В аэронавтике авиационный пропеллер , также называемый воздушным винтом , [1] [2] преобразует вращательное движение от двигателя или другого источника энергии в закрученный поток воздуха, который толкает пропеллер вперед или назад. Он состоит из вращающейся ступицы с силовым приводом, к которой прикреплены несколько радиальных лопастей аэродинамического сечения таким образом, что вся сборка вращается вокруг продольной оси. Шаг лопасти может быть фиксированным, вручную изменяемым в нескольких установленных положениях или автоматически изменяемым типом «постоянной скорости».
Пропеллер крепится к приводному валу источника питания либо напрямую, либо через редуктор . Пропеллеры могут быть изготовлены из дерева, металла или композитных материалов .
Пропеллеры наиболее подходят для использования на дозвуковых скоростях, как правило, ниже 480 миль в час (770 км/ч), хотя сверхзвуковые скорости были достигнуты в экспериментальном самолете McDonnell XF-88B, оснащенном пропеллерами. Сверхзвуковые скорости концов используются в некоторых самолетах, таких как Туполев Ту-95 , который может достигать 575 миль в час (925 км/ч). [ необходима цитата ]
Самые ранние упоминания о вертикальном полете пришли из Китая. Примерно с 400 г. до н. э. [3] китайские дети играли с бамбуковыми летающими игрушками . [4] [5] [6] Этот бамбуковый вертолет вращается путем вращения палки, прикрепленной к ротору, между руками. Вращение создает подъемную силу, и игрушка летит, когда ее отпускают. [3] Даосская книга 4-го века н. э. Баопуцзы, написанная Ге Хуном (抱朴子 «Мастер, который принимает простоту»), как сообщается, описывает некоторые идеи, присущие роторным самолетам. [7]
Конструкции, похожие на китайскую игрушечную вертолётную игрушку, появлялись в картинах эпохи Возрождения и других произведениях. [8]
Только в начале 1480-х годов, когда Леонардо да Винчи создал проект машины, которую можно было бы описать как «воздушный винт» , был сделан какой-либо зафиксированный прогресс в направлении вертикального полета. Его заметки предполагали, что он построил небольшие летающие модели, но не было никаких указаний на какие-либо меры, чтобы остановить ротор от вращения судна. [9] [10] По мере того, как научные знания росли и становились более общепринятыми, человек продолжал преследовать идею вертикального полета. Многие из этих более поздних моделей и машин больше напоминали древний бамбуковый летающий волчок с вращающимися крыльями, чем винт Леонардо.
В июле 1754 года русский Михаил Ломоносов разработал небольшой коаксиальный аппарат, смоделированный по образцу китайского волчка , но приводимый в действие заведенным пружинным устройством [11] , и продемонстрировал его Российской академии наук . Он приводился в действие пружиной и был предложен в качестве метода подъема метеорологических приборов. В 1783 году Кристиан де Лонуа и его механик Бьенвеню использовали коаксиальную версию китайского волчка в модели, состоящей из вращающихся в противоположных направлениях маховых перьев индейки [11] в качестве лопастей ротора, и в 1784 году продемонстрировали его Французской академии наук . Дирижабль был описан Жаном Батистом Мари Мёнье, представленным в 1783 году. На чертежах изображена обтекаемая оболочка длиной 260 футов (79 м) с внутренними баллонетами, которые можно было использовать для регулирования подъемной силы. Дирижабль был спроектирован так , чтобы приводиться в движение тремя пропеллерами. В 1784 году Жан-Пьер Бланшар приспособил ручной пропеллер к воздушному шару, что стало первым зарегистрированным средством движения, поднятым в воздух. [12] Сэр Джордж Кейли , под влиянием детского увлечения китайским летающим волчком, разработал модель перьев, похожую на модель Лонуа и Бьенвеню, но приводимую в движение резиновыми лентами. К концу века он перешел к использованию листов жести для лопастей ротора и пружин для энергии. Его труды о его экспериментах и моделях оказали влияние на будущих пионеров авиации. [9]
