Воздушный винт самолета. Воздушные винты конструкции А.Я. Деккера (Нидерланды)

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.

Думаю, вы уже знаете, что вращение пропеллера каким-то образом влияет на положение самолета в пространстве, что влияние это обычно нежелательно и с ним необходимо что-то делать. Обычно, в качестве причины этого воздействия называют «момент винта», но часто добавляют что-то и про «обдув хвоста». Иногда упоминается также «правило буравчика» – хотя это, на мой взгляд, уже совсем за гранью добра и зла. :) А курсанты обыкновенно кивают и делают вид, что им все понятно.

Если вы из тех, кому уже все понятно – не задерживайтесь на этой страничке. Для остальных я попробую объяснить это как-нибудь попонятнее, на пальцах.

ВАЖНО: вращение пропеллера обеспечивает сразу четыре различных по природе эффекта, влияющих на положение самолета в пространстве. Два из них более заметны на земле, а два других – в воздухе. Вот они:

1. Момент винта
2. Обдув вертикального оперения
3. Асимметрия тяги винта
4. Гироскопический момент (прецессия)

Момент винта (Torque) – это реакция самолета на раскручивание своего же собственного винта. Третий закон Ньютона в действии. Мы раскручиваем винт в одну сторону, а он, в отместку, «раскручивает» нас в обратную. По счастью, мы тяжелее и всегда побеждаем. Но все же немного кренимся.

Людям, имевшим дело с автомобильными моторами, нетрудно вспомнить, что при резкой даче газа, двигатель, работавший до этого на холостом ходу, заметно отклоняется в сторону на своих эластичных подушках. То же самое делает и двигатель самолета, которому дали взлетный режим, и его реакция передается на фюзеляж. Только у самолета этот эффект усиливается как массой винта, так и существенным сопротивлением воздуха, им возмущаемого.

Рис. 1: Момент винта (Torque)

Как же этот реактивный момент сказывается на направлении движения самолета? Больше всего его влияние заметно не в воздухе, а на земле, в момент дачи взлетного режима. Самолет немного кренится, что приводит к неравномерному обжатию пневматиков, а это, в свою очередь, способствует уводу в сторону более нагруженного колеса. Только-то и всего.

Обдув вертикального оперения (Slipstream) – это вторая и куда более значительная причина увода самолета в сторону на разбеге. Именно поэтому «на разбеге Цессну тянет влево» (один из реальных поисковых запросов, приведших кого-то на мой сайт). Российские ЯКи, кстати, тянет вправо, т.к. у них воздушный винт вращается в другую сторону.

Почему так происходит? Да все очень просто. Наверное, вы обращали внимание, что самолет в целом довольно симметричная штуковина? Симметричный фюзеляж, два одинаковых крыла и симметричный горизонтальный стабилизатор. Но есть один элемент, выделяющийся своей асимметрией – это стабилизатор вертикальный, торчащий только вверх. Вообще-то, и он мог бы быть симметричным: аэродинамике это не вредит, но взлетно-посадочные характеристики ухудшаются. Такой самолет цеплял бы хвостом за землю на взлете и посадке. Ясно, что это никуда не годится, поэтому вертикальный стабилизатор (c рулем направления) всегда только один, сверху.

В то же время, воздух, отбрасываемый пропеллером назад к хвосту, двигается не прямолинейно, а сильно закручивается, вращаясь ВОКРУГ самолета. Одна часть этого воздуха «нажимает» на вертикальный стабилизатор, отклоняя хвост в сторону, а другая часть беспрепятственно пролетает под хвостом снизу. Вот эта разность давлений на вертикальный стабилизатор и обеспечивает увод самолета в сторону.

Рис. 2: Обдув вертикального оперения (Slipstream)

Само собой, что чем больше тяги развивает двигатель, тем больше воздуха отбрасывается назад и тем сильнее воздействие на вертикальный стабилизатор. Именно это происходит на взлете, когда тяга максимальна. Хуже того, при малой воздушной скорости на первом этапе разбега эффективность руля направления еще совсем невелика, и для коррекции увода самолета приходится давить на педаль чуть ли не до упора. По мере увеличения скорости на разбеге эффективность руля растет и нажатие на педаль постепенно ослабляют.

Ослабить давление на педаль важно и в другом случае: когда самолет еще находится в воздухе на выравнивании и постановка малого газа приводит к внезапному исчезновению эффекта обдува вертикального стабилизатора. Если этого не сделать, то самолет вильнет в сторону в этот весьма неподходящий момент. Иногда, особенно при посадках с боковым ветром, приходится даже давать противоположную ногу, чтобы избежать касания ВПП с боковой нагрузкой на шасси. Но это нельзя делать чисто механически: нажатие на педаль должно ровно таким, чтобы ось самолета стала параллельна оси полосы — и не более того.

