двигателя к валу винта.

Для диаметра 2 м допустимое по уровню шума число оборотов будет около 1500 об/мин (для диаметра 1 м - около 3000 об/мин); таким образом, передаточное отношение при числе оборотов двигателя 4500 об/мин составит около 3 (для диаметра 1 м - около 1,5).

При помощи графика на рис. 3 вы сможете определить величину тяги воздушного винта, если уже выбраны диаметр винта и мощность двигателя. Для нашего примера выбран двигатель самой доступной мощности - 25 л. с., а диаметр винта - 2 м. Для этого конкретного случая величина тяги равна 110 кг.

Отсутствие надежных редукторов является, пожалуй, самым серьезным препятствием, которое предстоит преодолеть. Как правило, цепные и ременные передачи, изготовленные любителями в кустарных условиях, оказываются ненадежными и имеют низкий КПД. Вынужденная же установка прямо на вал двигателя приводит к необходимости уменьшения диаметра и, следовательно, снижению эффективности движителя.

Для определения ширины лопасти и шага следует воспользоваться приводимой номограммой рис. 4. На горизонтальной правой шкале из точки, соответствующей мощности на валу винта, проводим вертикаль до пересечения с кривой, соответствующей ранее найденному диаметру винта. От точки пересечения проводим горизонтальную прямую до пересечения с вертикалью, проведенной из точки, лежащей на левой шкале числа оборотов. Полученное значение определяет величину покрытия проектируемого винта (покрытием авиастроители называют отношение суммы ширин лопастей к диаметру).

Для двухлопастных винтов покрытие равно отношению ширины лопасти к радиусу винта R. Над значениями покрытий указаны значения оптимальных шагов винта. Для нашего примера получены: покрытие σ=0,165 и относительный шаг (отношение шага к диаметру) h=0,52. Для винта диаметром 1 м σ=0,50 м и h=0,65. Винт диаметром 2 м должен быть 2-лопастным с шириной лопасти, составляющей 16,5% R, так как величина покрытия невелика; винт диаметром 1 м может быть 6-лопастным с шириной лопасти 50:3=16,6% R или 4-лопастным с шириной лопастей 50:2 = 25% R. Увеличение числа лопастей даст дополнительное уменьшение уровня шума.

С достаточной степенью точности можно считать, что шаг винта не зависит от числа лопастей. Приводим геометрические размеры деревянной лопасти шириной 16,5% R. Все размеры на чертеже рис. 5 даны в процентах радиуса. Например, сечение D составляет 16,4% R, расположено на 60% R. Хорда сечения разбивается на 10 равных частей, т. е. по 1,64% R; носок разбивается через 0,82% R. Ординаты профиля в миллиметрах определяются умножением радиуса на соответствующее каждой ординате значение в процентах, т. е. на 1,278; 1,690; 2,046 ... 0,548.

ТЕОРИЯ ВОЗДУШНОГО ВИНТА

Введение

Воздушный винт преобразует мощность вращения двигателя в поступательную силу тяги. Воздушный винт отбрасывает назад воздушную массу, при этом создается реактивная сила, толкающая самолёт вперёд. Тяга винта равна произведению массы воздуха на ускорение, приданное ей винтом.

Определения

Лопасть воздушного винта – это несущая поверхность, похожая на крыло самолёта. Такие определения, как хорда, кривизна профиля, относительная толщина профиля, относительное удлинение аналогичны определениям в отношении крыла самолёта.

Угол установки лопастей винта ( blade angle или pitch )

Это угол между хордой лопасти и плоскостью вращения. Угол установки уменьшается от корня лопасти к законцовке, потому что окружная скорость сечения лопасти растёт от комля к законцовке. Угол установки лопасти измеряют в сечении, расположенном в 75% от её длины, отсчитывая от комля.

Шаг винта ( geometric pitch )

Это расстояние, которое бы прошёл винт за один полный оборот, если бы двигался через воздух с углом установки лопастей. (Можно представить шаг винта как движение болта, закручивающегося по резьбе, но дальше такой аналогией мы пользоваться не будем)

Геометрическая крутка лопасти ( blade twist )

Сечения лопасти, расположенные ближе к её законцовке, за один оборот проходят больший путь. Чтобы шаг винта был одинаковый для всех сечений лопасти, угол установки сечений постепенно уменьшается от комля к законцовке.

Угол установки лопастей на многих винтах может меняться. Когда угол установки лопастей маленький, говорят, что винт на режиме малого шага (fine pitch), и когда, наоборот – на режиме большого шага (coarse pitch).

