В аэронавтике пропеллер самолета, также называемый воздушным винтом , [ 1 ] [2] преобразует вращательное движение двигателя или другого источника энергии в закрученный поток, который толкает пропеллер вперед или назад. Он содержит вращающуюся ступицу с механическим приводом, к которой прикреплены несколько лопастей радиального профиля , так что весь узел вращается вокруг продольной оси. Шаг лопастей может быть фиксированным, вручную изменяться в нескольких заданных положениях или автоматически изменяться с «постоянной скоростью».
Пропеллер крепится к приводному валу источника энергии либо напрямую, либо через понижающую передачу . Пропеллеры могут быть изготовлены из дерева, металла или композитных материалов .
Винты наиболее подходят для использования на дозвуковых скоростях полета, обычно ниже примерно 480 миль в час (770 км/ч), хотя сверхзвуковые скорости были достигнуты на экспериментальном самолете McDonnell XF-88B, оснащенном винтами. Сверхзвуковые концевые скорости используются в некоторых самолетах, таких как Туполев Ту-95 , которые могут достигать скорости 575 миль в час (925 км/ч). [ нужна цитата ]
Самые ранние упоминания о вертикальном полете пришли из Китая. Примерно с 400 г. до н. э. [3] китайские дети играли бамбуковыми летающими игрушками . [4] [5] [6] Этот бамбуковый вертолет вращается путем катания палки, прикрепленной к ротору, между руками. Вращение создает подъемную силу, и игрушка летит, если ее отпустить. [3] Даосская книга 4-го века нашей эры « Баопузи» Гэ Хонга (抱朴子 «Мастер, принимающий простоту»), как сообщается, описывает некоторые идеи, присущие винтокрылым самолетам. [7]
Конструкции, похожие на китайский игрушечный вертолет, появлялись на картинах и других произведениях эпохи Возрождения. [8]
Лишь в начале 1480-х годов, когда Леонардо да Винчи создал конструкцию машины, которую можно было бы назвать «воздушным винтом» , был сделан какой-либо зарегистрированный прогресс в направлении вертикального полета. В его записях говорилось, что он строил небольшие летающие модели, но не было никаких указаний на какие-либо меры, которые могли бы помешать ротору заставить корабль вращаться. [9] [10] По мере того, как научные знания росли и становились все более общепринятыми, человек продолжал преследовать идею вертикального полета. Многие из этих более поздних моделей и машин больше напоминали бы древнюю бамбуковую летающую волчок с вращающимися крыльями, а не винт Леонардо.
В июле 1754 года русский Михаил Ломоносов разработал небольшой коаксиальный двигатель по образцу китайского волчка , но с приводом от заводной пружины [11] и продемонстрировал его Российской академии наук . Он приводился в действие пружиной и был предложен для подъема метеорологических приборов. В 1783 году Кристиан де Лонуа и его механик Бьенвеню использовали соосную версию китайского волчка в модели, состоящей из вращающихся в противоположных направлениях маховых перьев индейки [11] в качестве лопастей несущего винта, а в 1784 году продемонстрировали его Французской академии наук . Дирижабль был описан Жаном Батистом Мари Менье , представленным в 1783 году. На рисунках изображена обтекаемая оболочка длиной 260 футов (79 м) с внутренними баллонами, которые можно было использовать для регулирования подъемной силы. Дирижабль был спроектирован так, чтобы приводить в движение три винта. В 1784 году Жан-Пьер Бланшар установил на воздушном шаре пропеллер с ручным приводом — первое зарегистрированное средство передвижения в воздух. [12] Сэр Джордж Кэли , под влиянием детского увлечения китайским летающим волчком, разработал модель перьев, похожую на модель Лаунуа и Бьенвеню, но приводящуюся в движение резиновыми лентами. К концу века он перешел к использованию листов жести для изготовления лопастей ротора и пружин для привода. Его статьи об экспериментах и моделях оказали влияние на будущих пионеров авиации. [9]
