Воздушный винт. Теория воздушного винта: от первых пропеллеров к эффективным агрегатам будущего

Основой передвижения по воздуху на принципах аэродинамики является наличие силы, противодействующей сопротивлению воздуха в полете и силе тяжести. На всех современных летательных аппаратах, за исключение планеров, имеется двигатель, мощность которого преобразуется в эту силу. Механизмом, преобразующим вращение вала силовой установки в тягу, является воздушный винт самолета.

Описание воздушного винта

Воздушный винт самолета представляет собой механическое устройство с лопастями, вращаемое валом двигателя и создающее тягу для движения летательного аппарата в воздухе. За счет наклона лопастей винт отбрасывает воздух назад, создавая область пониженного давления перед собой и повышенного давления позади себя. Практически все люди на земле хотя бы раз в жизни имели возможность увидеть этот устройство, поэтому многочисленные наукообразные определения не требуются. Винт состоит из лопастей, втулки, соединенной с двигателем через специальный фланец, балансировочных грузиков, размещаемых на втулке, механизма изменения шага винта и обтекателя, закрывающего втулку.

Другие названия

Как еще называется винт самолета? Исторически сложились два основных названия: собственно воздушный винт и пропеллер. Однако в дальнейшем появились другие названия, подчеркивающие либо особенности конструкции, либо дополнительные функции, возлагаемые на этот агрегат. В частности:

• Фенестрон. Винт, вставляемый в специальный канал в хвост вертолета.
• Импеллер. Винт, заключенный в специальное кольцо.
• Винтовентилятор. Это стреловидные, или саблевидные винты в два ряда с уменьшенным диаметром.
• Ветровентилятор. Аварийная система резервного обеспечения электроэнергией от набегающего воздушного потока.
• Ротор. Так иногда называют несущий винт вертолета и некоторые другие.

Теория винта

По своей сути любой винт самолета представляет собой некие подвижные крылья в миниатюре, живущие по тем же законам аэродинамике, что и крыло. То есть, передвигаясь в атмосферной среде лопасти, благодаря своему профилю и наклону, создают поток воздуха, который является движущей силой летательного аппарата. Сила этого потока, помимо конкретного профиля, зависит от диаметра и частоты оборотов винта. При этом зависимость тяги от оборотов - квадратичная, а от диаметра - даже в 4-й степени. Общая формула тяги выглядит следующим образом: P = α * ρ * n 2 * D 4 , где:

• α - коэффициент тяги винта (зависит от конструкции и профиля лопастей);
• ρ - плотность воздуха;
• n - число оборотов винта;
• D - диаметр винта.

Интересно сравнить с приведенной формулой, еще одну, выведенную из той же теории винта. Это потребная мощность для обеспечения вращения: T = Β * ρ * n 3 * D 5 , где Β - расчетный коэффициент мощности винта.

Из сопоставления этих двух формул видно, что, усиливая обороты винта самолета и увеличивая диаметр пропеллера, потребная мощность двигателя растет экспоненциально. Если уровень тяги пропорционален квадрату оборотов и 4-й степени диаметра, то потребная мощность двигателя растет уже пропорционально кубу оборотов и 5-й степени диаметра винта. С ростом мощности двигателя растет и его вес, что требует еще большей тяги. Очередной заколдованный круг в авиастроении.

Характеристики воздушных винтов

Любой винт, установленный на самолете, имеет набор характеристик, приведенных ниже:

• Диаметр винта.
• Геометрический ход (шаг). Под этим термином подразумевается расстояние, которое прошел бы винт, врезаясь в теоретическую твердую поверхность за один оборот.
• Поступь - фактическое расстояние, проходимое винтом за один оборот. Очевидно, что эта величина зависит от скорости и от частоты вращения.
• Угол установки лопастей - угол между плоскостью и фактическим наклоном винта.
• Форма лопастей - большинство современных лопастей имеет саблеобразную, изогнутую форму.
• Профиль лопастей - сечение каждой лопасти имеет, как правило, крыльевую форму.
• Средняя хорда лопасти - геометрическое расстояние между передней и задней кромками.

При этом главной характеристикой воздушного винта самолета остается его тяга, то есть то, ради чего он вообще нужен.

Достоинства

Летательные аппараты, использующие в качестве движителя воздушный винт, гораздо экономичней своих турбореактивных «собратьев». Коэффициент полезного действия достигает 86%, что является недостижимой величиной для реактивной авиации. Это их главное преимущество, которое фактически вновь ввело их в строй во время нефтяного кризиса 70-х годов прошлого века. На небольших дистанциях полета, скорость не имеет решающего значения по сравнению с экономичностью, поэтому большинство самолетов региональной авиации - винтовые.