Поступь винта (effective pitch или advance per revolution)

В полёте, винт не проходит расстояние, равное шагу винта, за один оборот. Реальное расстояние, проходимое винтом, зависит от скорости самолёта и называется поступью винта.

Скольжение винта ( slip )

Разница между шагом и поступью винта называется скольжением винта.

Угол наклона винтовой линии ( helix angle )

Это угол между реальной траекторией сечения воздушного винта и плоскостью вращения.

Угол атаки(α)

Траектория движения сечения лопасти в воздухе определяет направление набегающего потока воздуха. Угол между хордой сечения лопасти и направлением набегающего потока является углом атаки сечения лопасти. На угол атаки влияет окружная скорость сечения (скорость вращения винта) и истинная скорость самолёта.

Воздушный винт фиксированного шага ( fixed pitch propeller )

На рисунках показана работа воздушного винта фиксированного шага при изменении условий полёта. Увеличение истинной скорости самолёта при неизменной скорости вращения винта (окружной скорости сечения) уменьшает угол атаки винта. Увеличение скорости вращения винта на постоянной истинной скорости полёта увеличивает угол атаки винта.

Аэродинамические силы, возникающие на воздушном винте

Лопасть винта представляет собой несущую поверхность, похожую на крыло самолёта. Когда она движется через воздух на некотором угле атаки, то на ней создаются аэродинамические силы так же, как и на крыле. Между поверхностями лопасти возникает перепад давления. Та поверхность лопасти, где создаётся большее давление, называется рабочей поверхностью лопасти (pressure face или thrust face). Когда винт создаёт прямую тягу, то рабочей является задняя (плоская) поверхность лопасти. Перепад давлений создаёт полную аэродинамическую силу, которую можно разложить на две составляющие, тягу и силу сопротивления вращению.

Тяга воздушного винта

Тяга - это компонент полной аэродинамической силы, перпендикулярный плоскости вращения. Сила тяги неравномерно создаётся по длине лопасти. Она минимальна на законцовке лопасти, где перепад давления между поверхностями исчезает, также уменьшается в комле из-за малой окружной скорости. Тяга создаёт изгибающий момент на каждой лопасти, стремясь погнуть их законцовками вперёд. (Сила равная и противоположная по направлению тяге винта отбрасывает воздух назад.)

Момент сопротивления вращению

Сила сопротивления вращению винта на плече от оси вращения до точки приложения полной аэродинамической силы создаёт момент сопротивления вращению. Равный по величине и противоположный по направлению момент воздействует на самолёт, стремясь повернуть его относительно продольной оси. Также момент сопротивления вращению создаёт изгибающие моменты на лопастях воздушного винта, стремясь согнуть их против направления вращения.

Центробежный скручивающий момент лопасти ( centrifugal twisting moment )

Боковые составляющие центробежных сил «А» и «В» создают момент относительно оси изменения угла установки лопасти, стремясь уменьшить шаг винта.

Аэродинамический скручивающий момент лопасти ( aerodynamic twisting moment )

Поскольку центр давления расположен впереди оси изменения угла установки лопасти, то полная аэродинамическая сила создаёт момент, стремящийся увеличить шаг винта.

Аэродинамический момент противодействует центробежному скручивающему моменту, но слабее его.

Коэффициент полезного действия воздушного винта

Коэффициент полезного действия винта определяется отношением тяговой мощности и мощности, подведённой к винту от двигателя. Тяговая мощность винта определяется произведением тяги винта на истинную скорость самолёта, а мощность двигателя – произведением крутящего момента двигателя на угловую скорость вращения винта.

к. п. д. винта = тяговая мощность / мощность двигателя

Зависимость к. п. д. винта от скорости полёта

Выше было показано, что при увеличении скорости полёта угол атаки лопастей винта фиксированного шага уменьшается. Это приводит к уменьшению тяги винта. На некоторой скорости этот угол уменьшится настолько, что тяга винта уменьшится до нуля. Это значит, что к. п. д. винта тоже станет равным нулю.

Для воздушного винта фиксированного шага существует только одна скорость при которой лопасти будут обтекаться под наиболее выгодным углом атаки и к. п. д. винта будет максимальным. (при постоянной угловой скорости вращения)

При дальнейшем уменьшении скорости самолёта угол атаки лопастей увеличивается. Тяга винта увеличивается, но произведение тяги на скорость (тяговая мощность) начинают падать. На нулевой скорости тяга винта максимальна, но винт не производит полезной работы, поэтому его к. п. д. снова равен нулю.

Коэффициент полезного действия винта фиксированного шага сильно изменяется при изменении скорости полёта.

Как видно из рисунка, используя винт изменяемого шага (угла установки лопастей), можно добиться его эффективной работы в широком диапазоне скоростей полёта.