Уильям Бланд отправил проекты своего «Атмотического дирижабля» на Большую выставку , проходившую в Лондоне в 1851 году, где была представлена модель. Это был удлиненный воздушный шар с подвешенным под ним паровым двигателем с двумя пропеллерами. [13] [14] В 1870 году Альфонс Пено разработал модели вертолетов с коаксиальным ротором, также приводимые в движение резиновыми лентами. В 1872 году Дюпюи де Лом запустил большой судоходный воздушный шар, который приводился в движение большим пропеллером, вращаемым восемью мужчинами. [15] Хирам Максим построил корабль весом 3,5 тонны (3,6 т) с размахом крыльев 110 футов (34 м), оснащенный двумя паровыми двигателями мощностью 360 л.с. (270 кВт) , приводящими в движение два гребных винта. В 1894 году его машина была испытана с подвесными поручнями, чтобы предотвратить ее подъем. Испытания показали, что у него достаточно подъемной силы для взлета. [16] Одна из игрушек Пено, подаренная отцом , вдохновила братьев Райт осуществить мечту о полете. [17] Скрученная форма аэродинамического профиля (аэродинамического профиля) авиационного пропеллера была впервые изобретена братьями Райт. В то время как некоторые более ранние инженеры пытались смоделировать воздушные пропеллеры на основе морских пропеллеров , братья Райт поняли, что пропеллер по сути то же самое, что и крыло , и смогли использовать данные своих более ранних экспериментов в аэродинамической трубе с крыльями, внося скручивание по длине. лезвий. Это было необходимо для сохранения более равномерного угла атаки клинка по его длине. [18] Их оригинальные лопасти винта имели КПД около 82%, [19] по сравнению с 90% для современного (2010 г.) небольшого винта авиации общего назначения, трехлопастного винта McCauley, используемого на самолете Beechcraft Bonanza . [20] Ропер [21] приводит данные о 90% винта для самолета с пилотируемым двигателем.
Во время Первой мировой войны для изготовления винтов предпочитали красное дерево, но из-за нехватки древесины в военное время стали использовать орех , дуб , вишню и ясень . [22] Альберто Сантос Дюмон был еще одним пионером, спроектировавшим пропеллеры для своих дирижаблей раньше братьев Райт [23] . Он применил знания, полученные в результате опыта работы с дирижаблями, для изготовления пропеллера со стальным валом и алюминиевыми лопастями для своего биплана 14-бис в 1906 году. В некоторых из его конструкций в качестве лопастей использовался изогнутый алюминиевый лист, создавая таким образом форму аэродинамического профиля. У них был сильный изгиб , и это, а также отсутствие продольной крутки делало их менее эффективными, чем винты Райта. [24] Несмотря на это, это было, пожалуй, первое использование алюминия в конструкции воздушного винта. Первоначально вращающийся профиль позади самолета, толкающий его, назывался пропеллером, а тянущий спереди - тягачом . [25] Позже термин «толкатель» стал применяться для обозначения заднего устройства в отличие от конфигурации трактора, и оба стали называть «гребными винтами» или «воздушными винтами». Понимание аэродинамики низкоскоростных винтов было достаточно полным к 1920-м годам, но более поздние требования обеспечить большую мощность при меньшем диаметре усложнили проблему.
Исследованиями пропеллеров для Национального консультативного комитета по аэронавтике (NACA) руководил Уильям Ф. Дюран с 1916 года. Измеряемые параметры включали эффективность пропеллера, развиваемую тягу и потребляемую мощность . Хотя пропеллер можно испытать в аэродинамической трубе , его характеристики в свободном полете могут отличаться. В авиационной лаборатории Мемориала Лэнгли Е. П. Лесли использовал самолеты Vought VE-7 с двигателями Wright E-4 для данных о свободном полете, в то время как Дюран использовал уменьшенный размер и аналогичную форму для данных в аэродинамической трубе. Их результаты были опубликованы в 1926 году как отчет NACA № 220. [26]
Лоури [27] указывает, что КПД винта Cessna 172 в крейсерском режиме составляет около 73,5% . Это основано на его «бутстреп-подходе» для анализа характеристик легких самолетов авиации общего назначения с винтами фиксированного шага или постоянной скорости. На эффективность винта влияет угол атаки (α). Это определяется как α = Φ - θ, [28] где θ — угол спирали (угол между результирующей относительной скоростью и направлением вращения лопасти), а Φ — угол наклона лопасти . Очень малые углы шага и винтовой линии обеспечивают хорошие характеристики сопротивления сопротивлению, но обеспечивают небольшую тягу, в то время как большие углы имеют противоположный эффект. Лучший угол спирали — это когда лопасть действует как крыло, создавая гораздо большую подъемную силу, чем сопротивление. Однако «подъем и сопротивление» — это только один из способов выразить аэродинамическую силу, действующую на лопасти. Чтобы объяснить характеристики самолета и двигателя, одна и та же сила выражается несколько по-разному через тягу и крутящий момент [29] , поскольку требуемая мощность воздушного винта — это тяга. Тяга и крутящий момент являются основой определения эффективности гребного винта, как показано ниже. Передаточное число винта аналогично углу атаки крыла.
