В воздухоплавании пропеллер изменяемого шага — это тип воздушного винта (винта) с лопастями, которые можно вращать вокруг своей длинной оси для изменения шага лопастей . Винт регулируемого шага — это винт, шаг которого регулируется пилотом вручную. Альтернативно, гребной винт с постоянной скоростью — это винт, в котором пилот устанавливает желаемую скорость двигателя ( об/мин ), а шаг лопастей контролируется автоматически без вмешательства пилота, так что скорость вращения остается постоянной. Устройство, которое контролирует шаг гребного винта и, следовательно, скорость, называется регулятором гребного винта или устройством постоянной скорости .
Реверсивные гребные винты — это гребные винты, шаг которых может быть установлен на отрицательные значения. Это создает обратную тягу для торможения или движения назад без необходимости изменения направления вращения вала.
Хотя некоторые самолеты имеют винты, регулируемые с земли , они не считаются винтами изменяемого шага. Обычно они встречаются только на легких и сверхлегких самолетах .
Когда самолет стоит с вращающимся винтом (в штиле), относительный вектор ветра для каждой лопасти винта направлен сбоку. Однако по мере того, как самолет начинает двигаться вперед, относительный вектор ветра все чаще исходит спереди. Шаг лопастей винта необходимо увеличить, чтобы поддерживать оптимальный угол атаки относительно относительного ветра.
Первые гребные винты имели фиксированный шаг, но эти гребные винты неэффективны в ряде условий. Если угол лопасти винта настроен так, чтобы обеспечить хорошие характеристики взлета и набора высоты, винт будет неэффективен в крейсерском полете, поскольку лопасть будет находиться под слишком малым углом атаки. Напротив, винт, настроенный на хорошие крейсерские характеристики, может заглохнуть на низких скоростях из-за слишком большого угла атаки.
Пропеллер с регулируемым углом наклона лопастей более эффективен в различных условиях. Пропеллер с изменяемым шагом может иметь почти постоянный КПД в диапазоне скоростей полета. [1]
Меньший угол атаки требует наименьшего крутящего момента, но самых высоких оборотов в минуту , поскольку пропеллер не перемещает много воздуха при каждом обороте. Это похоже на автомобиль, работающий на пониженной передаче . Когда автомобилист достигнет крейсерской скорости, он замедлит работу двигателя, переключившись на более высокую передачу, сохраняя при этом мощность, достаточную для поддержания движения автомобиля. В самолете это достигается за счет увеличения угла атаки воздушного винта. Это означает, что пропеллер перемещает больше воздуха за один оборот и позволяет двигателю вращаться медленнее, перемещая при этом эквивалентный объем воздуха, тем самым сохраняя скорость.
Другое применение гребных винтов изменяемого шага — флюгирование лопастей гребного винта для уменьшения сопротивления. Это значит повернуть лопасти так, чтобы их передние кромки были направлены прямо вперед. В многомоторном самолете, если один двигатель выходит из строя, его можно флюгировать, чтобы уменьшить сопротивление, чтобы самолет мог продолжать полет, используя другой двигатель (другие двигатели). В одномоторном самолете в случае отказа двигателя флюгирование винта уменьшит сопротивление и увеличит дальность планирования, предоставляя пилоту больше возможностей для выбора места вынужденной посадки .
Для изменения шага используются три метода: давление масла, центробежные грузы или электромеханическое управление.
Давление моторного масла является обычным механизмом, используемым в коммерческих винтовых самолетах, а также в двигателях Continental и Lycoming, устанавливаемых на легкие самолеты. На самолетах без узла постоянной скорости (УРУ) пилот управляет шагом лопастей винта вручную, с помощью давления масла.
Альтернативно или дополнительно центробежные грузы могут быть прикреплены непосредственно к воздушному винту, как на Як-52 . Первые попытки создания гребных винтов с постоянной скоростью назывались гребными винтами с противовесом, которые приводились в движение механизмами, работающими за счет центробежной силы . Их работа идентична центробежному регулятору , который Джеймс Уатт использовал для ограничения скорости паровых двигателей . Рядом с блесной или внутри нее устанавливались эксцентриковые грузы, удерживаемые пружиной. Когда пропеллер достиг определенного числа оборотов в минуту, центробежная сила заставляла грузы раскачиваться наружу, что приводило в действие механизм, который поворачивал пропеллер в более крутой угол. Когда гребной винт замедлялся, число оборотов в минуту уменьшалось настолько, что пружина возвращала грузы обратно, переводя гребной винт на более мелкий шаг.
Небольшие современные двигатели с блоком постоянной скорости (CSU), такие как Rotax 912 , могут использовать либо традиционный гидравлический метод, либо электрический механизм управления шагом.
