В аэронавтике пропеллер с изменяемым шагом — это тип пропеллера (воздушного винта) с лопастями, которые могут вращаться вокруг своей длинной оси для изменения шага лопасти . Пропеллер с регулируемым шагом — это тот, в котором шаг регулируется вручную пилотом. В качестве альтернативы, пропеллер с постоянной скоростью — это тот, в котором пилот устанавливает желаемую скорость двигателя ( RPM ), а шаг лопасти регулируется автоматически без вмешательства пилота, так что скорость вращения остается постоянной. Устройство, которое управляет шагом пропеллера и, следовательно, скоростью, называется регулятором пропеллера или устройством постоянной скорости .
Реверсивные винты — это те, где шаг может быть установлен на отрицательные значения. Это создает обратную тягу для торможения или движения назад без необходимости менять направление вращения вала.
Хотя некоторые самолеты имеют регулируемые на земле пропеллеры , они не считаются винтами с изменяемым шагом. Обычно они встречаются только на легких самолетах и сверхлегких самолетах .
Когда самолет неподвижен с вращающимся пропеллером (в спокойном воздухе), относительный вектор ветра для каждой лопасти пропеллера направлен сбоку. Однако по мере того, как самолет начинает двигаться вперед, относительный вектор ветра все больше приходит спереди. Шаг лопасти пропеллера должен быть увеличен, чтобы поддерживать оптимальный угол атаки относительного ветра.
Первые винты были с фиксированным шагом, но эти винты неэффективны в ряде условий. Если угол лопасти винта установлен так, чтобы обеспечить хорошие взлетные и подъемные характеристики, винт будет неэффективен в крейсерском полете, поскольку лопасть будет находиться под слишком малым углом атаки. Напротив, винт, установленный для хороших крейсерских характеристик, может заглохнуть на низких скоростях, поскольку угол атаки слишком велик.
Винт с регулируемым углом наклона лопасти более эффективен в диапазоне условий. Винт с переменным шагом может иметь почти постоянную эффективность в диапазоне скоростей полета. [1]
Меньший угол атаки требует наименьшего крутящего момента, но наибольшего числа оборотов в минуту , поскольку винт не перемещает много воздуха с каждым оборотом. Это похоже на автомобиль, работающий на пониженной передаче . Когда водитель достигает крейсерской скорости, он замедляет двигатель, переключаясь на более высокую передачу, при этом все еще производя достаточно мощности, чтобы поддерживать движение транспортного средства. Это достигается в самолете путем увеличения угла атаки винта. Это означает, что винт перемещает больше воздуха за один оборот и позволяет двигателю вращаться медленнее, перемещая эквивалентный объем воздуха, тем самым поддерживая скорость.
Другое применение винтов с изменяемым шагом — флюгирование лопастей винта для уменьшения сопротивления. Это означает поворот лопастей таким образом, чтобы их передние кромки были обращены прямо вперед. В многомоторном самолете, если один двигатель выходит из строя, его можно флюгировать для уменьшения сопротивления, чтобы самолет мог продолжать полет, используя другой двигатель(и). В одномоторном самолете, если двигатель выходит из строя, флюгирование винта уменьшит сопротивление и увеличит дальность планирования, предоставляя пилоту больше вариантов для места вынужденной посадки .
Для изменения шага используются три метода: давление масла, центробежные грузы или электромеханическое управление.
Давление масла в двигателе — это обычный механизм, используемый в коммерческих винтовых самолетах, а также в двигателях Continental и Lycoming, установленных на легких самолетах. В самолетах без блока постоянной скорости (CSU) пилот вручную управляет шагом лопастей винта, используя давление масла.
В качестве альтернативы или дополнения центробежные грузы могут быть прикреплены непосредственно к пропеллеру, как в Яковлеве Як-52 . Первые попытки создания пропеллеров с постоянной скоростью вращения назывались пропеллерами с противовесом, которые приводились в действие механизмами, работающими на центробежной силе . Их работа идентична центробежному регулятору, который использовал Джеймс Уатт для ограничения скорости паровых двигателей . Эксцентриковые грузы устанавливались рядом или внутри кока, удерживаемые пружиной. Когда пропеллер достигал определенного числа оборотов в минуту, центробежная сила заставляла грузы качаться наружу, что приводило в действие механизм, который закручивал пропеллер в более крутой шаг. Когда пропеллер замедлялся, число оборотов в минуту уменьшалось достаточно для того, чтобы пружина вдавливала грузы обратно, выравнивая пропеллер в 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 быть слишком дорогим и громоздким для сверхлегких летательных аппаратов . Вместо этого они могут использовать пропеллеры, которые активируются механически или электрически.