Недостатки

Недостатки у самолета с воздушным винтом тоже имеются. В первую очередь, это минусы чисто «кинетические». Во время вращения винт самолета, обладая собственной массой, оказывает воздействие на корпус самолета. Если лопасти, например, вращаются по часовой стрелке, то корпус стремится вращаться, соответственно, против часовой стрелки. Создаваемые пропеллером завихрения активно взаимодействуют с крыльями и оперением летательного аппарата, создавая различные потоки справа и слева, тем самым дестабилизируя траекторию полета.

И наконец, вращающий пропеллер представляет собой своеобразный гироскоп, то есть он стремится сохранить свое положение, что затрудняет процесс изменения траектории полета для воздушного суда. Эти недостатки винта самолета были известны давно, и конструкторы научились с ними бороться путем внесения определенной асимметричности в конструкции самих кораблей или их управляющих поверхностей (рулей направления, спойлеров и т. д.). Справедливости ради надо отметить, что подобными «кинетическими» недостатками обладают и реактивные двигатели, но в несколько меньшей степени.

К минусам можно отнести и так называемый эффект запирания, когда увеличение диаметра и частоты вращения винта самолета до определенных пределов, перестают давать эффект в виде увеличения тяги. Этот эффект связан с появлением на отдельных участках лопастей потоков воздуха около- или сверхзвуковой скорости, что создает волновой кризис, то есть образование скачков уплотнения воздушной среды. По сути, они преодолевают звуковой рубеж. В связи с этим максимальная скорость самолетов с воздушным винтом не превышает 650-700 км/час.

Пожалуй, единственным исключением стал бомбардировщик Ту-95, развивающий скорость до 950 км/час, то есть почти звуковую скорость. Каждый его двигатель оснащен двумя соосными винтами, вращающимися в противоположных направлениях. Ну и последней проблемой винтовых самолетов является их шумность, требования к которой со стороны авиационных властей, постоянно ужесточаются.

Классификация

Существует много вариантов классификации воздушных винтов самолета. Они подразделяются на группы в зависимости от материала, из которого они изготовлены, от формы лопастей, их диаметра, количества, а также по ряду других характеристик. Однако наиболее важной является их классификация по двум признакам:

• Первый — винты бывают с изменяемым шагом и фиксированным шагом.
• Второй - винты бывают тянущие и толкающие.

Первый устанавливается в передней части самолета, а второй, соответственно, в задней его части. Самолет с толкающим винтом возник раньше, однако затем был на некоторое время предан забвению и лишь относительно недавно вновь появился в небе. Сейчас эта компоновка широко применяется на небольших летательных аппаратах. Имеются даже совсем экзотические варианты, оснащенные и тянущими и толкающими лопастями одновременно. Самолет с винтом сзади имеет ряд преимуществ, главным из которых является его более высокое аэродинамическое качество. Однако из-за отсутствия дополнительного обдува крыла потоком воздуха от пропеллера у него худшие взлетно-посадочные характеристики.

Винты с изменяемым шагом

Практически на всех современных средних и крупных самолетах устанавливаются винты с изменяемым шагом. При большом шаге лопастей достигается большая тяга, но если обороты двигателя довольно низкие, набор скорости будет производиться крайне медленно. Это очень похоже на ситуацию с автомобилем, когда на высших передачах пытаться тронуться с места.

Высокая скорость и маленький шаг винта создают опасность срыва потока и падения тяги до ноля. Поэтому в процессе полета шаг постоянно изменяется. Сейчас это делает автоматика, а раньше пилот сам должен был постоянно следить за этим и вручную корректировать угол наклона. Механизм изменения шага винта представляет собой специальные втулки с приводным механизмом, поворачивающие лопасти относительно оси вращения на требуемый градус.

Современная разработка в России

Работы над совершенствованием устройств никогда не прекращались. В настоящее время проводятся испытания нового воздушного винта самолета АВ-112. Он будет применяться на легком военно-транспортном самолете Ил-112В. Это 6-лопастной пропеллер, с коэффициентом полезного действия 87 %, диаметром 3,9 метра и частотой вращения 1200 оборотов в минуту и изменяемым шагом винта. Разработан новый профиль лопастей и облегчена его конструкция.