Поскольку влияние обдува вертикального оперения складывается с влиянием момента винта (см. выше), то эти эффекты часто путают или упоминают только один из них: «обдув» или «момент». Тем не менее, технически, это два различных эффекта.

Асимметрия тяги винта. Этот эффект тем заметнее, чем больше угол кабрирования самолета. Набор высоты после взлета – наилучший пример такой ситуации. В данном случае асимметрия тяги всегда приводит к сильному скольжению самолета и требует повышенного внимания и активного противодействия со стороны летчика.

Почему же возникает этот эффект? Ведь воздушный винт – симметричен? Здесь мне, возможно, придется разрушить чье-то ошибочное представление о движении самолета в наборе высоты. Обычно люди забывают, что «относительный ветер» (relative wind) далеко не всегда параллелен продольной оси самолета. На самом деле, в наборе высоты самолет летит не «носом вперед» а, скорее, «брюхом вперед». Так получается и из-за большого угла атаки при малой воздушной скорости, и из-за того, что вектор тяги в наборе всегда направлен несколько вверх, чтобы тянуть самолет «в горку».

Рис. 3. Причина асимметричности тяги винта

При этом всегда получается, что нисходящая лопасть пропеллера имеет больший угол атаки, чем восходящая. Если вам трудно это представить, то просто поверьте, что это так.

Поскольку углы атаки лопастей получаются разными, то и тяга, развиваемая лопастями, – тоже разная. В результате, самолет уводит в сторону, точнее он скользит, летит боком, что потенциально опасно при большом угле атаки в наборе. Тут надо следить за «в оба» и давить на педаль – иного выхода нет.

При переходе к горизонтальному полету нажатие на педаль надо ослабить, поскольку асимметрия тяги винта в этом режиме существенно уменьшается. Она может и совсем исчезнуть, если ось вращения винта полностью совпадет с направлением относительного ветра. Последнее вполне возможно в реальном полете, т.к. крыло обычно устанавливается под некоторым углом к продольной оси фюзеляжа. Т.е. самолет может лететь абсолютно горизонтально (и с симметричной тягой), а угол атаки крыла при этом будет составлять, допустим, 3 градуса, что достаточно для поддержания горизонтального полета.

Рис. 4: Абсолютно симметричная тяга как частный случай

Гироскопический момент или прецессия (Gyroscopic Precession) – наверное, самый сложный для понимания, тем не менее интереснейший физический феномен. По сути, воздушный винт – это самый большой гироскоп, установленный на самолете. К нему применимы все законы, которым подчиняются гироскопы, в частности – прецессия. Каждый раз, при попытке отклонить ось гироскопа в какой-нибудь плоскости, гироскоп стремится самостоятельно отклониться в другой плоскости, перпендикулярной первой. Проблема в том, что совершенно невозможно запомнить, в какую именно сторону во второй плоскости пытается отклониться гироскоп. :)

Чтобы понять суть процесса из объяснения, данного в советской «Практической аэродинамике», мне пришлось прочитать его раз десять. Но поскольку лучшего объяснения я все равно написать не смогу, привожу его полностью, мужайтесь:

Рис. 5: К объяснению гироскопического действия воздушного винта левого вращения на самолетах Як-52 и Як-55

«Допустим, что масса воздушного винта левого вращения самолетов Як-52 и Як-55 сосредоточена в двух грузах 1 и 2 (Рис. 5).

В момент, когда воздушный винт находился в вертикальном положении, летчик отклонил ручку управления на себя, что привело к поднятию относительно горизонта капота самолета. Поднятие капота самолета приведет к возникновению скорости грузов и относительно поперечной оси Z, дополнительно к имеющейся уже окружной скорости относительно продольной оси X.

Когда грузы займут горизонтальное положение, то по инерции они будут стремиться сохранить приобретенную скорость и при поднятии капота относительно горизонта. В результате действия этих скоростей грузов (направленных в противоположные стороны-груза 1′ назад, груза 2′ вперед) возникает момент, называемый гироскопическим моментом воздушного винта Му.гир , под действием его самолет начинает разворачиваться влево (при воздушном винте левого вращения)».

Чем хороша западная школа – она умеет просто и на пальцах объяснять всем, даже полным идиотам, вещи, которые в России ставят в тупик далеко не глупых студентов МАИ. Так что вот вам в помощь буржуйская картинка:

Рис. 6: Гироскопический эффект винта самолета

Зато советская школа всегда докопается до самых мелких деталей – и вот оно! Прекрасная диаграмма (вид из кабины), помогающая летчику запомнить, в каком именно направлении будет действовать гироскопический эффект при изменении положения капота:

Рис. 7: Гироскопическое действие воздушного винта левого вращения на самолетах Як-52 и Як-55

«Реакция самолета, возникающая при отклонении рулей из-за действия гироскопического момента воздушного винта, зависит от направления перемещения капота самолета (Рис.7).