Уильям Бланд отправил чертежи своего «Атмотического дирижабля» на Большую выставку, проходившую в Лондоне в 1851 году, где была представлена модель. Это был удлиненный воздушный шар с паровым двигателем, приводящим в движение два подвешенных снизу винта. [13] [14] Альфонс Пено разработал игрушечные вертолеты с соосными роторами в 1870 году, также приводимые в движение резиновыми лентами. В 1872 году Дюпюи де Лом запустил большой управляемый воздушный шар, который приводился в движение большим винтом, вращаемым восемью мужчинами. [15] Хирам Максим построил судно весом 3,5 длинных тонны (3,6 т) с размахом крыльев 110 футов (34 м), которое приводилось в движение двумя паровыми двигателями мощностью 360 л. с. (270 кВт) , приводящими в движение два винта. В 1894 году его машина была испытана с верхними рельсами, чтобы не дать ей подняться. Испытание показало, что у нее достаточно подъемной силы, чтобы взлететь. [16] Одна из игрушек Пено, подаренная их отцом , вдохновила братьев Райт на осуществление мечты о полете. [17] Скрученная аэродинамическая форма (аэродинамический профиль) воздушного винта была впервые предложена братьями Райт. В то время как некоторые более ранние инженеры пытались смоделировать воздушные винты на основе морских винтов , братья Райт поняли, что пропеллер по сути то же самое, что и крыло , и смогли использовать данные своих более ранних экспериментов в аэродинамической трубе на крыльях, введя закручивание по длине лопастей. Это было необходимо для поддержания более равномерного угла атаки лопасти по ее длине. [18] Их оригинальные лопасти пропеллера имели эффективность около 82%, [19] по сравнению с 90% для современного (2010) небольшого воздушного винта общей авиации, 3-лопастного McCauley, используемого на самолете Beechcraft Bonanza . [20] Ропер [21] приводит 90% для пропеллера для самолета с человеческим приводом.
Красное дерево было предпочтительным для пропеллеров во время Первой мировой войны , но дефицит военного времени способствовал использованию ореха , дуба , вишни и ясеня . [22] Альберто Сантос-Дюмон был еще одним ранним пионером, спроектировавшим пропеллеры до братьев Райт [23] для своих дирижаблей . Он применил знания, полученные из опыта с дирижаблями, чтобы сделать пропеллер со стальным валом и алюминиевыми лопастями для своего биплана 14 бис в 1906 году. Некоторые из его конструкций использовали изогнутый алюминиевый лист для лопастей, таким образом создавая форму аэродинамического профиля. Они были сильно изогнуты , и это, а также отсутствие продольного скручивания делали их менее эффективными, чем пропеллеры Райта. [24] Тем не менее, это было, пожалуй, первое использование алюминия в конструкции воздушного винта. Первоначально вращающийся аэродинамический профиль позади самолета, который толкал его, назывался пропеллером, в то время как тот, который тянул спереди, был тягачом . [25] Позже термин «толкатель» был принят для заднего устройства в отличие от конфигурации трактора, и оба стали называться «пропеллерами» или «воздушными винтами». Понимание аэродинамики низкоскоростного пропеллера было довольно полным к 1920-м годам, но более поздние требования по обработке большей мощности при меньшем диаметре сделали проблему более сложной.
Исследования пропеллера для Национального консультативного комитета по аэронавтике (NACA) с 1916 года проводились под руководством Уильяма Ф. Дюрана. Измеряемые параметры включали эффективность пропеллера, развиваемую тягу и поглощаемую мощность . Хотя пропеллер можно испытывать в аэродинамической трубе , его характеристики в свободном полете могут отличаться. В Мемориальной аэронавигационной лаборатории Лэнгли Э. П. Лесли использовал Vought VE-7 с двигателями Wright E-4 для получения данных о свободном полете, в то время как Дюран использовал уменьшенный размер, с похожей формой, для получения данных в аэродинамической трубе. Их результаты были опубликованы в 1926 году в отчете NACA № 220. [26]
Лоури [27] приводит эффективность винта около 73,5% на крейсерском режиме для Cessna 172. Это вытекает из его «подхода Bootstrap» для анализа производительности легких самолетов общей авиации с использованием винтов с фиксированным шагом или постоянной скоростью. Эффективность винта зависит от угла атаки (α). Он определяется как α = Φ - θ, [28] где θ - угол наклона винтовой линии (угол между результирующей относительной скоростью и направлением вращения лопасти), а Φ - угол наклона лопасти . Очень малые углы наклона и наклона винтовой линии обеспечивают хорошую производительность против сопротивления, но обеспечивают небольшую тягу, в то время как большие углы имеют противоположный эффект. Лучший угол наклона винтовой линии - это когда лопасть действует как крыло, создавая гораздо больше подъемной силы, чем сопротивления. Однако «подъемная сила и сопротивление» - это только один из способов выразить аэродинамическую силу на лопастях. Для объяснения характеристик самолета и двигателя та же сила выражается немного по-разному в терминах тяги и крутящего момента [29], поскольку требуемая мощность винта — это тяга. Тяга и крутящий момент являются основой определения эффективности винта, как показано ниже. Коэффициент опережения винта аналогичен углу атаки крыла.