Лопастной винт самолета, он же пропеллер или лопаточная машина, которая приводится во вращение с помощью работы двигателя. С помощью винта происходит преобразование крутящего момента от двигателя в тягу.

Воздушный винт выступает движителем в таких летательных аппаратах, как самолеты, цикложиры, автожиры, аэросани, аппараты на воздушной подушке, экранопланы, а также вертолеты с турбовинтовыми и поршневыми двигателями. Для каждой из этих машин винт может выполнять разные функции. В самолетах он используется в качестве несущего винта, который создает тягу, а в вертолетах обеспечивает подъем и руление.

Все винты летательных аппаратов делятся на два основных вида: винты с изменяемым и фиксированным шагом вращения. В зависимости от конструкции самолета винты могут обеспечивать толкающую или тянущую тягу.

При вращении лопасти винта захватывают воздух и производят его отброс в противоположном направлении полета. В передней части винта создается пониженное давление, а позади – зона с высоким давлением. Отбрасываемый воздух приобретает радиальное и окружное направление, за счет этого теряется часть энергии, которая подводится к винту. Сама закрутка воздушного потока снижает обтекаемость аппарата. Сельскохозяйственные самолеты, проводя обработку полей, имеют плохую равномерность рассеивание химикатов из-за потока от пропеллера. Подобная проблема решена в аппаратах, которые имеют соосную схему расположения винтов, в данном случае происходит компенсация с помощью работы заднего винта, который вращается в противоположную сторону. Подобные винты установлены на таких самолетах, как Ан-22 , Ту-142 и Ту-95 .

Технические параметры лопастных винтов

Наиболее весомые характеристики винтов, от которых зависит сила тяги и сам полет, конечно же, шаг винта и его диаметр. Шаг – это расстояние, на которое может переместиться винт за счет ввинчивания в воздух за один полный оборот. До 30-х годов прошлого века использовались винты с постоянным шагом вращения. Только в конце 1930-х годов практически все самолеты оснащались пропеллерами со сменным шагом вращения

Параметры винтов:

Диаметр окружности винта – это размер, который описывают законцовки лопастей при вращении.

Поступь винта – реальное расстояние, проходящее винтом за один оборот. Данная характеристика зависит от скорости движения и оборотов.

Геометрический шаг пропеллера – это расстояние, которое мог бы пройти винт в твердой среде за один оборот. От поступи винта в воздухе отличается скольжением лопастей в воздухе.

Угол расположения и установки лопастей винта – наклон сечения лопасти к реальной плоскости вращения. За счет наличия крутки лопастей угол поворота замеряется по сечению, в большинстве случаев это 2/3 всей длины лопасти.

Лопасти пропеллера имеют переднюю – режущую – и заднюю кромки. Сечение лопастей имеет профиль крыльевого типа. В профиле лопастей имеется хорда, которая имеет относительную кривизну и толщину. Для повышения прочности лопастей винта используют хорду, которая имеет утолщение к корню пропеллера. Хорды сечения находятся в разных плоскостях, поскольку лопасть изготовлена закрученной.

Шаг винта является основной характеристикой гребного винта, он в первую очередь зависит от угла установки лопастей. Шаг измеряется в единицах пройденного расстояния за один оборот. Чем больший шаг делает винт за один оборот, тем больший объем отбрасывается лопастью. В свою очередь увеличение шага ведет за собой дополнительные нагрузки на силовую установку, соответственно, количество оборотов снижается. Современные летательные аппараты имеют возможность изменять наклон лопастей без остановки двигателя.

Преимущества и недостатки воздушных винтов

Коэффициент полезного действия винтов на современных самолетах достигает показателя в 86%, это делает их востребованными авиастроением. Также нужно отметить, что турбовинтовые аппараты значительно экономнее, чем реактивные самолеты. Все же винты имеют некоторые ограничения как в эксплуатации, так и в конструктивном плане.

Одним из таких ограничений выступает «эффект запирания», который возникает при увеличении диаметра винта или же при добавлении количества оборотов, а тяга в свою очередь остается на том же уровне. Это объясняется тем, что на лопастях пропеллера возникают участки со сверхзвуковыми или околозвуковыми потоками воздуха. Именно этот эффект не позволяет летательным аппаратам с винтами развить скорость выше чем 700 км/час. На данный момент самой быстрой машиной с винтами является отечественная модель дальнего бомбардировщика Ту-95 , который может развить скорость в 920 км/час.

Еще одним недостатком винтов выступает высокая шумность, которая регламентируется мировыми нормами ICAO. Шум от винтов не вписывается в стандарты шумности.