Таким образом, направление перемещения капота самолета относительно горизонта при действии гироскопического момента воздушного винта находится путем перемещения его на 90° вокруг оси воздушного винта в сторону вращения ».

Вот, собственно, и вся премудрость. Только помните: диаграмма выше – это вид именно из кабины, а не вид на самолет спереди. И имейте в виду, что в Цессне и других западных самолетах, винт вращается в другую сторону, значит, и уводить самолет будет в обратном направлении, «в сторону вращения».

Гироскопический момент, также как и асимметрия тяги винта, штука довольно неприятная. Она особенно мешает в виражах, когда ось вращения винта непрерывно отклоняется в течение длительного времени. На ЯК-18Т, например, в правом развороте самолет все время забрасывает вверх метров на 20, а в левом — всегда теряет высоту. Также гироскопический момент весьма заметен на самолетах с хвостовым колесом, где на разбеге необходимо сначала оторвать хвост от земли движением штурвала от себя. Ось вращения пропеллера отклоняется на весьма большой угол, и вот тут-то самолет и виляет в сторону. Не самый удачный момент, надо отметить. К счастью, самолеты с носовой стойкой избавлены от этой особенности. Тем не менее, в воздухе резкое изменение тангажа может привести к сильному скольжению – будьте начеку!

Что ж… Надеюсь, что с влиянием пропеллера на поведение однодвигательного самолета мы разобрались. Про особенности многодвигательного самолета я со временем расскажу отдельно.

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.

Воздушный винт является важнейшей составной частью силовой установки, и от того, насколько он сответствует двигателю и летательному аппарату зависят летно-технические качества последнего.

Помимо выбора геометрических параметров воздушного винта внимания заслуживает вопрос о согласовании чисел оборотов винта и двигателя, то есть подбор редуктора.

Принцип работы воздушного винта

Лопасть винта совершает сложное движение - поступательное и вращательное. Скорость движения элемента лопасти будет складываться из окружной скорости и поступательной (скорости полета) - V

В любом сечении лопасти составляющая скорости V будет неизменной, а окружная скорость будет зависеть от величины радиуса, на котором находится рассматриваемое сечение.

Следовательно с уменьшением радиуса угол подхода струи к сечению увеличивается, а угол атаки сечения уменьшается и может стать равным нулю или отрицательным. Между тем известно, что крыло наиболее эффективно "работает" на углах атаки, близких к углам максимального аэродинамического качества. Поэтому для того, чтобы заставить лопасть создавать наибольшую тягу при наименьшей затрате энергии, угол должен быть переменным по радиусу: меньшим на конце лопасти и большим вблизи оси вращения - лопасть должна быть скручена.

Закон распространения толщин профиля и крутки по радиусу винта, а также форма винтового профиля определяется в процессе проектирования винта и уточняется впоследствии на основании продувки в аэродинамических трубах. Подобные исследования проводятся как правило в специализированных конструкторских бюро или институтах, оснащенных современным оборудованием и средствами вычислительной техники. Опытно-конструкторские бюро, а также самодеятельные конструкторы обычно пользуются уже разработанными семействами винтов, геометрические и аэродинамические характеристики которых представляются в форме безразмерных коэффициентов.

Основные характеристики

Диаметром винта - D называется диаметр окружности, которую описывают концы его лопасти во время вращения.

Ширина лопасти -это хорда сечения на заданном радиусе. В расчетах обычно используют относительную ширину лопасти

Толщиной лопасти на каком либо радиусе называется наибольшая толщина сечения на этом радиусе. Толшина изменяется вдоль радиуса лопасти, уменьшаясь от центра винта к его концу. Под относительной толщиной понимают отношение абсолютной толщины к ширине лопасти на том же радиусе: .

Углом установки сечения лопасти называется угол, образованный хордой данного сечения с плоскостью вращения винта.

Шагом сечения лопасти H называется расстояние, которое пройдет это сечение в осевом направлении при повороте винта на один оборот вокруг своей оси, ввинчиваясь в воздух как в твердое тело.

Шаг и угол установки сечения связаны очевидным соотношением:

Реальные воздушные винты имеют шаг, изменяющийся вдоль радиуса по определенному закону. В качестве характерного угла установки лопасти принимается, как правило, угол установки сечения, расположенного на 0,75R от оси вращения винта, обозначаемый как .

Круткой лопасти называется изменение по радиусу углов между хордой сечения на данном радиусе и хордой на радиусе 0,75R, то есть

Для удобства пользования все перечисленные геометрические характеристики обычно представляют графически в функции относительно текущего радиуса винта

В качестве примера на следующем рисунке приведены данные, описывающие геометрию двухлопастного винта фиксированного шага:

Если винт, вращаясь с числом оборотов движется поступательно со скоростью V то за один оборот он пройдет путь . Эта величина называется поступью винта, а ее отношение к диаметру называется относительной поступью винта:

Аэродинамические свойства винтов принято характеризовать безразмерным коэффициентом тяги:

Коэффициентом мощности

И коэффициентом полезного действия

Где р - плотность воздуха, в расчетах может быть принята равной 0,125 кгс с 2 /м 4

Угловая скорость вращения винта об/с

D - диаметр винта, м

P и N - соответственно тяга и мощность на валу винта, кгс, л. с.