Эффективность винта определяется [30]
Пропеллеры в сечении аэродинамического профиля похожи на крыло с низким сопротивлением и, как таковые, плохо работают, когда угол атаки отличается от оптимального . Поэтому большинство пропеллеров используют механизм переменного шага для изменения угла наклона лопастей при изменении скорости двигателя и скорости самолета.
_stationed_at_Little_Creek_Amphibious_Base,_Va.,_checks_the_propeller_of_a_Landing_Craft_Air_Cushion_(LCAC).jpg/1280px-thumbnail.jpg)
Еще одним соображением является количество и форма используемых лопастей. Увеличение соотношения сторон лопастей уменьшает сопротивление, но величина создаваемой тяги зависит от площади лопасти, поэтому использование лопастей с большим удлинением может привести к чрезмерному диаметру пропеллера. Еще одним балансом является то, что использование меньшего количества лопастей уменьшает эффекты интерференции между лопастями, но для того, чтобы иметь достаточную площадь лопасти для передачи доступной мощности в пределах установленного диаметра, необходим компромисс. Увеличение количества лопастей также уменьшает объем работы, которую должна выполнять каждая лопасть, ограничивая локальное число Маха — значительный предел производительности пропеллеров. Производительность пропеллера страдает, когда трансзвуковой поток впервые появляется на кончиках лопастей. Поскольку относительная скорость воздуха в любой секции пропеллера является векторной суммой скорости самолета и тангенциальной скорости из-за вращения, поток над кончиком лопасти достигнет трансзвуковой скорости задолго до того, как это сделает самолет. Когда поток воздуха над кончиком лопасти достигает своей критической скорости , сопротивление сопротивлению и крутящему моменту быстро увеличивается, и образуются ударные волны , создающие резкое увеличение шума. Поэтому самолеты с обычными пропеллерами обычно не летают быстрее Маха 0,6. Были винтовые самолеты, которые достигали диапазона Маха 0,8, но низкая эффективность пропеллера на этой скорости делает такие применения редкими.
Кончик лопасти винта движется быстрее, чем ступица. Поэтому необходимо, чтобы лопасть была закручена так, чтобы постепенно уменьшать угол атаки лопасти и, следовательно, производить равномерный подъем от ступицы к кончику. Наибольший угол падения или самый высокий шаг находится у ступицы, а наименьший угол падения или самый маленький шаг — у кончика. Лопасть винта, спроектированная с одинаковым углом падения по всей длине, была бы неэффективной, поскольку по мере увеличения скорости полета часть около ступицы имела бы отрицательный AOA, в то время как кончик лопасти был бы заторможен. [31]
Были предприняты попытки разработать пропеллеры и винтовентиляторы для самолетов на высоких дозвуковых скоростях. [32] «Исправление» похоже на конструкцию трансзвукового крыла. Используются тонкие секции лопастей, и лопасти стреловидны в форме сабля ( сабля-пропеллер ) способом, похожим на стреловидность крыла, чтобы задержать возникновение ударных волн, когда кончики лопастей приближаются к скорости звука. Максимальная относительная скорость поддерживается на минимально возможном уровне за счет тщательного контроля шага, чтобы позволить лопастям иметь большие углы наклона винтовой линии. Большое количество лопастей используется для уменьшения работы на лопасть и, следовательно, силы циркуляции. Используются винты противоположного вращения . Разработанные винты более эффективны, чем турбовентиляторы, и их крейсерская скорость (0,7–0,85 Маха) подходит для авиалайнеров, но создаваемый шум огромен (см. примеры такой конструкции у Антонова Ан-70 и Туполева Ту-95 ).
Силы, действующие на лопасти винта самолета, включают следующее. Некоторые из этих сил могут быть организованы так, чтобы противодействовать друг другу, уменьшая общие механические напряжения, возникающие. [33] [1]
Целью изменения угла наклона является поддержание оптимального угла атаки лопастей винта, что обеспечивает максимальную эффективность на протяжении всего режима полета. Это снижает расход топлива. Только путем максимизации эффективности винта на высоких скоростях можно достичь максимально возможной скорости. [35] Эффективный угол атаки уменьшается с увеличением скорости полета, поэтому на высоких скоростях требуется более крупный шаг.