Современные разработки и будущее винтов самолета

Технологии и опыт работы позволяют конструкторам преодолеть некоторые проблемы с шумностью и повысить тягу, миновав ограничения.

Таким образом удалось миновать эффект запирания за счет применения мощного турбовинтового двигателя типа НК-12, который передает мощность на два соосные винта. Их вращение в разные стороны позволило миновать запирание и повысить тягу.

Также используются на винтах тонкие саблевидные лопасти, которые имеют возможность затягивания кризиса. Это позволяет достичь более высоких показателей скорости. Такой тип винтов установлен на самолете типа Ан-70.

На данный момент ведутся разработки по созданию сверхзвуковых винтов. Несмотря на то что проектирование ведется очень долго при немалых денежных вливаниях, достичь положительного результата так и не удалось. Они имеют очень сложную и точную форму, что значительно затрудняет расчеты конструкторов. Некоторые готовые винты сверхзвукового типа показали, что они очень шумные.

Заключение винта в кольцо – импеллер – является перспективным направлением развития, поскольку снижает концевое обтекание лопастей и уровень шума. Также это позволило повысить безопасность. Существуют некоторые самолеты с вентиляторами, которые имеют ту же конструкцию, что и импеллер, но дополнительно оснащаются аппаратом направления воздушного потока. Это значительно повышает эффективность работы винта и двигателя.

В прошлом мои модели винтовых самолетов всегда заканчивали свой полет аварийным крутым пике. Описанная здесь конструкция решает эту проблему за счет легковесного полозкового шасси, которое действует на подобие посадочного механизма. Эта защита подходит, только если запускать самолет на открытом воздухе либо в большой, просторной комнате.

План урока:
Сложность: 3.5/5
Подготовка: 2/5
Сборка: 1/5
Уборка: 1/5

Подготовительные работы:
Сложите и разрежьте листы картона вдоль пополам.

Скажите своим ученикам, что они будут мастерить самолет, который сможет взлетать с земли или со стола, лететь минимум 5 метров и приземляться плавно. Поскольку это довольно простой проект, Я советую хотя бы частично делать модель вместе с учениками, демонстрируя им основные моменты сборки в процессе. В этом мастер-классе много шагов, так что старайтесь поменьше отступать от плана. Основная работа описана в шагах 2-6.

Цель изучения:
В ходе устной лекции, ученики усвоят четыре основных понятия в авиации: подъем, осевое давление, стабильность и вес.

В ходе тестирования собственных самолетов и анализа результатов ученики смогут обсуждать возможные недостатки и способы их устранения с учителем. Ученики смогут изменить свои модели и повторить процесс заново.

Как только у учеников получится сделать красиво парящие модели винтового самолета, они смогут усложнять схемы полета, выполняя повороты или петли.

Шаг 1: Материалы

2 палочки
- 2 полу-палочки
- 2 трубочки для напитков
- 2 тонкие резинки
- 1 лист картона
- 1 скрепка для бумаги
- 1 пропеллер
- Клейкая лента
- Карандаши или фломастеры для раскраски

Пропеллеры можно купить в интернете.

Шаг 2: Вал винта

Объясняйте ученикам важные аспекты конструкции по ходу дела, подавая им непосредственный пример своей собственной работой. Вал винта просто поддерживает и растягивает резинки, которые будут использованы в качестве источника энергии. Крепко закрепите скрепку клейкой лентой!

Как только закрепите резинки, вал пропеллера будет осевое усилие самолету. По сути, это то, что толкает самолет вперед. Представьте, что вы сидите на стуле с колесами. Если вы оттолкнетесь ногами от стены, вы поедете на стуле в противоположном направлении. То же происходит и здесь. Вращаясь, пропеллер прогоняет воздух навстречу самолету и толкает воздух по направлению к заднему концу самолета. Толкая воздух назад, пропеллер создает обратную реакцию, в результате которой самолет движется вперед.

Шаг 3: Крылья, хвост и стабилизатор

Самое важное, что нужно самолету для полета, - это подъем. Подъем происходит тогда, когда воздух давит на нижнюю сторону крыльев. Чем больше крылья, тем больший подъем будет происходить. Бумага сложена пополам и разрезана под наклоном, потому что мы хотим, чтобы крылья были больше посередине самолета, где он наиболее тяжелый. Если сделать крылья прямоугольными, самолет может подняться слишком высоко одной стороной крыла, что в итоге приведет к аварии.