Гидравлическое управление может оказаться слишком дорогим и громоздким для сверхлегких самолетов . Вместо этого они могут использовать пропеллеры, которые активируются механически или электрически.
Винт постоянной скорости – это винт изменяемого шага, который автоматически меняет шаг лопастей для поддержания выбранной скорости вращения независимо от условий эксплуатации самолета. Это достигается за счет использования блока постоянной скорости (CSU) или регулятора гребного винта , который автоматически изменяет шаг лопастей гребного винта .
Большинство двигателей развивают максимальную мощность в узком диапазоне оборотов. CSU позволяет двигателю работать в наиболее экономичном диапазоне скоростей вращения независимо от того, взлетает самолет или находится в крейсерском режиме. Можно сказать, что CSU для самолета является тем же, чем бесступенчатая трансмиссия для автомобиля: двигатель может поддерживать работу на оптимальной скорости, независимо от скорости, с которой самолет летит по воздуху. CSU также позволяет разработчикам авиационных двигателей сохранять простую систему зажигания: автоматическое опережение искры , наблюдаемое в автомобильных двигателях, упрощается, поскольку авиационные двигатели работают примерно с постоянной частотой вращения.
Практически все высокопроизводительные винтовые самолеты имеют винты с постоянной скоростью, поскольку они значительно повышают топливную экономичность и производительность, особенно на большой высоте.
Первые попытки создания гребных винтов с постоянной скоростью назывались гребными винтами с противовесом, которые приводились в движение механизмами, работающими за счет центробежной силы . Их работа идентична центробежному регулятору , который Джеймс Уатт использовал для регулирования скорости паровых двигателей . Рядом с блесной или внутри нее устанавливались эксцентриковые грузы, удерживаемые пружиной. Когда пропеллер достиг определенного числа оборотов в минуту, центробежная сила заставляла грузы раскачиваться наружу, что приводило в движение механизм, который поворачивал пропеллер в более крутой угол. Когда гребной винт замедлялся, число оборотов в минуту уменьшалось настолько, что пружина возвращала грузы обратно, переводя гребной винт на более мелкий шаг.
Большинство CSU используют давление масла для управления шагом гребного винта. Обычно агрегаты с постоянной скоростью на одномоторном самолете используют давление масла для увеличения шага. Если CSU выйдет из строя, пропеллер автоматически вернется к мелкому шагу, что позволит самолету эксплуатироваться на более низких скоростях. Напротив, на многомоторном самолете CSU обычно использует давление масла для уменьшения шага. Таким образом, если CSU выйдет из строя, этот пропеллер автоматически сработает, уменьшив сопротивление, в то время как самолет продолжит летать на исправном двигателе. [2] « Аккумулятор с оперением » позволит такому винту вернуться к мелкому шагу для перезапуска двигателя в полете.
Работа поршневого самолета с одним двигателем осуществляется следующим образом: моторное масло прокачивается через гребной вал регулятором, чтобы нажать на поршень, который приводит в движение механизм для изменения шага. Поток масла и шаг управляются регулятором, состоящим из пружины шестеренчатого насоса, грузиков и пилотного клапана . Шестеренчатый насос воспринимает давление моторного масла и повышает его давление, которое, в свою очередь, контролируется на выходе из ступицы гребного винта с помощью пилотного клапана, который соединен с грузиками, и пружины сеялки, которая прижимается к грузикам. Натяжение пружины задается рычагом управления гребным винтом, который устанавливает обороты. Регулятор будет поддерживать эту настройку оборотов до тех пор, пока не возникнет состояние превышения или понижения скорости двигателя. При возникновении условия превышения скорости гребной винт начинает вращаться быстрее, чем желаемая настройка частоты вращения. Это произойдет по мере снижения самолета и увеличения скорости полета. Грузики начинают вытягиваться наружу под действием центробежной силы, которая еще больше сжимает пружину спидера, которая, в свою очередь, подает масло в ступицу обратно в двигатель, уменьшая обороты двигателя и увеличивая шаг. Когда возникает состояние пониженной скорости, например, подъем с потерей скорости. скорости полета, происходит обратное. Скорость полета уменьшается, в результате чего винт замедляется. Это приведет к перемещению грузиков внутрь из-за отсутствия центробежной силы, и напряжение пружины спидера будет снято, что приведет к вытеканию масла из ступицы гребного винта, уменьшению шага и увеличению оборотов. Этот процесс обычно происходит часто во время полета.
Пилоту требуется дополнительная подготовка и, в большинстве юрисдикций, официальное разрешение, прежде чем ему будет разрешено управлять самолетом, оснащенным CSU. Блоки CSU не разрешается устанавливать на самолеты, сертифицированные в соответствии с правилами США для легких спортивных самолетов .