Теоретический предел тяги винта

Для конструктора СЛА представляет интерес возможность без расчетов делать приближенные оценки тяги, создаваемой силовой установкой. Эта задача достаточно просто решается с помощью теории идеального пропеллера, согласно которой тяга винта представляется функцией трех параметров: мощности двигателя, диаметра винта и скорости полета. Практика показала, что тяга рационально выполненных реальных винтов всего на 15 - 25% ниже предельных теоретических значений.

Результаты расчетов по теории идеального пропеллера показаны на следующем графике, который позволяет поределить отношение тяги к мощности в зависимости от скорости полета и параметра N/D 2 . Видно, что при околонулевых скоростях тяга в сильной степени зависит от диаметра винта, однако уже на скоростях опрядка 100 км/ч указанная зависимость менее существенна. Кроме того, график дает наглядное представление о неизбежности уменьшения тяги винта по скорости полета, что необходимо учитывать при оценке летных данных СЛА.

по материалам:
"Руководство для конструкторов летательных аппаратов самодеятельной постройки", Том 1, СибНИИА

Надежин Никита

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

ПЛАН:

Введение.

1.1. Воздушный винт.

1.2.Технические требования к модели самолёта класса F1B.

3.Описание конструкции воздушного винта.

1.4. Описание модели самолёта.

Заключение.

Список литературы, программное обеспечение.

Приложения.

Введение

Воздушный винт, пропеллер, движитель, в котором радиально расположенные профилированные лопасти, вращаясь, отбрасывают воздух и тем самым создают силу тяги («Пропеллер» - студенческая многотиражка в Московском авиационном институте). Воздушный винт состоит из одной, двух или более лопастей, соединенных друг с другом ступицей. Основная часть винта - лопасти, так как только они создают тягу.

Идею воздушного винта предложил в 1475 году Леонардо да Винчи, и применил его для создания тяги впервые в 1754 году В.М. Ломоносов в модели прибора для метеорологических исследований.

М.В. Ломоносов

На самолете А.Ф. Можайского использовались воздушные винты. Братья Райт использовали толкающий винт.

Ещё до начала проектирования первого самолёта, А.Ф. Можайским были изготовлены несколько моделей самолёта, у которых движителем был воздушный винт, приводимый во вращение резиновым жгутом. В Америке братья Райт также сначала изготавливали модели самолёта, и только потом был спроектирован первый летающий самолёт.

С начала 20 века во всём мире молодые люди начали проектировать и строить модели самолётов и проводить соревнования. В нашей стране первые соревнования напутствовал Н.Е. Жуковский в1926году. Авиамодельный спорт стал культивироваться Международной авиационной федерацией FAI, разработан кодекс FAI, проводятся Всероссийские и международные соревнования.

По правилам соревнований все модели участников должны соответствовать определённым требованиям и, чтобы победить на соревнованиях, надо изготовить модель летающую лучше всех. Для этого необходимо увеличить высоту взлёта модели, но сделать это сложно, так как запас энергии на модели ограничен весом резиномотора, который проверяется во время проведения соревнований. Остается только увеличивать коэффициент использования энергии резины, а это механизация в полёте воздушного винта по изменению геометрических характеристик. Крутящий момент резиномотора переменный и имеет нелинейную характеристику. А крутящий момент необходимый для привода воздушного винта пропорционален диаметру винта в пятой степени. Для реализации имеющегося крутящего момента и увеличения КПД воздушного винта надо в полёте изменять диаметр и шаг. В существующих конструкциях изменяют шаг винта, так как это конструктивно проще, но это влечёт за собой увеличение скорости полёта, а значит и вредного сопротивления крыла. Выигрыш получается небольшой. Увеличение диаметра винта с одновременным увеличением шага позволяет использовать воздушный винт более качественно. Выигрыш получается больше.

Задача : проектирование механизмов, позволяющих увеличить КПД, уменьшить расход топлива для выработки различных видов энергии, приводящих к снижению вредных выбросов в атмосферу.

Тема данной работы очень актуальна для понимания развития современной техники. Работа по увеличению КПД воздушного винта делает возможным в дальнейшем проектирование более сложных механизмов, направленных на увеличение КПД других изделий, потребляющих тепловую и электрическую энергию и связанных с улучшением экологии окружающего пространства. В современном мире это очень важно так как применение механизмов, увеличивающих КПД на машинах, генераторах ведет к уменьшению расхода топлива, а следовательно выбросов продуктов сгорания в атмосферу и улучшению состояния экологии окружающей среды и здоровья человека.