Оставшийся лист бумаги также сложите пополам и разрежьте. Эти кусочки можно использовать для хвоста и стабилизатора.

Шаг 4: Крепление крыльев, хвоста и стабилизатора

Используйте длинные куски клейкой ленты вдоль всего вала, чтобы надежно приклеить крылья.

Склейте два треугольных кусочка вместе в качестве хвоста. Хвост клеится к валу таким же способом, как и крылья.

Половинки стабилизатора приклеиваются к хвосту, затем две половинки склеиваются посередине между собой.

Хвост удерживает заднюю часть самолета “на плаву” во время подъема. Стабилизатор тоже важен, потому что он помогает самолету держать ровный курс, никуда не отклоняясь и не переворачиваясь.

Мне нравится объяснять важность стабилизатора так: держите перед собой лист бумаги (например, половинка картонного листа). Дуньте на него воздух поперек края листа. Вы увидите, что бумага почти не пошевелилась. Это потому, что воздух легко проходит вокруг бумажного листа, потому что он ровный и тонкий. А теперь держите лист бумаги за один кончик и подуйте на него. Бумага начнет развиваться в разные стороны, изгибаться под напором воздуха, поскольку воздух не может легко пройти сквозь лист. Воздуху гораздо проще смахнуть лист со своего пути, пока он не будет расположен в одном направлении с воздушным потоком.

Стабилизатор работает по тому же принципу. Когда самолет движется прямо, воздух легко проходит вокруг стабилизатора. Но если самолетик начинает поворачивать, стороны стабилизатора будут противостоять воздушному потоку. Воздух будет давить на стабилизатор, пока самолет не выровняется. Это позволяет самолету держать стабильный курс.

В данной конструкции стабилизатор имеет треугольную форму. Один плоский кусочек бумаги чересчур нестабилен в роли стабилизатора, поток воздуха просто согнет его. Перед тем, как крепить стабилизатор, закрепите резинки на самолете.

Шаг 5: Полозковое шасси

Полозковое шасси позволяет запускать самолет с плоской поверхности, так как оно поднимает пропеллер достаточно высоко, чтобы он не касался земли. Кроме того, такое шасси выполняет еще одну важную функцию: добавляет вес на днище самолета.

Почему это важно? Ответ не сразу очевиден. Если закрутить резинки и отпустить, чтобы запустить самолет, они раскручиваются с обеих сторон. Один край резинки вращает пропеллер, а другой пытается развернуть остальную часть самолета! Конечно, самолет гораздо тяжелее вращать, поскольку он больше и тяжелее, но все равно ощущается определенная сила, развиваемая резинкой. И если такой силы слишком много, самолет может наклониться в одну сторону, потерять стабильность и упасть.

Вес от шасси наоборот, прибавит самолету веса, а следовательно, и стабильности. С ним низ самолета гораздо тяжелее верха, и самолет будет гораздо лучше сопротивляться наклонам или опрокидыванию.

Шаг 6: Полет!

Чтобы взлететь, удерживайте вал рукой возле пропеллера. Начните закручивать пропеллер по часовой стрелке. Следите, чтобы ученики отворачивали пропеллер от себя, чтобы самолет летел в противоположную от них самих сторону. Иначе, если случайно отпустить пропеллер, можно травмировать себя.

Экспериментируйте с разным количеством энергии и найдите идеальное количество оборотов пропеллера, чтобы достичь желаемой дистанции и качества полета.

Чтобы запустить самолет, поставьте его на плоскую поверхность так, чтобы пропеллер смотрел от вас. Аккуратно, но устойчиво держите вал одной рукой, а пропеллер другой. Сначала отпустите пропеллер, затем через долю секунды вал. Время играет роль, и тут понадобится немного практики. Время между отпусканием пропеллера и винта примерно равно длительности, если сказать “Тик-так”. Таким способом удобно пояснять этот момент ученикам. Пока говорите “тик”, нужно отпустить пропеллер, а когда произносите “так” - нужно отпустить вал.

Освоив базовую технику полета, ученики могут начать экспериментировать с разными эффектами, типа петель, поворотов или бочек!

Шаг 7: Безопасность, подсказки и устранение неисправностей

Этот проект может быть опасным по двум причинам! 1. Пропеллер может очень быстро вращаться и оставлять на коже порезы. 2. Пропеллер может запутаться в длинных волосах. Следите за тем, чтобы ученики аккуратно и внимательно обращались с пропеллерами. Для полетов выбирайте только большую, открытую площадь, чтобы самолет не встретил препятствий перед собой и по сторонам.