Винт фиксированного шага с возможностью изменения угла установки лопастей в ступице при обслуживании на земле.

Воздушный винт с возможностью выбора трёх фиксированных углов установки лопастей в полёте. Малый шаг винта устанавливается для взлёта, набора высоты и посадки. При крейсерском полёте винт устанавливается в положение большого шага. При отказе двигателя винт устанавливается во флюгерное положение.

Воздушный винт изменяемого шага (constant speed propellers).

На современных самолётах устанавливаются винты, которые автоматически выдерживают заданную частоту вращения, изменяя угол установки лопастей. Это позволяет сохранять высокий к. п. д. в широком диапазоне скоростей, улучшить характеристики взлёта и набора высоты и обеспечить экономию топлива в крейсерском полёте.

Воздушный винт изменяемого шага

На рисунке изображен типичный пульт управления винтом и двигателем на маленьких поршневых самолётах. Все рычаги находятся в положении для взлёта (крайнем переднем).

Регулятор скорости вращения винта настроен на максимальную скорость.

Перемещение среднего рычага назад приведёт к уменьшению скорости вращения винта.

Обратите внимание: Можно провести аналогию между рычагом управления скоростью вращения винта и рычагом коробки передач в автомобиле.

Максимальная скорость винта – первая передача в машине.

Минимальная скорость винта – пятая передача в машине.

На рисунке показаны условия работы воздушного винта в начале разбега по ВПП. Обороты винта максимальны, поступательная скорость мала. Угол атаки лопастей оптимален, винт работает с максимальным к. п. д. По мере роста скорости угол атаки лопастей будет уменьшаться. Это приведет к уменьшению тяги и силы сопротивления вращению. При постоянной мощности двигателя обороты двигателя начнут возрастать. Регулятор поддержания постоянной скорости вращения винта начнёт увеличивать угол установки лопастей винта, чтобы не допустить увеличения оборотов винта. Таким образом, угол атаки лопастей всё время будет удерживаться на оптимальных значениях.

На рисунке показаны условия работы винта при полёте на большой скорости. По мере роста истинной скорости полёта регулятор поддержания оборотов винта постоянно увеличивает угол установки лопастей, поддерживая постоянный угол атаки.

Рисунок показывает работу винта в крейсерском полёте. Оптимальные режимы мощности и скорости вращения винта указываются в руководстве по лётной эксплуатации. Обычно рекомендуется сначала уменьшить мощность двигателя, а затем уменьшить скорость вращения винта.

В течение всего полёта регулятор поддержания постоянных оборотов управляет углом установки лопастей винта, чтобы сохранить заданные обороты. По крайней мере, пытается этого достичь.

Если крутящий момент от двигателя пропадает (режим малого газа или отказ), то регулятор, стремясь поддержать обороты, уменьшает угол установки лопастей на минимум. Угол атаки лопастей становится отрицательным. Теперь полная аэродинамическая сила на винте направлена в противоположную сторону. Её можно разложить на отрицательную тягу винта и силу, стремящуюся раскрутить винт. Теперь воздушный винт будет крутить двигатель.

На двухмоторном самолёте при отказе одного двигателя, если винт отказавшего двигателя авторотирует, то очень сильно ухудшаются характеристики набора высоты, дальность полёта и затрудняется управление самолётом из-за дополнительного разворачивающего момента. Также вращение отказавшего двигателя может привести к его заклинению или пожару.

Флюгирование

При повороте лопастей винта на угол атаки нулевой подъёмной силы исчезает сила вращающая винт и винт останавливается. Лобовое сопротивление (отрицательная тяга) винта уменьшается до минимума. Это значительно повышает характеристики набора высоты (при отказе одного из двух двигателей), поскольку градиент набора высоты зависит от разности между тягой двигателей и лобовым сопротивлением.

Также флюгирование лопастей винта уменьшает разворачивающий момент от отказавшего двигателя. Это улучшает управляемость самолёта и понижает минимальную эволютивную скорость при отказе двигателя V MC .

На однодвигательных самолётах флюгирование винта не предусматривается. Тем не менее, при отказе двигателя существует возможность существенно уменьшить отрицательную тягу винта. Для этого регулятор скорости вращения винта переводят на минимальную скорость. При этом винт будет установлен в положение максимального шага.

Это позволяет увеличить аэродинамическое качество самолёта, что уменьшит градиент потери высоты на планировании с отказавшим двигателем. Также уменьшатся обороты двигателя из-за уменьшения силы стремящейся раскрутить винт.