Цель данной работы : проектирование механизма увеличивающего КПД использования механической энергии воздушным винтом резиномоторной модели самолета.

Значение работы : На примере проектирования простого механизма рассматриваются вопросы проектирования более сложных механизмов, которые можно эффективно использовать в будущем при разработке новой авиационной техники.

1. Воздушный винт

В спокойном воздухе самолет может лететь горизонтально или с набором высоты только тогда, когда у него есть движитель. Таким движителем может быть воздушный винт или реактивный двигатель. Воздушный винт должен приводиться во вращение механическим двигателем. И в том и в другом случае тяга создается за счет того, что некоторая масса воздуха или выхлопных газов отбрасывается в сторону, противоположную движению.

Рис.4. Схема сил, действующих на воздушный винт.

При своем движении лопасть воздушного винта описывает в пространстве винтовую линию. В своем поперечном сечении она имеет форму крыльевых профилей. В правильно спроектированном винте все сечения лопасти встречают поток под некоторым наивыгоднейшим углом. При этом на лопасти развивается сила, аналогичная аэродинамической силе на крыле. Эта сила, будучи разложенной на две составляющие (в плоскости винта и перпендикулярную плоскости) дают тягу и сопротивление ращению данного элемента лопасти. Просуммировав силы, действующие на все элементы лопастей, получают тягу, развиваемую винтом, и момент, потребный для вращения винта (Рисунок 4). В зависимости от величины потребляемой мощности применяются воздушные винты с различным числом лопастей - двух, трех и четырех лопастные, а также соосные винты, вращающиеся в противоположных направлениях для уменьшения потерь мощности на закручивание отбрасываемой струи воздуха. Такие винты применяют на самолетах Ту-95, Ан-22, Ту-114. На Ту-95 установлены 4 двигателя НК-12 конструкции Николая Кузнецова (Рисунок 5). Концы лопастей у этих винтов вращаются со сверхзвуковой скоростью, создавая сильный шум (Натовское название самолета Ту-95 - «Медведь», принят на вооружение в 1956 году и ВВС Росси используют этот самолет по сей день). В авиамодельном спорте для получения высоких результатов на соревнованиях используют и однолопастные винты. Коэффициент полезного действия винта зависит от величины покрытия винта

(где - число лопастей, - максимальная ширина лопасти), чем меньше величина покрытия винта, тем более высокий КПД винта можно получить. Беспредельному уменьшению покрытия препятствует прочность лопасти. Многолопастные винты не выгодны, так как они понижают КПД.

Рис.5. Самолет ТУ-95 с соосным винтом.

Первые воздушные винты имели фиксированный в полете шаг, определяемый постоянным углом установки лопастей винта. Для сохранения достаточно высокого КПД во всем диапазоне скоростей полета и мощностей двигателя, а так же для флюгирования и изменения вектора тяги при посадке применяются винты изменяемого шага (ВИШ). В таких винтах лопасти поворачиваются во втулке относительно продольной оси механическим, гидравлическим или электрическим механизмом.

Для увеличения тяги и КПД при малой поступательной скорости и большой мощности воздушный винт помещают в профилированное кольцо, в котором скорость струи в плоскости вращения больше, чем у изолированного винта, и само кольцо вследствие циркуляции скорости создает дополнительную тягу.

Лопасти воздушного винта изготавливают из дерева, дюралюминия. Стали, магния, композиционных материалов. При скоростях полета 600-800 км/час КПД воздушного винта достигает 0,8-0,9. При больших скоростях под влиянием сжимаемости воздуха КПД падает. Поэтому воздушный винт выгоден на дозвуковых скоростях полета самолета.

Идею воздушного винта предложил в 1475 году Леонардо да Винчи (Рисунок 1), а применил его для создания тяги впервые в 1754 году М.В. Ломоносов в модели прибора для метеорологических исследований (Рисунок 2). К середине XIX века на пароходах применялись гребные винты, аналогичные воздушному винту. В XX веке воздушные винты стали применяться на дирижаблях, самолетах, аэросанях, вертолетах, аппаратах на воздушной подушке и др.

Рис. 1. Геликоптер. Идея, предложенная Леонардо да Винчи. Модель по эскизу Леонардо да Винчи.

Рис.2. Модель прибора М.В. Ломоносова для метеорологических исследований.

Методы аэродинамического расчета и проектирования воздушных винтов основаны на теоретических и экспериментальных исследованиях. В 1892-1910 годах русский инженер-исследователь, изобретатель С.К. Джевецкий разработал теорию изолированного элемента лопасти, а в 1910-1911 годах русские ученые Б.Н. Юрьев и Г.Х. Сабинин развили эту теорию. В 1912-1915 годах Н.Е. Жуковский создал вихревую теорию, дающую наглядное физическое представление о работе винта и других лопаточных устройств и устанавливающую математическую связь между силами, скоростями и геометрическими параметрами в такого рода машинах. В дальнейшем развитии этой теории значительная роль принадлежит В.П. Ветчинкину. В 1956 году советским ученым Г.И. Майкопаровым вихревая теория воздушного винта была распространена на несущий винт вертолета.