КПД воздушного винта определяется по формуле [30]
Пропеллеры по аэродинамическому сечению похожи на крыло с низким лобовым сопротивлением и поэтому плохо работают, когда угол атаки отличается от оптимального . Поэтому в большинстве винтов используется механизм изменения шага, позволяющий изменять угол наклона лопастей при изменении частоты вращения 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 лезвий. Увеличение соотношения сторон лопастей снижает сопротивление, но величина создаваемой тяги зависит от площади лопастей, поэтому использование лопастей с большим удлинением может привести к чрезмерному диаметру гребного винта. Дополнительный баланс заключается в том, что использование меньшего количества лопастей снижает эффекты помех между лопастями, но наличие достаточной площади лопастей для передачи доступной мощности в пределах заданного диаметра означает, что необходим компромисс. Увеличение количества лопастей также уменьшает объем работы, которую необходимо выполнить каждой лопастью, что ограничивает локальное число Маха – существенное ограничение производительности винтов. Характеристики воздушного винта ухудшаются, когда на законцовках лопастей впервые появляется трансзвуковой поток. Поскольку относительная скорость воздуха на любой секции винта представляет собой векторную сумму скорости самолета и тангенциальной скорости, обусловленной вращением, поток на кончике лопасти достигнет околозвуковой скорости задолго до того, как это сделает самолет. Когда поток воздуха над кончиком лопасти достигает критической скорости , сопротивление лобовому сопротивлению и крутящему моменту быстро увеличивается, и образуются ударные волны , что приводит к резкому увеличению шума. Поэтому самолеты с обычными винтами обычно не летают со скоростью более 0,6 Маха. Существуют винтовые самолеты, скорость которых достигает 0,8 Маха, но низкий КПД винта на этой скорости делает такие применения редкими.
Кончик лопасти гребного винта движется быстрее, чем ступица. Следовательно, лопасть необходимо поворачивать так, чтобы постепенно уменьшать угол атаки лопасти и, следовательно, обеспечивать равномерный подъем от ступицы к кончику. Наибольший угол падения или наибольший шаг приходится на ступицу, а наименьший угол падения или наименьший шаг - на кончике. Лопасть винта, спроектированная с одинаковым углом падения по всей длине, будет неэффективной, поскольку по мере увеличения воздушной скорости в полете часть вблизи ступицы будет иметь отрицательный угол атаки, а кончик лопасти застопорится. [31]
Предпринимались попытки разработать воздушные винты и винтовентиляторы для самолетов, работающих на высоких дозвуковых скоростях. [32] «Исправление» аналогично конструкции трансзвукового крыла. Используются тонкие секции лопастей, и лопасти откидываются назад в форме ятагана ( ятаганский пропеллер ) аналогично стреловидности крыла, чтобы задержать возникновение ударных волн, когда кончики лопастей приближаются к скорости звука. Максимальная относительная скорость поддерживается как можно более низкой за счет тщательного контроля шага, позволяющего лопастям иметь большие углы подъема спирали. Большое количество лопастей используется для уменьшения работы на одну лопасть и, следовательно, силы циркуляции. Используются пропеллеры встречного вращения . Разработанные воздушные винты более эффективны, чем турбовентиляторы, а их крейсерская скорость (0,7–0,85 Маха) подходит для авиалайнеров, но создаваемый шум огромен ( примеры такой конструкции см. в Ан-70 и Ту-95 ). .