Если перевести регулятор оборотов винта на увеличение скорости вращения, то эффект будет противоположный.

Отбор мощности от двигателя на винт

Воздушный винт должен быть в состоянии воспринять всю мощность двигателя.

Также он должен работать с максимальным к. п. д. во всём эксплуатационном диапазоне самолёта. Критичным фактором является скорость обтекания законцовок лопастей. Если она приближается к скорости звука, то явления, связанные со сжимаемостью воздуха, приводят к уменьшению тяги и увеличению момента сопротивления вращению. Это значительно уменьшает к. п. д. винта и увеличивает его шумность.

Ограничение скорости обтекания законцовок лопастей накладывает ограничения на диаметр и угловую скорость вращения винта, а также на истинную скорость полёта.

Диаметр винта также ограничивается требованиями минимального зазора до поверхности аэродрома и фюзеляжа самолёта, а также необходимостью установить двигатель как можно ближе к фюзеляжу, чтобы уменьшить разворачивающий момент в случае его отказа. В случае если двигатель стоит далеко от продольной оси самолёта, то необходимо увеличивать вертикальное оперение, чтобы обеспечить балансировку самолёта при отказе двигателя на малой скорости. Всё вышесказанное показывает, что обеспечить, чтобы винт потреблял всю располагаемую мощность двигателя, одним только увеличением его диаметра нецелесообразно. Часто этого добиваются увеличением коэффициента заполнения воздушного винта.

Коэффициент заполнения воздушного винта ( solidity )

Это отношение фронтальной площади всех лопастей к площади ометаемой винтом.

Методы повышения коэффициента заполнения воздушного винта:

Увеличение хорды лопастей. Это приводит к уменьшению относительного удлинения лопасти, что приводит к снижению к. п. д.

Увеличение количества лопастей. Отбор мощности от двигателя увеличивается без увеличения скорости обтекания законцовок и уменьшения относительного удлинения лопастей. Увеличение числа лопастей более определённого количества (5 или 6) приводит к уменьшению к. п. д. винта.

Тяга винта создаётся отбрасыванием массы воздуха назад. Если чрезмерно увеличивать коэффициент заполнения воздушного винта, то будет уменьшаться масса воздуха, который может получить ускорение при прохождении через винт. Для эффективного увеличения числа лопастей используют соосные винты, вращающиеся на одной оси в противоположных направлениях.

Моменты и силы, создаваемые воздушным винтом

Винт создаёт моменты по всем трем осям самолёта. Причины возникновения этих моментов различны:

кренящий момент реакции винта

гироскопический момент

спиральный момент от спутной струи

момент, вызванный несимметричным обтеканием винта

Примечание: Большинство современных двигателей оснащено воздушными винтами вращающимися по часовой стрелке (если смотреть сзади). На некоторых двухмоторных самолётах на правый двигатель устанавливают винт, вращающийся против часовой стрелки, для устранения недостатков, связанных с появлением критического двигателя (см. главу 12).

Кренящий момент реакции винта

Поскольку винт вращается по часовой стрелке, то на самолёт действует равный по величине и противоположный по направлению момент.

При разбеге самолёта левый пневматик будет нести большую нагрузку, что создаст большее сопротивление качению. Поэтому самолёт будет иметь тенденцию к развороту влево. В полёте самолёт будет иметь тенденцию накрениться влево. Наиболее заметен этот момент будет при максимальной тяге винта и малой скорости полёта (малая эффективность рулей).

Кренящий момент реакции винта практически отсутствует у соосных винтов, вращающихся в противоположные стороны.

В оригинальном тексте написано, что у двухдвигательных самолётов с винтами, вращающимися в одну и ту же сторону, кренящий момент реакции винтов отсутствует до тех пор, пока не откажет один из двигателей. Это неверно. В теоретической механике сказано, что суммарный момент, действующий на твёрдое тело, равен алгебраической сумме моментов, лежащих в одной плоскости. То есть момент реакции винтов будет действовать на самолёт, не зависимо от количества работающих двигателей, и если все винты вращаются в одну и ту же сторону, то моменты будут складываться.

Гироскопический момент

Вращающийся воздушный винт имеет свойства гироскопа – стремится сохранить положение оси вращения в пространстве, а в случае приложения внешней силы – появляется гироскопический момент, стремящийся развернуть ось гироскопа в направлении, отличающемся на 90° от направления вынужденного вращения.

Направление действия гироскопического момента удобно определить, воспользовавшись следующим мнемоническим правилом. Представьте себя сидящим в кабине самолёта. Плоскость вращения двигателя (винта) изобразим окружностью, а направление вращения – стрелками по окружности.

