Гребной винт, конструкция, виды, принцип и механизм работы.
Гребной винт – это устройство, чье прямое предназначение состоит в создании упорного давления, необходимого для приведения в движение судна.
Гребной винт судна
Принцип и механизм работы гребного винта
Характеристики. Лопасть гребного винта. Схема сил и скоростей на лопасти гребного винта
Конструкция винта. Количество лопастей. Диаметр винта. Интерцептор
Другие важные параметры и показатели работы гребного винта
Виды гребных винтов. Винты фиксированного шага. Винты регулируемого шага.
Преимущества и недостатки гребных винтов
Классификация
Существует много вариантов классификации воздушных винтов самолета. Они подразделяются на группы в зависимости от материала, из которого они изготовлены, от формы лопастей, их диаметра, количества, а также по ряду других характеристик. Однако наиболее важной является их классификация по двум признакам:
- Первый — винты бывают с изменяемым шагом и фиксированным шагом.
- Второй – винты бывают тянущие и толкающие.
Первый устанавливается в передней части самолета, а второй, соответственно, в задней его части. Самолет с толкающим винтом возник раньше, однако затем был на некоторое время предан забвению и лишь относительно недавно вновь появился в небе. Сейчас эта компоновка широко применяется на небольших летательных аппаратах. Имеются даже совсем экзотические варианты, оснащенные и тянущими и толкающими лопастями одновременно. Самолет с винтом сзади имеет ряд преимуществ, главным из которых является его более высокое аэродинамическое качество. Однако из-за отсутствия дополнительного обдува крыла потоком воздуха от пропеллера у него худшие взлетно-посадочные характеристики.
Гребной винт судна:
Гребной винт – это устройство, чье прямое предназначение состоит в создании упорного давления, необходимого для приведения в движение судна. Достигается этот результат за счет простых физических процессов: вращающийся вал двигателя преобразуется в силу, толкающую водный транспорт, на котором он размещен, что и обеспечивает движение судна.
Если рассмотреть это подробно, то при вращении гребного винта каждая лопасть захватывает массу воды и отбрасывает её назад, сообщая ей заданный момент импульса, – сила реакции этой отбрасываемой воды передаёт импульс лопастям винта, лопасти, в свою очередь, – гребному валу посредством ступицы, и гребной вал, далее, – корпусу судна посредством главного упорного подшипника.
Решение такой задачи (обеспечение движения судна) дало гребному винту еще одно название – движитель, а от того, какого он вида, из какого материала сделан и какую конструкцию имеет, зависит скорость и тип хода транспорта.
Описание воздушного винта
Воздушный винт самолета представляет собой механическое устройство с лопастями, вращаемое валом двигателя и создающее тягу для движения летательного аппарата в воздухе. За счет наклона лопастей винт отбрасывает воздух назад, создавая область пониженного давления перед собой и повышенного давления позади себя. Практически все люди на земле хотя бы раз в жизни имели возможность увидеть этот устройство, поэтому многочисленные наукообразные определения не требуются. Винт состоит из лопастей, втулки, соединенной с двигателем через специальный фланец, балансировочных грузиков, размещаемых на втулке, механизма изменения шага винта и обтекателя, закрывающего втулку.
Принцип и механизм работы гребного винта:
Основа механизма работы гребного винта – преобразование вращения вала двигателя судна в силу, заставляющую его двигаться, т.е. создание из толщи воды своеобразного упора, от которого как обычная лодка, так и многотонный крейсер могут оттолкнуться и начать (а в дальнейшем – продолжать) ход.
Главная составляющая винта – лопасти, от правильного расположения которых зависит ход машины. Когда конструкция начинает вращение, на поверхности лопастей создаются определенные силы:
– на стороне, обращенной по ходу движения (засасывающая), возникает разрежение;
– на стороне, расположенной против хода (нагнетающая) – увеличенное давление водной массы.