Винт с постоянной скоростью вращения — это винт с изменяемым шагом, который автоматически изменяет шаг лопастей для поддержания выбранной скорости вращения, независимо от условий эксплуатации самолета. Это достигается с помощью блока постоянной скорости (CSU) или регулятора винта , который автоматически изменяет шаг лопастей винта .
Большинство двигателей развивают максимальную мощность в узком диапазоне скоростей. CSU позволяет двигателю работать в наиболее экономичном диапазоне скоростей вращения , независимо от того, взлетает ли самолет или летит. Можно сказать, что CSU для самолета то же, что бесступенчатая трансмиссия для автомобиля: двигатель может работать на оптимальной скорости, независимо от скорости, с которой самолет летит в воздухе. CSU также позволяет конструкторам авиационных двигателей сохранять простую систему зажигания: автоматическое опережение зажигания , наблюдаемое в двигателях автомобилей, упрощается, поскольку авиационные двигатели работают с примерно постоянными оборотами.
Практически все высокопроизводительные винтовые самолеты оснащены винтами постоянной скорости, поскольку они значительно повышают топливную экономичность и производительность, особенно на большой высоте.
Первые попытки создания винтов с постоянной скоростью вращения назывались винтами с противовесом, которые приводились в движение механизмами, работающими на центробежной силе . Их работа идентична центробежному регулятору, который использовал Джеймс Уатт для управления скоростью паровых двигателей . Эксцентриковые грузы устанавливались рядом или внутри кока, удерживаемые пружиной. Когда винт достигал определенного числа оборотов в минуту, центробежная сила заставляла грузы отклоняться наружу, что приводило в действие механизм, который закручивал винт в более крутой шаг. Когда винт замедлялся, обороты в минуту уменьшались достаточно для того, чтобы пружина могла вдавить грузы обратно, выравнивая винт в более мелкий шаг.
Большинство CSU используют давление масла для управления шагом винта. Обычно блоки постоянной скорости на одномоторном самолете используют давление масла для увеличения шага. Если CSU выходит из строя, винт автоматически возвращается к мелкому шагу, позволяя самолету работать на более низких скоростях. Напротив, на многомоторном самолете CSU обычно использует давление масла для уменьшения шага. Таким образом, если CSU выходит из строя, этот винт автоматически флюгируется, уменьшая сопротивление, в то время как самолет продолжает летать на исправном двигателе. [2] «Расфлюгирующий аккумулятор » позволит такому винту вернуться к мелкому шагу для перезапуска двигателя в полете.
Работа в одномоторном поршневом самолете выглядит следующим образом: моторное масло прокачивается через вал винта регулятором, чтобы толкать поршень, который приводит в действие механизм для изменения шага. Поток масла и шаг контролируются регулятором, состоящим из шестеренчатого насоса, пружины ускорителя, грузиков и управляющего клапана . Шестеренчатый насос принимает давление моторного масла и превращает его в более высокое давление, которое, в свою очередь, контролируется в ступице винта управляющим клапаном, который соединен с грузиками, и пружиной сеялки, которая давит на грузики. Натяжение пружины устанавливается рычагом управления винтом, который устанавливает обороты. Регулятор будет поддерживать эти обороты до тех пор, пока не возникнет состояние превышения или понижения оборотов двигателя. Когда возникает состояние превышения оборотов, винт начинает вращаться быстрее, чем желаемое значение оборотов. Это происходит по мере снижения самолета и увеличения скорости полета. Грузики начинают тянуть наружу из-за центробежной силы, которая еще больше сжимает пружину ускорителя, которая в свою очередь перекачивает масло в ступицу обратно в двигатель, уменьшая обороты двигателя и увеличивая шаг. Когда возникает состояние недостаточной скорости, например, набор высоты с потерей воздушной скорости, происходит обратное. Воздушная скорость уменьшается, заставляя пропеллер замедляться. Это заставит грузики двигаться внутрь из-за отсутствия центробежной силы, и натяжение пружины ускорителя будет снято, перекачивая масло из ступицы пропеллера, уменьшая шаг и увеличивая обороты. Этот процесс обычно часто происходит во время полета.