К силам, действующим на лопасти авиационного винта, относятся следующие. Некоторые из этих сил можно расположить так, чтобы противодействовать друг другу, снижая общие механические напряжения. [33] [1]
Целью изменения угла наклона является поддержание оптимального угла атаки лопастей винта, обеспечивающего максимальную эффективность на всем режиме полета. Это снижает расход топлива. Только за счет максимизации эффективности гребного винта на высоких скоростях можно достичь максимально возможной скорости. [35] Эффективный угол атаки уменьшается с увеличением скорости полета, поэтому при высоких скоростях полета требуется более крупный шаг.
Необходимость изменения шага подтверждается характеристиками винта во время соревнований Schneider Trophy в 1931 году. Используемый винт фиксированного шага компании Fairey Aviation Company частично заглох на взлете и развивал скорость до 160 миль в час (260 км/ч) на подъеме. до максимальной скорости 407,5 миль в час (655,8 км/ч). [36] Очень широкий диапазон скоростей был достигнут потому, что некоторые обычные требования к летно-техническим характеристикам самолета не применялись. Никаких компромиссов в отношении максимальной скорости не было, взлетная дистанция не ограничивалась доступной длиной взлетно-посадочной полосы и не требовалось набора высоты. [37]
Лопасти изменяемого шага, используемые на Ту-95, приводят его в движение со скоростью, превышающей максимальную, когда-то считавшуюся возможной для винтового самолета [38] с исключительно крупным шагом. [39]
Ранние настройки управления шагом были пилотными, либо с небольшим количеством предустановленных положений, либо с плавной регулировкой. [1]
Самый простой механизм - это регулируемый на земле пропеллер , который можно регулировать на земле, но в полете он фактически представляет собой винт с фиксированным шагом. Подпружиненный «двухскоростной» винт VP настроен на точный режим взлета, а затем срабатывает на грубый режим в крейсерском режиме, при этом пропеллер остается грубым до конца полета.
После Первой мировой войны были разработаны автоматические гребные винты для поддержания оптимального угла атаки. Это было достигнуто путем уравновешивания центростремительного крутящего момента на лопастях и набора противовесов с пружиной и аэродинамическими силами на лопасти. Преимущество автоматических винтов заключалось в том, что они были простыми, легкими и не требовали внешнего управления, но характеристики конкретного винта было трудно сопоставить с характеристиками силовой установки самолета.
Наиболее распространенным гребным винтом изменяемого шага является гребной винт постоянной скорости . Это контролируется гидравлическим блоком постоянной скорости (CSU). Он автоматически регулирует шаг лопастей, чтобы поддерживать постоянную скорость вращения двигателя при любой заданной настройке управления мощностью. [1] Гребные винты с постоянной скоростью позволяют пилоту устанавливать скорость вращения в соответствии с потребностью в максимальной мощности двигателя или максимальной эффективности, а регулятор воздушного винта действует как контроллер с замкнутым контуром, изменяя угол наклона воздушного винта по мере необходимости для поддержания выбранного двигателя. скорость. [40] В большинстве самолетов эта система является гидравлической, в которой в качестве гидравлической жидкости выступает моторное масло. Тем не менее, пропеллеры с электрическим управлением были разработаны во время Второй мировой войны и широко использовались на военных самолетах, а в последнее время их использование возобновилось и на самолетах отечественной постройки. [ нужна цитата ]
Другая конструкция — V-Prop , обладающая автономным питанием и самоуправлением.
.jpg/1280px-Airbus_A400M_EC-404_ILA_2012_11_(cropped2).jpg)
На большинстве гребных винтов с регулируемым шагом лопасти можно вращать параллельно потоку воздуха, чтобы остановить вращение гребного винта и уменьшить сопротивление в случае отказа двигателя или его намеренной остановки. Это называется оперением , термин, заимствованный из гребли . На одномоторных самолетах, будь то планер с двигателем или самолет с турбинным двигателем, эффект заключается в увеличении дальности планирования. На многомоторном самолете флюгирование воздушного винта при неработающем двигателе снижает сопротивление и помогает самолету поддерживать скорость и высоту при работающих двигателях. Флюгирование также предотвращает вращение компонентов двигателя из-за вращения пропеллера, вызванного встречным потоком; ветряная мельница может привести к повреждению двигателя, возникновению пожара или повреждению конструкции самолета.