Ряд первых пионеров авиации, в том числе А. В. Роу и Луи Бреге , использовали пропеллеры, которые можно было регулировать, пока самолет находился на земле . [3] То же самое имело место во время Первой мировой войны с одним экземпляром испытательного стенда «R.30/16» немецкого четырехмоторного тяжелого бомбардировщика Zeppelin -Staaken R.VI. [4]
В 1919 году Л.Э. Бэйнс запатентовал первый автоматический воздушный винт изменяемого шага. Уоллесу Руперту Тернбуллу из Сент-Джона, Нью-Брансуик, Канада, в Канаде приписывают создание первого винта изменяемого шага в 1918 году. [5]
Французская авиастроительная фирма Levasseur представила винт изменяемого шага на Парижском авиасалоне 1921 года . Фирма заявила, что французское правительство протестировало устройство в течение десяти часов и что оно может изменять шаг при любых оборотах двигателя. [6]
Доктор Генри Селби Хеле-Шоу и Т. Э. Бичем запатентовали гребной винт изменяемого шага с гидравлическим приводом (на основе насоса с регулируемым ходом) в 1924 году и представили доклад по этому вопросу Королевскому аэронавтическому обществу в 1928 году; он был встречен со скептицизмом относительно его полезности. [7] Пропеллер был разработан совместно с Gloster Aircraft Company как пропеллер с переменным шагом Gloster Hele-Shaw Beacham и был продемонстрирован на самолете Gloster Grebe , где он использовался для поддержания почти постоянной скорости вращения. [8]
Французская фирма Ratier с 1928 года производила гребные винты изменяемого шага различных конструкций, опираясь на специальную геликоидальную рампу на шарикоподшипниках в основании лопастей для облегчения эксплуатации. Патент Уолтера С. Гувера на винт изменяемого шага был подан в Патентное ведомство США в 1934 году.
Было опробовано несколько конструкций, в том числе небольшая камера со сжатым воздухом во ступице гребного винта, обеспечивающая необходимую силу для сопротивления пружине, которая переводила лопасти с малого шага (взлет) на крупный шаг (маршрутный полет). При подходящей воздушной скорости диск в передней части кока будет достаточно давить на выпускной клапан баллона, чтобы сбросить давление и позволить пружине перевести гребной винт на крупный шаг. Эти «пневматические» пропеллеры были установлены на самолете de Havilland DH.88 Comet , победителе знаменитых дальних воздушных гонок МакРобертсона 1934 года и на Caudron C.460, победителе национальных воздушных гонок 1936 года , которым пилотировал Мишель Детроя . Использование этих пневматических винтов требовало предварительной настройки винта на малый шаг перед взлетом. Это было сделано путем создания давления в мочевом пузыре с помощью велосипедного насоса, отсюда и причудливое прозвище Gonfleurs d'hélices (мальчики-надуватели), которое до сих пор дают авиационным наземным механикам во Франции. [9]
Гидравлический винт Gloster Hele-Shaw был показан на Международной авиационной выставке 1929 года в Олимпии. Американец Том Гамильтон из компании Hamilton Aero Manufacturing увидел это и, вернувшись домой, запатентовал его там. [10] В рамках подразделения Hamilton Standard Объединенной авиастроительной компании инженер Фрэнк В. Колдуэлл разработал гидравлическую конструкцию, которая привела к присуждению награды Collier Trophy в 1933 году. [11] de Havilland впоследствии выкупила права на производство винтов Hamilton. в Великобритании, а Rolls-Royce и Bristol Engines в 1937 году сформировали британскую компанию Rotol для производства собственных разработок. Французская компания Пьера Левассера и Smith Engineering Co. в США также разработала гребные винты регулируемого шага. Уайли Пост (1898–1935) использовал пропеллеры Смита в некоторых своих полетах.
Другой механизм с электрическим приводом был разработан Уоллесом Тернбуллом и усовершенствован корпорацией Curtiss-Wright . [12] Впервые он был испытан 6 июня 1927 года в Кэмп-Бордене, Онтарио, Канада, и получил патент в 1929 году ( патент США 1,828,348 ). Некоторые пилоты во время Второй мировой войны (1939–1945) отдавали предпочтение этому варианту, потому что даже когда двигатель больше не работал, винт можно было флюгировать . На гребных винтах с гидравлическим приводом флюгирование должно было произойти до потери гидравлического давления в двигателе, если только не был установлен специальный насос флюгирования с электрическим приводом, обеспечивающий необходимое давление масла для флюгирования гребного винта.