Требование к изменению шага показано на примере производительности винта во время соревнований Schneider Trophy в 1931 году. Используемый винт с фиксированным шагом компании Fairey Aviation Company частично останавливался на взлете и достигал скорости 160 миль в час (260 км/ч) на пути к максимальной скорости 407,5 миль в час (655,8 км/ч). [36] Очень широкий диапазон скоростей был достигнут, поскольку некоторые из обычных требований к производительности самолета не применялись. Не было никаких компромиссов по эффективности максимальной скорости, взлетная дистанция не ограничивалась доступной длиной взлетно-посадочной полосы, и не было никаких требований к набору высоты. [37]
Лопасти с изменяемым шагом, используемые на самолете Ту-95, разгоняют его до скорости, превышающей максимально возможную для винтового самолета [38] при использовании исключительно большого шага. [39]
Ранние настройки управления шагом осуществлялись пилотом, либо с небольшим количеством предустановленных положений, либо с возможностью непрерывной регулировки. [1]
Самый простой механизм — регулируемый на земле пропеллер , который можно регулировать на земле, но фактически он представляет собой винт с фиксированным шагом в воздухе. Подпружиненный «двухскоростной» винт VP устанавливается на тонкий шаг для взлета, а затем переключается на грубый шаг в крейсерском режиме, при этом винт остается грубым до конца полета.
После Первой мировой войны были разработаны автоматические пропеллеры для поддержания оптимального угла атаки. Это было достигнуто путем уравновешивания центростремительного крутящего момента на лопастях и набора противовесов против пружины и аэродинамических сил на лопасти. Автоматические пропеллеры имели преимущество в том, что были простыми, легкими и не требовали внешнего управления, но производительность конкретного пропеллера было трудно сопоставить с производительностью силовой установки самолета.
Наиболее распространенным пропеллером с изменяемым шагом является пропеллер с постоянной скоростью . Он управляется гидравлическим блоком постоянной скорости (CSU). Он автоматически регулирует шаг лопастей, чтобы поддерживать постоянную скорость двигателя для любой заданной настройки управления мощностью. [1] Пропеллеры с постоянной скоростью позволяют пилоту устанавливать скорость вращения в соответствии с необходимостью максимальной мощности двигателя или максимальной эффективности, а регулятор пропеллера действует как контроллер с замкнутым контуром для изменения угла шага пропеллера по мере необходимости для поддержания выбранной скорости двигателя. [40] В большинстве самолетов эта система является гидравлической, в которой в качестве гидравлической жидкости используется моторное масло. Однако пропеллеры с электрическим управлением были разработаны во время Второй мировой войны и широко использовались на военных самолетах, а недавно их использование возродилось на самолетах самодельных конструкций. [ необходима цитата ]
Другая конструкция — V-Prop , которая является самоходной и саморегулирующейся.
.jpg/1280px-Airbus_A400M_EC-404_ILA_2012_11_(cropped2).jpg)
На большинстве винтов с изменяемым шагом лопасти могут вращаться параллельно потоку воздуха, чтобы остановить вращение винта и уменьшить сопротивление, когда двигатель выходит из строя или намеренно выключается. Это называется флюгированием , термин, заимствованный из гребли . На одномоторных самолетах, будь то планер с двигателем или самолет с турбинным двигателем, эффект заключается в увеличении дальности планирования. На многомоторных самолетах флюгирование винта на неработающем двигателе уменьшает сопротивление и помогает самолету поддерживать скорость и высоту с работающими двигателями. Флюгирование также предотвращает ветряную мельницу , поворот компонентов двигателя вращением винта, вызванным спутной струей; ветряная мельница может повредить двигатель, вызвать пожар или вызвать структурные повреждения самолета.
Большинство систем флюгирования для поршневых двигателей определяют падение давления масла и перемещают лопасти в положение флюгера, а также требуют, чтобы пилот потянул управление винтом назад, чтобы отключить стопорные штифты высокого шага до того, как двигатель достигнет оборотов холостого хода . Системы управления турбовинтовыми двигателями обычно используют датчик отрицательного крутящего момента в редукторе, который перемещает лопасти в положение флюгера, когда двигатель больше не подает мощность на винт. В зависимости от конструкции пилоту может потребоваться нажать кнопку, чтобы отменить стопоры высокого шага и завершить процесс флюгерирования, или процесс флюгерирования может быть автоматическим.