Н.Е. Жуковский

В настоящее время для создания крупногабаритных магистральных самолетов потребовались двигательные установки большей мощности и очень экономичные. Одним из вариантов таких двигателей стали турбовентиляторные двигатели. Они обладают большой тягой и хорошей экономичностью. На всех зарубежных самолетах устанавливаются именно такие двигатели.

Развитие идеи Леонардо да Винчи воплотилось в создании газотурбинных двигателей с осевым компрессором. Лопатки осевого компрессора создают при своем движении повышение давления воздуха. Каждая ступень повышает давление на определенную величину и в конце сжатый компрессором воздух попадает в камеру сгорания, где к нему подводится тепло в виде сгорающего горючего. После чего горячий газ поступает на турбину, которая может быть и осевой и радиальной. Турбина в свою очередь крутит компрессор, а потерявшие часть энергии газы попадают в сопло и создают реактивную тягу.

Лопатки компрессора, это часть лопасти воздушного винта. Таких лопаток в каждой ступени может быть несколько десятков. Между ступенями находится неподвижный спрямляющий аппарат, который состоит из таких же лопаток, только установленных под определенным углом к закрученному воздушному потоку. Закрутка происходит за счет движения лопаток компрессора по окружности. Количество ступеней компрессора может быть более 15.

Если всю энергию, полученную в результате сгоревшего топлива, срабатывать на турбине, то на валу двигателя получится избыток мощности, который можно использовать для привода воздушного винта. Получится турбовинтовой двигатель, и тяга будет создаваться воздушным винтом. Тяга за счет выхлопных газов будет минимальна.

Следующим этапом развития стали двухконтурные двигатели. В этих двигателях часть воздуха проходит не через компрессор (снаружи), обычно это происходит после первых двух ступеней компрессора. Такой двигатель называется турбовентиляторным. Тяга двигателя создается за счет вентилятора (первые две ступени компрессора) и реактивной струи выхлопных газов. В данном случае вентилятор, а это по сути - воздушный винт, находится в профилированном корпусе.

Следующий этап развития это турбовинтовентиляторный двигатель (НК-93). Почему стали изготавливать такие двигатели? Да потому, что КПД винта на дозвуковых скоростях полета может приближаться к 0.9, а КПД реактивной струи гораздо меньше. Турбовинтовентиляторный двигатель в будущем - самый перспективный двигатель для самолетов, летающих на дозвуковых скоростях.

Двухконтурный турбореактивный двигатель.

В 1985 году ОКБ имени Н.Д. Кузнецова началось изучение концепции винтовентиляторного двигателя высокой степени двухконтурности. Было определено, что закапотированный двигатель с соосными винтами обеспечит на 7% большую тягу, чем незакопотированный ТВВД с одноступенчатым вентилятором.

В 1990 году КБ приступило к проектированию такого двигателя, получившего обозначение НК-93. Он предназначался прежде всего для самолетов ИЛ-96М, Ту-204П, Ту-214, но заинтересованность в новом двигателе проявило и Министерство обороны (планируется установка его на военно-транспортном Ту-330).

Самолет ИЛ-76 ЛЛ с двигателем НК-93.

Двигатель НК-93.

НК-93 выполнен по трехвальной схеме с двигателем закопотированного двухрядного винтовентилятора противоположного вращения СВ-92 через редуктор. Редуктор планетарный с 7 сателлитами. Первая ступень винтовентилятора 8-лопастная, вторая (на нее приходится 60% мощности) - 10-лопастная. Все лопасти саблевидные с углом стреловидности 30 0 на первых 5 двигателях изготавливали из магниевого сплава. Теперь их изготавливают из углепластика.

Схема двигателя НК-93.

Технические характеристики нового двигателя в мире аналогов не имеют. По параметрам термодинамического цикла НК-93 близок к ныне разрабатываемым за рубежом двигателям, но имеет лучшую экономичность (на 5%). Летные испытания проводятся на самолете ИЛ-76ЛЛ. Изюминкой этой винтомоторной установки является планетарный редуктор и винтовентилятор. Угол установки лопастей может изменяться в пределах 110 0 при работе двигателя. Подобный редуктор применяется в двигателях НК-12 на самолете Ту-95 и подобный редуктор используется в установках перекачки газа на магистральных газопроводах (НК-38). Так что опыт у нас есть.