Большинство систем флюгирования для поршневых двигателей распознают падение давления масла и перемещают лопасти в положение флюгирования, а также требуют от пилота потянуть рычаг управления воздушным винтом назад, чтобы отключить стопорные штифты высокого шага до того, как двигатель достигнет оборотов холостого хода . В системах управления турбовинтовым двигателем обычно используется датчик отрицательного крутящего момента в редукторе, который перемещает лопасти в сторону оперения, когда двигатель больше не обеспечивает мощность воздушного винта. В зависимости от конструкции пилоту, возможно, придется нажать кнопку, чтобы отменить ограничители высокого шага и завершить процесс флюгирования, или процесс флюгирования может быть полностью автоматическим.
Винты на некоторых самолетах могут работать с отрицательным углом наклона лопастей и, таким образом, реверсировать тягу винта. Это известно как бета-питч. Реверс тяги используется для замедления самолета после приземления и особенно полезен при приземлении на мокрую взлетно-посадочную полосу, поскольку эффективность торможения колес снижается. В некоторых случаях обратный шаг позволяет самолету рулить задним ходом — это особенно полезно для вывода гидросамолетов из закрытых доков.
Винты встречного вращения 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 эффекты крутящего момента и p-фактора . Их иногда называют «ручными» пропеллерами, поскольку существуют левосторонние и правосторонние версии каждого винта.
Обычно пропеллеры обоих двигателей большинства обычных двухмоторных самолетов вращаются по часовой стрелке (если смотреть сзади самолета). Чтобы устранить критическую проблему с двигателем, пропеллеры противоположного вращения обычно поворачиваются «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 повернулся «наружу» (против часовой стрелки на левом двигателе и по часовой стрелке на правом) в сторону от фюзеляжа времен Второй мировой войны, и Airbus A400 , внутренние и подвесные двигатели которого вращаются в противоположных направлениях даже на одном крыле.
Гребной винт противоположного вращения или встречный винт размещают два гребных винта противоположного вращения на концентрических приводных валах так, что один из них располагается сразу «после другого гребного винта». Это обеспечивает преимущества винтов противоположного вращения для одной силовой установки. Передний винт обеспечивает большую часть тяги, а задний винт также восстанавливает энергию, потерянную при вихревом движении воздуха в потоке винта. Противоположное вращение также увеличивает способность гребного винта поглощать мощность данного двигателя без увеличения диаметра гребного винта. Однако добавленная стоимость, сложность, вес и шум системы редко оправдывают ее, и она используется только в высокопроизводительных типах, где максимальная производительность важнее эффективности.
Вентилятор представляет собой пропеллер с большим количеством лопастей. Таким образом, вентилятор создает большую тягу для данного 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 можно сжать не одной, а серией ударных волн. Разместив вентилятор внутри воздуховода определенной формы , можно создать определенные схемы потока в зависимости от скорости полета и характеристик двигателя. Когда воздух попадает в воздуховод, его скорость снижается, а давление и температура увеличиваются. Если самолет движется с высокой дозвуковой скоростью, это создает два преимущества: воздух поступает в вентилятор с меньшей скоростью Маха; а более высокая температура увеличивает локальную скорость звука. Хотя происходит потеря эффективности, поскольку вентилятор захватывает меньшую площадь набегающего потока и, следовательно, использует меньше воздуха, это уравновешивается сохранением эффективности канального вентилятора на более высоких скоростях, где эффективность обычного гребного винта была бы низкой. Канальный вентилятор или пропеллер также имеет определенные преимущества на более низких скоростях, но форма воздуховода должна быть иной, чем для полета на более высоких скоростях. Засасывается больше воздуха, и поэтому вентилятор работает с эффективностью, эквивалентной более крупному пропеллеру без воздуховода. Шум также снижается за счет воздуховода, и в случае отсоединения лезвия воздуховод поможет сдержать повреждение. Однако воздуховод увеличивает вес, стоимость, сложность и (в определенной степени) сопротивление.
{{cite web}}: CS1 maint: bot: исходный статус URL неизвестен ( ссылка ) Векторсайт.net. Проверено: 11 ноября 2008 г.{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )