Шаг лопасти или просто шаг относится к углу лопасти в жидкости. [1] Этот термин применяется в аэронавтике, судоходстве и других областях.
В аэронавтике шаг лопасти относится к углу лопастей воздушного винта самолета или ротора вертолета . Шаг лопасти измеряется относительно корпуса самолета. Обычно его называют «мелким» или «низким» для более вертикального угла лопасти и «грубым» или «высоким» для более горизонтального угла лопасти.
Шаг лопасти обычно описывается как отношение расстояния вперед за один оборот при условии отсутствия проскальзывания.
Шаг лопасти действует подобно зубчатой передаче главной передачи автомобиля. Низкий шаг обеспечивает хорошее ускорение на низкой скорости (и скороподъемность в самолете), тогда как высокий шаг оптимизирует производительность на высокой скорости и экономию топлива.
Довольно часто самолет проектируют с винтом с изменяемым шагом , чтобы обеспечить максимальную тягу в большем диапазоне скоростей. Мелкий шаг будет использоваться во время взлета и посадки, тогда как более крупный шаг используется для высокоскоростного крейсерского полета. Это связано с тем, что эффективный угол атаки лопасти винта уменьшается с увеличением скорости полета. Чтобы поддерживать оптимальный эффективный угол атаки, шаг должен быть увеличен. Угол шага лопасти не то же самое, что угол атаки лопасти. С увеличением скорости шаг лопасти увеличивается, чтобы поддерживать постоянный угол атаки лопасти.
«Подъемная сила» лопасти винта, или ее тяга, зависит от угла атаки в сочетании с ее скоростью. Поскольку скорость лопасти винта меняется от ступицы к кончику, она имеет скрученную форму, чтобы тяга оставалась приблизительно постоянной по всей длине лопасти; это называется «кручением лопасти». Это типично для всех винтов, кроме самых грубых.
В вертолетах управление шагом изменяет угол атаки лопастей несущего винта, что в свою очередь влияет на угол атаки лопастей. Шаг несущего винта регулируется как общим, так и циклическим шагом, тогда как шаг хвостового винта изменяется с помощью педалей.
Оперение лопастей винта означает увеличение угла их наклона путем поворота лопастей так, чтобы они были параллельны потоку воздуха. Это минимизирует сопротивление от остановившегося винта после отказа двигателя в полете.
Некоторые винтовые самолеты позволяют уменьшить шаг за пределы точного положения до тех пор, пока винт не создаст тягу в обратном направлении. Это называется реверсированием тяги , а положение винта называется бета-позицией. [2]
Управление шагом лопастей является особенностью почти всех крупных современных ветровых турбин с горизонтальной осью . Оно используется для регулировки скорости вращения и вырабатываемой мощности. Во время работы система управления ветровой турбиной регулирует шаг лопастей, чтобы поддерживать скорость ротора в рабочих пределах при изменении скорости ветра. Флюгирование лопастей останавливает ротор во время аварийных отключений или всякий раз, когда скорость ветра превышает максимальную номинальную скорость. Во время строительства и обслуживания ветряных турбин лопасти обычно флюгируются, чтобы уменьшить нежелательный крутящий момент в случае порывов ветра.
Управление шагом лопасти предпочтительнее, чем роторные тормоза, поскольку тормоза подвержены отказу или перегрузке под воздействием силы ветра на турбину. Это может привести к выходу турбин из-под контроля. Напротив, управление шагом позволяет лопастям быть флюгерными, так что скорость ветра не влияет на нагрузку на механизм управления. [3]
Управление шагом может быть реализовано с помощью гидравлических или электрических механизмов. Гидравлические механизмы имеют более длительный срок службы, более быстрое время отклика из-за более высокой движущей силы и более низкую потребность в обслуживании резервной пружины. Однако гидравлика, как правило, требует больше энергии для поддержания высокого давления в системе и может протекать. Электрические системы потребляют и тратят меньше энергии и не протекают. Однако они требуют дорогостоящих отказоустойчивых батарей и конденсаторов на случай отключения питания. [3]
Управление шагом не обязательно должно быть активным (зависящим от приводов). Пассивные (управляемые срывом) ветряные турбины полагаются на тот факт, что угол атаки увеличивается со скоростью ветра. Лопасти могут быть спроектированы так, чтобы прекращать работу после определенной скорости. Это еще одно применение скрученных лопастей: скручивание обеспечивает постепенный срыв, поскольку каждая часть лопасти имеет разный угол атаки и остановится в разное время. [4]
Расходы на управление шагом лопастей обычно составляют менее 3% от расходов ветряной турбины, в то время как неисправности шага лопастей являются причиной 23% всех простоев в производстве ветряных турбин и 21% всех отказов компонентов. [5]
В судоходстве шаг лопасти измеряется в количестве дюймов движения вперед по воде за один полный оборот винта. Например, винт с шагом 12" продвинет судно на 12" вперед при одном обороте. Обратите внимание, что это теоретическое максимальное расстояние; в действительности, из-за "проскальзывания" между винтом и водой, фактическое расстояние движения будет неизменно меньше. [6]
Некоторые композитные винты имеют сменные лопасти, что позволяет изменять шаг лопастей при остановке винта. [7] Более низкий шаг будет использоваться для транспортировки тяжелых грузов на низкой скорости, тогда как более высокий шаг будет использоваться для высокоскоростного движения.
В гребле наклон лопасти — это наклон лопасти к корме лодки во время фазы движения гребкового гребка. Без правильного наклона лопасти лопасть будет иметь тенденцию нырять слишком глубоко или выскакивать из воды и/или вызывать трудности с балансировкой на фазе восстановления гребка.