Разница в получаемом с разных сторон давлении и образует искомую силу (Y), имеющую название подъемной. Она, в свою очередь, состоит из сил, направленных в сторону движения машины (Р) и перпендикулярно к самому судну (Т), благодаря чему:
– достигается нужный упор для работы винта;
– образуется крутящий момент, чье преодоление возложено на двигатель.
Большое значение имеет и угол атаки профиля лопасти (α), который должен находится в пределах 4-8 градусов. Угол атаки – это угол, образующийся между вектором скорости потока воды, надвигающейся на лопасть, и самой поверхностью нагнетающей лопасти. Повышение этого значения приведет к увеличению крутящего момента, а значит, производительность двигателя будет затрачиваться впустую. При снижении возникнет обратная ситуация: уменьшатся подъемная сила и упор, что приведет к недоиспользованию мощности двигателя.
Немного истории и классификация
Конструкция винта была известна еще в Древней Греции, однако в то время это изобретение использовалось с целью подачи воды, поскольку его лопасти помогали поднимать воду на определенную высоту. Также подобный механизм применялся в качестве прессов для вина и масла. В виде элемента крепежа винтовой механизм появился в 16 столетии, однако распространение он получил только в 19 веке. В это время болт использовался в качестве крепежного элемента в строительстве, а также в разных видах ремесел. Высокую популярность болты получили в эпоху массового изготовления различных механизмов. С момента появления первых автомобилей болты стали неотъемлемым атрибутом строительства, который делал конструкции более прочными и надежными.
Различают несколько видов деталей:
- Крепежные. Самый распространенный вид, который применяется для соединения деталей с возможностью их разъема. Конструкция состоит из стержня с резьбой на одном конце которого размещена головка. Головка используется для захвата винта при помощи отвертки или другим инструментом и последующего зажатия детали. Форма головки может быть самой разной: круглой, квадратной, многогранной и др. С целью невозможности открутить крепеж создаются головки с уникальной формой, для которой нужен специальный инструмент.
- Установочные. Такой вариант используется для фиксации компонентов взаимным способом. Для этой цели на концах болта расположены углубления или выступы для более высокого качества фиксации. Концы подобных деталей могут иметь разную форму: плоскую, конусную, ступенчатую, цилиндрическую, шариковую, рельефную и др.
Характеристики. Лопасть гребного винта. Схема сил и скоростей на лопасти гребного винта:
На указанном рисунке показаны схема сил и скоростей на лопасти гребного винта правого вращения, где:
Р – сила, создающая упор гребного винта,
Т – сила,
образующая крутящий момент,
Y – подъемная сила,
W – скорость потока воды,
Vа – скорость поступательного перемещения,
Vr – окружная скорость винта. Vr = 2·π·r·n. Таким образом, чем больше значение r гребного винта, тем больше окружная скорость Vr,
а следовательно, и суммарная скорость W,
r – радиус гребного винта,
n –
число оборотов гребного винта, об/сек,
α – угол атаки,
Н – шаг винта. Шагом винта называется перемещение любой точки лопасти вдоль оси за один полный оборот винта,
H·n – теоретическая скорость перемещения винта вдоль оси. Она представляет собой произведение шага винта на число оборотов.
Винты с изменяемым шагом
Практически на всех современных средних и крупных самолетах устанавливаются винты с изменяемым шагом. При большом шаге лопастей достигается большая тяга, но если обороты двигателя довольно низкие, набор скорости будет производиться крайне медленно. Это очень похоже на ситуацию с автомобилем, когда на высших передачах пытаться тронуться с места.
Высокая скорость и маленький шаг винта создают опасность срыва потока и падения тяги до ноля. Поэтому в процессе полета шаг постоянно изменяется. Сейчас это делает автоматика, а раньше пилот сам должен был постоянно следить за этим и вручную корректировать угол наклона. Механизм изменения шага винта представляет собой специальные втулки с приводным механизмом, поворачивающие лопасти относительно оси вращения на требуемый градус.
Конструкция винта:
Обязательная часть конструкции гребного винта – наличие лопастей и ступицы, на которых они расположены. Для получения нужного угла атаки и работы винта установка лопастей на ступицы проводится:
– радиально,
– с равным расстоянием между ними,
– с одинаковым углом поворота относительно плоскости вращения.