На занятиях в авиамодельной лаборатории Костромского областного центра детского (юношеского) технического творчества рассматриваются вопросы теории полета самолетов и летающих моделей. С целью улучшения летных характеристик резиномоторных моделей, а также улучшения результатов выступления на соревнованиях была рассмотрена работа винтомоторной установки. Рассмотрев характеристики резиномотора, энергия которого определяет высоту взлета модели, выяснено, что крутящий момент резины на валу винта имеет нелинейную характеристику. Максимальный крутящий момент превышает средний момент в 5-6 раз. Крутящий момент, необходимый для вращения винта равен

где

Аэродинамический коэффициент

Плотность воздуха

Диаметр винта

Обороты винта в секунду

Из теории известно, что для того, чтобы КПД винта был достаточно высоким, необходимо неограниченно увеличивать диаметр винта. Как известно, конструктивно это условие выполнить нельзя. Но, зная это видим один из возможных способов увеличения продолжительности полета резиномоторной модели. Было принято решение компенсировать изменение крутящего момента изменением диаметра винта. Конструктивно изменять диаметр винта на величину, пропорциональную изменению крутящего момента довольно сложно, поэтому введено еще и изменение шага винта. Получился винт изменяемого диаметра и шага (ВИДШ). В большой авиации изменение диаметра воздушного винта не применяется из-за сложности конструкции и больших скоростей на концах лопастей, соизмеримых со скоростью звука, уменьшающих КПД винта.

Можно увеличить КПД воздушного винта путем уменьшения покрытия винта. Это значит, сделать винт однолопастным. Такие винты сейчас применяются на скоростных кордовых моделях. Результаты очень положительные. Скорость возрастает на 10-15 км/час, но там другие условия работы. Двигатель работает на постоянных оборотах и постоянной максимальной мощности. На резиномоторных моделях энергия резиномотора переменна и не линейна. При использовании однолопастного винта с изменяемым диаметром и шагом возникают сложности с противовесом лопасти винта. Поэтому принято решение для увеличения КПД воздушного винта резиномоторной модели самолета использовать винт двулопастный с изменяемым диаметром и шагом (ВИДШ).

2. Технические требования к модели самолета класса F 1 B

На конкурс представлена резиномоторная модель самолёта по классификации ФАИ - F1B, изготовленная Надежиным Никитой под руководством Смирнова Виктора Борисовича.

С этой моделью Надежин Никита в 2013 году на Первенстве России по авиационному моделированию стал чемпионом.

Резиномоторная модель - это модель летательного аппарата, которая приводится в движение двигателем из резины; подъёмная сила модели возникает за счёт аэродинамических сил, воздействующих на несущие поверхности модели.

Технические характеристики резиномоторных моделей должны соответствовать требованиям FAI:

площадь несущей поверхности - 17-19 дм 2

минимальный вес модели без резиномотора - 200 г

максимальный вес смазанного резиномотора - 30 г.

Каждый участник соревнований имеет право на 7 зачётных полётов продолжительностью не более 3-х минут каждый. Запуск модели должен быть произведён в ограниченное время, объявленное заранее. Сумма времени всех зачётных полётов каждого участника используется для окончательного распределения мест среди участников.

За время полёта модель может улетать от места старта на расстояние до 2,5-3 км. Для поиска модели на неё устанавливается радиопередатчик весом 4 грамма с питанием на несколько суток. У участника соревнований имеется радиоприёмник с направленной антенной для обнаружения модели.

Взлёт модели осуществляется за счёт энергии резиномотора, которая приводит во вращение воздушный винт. Изменение крутящего момента резиномотора при его раскрутке происходит неравномерно и максимальное его значение превосходит среднее значение в 4-5 раз. Поэтому в первоначальный момент взлёта модели воздушный винт работает на нерасчетных режимах, т.е. идет проскальзывание винта в воздушном потоке. Для того чтобы аэродинамически загрузить воздушный винт и использовать имеющуюся энергию резиномотора в полном объёме, необходимо увеличивать диаметр винта и угол установки лопастей винта в начальный период взлёта. Это хорошо показано в книге А.А.Болонкина «Теория полета летающих моделей»

3. Описание конструкции воздушного винта

Особенностью данной модели является воздушный винт (Приложения №4,5,6), который во время взлёта модели изменяет диаметр и шаг. Механизм винта при изменении крутящего момента резиномотора позволяет изменять диаметр винта и угол установки лопастей. Это позволяет существенно увеличить КПД винта и, следовательно, высоту взлёта модели, и, соответственно, увеличиваются продолжительность полёта и результат на соревнованиях.