Если из центра окружности провести одну стрелку в направлении движения носа самолёта, то вторая стрелка, направленная по касательной к окружности в направлении вращения двигателя (винта), покажет направление дополнительного (прецессионного) движения носа самолёта, вызванного действием гироскопического момента двигателя (винта).

Гироскопический момент появляется только при вращении самолёта по тангажу и по курсу.

У соосных винтов гироскопический момент отсутствует.

Спиральный момент от спутной струи

Воздушный винт отбрасывает назад закрученную струю воздуха, которая вращаясь вокруг фюзеляжа, изменяет обтекание киля. Поскольку винт вращается по часовой стрелке, то струя обтекает киль под углом слева, вызывая на нем боковую силу вправо.

Спиральный момент от спутной струи винта создаёт момент рыскания влево. Величина момента зависит от режима работы двигателя и оборотов воздушного винта.

Уменьшить спиральный момент можно с помощью:

используя соосные винты

установкой фиксированного компенсатора на руль направления

установкой двигателя с небольшим отворотом оси винта вправо

установкой киля под небольшим углом влево

Момент, вызванный несимметричным обтеканием винта

В полёте ось винта отклонена от направления набегающего потока на угол атаки. Это приводит к тому, что опускающаяся лопасть обтекается под большим углом атаки, чем поднимающаяся. Правая часть воздушного винта будет создавать большую тягу, чем левая. Таким образом, будет создаваться момент рыскания влево.

Наибольшую величину этот момент будет иметь на максимальном режиме работы двигателя и максимальном угле атаки.

Влияние атмосферных условий

Изменения в атмосферном давлении и/или температуре приводят к изменению плотности воздуха.

Это влияет на:

мощность двигателя при неизменном положении дроссельной заслонки

момент сопротивления вращению винта.

Увеличение плотности воздуха приводит к увеличению обоих этих параметров, но мощность двигателя увеличивается в большей степени.

Влияние плотности воздуха на работу двигателя с винтом фиксированного шага

Увеличение плотности приводит к росту оборотов винта и наоборот.

Влияние плотности воздуха на момент сопротивления вращению (потребный крутящий момент двигателя) винта фиксированного шага

Увеличение плотности приводит к росту момента сопротивления вращению винта и наоборот.

До того как были разработаны реактивные двигатели, на всех самолетах стояли пропеллеры, то есть воздушные винты, приводимые в движение двигателями внутреннего сгорания наподобие автомобильных.

Все лопасти воздушного винта имеют в поперечном сечении форму, напоминающую сечение крыла самолета. При вращении пропеллера воздушный поток обтекает переднюю поверхность каждой лопасти быстрее задней. И получается, что перед воздушным винтом давление меньше, чем за ним. Так возникает сила тяги, направленная вперед. А величина этой силы тем больше, чем выше скорость вращения воздушного винта.

(На изображении сверху)Воздушный поток двигается быстрее по передней поверхности лопасти вращающегося пропеллера. Это уменьшает давление воздуха спереди и заставляет самолет двигаться вперед.

Винтовой самолет взлетает в воздух благодаря силе тяги, создаваемой при вращении лопастей воздушного винта.

Концы вращающихся лопастей пропеллера описывают в воздухе спираль. Количество воздуха, которое гонит через себя пропеллер, зависит от размера лопастей и скорости вращения. Дополнительные лопасти и более мощные двигатели могут увеличить полезную работу воздушного винта.

Почему лопасти у воздушного винта имеют закрученную форму

Если бы эти лопасти были плоскими, воздух равномерно бы распределялся по их поверхности, вызывая лишь сопротивление вращению винта. Но когда лопасти искривлены, то воздушный поток, соприкасающийся с их поверхностью, в каждой точке на поверхности лопасти приобретает свое направление. Такая форма лопасти позволяет ей более эффективно рассекать воздух и сохранять самое выгодное соотношение между силой тяги и сопротивлением воздуха.

Воздушные винты с изменяемым углом наклона. Угол, под которым лопасть установлена во втулке несущего винта, называется углом начального конуса. На некоторых самолетах это угол можно менять и таким образом делать максимально полезной работу винта при различных полетных условиях, то есть при взлете, наборе высоты или в крейсерском полете.

М. Маслов

В конце 30-х годов нашего столетия ограниченные возможности воздушного винта вызвали трудности в решении проблемы дальнейшего увеличения скорости полета для самолетов с поршневыми двигателями. Возрастание мощности авиационных двигателей и в особенности увеличение их высотности при существовавших конструктивных ограничениях диаметра воздушных винтов привело к необходимости увеличения числа лопастей винтов, а также их рабочей поверхности, Из всех возможных вариантов получения более эффективного винтового движителя внимание конструкторов начали привлекать соосные воздушные винты.