Пилот должен пройти дополнительную подготовку и, в большинстве юрисдикций, получить официальное разрешение, прежде чем ему будет разрешено управлять самолетом, оснащенным CSU. CSU не разрешается устанавливать на самолеты, сертифицированные в соответствии с правилами для легких спортивных самолетов в Соединенных Штатах.
Ряд пионеров авиации, включая А. В. Роу и Луи Бреге , использовали пропеллеры, которые можно было регулировать, пока самолет находился на земле . [3] То же самое было и во время Первой мировой войны с одним испытательным образцом, «R.30/16» , немецкого четырехмоторного тяжелого бомбардировщика Zeppelin-Staaken R.VI. [4]
В 1919 году LE Baynes запатентовал первый автоматический воздушный винт с изменяемым шагом. Уоллес Руперт Тернбулл из Сент-Джона, Нью-Брансуик, Канада, считается в Канаде создателем первого воздушного винта с изменяемым шагом в 1918 году. [5]
Французская авиастроительная фирма Levasseur продемонстрировала винт с изменяемым шагом на Парижском авиасалоне 1921 года . Фирма утверждала, что французское правительство испытало устройство в десятичасовом пробеге и что оно может изменять шаг при любых оборотах двигателя. [6]
Доктор Генри Селби Хеле-Шоу и TE Beacham запатентовали гидравлический винт с изменяемым шагом (на основе насоса с изменяемым ходом) в 1924 году и представили доклад по этому вопросу Королевскому авиационному обществу в 1928 году; он был встречен скептически относительно его полезности. [7] Винт был разработан совместно с Gloster Aircraft Company как винт Gloster Hele-Shaw Beacham Variable Pitch и был продемонстрирован на Gloster Grebe , где он использовался для поддержания почти постоянных оборотов в минуту. [8]
Французская фирма Ratier производила винты изменяемого шага различных конструкций с 1928 года, используя специальный шарикоподшипниковый винтовой скат у основания лопастей для удобства эксплуатации. Патент Уолтера С. Гувера на винт изменяемого шага был подан в Патентное ведомство США в 1934 году.
Было опробовано несколько конструкций, включая небольшой баллон сжатого воздуха во втулке винта, обеспечивающий необходимую силу сопротивления пружине, которая переводила бы лопасти из мелкого шага (взлет) в крупный шаг (горизонтальный полет). При подходящей скорости полета диск на передней части кока достаточно нажимал бы на воздушный клапан баллона, чтобы сбросить давление и позволить пружине перевести винт в крупный шаг. Эти «пневматические» винты были установлены на самолете de Havilland DH.88 Comet , победителе знаменитых дальних авиагонок MacRobertson Air Race 1934 года , и на победителе национальных авиагонок 1936 года Caudron C.460 , которым управлял Мишель Детруайя . Использование этих пневматических винтов требовало предварительной установки винта на мелкий шаг перед взлетом. Это делалось путем нагнетания давления в баллон с помощью велосипедного насоса, отсюда и причудливое прозвище Gonfleurs d'hélices (мальчики-нагнетатели винтов), которое до сих пор дается наземным механикам самолетов во Франции. [9]
Гидравлический пропеллер Gloster Hele-Shaw был представлен на Международной авиационной выставке 1929 года в Олимпии. Американец Том Гамильтон из Hamilton Aero Manufacturing Company увидел его и, вернувшись домой, запатентовал там. [10] Как Hamilton Standard Division of the United Aircraft Company , инженер Фрэнк У. Колдуэлл разработал гидравлическую конструкцию, которая привела к присуждению Collier Trophy 1933 года. [11] de Havilland впоследствии выкупила права на производство пропеллеров Hamilton в Великобритании, в то время как Rolls-Royce и Bristol Engines основали британскую компанию Rotol в 1937 году для производства собственных конструкций. Французская компания Пьера Левассера и Smith Engineering Co. в Соединенных Штатах также разработала пропеллеры с регулируемым шагом. Уайли Пост (1898–1935) использовал пропеллеры Smith 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 ему предпочтение, потому что даже когда двигатель больше не работал, пропеллер можно было флюгировать . На пропеллерах с гидравлическим приводом флюгирование должно было происходить до потери гидравлического давления в двигателе, если только не был установлен специальный насос флюгирования с электрическим приводом, чтобы обеспечить необходимое давление масла для флюгирования пропеллера.