Конструкция механизма винта представлена на сборочном чертеже 10.1000.5200.00 СБ ВИДШ (винт изменяемого диаметра и шага, Приложение №3) и представляет собой корпус, в котором на 2-х подшипниках вращается вал винта из стали ЗОХГСА. На валу установлена ступица винта, также на 2-х подшипниках, далее идёт втулка, имеющая возможность вращаться вокруг вала. На втулке установлены шатуны, на которых подвешены лопасти винта, изготовленные из бальзы. Шатуны установлены на осях, расположенных на радиусе R=11 от оси вала и под углом к нему примерно 6 градусов. Втулка и ступица соединены между собой упругим элементом (резиновое кольцо).В ступице имеется паз ограничивающий перемещение втулки относительно ступици. Это определяет рабочие углы поворота втулки и величину выдвижения шатунов. При приложении к валу винта крутящего момента относительно лопастей винта возникает сила, проворачивающая втулку относительно ступицы, при этом происходит выдвижение шатунов из ступицы и их проворот вокруг поперечной оси вала за счёт движения осей шатуна по образующей однополостного гиперболоида вокруг вала. В конструкции предусмотрено изменение угла наклона осей шатунов, что позволяет регулировать диапазон изменения шага при регулировке модели. (в первоначальном варианте регулировка пределов изменения шага не предусматривалась, чертёж 10.0000.5100.00 СБ, Приложение №2). Перемещение шатунов пропорционально крутящему моменту, приложенному к валу винта, относительно лопастей. На втулке установлен стандартный стопор, стопорящий лопасти винта в нужном положении после раскрутки резиномотора. Изменение шага при увеличении диаметра на 25 мм составляет 5 0 , что на R лопасти=200мм изменяет шаг с 670 мм до 815 мм. Для изготовления деталей использованы малогабаритные шарикоподшипники и высокопрочные материалы Д16Т, ЗОХГСА, 65С2ВА, 12х18Н10Т и углепластик.

4. Описание модели самолета

Конструкция самой модели представлена на чертеже 10.0000.5000.00СБ. (Приложение№1,7)

Продольный набор крыла состоит из двух углепластиковых лонжеронов переменного сечения, углепластикового кессона, передней и задней кромок из углепластика.

Поперечный набор состоит из нервюр, выполненных из бальзы, покрытых сверху и снизу углепластиковыми накладками толщиной 0,2 мм. На крыле применен профиль «Андрюков». Центр тяжести расположен на 54% САХ.

Весь набор собран на эпоксидной смоле. Крыло обтянуто синтетической бумагой (полиэстером) на эмалите. Для удобства транспортирования крыло имеет поперечный разъём с узлами крепления. Стабилизатор и киль выполнены аналогично крылу.

Фюзеляж состоит из двух частей. Передняя силовая часть выполнена из трубки, изготовленной из СВМ (кевлар) и углепластикового пилона, в который установлены программный механизм (таймер) и передатчик для поиска модели, спереди и сзади вклеены силовые шпангоуты из алюминиевого сплава Д16Т.

Хвостовая часть представляет конус и состоит из 2-х слоёв высокопрочной алюминиевой фольги Д16Т толщиной 0,03 мм, между которыми вклеен слой углеткани на эпоксидной смоле. На конце хвостовой части установлена площадка для крепления стабилизатора и механизм перебалансировки и посадки модели.

На модели используются резиномоторы из резины FАI “Super sport”, состоящие из 14 колец сечением 1/8 //

Применение в данном классе моделей механизма позволяющего одновременно изменять диаметр и шаг винта в зависимости от крутящего момента резиномотора, позволило увеличить коэффициент полезного действия воздушного винта, что выразилось в прибавлении высоты взлета модели на 10-12 метров, продолжительность полета увеличилась на 35-40 секунд по сравнению с другими моделями, а также улучшилась стабильность полетов. И как следствие - победа на соревнованиях.

Заключение

Вывод : Принцип преобразования поступательного движения во вращательное, заложенное в данной конструкции, может использоваться в случаях, когда нельзя использовать простые рычажные механизмы.

Практические рекомендации : Подобный механизм можно использовать в приводе элеронов крылатой ракеты. Поступательное движение тяги внутри крыла, вдоль задней кромки преобразуется во вращательное движение элерона. Использовать другие механизмы довольно сложно из-за малой строительной высоты профиля крыла в районе расположения элерона и удаления элерона от корпуса ракеты.

Таким образом, на примере проектирования простейшего механизма по увеличению КПД можно рассмотреть вопросы по созданию более совершенных механизмов преобразования энергии углеводородов в механическую тепловую и электрическую энергию, что в современных условиях позволит снизить уровень выброса вредных веществ в атмосферу и улучшит состояние экологии окружающей среды и здоровье Человека.

Список литературы, программного обеспечения

1.А.А.Болонкин. Теория полета летающих моделей, изд. ДОСААФ 1962г.

2.Э.П.Смирнов, Как спроектировать и построить летающую модель самолёта, изд. ДОСААФ 1973г.

3. Шмитц Ф.В. Аэродинамика малых скоростей, изд. ДОСААФ 1961г.

4. Проектирование выполнено в программе Компас V-11

Приложение 1.

Приложение 2.

Приложение 3.