Элементарные соображения наталкивали конструкторов на мысль о преимуществах винтов, вращающихся в противоположных направлениях. Суммарный реактивный момент таких винтов равнялся нулю, в результате чего отпадала необходимость в аэродинамических компенсаторах. При криволинейном полете устранялся гироскопический момент, что повышало маневренность. Воздушный поток, закрученный передним винтом, выпрямлялся задним, что создавало возможности увеличения КПД. Более того, выпрямленный поток обеспечивал симметричное обтекание самого самолета, что очень благоприятствовало улучшению управляемости на взлете и посадке. Естественно, что эти соображения нуждались в подтверждениях экспериментальными данными.

Нужно заметить, что интерес к соосным воздушным винтам проявляли столько же лет, сколько лет осуществлялись пилотируемые полеты. Еще братья Райт установили на своем первом самолете винты противоположного вращения с целью устранения реактивного момента винта. В 1918 г. исследования (далеко не единственные) двухлопастных соосных винтов были проведены в лабораториях Стенфордского университета в США. Результаты этих исследований были малообещающими, так как оказалось, что КПД такой системы винтов несколько ниже, чем у одиночного двухлопастного винта. Был сделан вывод (который и подтвердился во всех последующих исследованиях) о том, что при маломощных моторах, т.е. при малых относительных нагрузках на лопасти, соосные винты преимуществ не имеют. Исследования этого вопроса были прекращены более чем на 10 – 15 лет,

Конструкторы самолетов в этот период применяли винты противоположного вращения, при помощи которых стремились в основном добиться устранения реактивного момента и повысить устойчивость самолета за счет улучшения его обдувки. Это касается прежде всего летающих лодок Дорнье «Валь», До-18, Шорт «Сингапур» и Луар-Ныопор. Очевидно, жесткие требования к гидросамолетам привели к тому, что впервые возможности соосных винтов триумфально были продемонстрированы именно на гидросамолете- итальянском Макки-Кастольди М-7 2.

Этот самолет строился специально для международных состязаний на кубок Шнейдера, где часто устанавливались и мировые рекорды скорости, Особенностью гонок было участие в них исключительно гидросамолетов, причем это были в основном двухпоплавковые машины. Летчикам, участвующим в этих состязаниях, приходилось начинать взлет под прямым углом к ветру, так как неуравновешенный реактивный момент одиночного винта заставлял противоположный поплавок погружаться в воду, в результате чего получался полный разворот на 90° к направлению ветра. Понятно, что подобный маневр был сложен в исполнении и представлял собой немалую опасность. Очевидно, что именно этот недостаток заставил конструктора Map и о Кастольди использовать соосные винты на своем М-72. В процессе создания машины проведенные исследования показали, что можно ожидать и значительного увеличения скорости. И хотя вращение винтов не было синхронизированно (каждый винт вращался от отдельного двигателя, и практически всегда имелась некоторая разница в оборотах), успех был достигнут. В 1934 г. Макки-Кастольди М-72 установил мировой рекорд скорости 709 км/ч, который продержался до 1939 г.

С этого момента интерес к соосным винтам возобновился. Появился ряд опытных самолетов, на которых проверялись теоретические исследования в этой области. Наиболее интересной среди этих машин можно назвать голландский Кольховен FK .55 (рис. 1), продемонстрированный на Парижском авиасалоне 1936 г. Однако ни FK .55, ни какой-либо подобный самолет развития не получили. Сложность и большой вес редуктора при имеющихся мощностях двигателей заметного выигрыша пока не сулили.

Только в разгар второй мировой войны, когда мощности авиационных поршневых двигателей возросли до 2000 л. с. и более, проекты соосных воздушных винтов начали реально воплощаться в конструкциях самолетов. Английская фирма «Ротол», создавшая в 1942 г. опытный образец силовой установки с соосными винтами, к концу войны оснастила ею истребитель «Сифайр». Подобные установки с успехом Пыли испытаны и на двух других опытных английских истребителях: МВ-5 и Хоукер «Торнадо». В США в тот же период соосные воздушные винты применялись на опытных самолетах ХР-75, XF – 14C и ХВ-4 2, Успех, однако, был запоздалым, ибо триумфальное восшествие газотурбинного двигателя, сулящего гораздо более высокие полетные скорости, в значительной степени сузило возможности применения воздушных винтов вообще.

С этого момента, т.е. с середины 4 0-х годов, соосные воздушные винты нашли себе применение на пассажирских и транспортных самолетах. Получив второе рождение с развитием турбовинтовых двигателей, такие винты применяются с успехом и по сей день.

