Воздушные суда, оснащенные винтами противоположного вращения ( CRP ) [1] соосные винты противоположного вращения или высокоскоростные винты , используют максимальную мощность обычно одного поршневого двигателя или турбовинтового двигателя для приведения в действие пары соосных винтов в противоположном вращении . Два винта расположены один за другим, и мощность передается от двигателя через планетарную передачу или прямозубую зубчатую передачу . Винты противоположного вращения также известны как винты противоположного вращения, [2] [3], хотя термин «винты противоположного вращения» гораздо более широко используется, когда речь идет о воздушных винтах на отдельных несоосных валах, вращающихся в противоположных направлениях.
При низкой скорости полета масса воздуха, проходящего через диск винта ( тяга ), вызывает значительное количество тангенциального или вращательного воздушного потока, создаваемого вращающимися лопастями. Энергия этого тангенциального воздушного потока тратится впустую в конструкции с одним винтом и вызывает проблемы с управлением на низкой скорости, поскольку воздух ударяется о вертикальный стабилизатор , заставляя самолет рыскать влево или вправо в зависимости от направления вращения винта. Чтобы использовать это бесполезное усилие, размещение второго винта позади первого позволяет использовать возмущенный воздушный поток.
Хорошо спроектированный винт противоположного вращения не будет иметь вращательного воздушного потока, равномерно проталкивая максимальное количество воздуха через диск винта, что приводит к высокой производительности и низким индуцированным потерям энергии. Он также служит для противодействия асимметричному эффекту крутящего момента обычного винта (см. P-фактор ). Некоторые системы противоположного вращения были разработаны для использования на взлете для максимальной мощности и эффективности в таких условиях, и позволяют отключать один из винтов во время крейсерского полета, чтобы продлить время полета.
Крутящий момент, создаваемый парой винтов противоположного вращения, эффективно нейтрализуется.
Было обнаружено, что винты противоположного вращения на 6–16 % эффективнее обычных винтов. [4]
Однако они могут быть очень шумными, с увеличением шума в осевом (вперед и назад) направлении до 30 дБ и тангенциально на 10 дБ. [4] Большая часть этого дополнительного шума может быть обнаружена на более высоких частотах. Эти существенные проблемы с шумом ограничивают коммерческое применение. Одна из возможностей заключается в том, чтобы заключить вращающиеся в противоположных направлениях винты в кожух . [5] Также полезно, если скорость конца или нагрузка лопастей уменьшены, если задний винт имеет меньше лопастей или меньший диаметр, чем передний винт, или если расстояние между задним и передним винтами увеличено. [6]
Эффективность винта противоположного вращения несколько компенсируется его механической сложностью и дополнительным весом этой передачи, которая утяжеляет самолет, поэтому некоторые характеристики приносятся в жертву его подъему. Тем не менее, соосные винты противоположного вращения и роторы использовались в нескольких военных самолетах , таких как Туполев Ту-95 «Медведь» .
Они также изучаются для использования в авиалайнерах . [7]
В то время как несколько стран экспериментировали с винтами противоположного вращения в самолетах, только Соединенное Королевство и Советский Союз производили их в больших количествах. Первый самолет, оснащенный винтом противоположного вращения, был в США, когда два изобретателя из Форт-Уэрта, штат Техас, испытали эту концепцию на самолете. [8]
В 1907 году Ф. У. Ланчестер запатентовал винт противоположного вращения. [9]
Некоторые из наиболее успешных британских самолетов с винтами противоположного вращения — Avro Shackleton , оснащенный двигателем Rolls-Royce Griffon , и Fairey Gannet , который использовал двигатель Double Mamba Mk.101 . В Double Mamba две отдельные силовые секции приводили в движение по одному винту каждая, что позволяло отключать одну силовую секцию (двигатель) в полете, увеличивая выносливость.
Другой военно-морской самолет, Westland Wyvern, имел винты противоположного вращения. Испытательный самолет Martin-Baker MB 5 также использовал этот тип винтов.
Более поздние варианты Supermarine Spitfire и Seafire использовали Griffon с винтами противоположного вращения. В случае Spitfire/Seafire и Shackleton's основной причиной использования винтов противоположного вращения было увеличение площади лопастей винта и, следовательно, поглощение большей мощности двигателя в пределах диаметра винта, ограниченного высотой шасси самолета . Short Sturgeon использовал два Merlin 140 с винтами противоположного вращения.
Прототип авиалайнера Bristol Brabazon использовал восемь двигателей Bristol Centaurus, приводивших в движение четыре пары винтов противоположного вращения, каждый двигатель приводил в движение один винт. [10]
Послевоенный прототип летающей лодки SARO Princess также имел восемь из десяти двигателей, приводивших в движение винты противоположного вращения.
В 1950-х годах советское конструкторское бюро имени Кузнецова разработало турбовинтовой двигатель НК-12 . Он приводит в движение восьмилопастной винт противоположного вращения и, имея мощность в 15 000 лошадиных сил на валу (11 000 киловатт), является самым мощным турбовинтовым самолетом в эксплуатации. Четыре двигателя НК-12 установлены на самолете Ту-95 «Медведь» , единственном турбовинтовом бомбардировщике, поступившем в эксплуатацию, а также одном из самых быстрых винтовых самолетов . Ту-114 , авиалайнер, производный от Ту-95, удерживает мировой рекорд скорости для винтовых самолетов. [11] Ту-95 также был первым советским бомбардировщиком с межконтинентальной дальностью полета. Самолет ДРЛО Ту-126 и морской патрульный самолет Ту-142 — еще две конструкции с двигателем НК-12, созданные на основе Ту-95.
