Шаг лопасти или просто шаг относится к углу лопасти в жидкости. Этот термин имеет применение в аэронавтике, судоходстве и других областях.
В воздухоплавании под шагом лопастей понимают угол наклона лопастей пропеллера самолета или винта вертолета . Шаг лопастей измеряется относительно корпуса самолета. Его обычно описывают как «тонкий» или «низкий» для более вертикального угла лезвия и «грубый» или «высокий» для более горизонтального угла лезвия.
Шаг лезвия обычно описывается как отношение расстояния вперед к одному обороту при условии отсутствия проскальзывания.
Шаг лопастей действует так же, как зубчатая передача главной передачи автомобиля. Низкий шаг обеспечивает хорошее ускорение на низкой скорости (и скорость набора высоты в самолете), а высокий шаг оптимизирует высокие скоростные характеристики и экономию топлива.
Довольно часто самолет проектируют с винтом изменяемого шага , чтобы обеспечить максимальную тягу в большем диапазоне скоростей. Мелкий шаг будет использоваться при взлете и посадке, тогда как более крупный шаг используется для крейсерского полета на высокой скорости. Это связано с тем, что эффективный угол атаки лопасти винта уменьшается с увеличением скорости полета. Для поддержания оптимального эффективного угла атаки необходимо увеличить шаг. Угол наклона лопасти не совпадает с углом атаки лопасти. По мере увеличения скорости шаг лопасти увеличивается, чтобы угол атаки лопасти оставался постоянным.
«Подъемная сила» лопасти винта, или ее тяга, зависит от угла атаки в сочетании с его скоростью. Поскольку скорость лопасти гребного винта варьируется от ступицы к кончику, она имеет скрученную форму, чтобы тяга оставалась примерно постоянной по длине лопасти; это называется «поворот лезвия». Это типично для всех винтов, кроме самых грубых.
В вертолетах управление шагом изменяет угол падения лопастей несущего винта, что, в свою очередь, влияет на угол атаки лопастей. Шаг несущего винта регулируется как коллективным, так и циклическим, тогда как шаг рулевого винта изменяется с помощью педалей.
Флюгирование лопастей воздушного винта означает увеличение угла их наклона за счет поворота лопастей параллельно воздушному потоку. Это сводит к минимуму сопротивление остановленного винта после отказа двигателя в полете.
Некоторые самолеты с винтовым двигателем позволяют уменьшать шаг за пределы точного положения до тех пор, пока винт не начнет создавать тягу в обратном направлении. Это называется реверсом тяги , а положение винта называется бета-положением. [1]
Управление шагом лопастей является особенностью почти всех крупных современных ветряных турбин с горизонтальной осью вращения . Он используется для регулировки скорости вращения и вырабатываемой мощности. Во время работы система управления ветряной турбины регулирует шаг лопастей, чтобы поддерживать скорость ротора в рабочих пределах при изменении скорости ветра. Флюгирование лопастей останавливает ротор во время аварийных остановов или всякий раз, когда скорость ветра превышает максимальную номинальную скорость. При строительстве и обслуживании ветряных турбин лопасти обычно флюгерируют, чтобы уменьшить нежелательный вращательный момент в случае порывов ветра.
Управление шагом лопастей предпочтительнее тормозов ротора, поскольку тормоза могут выйти из строя или перегрузиться из-за силы ветра на турбине. Это может привести к выходу из строя турбин. Напротив, управление шагом позволяет флюгировать лопасти, так что скорость ветра не влияет на нагрузку на механизм управления. [2]
Управление шагом может осуществляться с помощью гидравлических или электрических механизмов. Гидравлические механизмы имеют более длительный срок службы, более быстрое время отклика благодаря более высокой движущей силе и требуют меньшего обслуживания резервной пружины. Однако гидравлике, как правило, требуется больше мощности для поддержания высокого давления в системе, и она может протекать. Электрические системы потребляют и тратят меньше энергии и не дают утечек. Однако для них требуются дорогостоящие отказоустойчивые батареи и конденсаторы на случай сбоя питания. [2]
Регулирование наклона не обязательно должно быть активным (зависит от исполнительных механизмов). Пассивные (с управлением остановкой) ветряные турбины основаны на том факте, что угол атаки увеличивается с ростом скорости ветра. Лезвия могут быть спроектированы так, чтобы переставать работать при достижении определенной скорости. Это еще один вариант использования скрученных лезвий: поворот позволяет постепенно останавливаться, поскольку каждая часть лопасти имеет разный угол атаки и останавливается в разное время. [3]
Управление шагом лопастей обычно составляет менее 3% затрат на ветряную турбину, в то время как неисправности угла наклона лопастей составляют 23% всех простоев производства ветряных турбин и 21% всех отказов компонентов. [4]
В судоходстве шаг лопастей измеряется в количестве дюймов движения гребного винта вперед по воде за один полный оборот гребного винта. Например, гребной винт с шагом 12 дюймов при однократном вращении переместит судно на 12 дюймов вперед. Обратите внимание, что это теоретическое максимальное расстояние; на самом деле из-за «проскальзывания» между гребным винтом и водой фактическое пройденное расстояние всегда будет меньше. [5]
Некоторые гребные винты из композитных материалов имеют сменные лопасти, что позволяет изменять шаг лопастей при остановке гребного винта. [6] Меньший шаг будет использоваться для транспортировки тяжелых грузов на низкой скорости, тогда как более высокий шаг будет использоваться для движения на высокой скорости.
В гребле шаг лопасти — это наклон лопасти к корме лодки во время фазы движения гребка. Без правильного шага лопасти лопасть будет иметь тенденцию нырять слишком глубоко или выскакивать из воды и/или вызывать трудности с балансировкой на этапе восстановления гребка.