Продолжая затронутую тему, следует описать работы в этом направлении, проведенные в СССР.

Среди советских конструкторов одним из первых соосные воздушные винты решил применить Александр Москалев. В период 1933 – 1934 гг. ОКБ Москалева совместно с кафедрой аэромеханики Воронежского государственного университета начало разработку новых аэродинамических компоновок с целью получения высоких скоростей полета. В результате было найдено наиболее целесообразное направление в формировании облика самолета.

Проект, получивший обозначение «Сигма» (рис. 2), представлял собой схему стилизованного треугольного «летающего крыла» очень малого удлинения (меньше единицы). На самолете предполагалось установить два двигателя Испано-Сюиза 12 YBRS с соосными винтами противоположного вращения. Как и итальянец Марио Кастольди на своем МК-72. Москалев добивался прежде всего устранения реактивного момента винта и улучшения управляемости и так же мог бы получить на «Сигме» рекордную скорость. В ноябре 1934 г. проект был окончен и направлен в Москву, в Главное управление авиационной промышленности, на рассмотрение. Идея, однако, показалась слишком необычной, проект сочли преждевременным и сдали в архив. Впоследствии автору удалось реализовать подобный самолет с маломощным мотором, но до применения соосных винтов дело не дошло.

В 1936 г. заведующий кафедрой самолетостроения Военно-воздушной академии им. Н. Е. Жуковского Виктор Болховитинов, удовлетворенный достигнутым успехом при создании четырехмоторного тяжелого бомбардировщика ДБ-А, обращается к проблеме создания скоростного боевого самолета. Из многих вариантов компоновок он выбирает схему с двумя двигателями М-103, установленными один за другим (тандемом) с передачей на соосные воздушные винты, Для решения этой задачи он конструирует спаренную установку двигателей с последующей отработкой на стенде. Стендовые испытания дели обнадеживающие результаты, поэтому в 1937 г. под руководством Болховитинова разрабатывается проект скоростного ближнего бомбардировщика, получившего индекс «С» (существовало несколько вариантов расшифровки индекса: «Сталин», «Спарка», «Спартак»). Первоначально это был самолет с однокилевым оперением и с различными вариантами применения и вооружения. На представленных схемах изображены именно первые прорисовки самолета «С» (рис. 3).

Основные данные: размах крыла 1 = 5,63 м; площадь крыла S = 32.5 м г; удлинение X = 0,975; полетный вес Ц, – 3080 кг; двигатели 2 х 124В75; = 1000 км/ч; v ^, = 125 км/ч

В дальнейшем было решено оперение машины сделать двухкилевым, В таком виде «С» был построен в 1 938 г. Винтомоторная установка этой машины представлена на рис. 4.

Проведенные испытания показали жизнеспособность силовой установки, однако полученные летные данные не удовлетворяли военных. Максимальная скорость «С» на высоте 4600 м составила 570 км/ч, что было неплохо, однако высокими оказались и скорости взлета и посадки. Было признано, что самолет испытаний не выдержал, а конструктору было предложено заняться усовершенствованием машины. В течение 1940 г. Болхо-витинов продолжает работать над своим детищем, в частности над улучшением его взлетно-посадочных характеристик и возможной установкой более мощных двигателей, Помимо прочего он настойчиво занимается поиском новых схем и компоновок.

В период конца 1940 -начала 1941 г. решение проблемы соосных воздушных винтов становится

более актуальным. Активно в этой области работают ученые ЦАГИ. Наряду с теоретическими работами по определению аэродинамических характеристик соосных винтов ведутся практические эксперименты в аэродинамической трубе ЦАГИ Т-5.

Однако еще до окончания исследований и получения результатов появляются проекты самолетов, в которых реально могла воплотиться исследуемая идея, Даже далекое от «сухопутных» проблем конструкторское бюро Бсриева, специализирующееся на машинах для гидроавиации, разрабатывает в 1 940 г. проект такого самолета, получившего обозначение Б-1 0 (рис, 5). 1 5 февраля 1940 г. Берисв обращается в Наркомат авиационной промышленности к заместителю наркома А. С. Яковлеву с просьбой рассмотреть его предложение и включить в план работ авиапромышленности на 1940- 1941 гг. Эскизный проект Б-10 представлял собой перехватчик или пикирующий бомбардировщик, выполненный по двухфюзе-ляжной схеме. Самолет предполагалось оснастить двумя двигателями М-107 с приводом на соосные толкающие винты. Подобная схема с использованием ламинарного профиля крыла NACA 23012 давала расчетную скорость 8 1 8 км/ч. Проект имел следующие основные данные:

Размах, м…1 3,0

Длина, м …1 1,260

Плошадь крыла, м…26,0

Полетный вес, кг…ЗЯ70

Практический потолок, м… 10000

Дальность, км…1 000 (0,9 Nm , ix |.

В заключении ГУАС КА (Главное Управление Снабжения Красной Армии) по проекту Б-10 говорилось, что проект вполне реален и может быть реализован. Однако, так как Берисв уже имел задание на катапультируемый корабельный разведчик КОР-2, было признана целесообразным передать разработку проекта Болховнт.пюву, который к тому времени уже имел опыт работы в этой области и реально летающий самолет «С».

В КБ Болховитинова эта машина получила обозначение «И». Разработка велась до весны 194 1 г. Пришлось преодолеть большое количество трудностей конструктивного и технологического характера. Однако неожиданное препятствие остановило разработку машины. 25 апреля 1 94 1 г. Болховитипон был вызван на совещание к заместителю наркома авиапромышленности Баландину. Присутствующие на совещании директор моторного завода Лаврентьев и главный конструктор двигателей Климов сообщили о невозможности создания снарки двигателей М-107П.

Основной причиной отказа было чрезмерное форсирование М-107П; считалось, что на этом сверх напр я жен и ом двигателе при установке удлиненного вала на рабочих оборотах могут возникнуть опасные резонансные явления, которые приведут к разрушению конструкции, Кроме того, завод имел огромный план по выпуску двигателей, вел сложную работу по доводке двигателей М-105, М-107, М-1 20. Загнанному в угол Болховитинову было предложено выбрать любой другой тип двигателя из имеющихся в стране и переработать под него свой проект. После размышлений конструктор выбрал дизель М-4 0, который хотя и был тяжеловат, но расходовал в два раза меньше топлива.

Смена двигателя повлекла за собой и изменение всего проекта. Предварительные изыскания, проведенные в мае – июне 1941 г., вернули конструктора к схеме «С». Кроме того, заинтересовавшись характеристиками М-4 0, Болховитинов разрабатывает проект четырехмоторного бомбардировщика с тандемной установкой двигателей. Однако начавшаяся война не позволила продолжить эти работы.

Примерно в середине 1941 г. были закончены исследования соосных воздушных винтов в ЦАРИ, позволившие сделать следующие выводы.

1. КПД соосных винтов при больших относительных поступях (большая поступь винта, т. е. большой шаг соответствует высокой полетной скорости) на 2 – 4% выше, чем КПД одного из одиночных винтов комбинации.

2. На режиме взлета при углах установки лопастей меньше 35° КПД соосных винтов несколько меньше, чем КПД одиночных винтов. При больших значениях коэффициента мощности тяга соосных винтов па режиме взлета больше, чем тяга одиночных винтов с покрытием (равноценной рабочей поверхностью), равным суммарному покрытию соосных.

3. Для того чтобы мощности переднего и заднего винтов были одинаковы при достижении максимального КПД, угол установки лопастей заднего винта должен быть на 1 -1,5° меньше, чем угол установки переднего винта.

4. Изменение расстояния между винтами комбинации в пределах, допустимых по конструктивным соображениям (в пределах ширины лопастей), заметного влияния на величину КПД не оказывает,

В течение войны, однако, применить на практике результаты исследований не представилось возможным. После ее окончания из трофейных немецких архивов стало известно, что в Германии в период 1941-19 4 2 гг, были проведены обширные исследования соосных воздушных винтов в аэродинамической трубе института DVL , которые практически совпали с советскими исследованиями. Совпадали они и с выводами американских ученых из NACA , но, как уже говорилось, настало время реактивной авиации.

И все-таки винты с противоположным вращением нашли применение. В начале 50-х годов КБ Туполева в поисках увеличения дальности при сохранении высокого показателя скорости создает стратегический бомбардировщик Ту-95. Эта выдающаяся машина, которая впоследствии была трансформирована в пассажирский Ту-114, летает и по сей день. Установленные на Ту-95 четыре двигателя НК-12 конструкции Н. Кузнецова развивают мощность по 15 ООО л. е. каждый и вращают соосные воздушные винты. Мощнейшая силовая установка в сочетании с такими винтами позволяет Ту-95 летать со скоростью, значительно превосходящей скорость других самолетов с турбовинтовыми двигателями. Впоследствии данная силовая установка с успехом была использована на другом советском самолете – гигантском транспортнике Ан-2 2.

В наше время идея соосных воздушных винтов нашла свое воплощение в создающихся винтовен-тиляторных двигателях.