Двигатель НК-12 установлен на другом известном советском самолете — тяжелом грузовом самолете Антонов Ан-22 «Антей». На момент своего появления Ан-22 был самым большим самолетом в мире и до сих пор остается самым большим в мире турбовинтовым самолетом. С 1960-х по 1970-е годы он установил несколько мировых рекордов в категориях максимального отношения полезной нагрузки к высоте и максимального полезного груза, поднимаемого на высоту.
Менее примечательно использование двигателя НК-12 в А-90 Орленок , советском экраноплане среднего размера . А-90 использует один двигатель НК-12, установленный в верхней части его Т-образного хвоста, а также два турбовентиляторных двигателя, установленных в носовой части.
В 1980-х годах Кузнецов продолжал разрабатывать мощные двигатели противоположного вращения. НК-110, который был испытан в конце 1980-х годов, имел конфигурацию винта противоположного вращения с четырьмя лопастями спереди и четырьмя сзади, как у НК-12. Диаметр его винта 190 дюймов (4,7 метра) был меньше, чем диаметр 220–240 дюймов (5,6–6,2 м) у НК-12, но он выдавал мощность 21 007 л. с. (15 665 кВт), обеспечивая взлетную тягу 40 000 фунтов силы (177 килоньютонов). [12] Еще более мощным был НК-62, который находился в разработке большую часть десятилетия. NK-62 имел идентичный диаметр винта и конфигурацию лопастей с NK-110, но он предлагал более высокую взлетную тягу в 55 000 фунтов силы (245 кН). Сопутствующий NK-62M имел взлетную тягу в 64 100 фунтов силы (285,2 кН), и он мог обеспечить 70 700 фунтов силы (314,7 кН) аварийной тяги. [13] Однако, в отличие от NK-12, эти более поздние двигатели не были приняты ни одним из конструкторских бюро самолетов.
В 1994 году Антонов выпустил Ан-70 , тяжелый транспортный самолет. Он оснащен четырьмя винтовентиляторными двигателями «Прогресс Д-27», вращающими винты противоположного вращения. Характеристики двигателя Д-27 и его винта делают его винтовентилятором, гибридом турбовентиляторного и турбовинтового двигателей.
Соединенные Штаты работали с несколькими прототипами, включая Northrop XB-35 , XB-42 Mixmaster , Douglas XTB2D Skypirate , Curtiss XBTC , A2J Super Savage , Boeing XF8B , XP-56 Black Bullet , Fisher P-75 Eagle и хвостовые истребители Convair XFY "Pogo" и Lockheed XFV "Salmon" VTOL , а также разведывательный самолет Hughes XF-11 . Летающая лодка Convair R3Y Tradewind поступила на вооружение с винтами противоположного вращения. Однако как поршневые, так и турбовинтовые винтовые самолеты достигли своего апогея, и новые технологические разработки, такие как появление чисто турбореактивных и турбовентиляторных двигателей, оба без винтов, привели к тому, что эти конструкции быстро затмили.
Американский производитель винтов Hamilton Standard купил Fairey Gannet в 1983 году, чтобы изучить влияние встречного вращения на шум винта и вибрационные напряжения лопастей. Gannet был особенно подходящим, поскольку независимо приводимые винты обеспечивали сравнение между встречным и одинарным вращением. [14]
Австрийская компания Sun Flightcraft поставляет редукторы противоположного вращения для двигателей Rotax 503 и 582 на сверхлегких и сверхлегких самолетах. Coax-P был разработан Гансом Нойдорфером из NeuraJet и позволяет дельтапланам и парашютам развивать на 15–20 процентов больше мощности при снижении крутящего момента. Производитель также сообщает о снижении уровня шума от двух винтов противоположного вращения с использованием редуктора Coax-P. [15] [16] [17]
В торпедах, таких как торпеда Блисса-Ливитта, обычно используются винты противоположного вращения, чтобы обеспечить максимально возможную скорость в пределах ограниченного диаметра, а также противодействовать крутящему моменту, который в противном случае привел бы к вращению торпеды вокруг собственной продольной оси.
Прогулочный катер: в 1982 году Volvo Penta представила гребной винт противоположного вращения под маркой DuoProp. [18] Запатентованное устройство с тех пор продается. После того, как патенты Volvo Penta истекли, Mercury также выпустила соответствующий продукт, MerCruiser Bravo 3.
Коммерческие суда: В традиционной компоновке машин винты противоположного вращения встречаются редко из-за их стоимости и сложности.
В 2004 году компания ABB выпустила продукт для установок большой мощности: передний винт находится на традиционной валопроводе, а задний винт — в ABB Azipod. [19]
При более низких уровнях мощности, одной из возможностей являются механические азимутальные двигатели противоположного вращения , удобные для CRP из-за их присущей им конструкции конической передачи. Rolls-Royce и Steerprop предложили версии своих продуктов CRP. [20] [21]