Случайное флюгирование опасно и может привести к аэродинамическому сваливанию ; как это было, например, с рейсом 691 авиакомпании Yeti Airlines , который потерпел крушение при заходе на посадку из-за случайного флюгирования. [41]
Воздушные винты на некоторых самолетах могут работать с отрицательным углом наклона лопастей и, таким образом, изменять тягу от винта. Это известно как бета-шаг. Обратная тяга используется для замедления самолета после посадки и особенно полезна при посадке на мокрую взлетно-посадочную полосу, поскольку торможение колесом страдает от снижения эффективности. В некоторых случаях обратный шаг позволяет самолету рулить задним ходом — это особенно полезно для вывода гидросамолетов из тесных доков.
Вращающиеся в противоположных направлениях пропеллеры иногда используются на двухмоторных и многомоторных самолетах с двигателями, установленными на крыле. Эти пропеллеры вращаются в противоположных направлениях от своего аналога на другом крыле, чтобы сбалансировать крутящий момент и эффекты p-фактора . Иногда их называют «ручными» пропеллерами, поскольку существуют левосторонние и правосторонние версии каждого пропеллера.
Как правило, пропеллеры на обоих двигателях большинства обычных двухмоторных самолетов вращаются по часовой стрелке (если смотреть сзади самолета). Чтобы устранить критическую проблему двигателя , пропеллеры противоположного вращения обычно вращаются «внутрь» к фюзеляжу — по часовой стрелке на левом двигателе и против часовой стрелки на правом — однако есть исключения (особенно во время Второй мировой войны ), такие как P-38 Lightning , который вращался «наружу» (против часовой стрелки на левом двигателе и по часовой стрелке на правом) от фюзеляжа со времен Второй мировой войны, и Airbus A400 , внутренние и внешние двигатели которого вращаются в противоположных направлениях даже на одном крыле.
Вращающийся в противоположных направлениях винт или контрпроп размещает два вращающихся в противоположных направлениях винта на концентрических приводных валах так, что один из них находится непосредственно «ниже по потоку» другого винта. Это обеспечивает преимущества вращающихся в противоположных направлениях винтов для одной силовой установки. Передний винт обеспечивает большую часть тяги, в то время как задний винт также восстанавливает энергию, потерянную в вихревом движении воздуха в струе винта. Противовращения также увеличивают способность винта поглощать мощность от данного двигателя, не увеличивая диаметр винта. Однако дополнительная стоимость, сложность, вес и шум системы редко делают ее стоящей, и она используется только на высокопроизводительных типах, где конечная производительность важнее эффективности.
Вентилятор — это пропеллер с большим количеством лопастей. Поэтому вентилятор создает большую тягу для заданного диаметра, но близость лопастей означает, что каждая из них сильно влияет на поток вокруг других. Если поток сверхзвуковой, эта интерференция может быть полезной, если поток может быть сжат посредством серии ударных волн, а не одной. Поместив вентилятор в профилированный канал , можно создать определенные схемы потока в зависимости от скорости полета и производительности двигателя. Когда воздух поступает в канал, его скорость уменьшается, а его давление и температура увеличиваются. Если самолет находится на высокой дозвуковой скорости, это создает два преимущества: воздух поступает в вентилятор с более низкой скоростью Маха; а более высокая температура увеличивает локальную скорость звука. Хотя есть потеря эффективности, поскольку вентилятор использует меньшую площадь свободного потока и, таким образом, использует меньше воздуха, это уравновешивается тем, что канальный вентилятор сохраняет эффективность на более высоких скоростях, где эффективность обычного пропеллера была бы низкой. Канальный вентилятор или пропеллер также имеет определенные преимущества на более низких скоростях, но канал должен быть сформирован иначе, чем для полета на более высокой скорости. Всасывается больше воздуха, и поэтому вентилятор работает с эффективностью, эквивалентной более крупному неканальному пропеллеру. Шум также снижается за счет канализации, и если лопасть отсоединится, канал поможет ограничить ущерб. Однако канал добавляет вес, стоимость, сложность и (в определенной степени) сопротивление.
{{cite web}}: CS1 maint: бот: исходный статус URL неизвестен ( ссылка ) Vectorsite.net. Получено: 11 ноября 2008 г.{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link){{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link){{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link){{cite web}}: Отсутствует или пусто |title=( помощь )