Сами же лопасти могут иметь малое или среднее удлинение, в зависимости от размера и конструкции машины, на которую будут устанавливаться движитель. Для того, чтобы винт пришел в движение, его насаживают на гребной вал, вращение которого обеспечивает двигатель машины посредством ступицы. При вращении лопасти захватывают воду и отбрасывают ее, в результате чего образуются нужные физические силы и импульсы, упор воды и, как следствие, корпус водного транспортного средства начинает ход при помощи упорного подшипника.
Количество лопастей гребного винта:
Основной разницей в конструкции гребных винтов является количество лопастей, обеспечивающих коэффициент полезного действия (КПД) устройства. Так, наиболее высоким КПД обладает движитель, имеющий всего две лопасти, но он эффективен лишь при малых дисковых отношениях (около 0,5). При повышении шага дисковых отношений до 1-1,5 (отношение площади спрямленных лопастей к площади самого диска) обеспечить прочность лопастей очень сложно, поэтому используют их лишь на водных судах, где нагрузка на винт приближена к минимальной (гоночные яхты) или винт используется как вспомогательное средство движения (парусно-моторные суда).
На малых судах наибольшее распространение получили гребные винты, имеющие 3 лопасти. Четырех и пяти лопастные движители применяются обычно на крупных водных судах, океанских лайнерах, где их основными задачами считаются не скорость хода транспорта, а обеспечение тишины и уменьшение вибрации.
Сфера применения
Винты широко используются в машиностроении, строительстве, сельском хозяйстве, промышленности и в других сферах. Для разных элементов применяются разные варианты, что позволяет добиться конкретных целей:
- Детали с конической резьбой используются при отверстиях сквозного и глухого типа. Подобные варианты не рекомендовано использовать при высоких показателях динамических нагрузок, поскольку в таком случае возможна деформация внутренней резьбы.
- Болты с плоским концом также могут быть использованы в сквозных и глухих вариантах креплениях. При этом плоскость вкручивания должна быть перпендикулярной по отношению к оси резьбы.
- Детали с цилиндрической цапфой. Такой вариант используется только в глухих отверстиях, поскольку это предполагает меньшее действие.
Подбор варианта зависит от нескольких факторов, в частности от температуры осуществления работ, показателя вибрации, нагрузки и др.
Интерцептор гребного винта:
Название этой части конструкции переводится как «захватчик» и полностью его оправдывает. Интерцептор – это загнутая кромка, расположенная по исходящей траектории лопасти на гребном винте, а ее основное предназначение состоит в повышении способности движителя к захвату жидкости. Наличие интерцептора весьма актуально на судах, где мотор установлен очень высоко и ходовой дифферент имеет большие углы.
Также установка «захватчика» позволяет:
– дополнительно поднять нос судна, если он установлен на линиях угла наклона лопастей;
– повысить шаг лопасти при установке его на внешней и исходящей кромках.
Важный нюанс: установка интерцептора уменьшает количество оборотов винта в среднем на 200-400 в минуту, что требует соответствующего снижения шага в среднем на 1-2 дюйма.
Другие важные параметры и показатели работы гребного винта:
От скорости вращения движителя зависит интенсивность хода судна, на котором он установлен, но и этот параметр имеет оптимальные показатели. В среднем это до 300 оборотов в минуту, для крупных лайнеров оптимальны показатели не выше 200. Обусловлено это тем, что высокие скорости увеличивают износ деталей двигателя, ощущающих наибольшую нагрузку, а это приводит к поломкам, незапланированным ремонтам или окончательному прихода в негодность дорогостоящего механизма.
Устанавливать ось вращения гребного винта рекомендуется в горизонтальной плоскости, это улучшает параметры его работы. При наличии наклона гребного вала возникает «косой» поток воды, обтекающий лопасти, в результате чего производительность движителя снижается, и чем выше этот угол, тем больше снижение КПД. Первые потери мощности ощутимы уже при появлении разницы в 10 градусов.
Особого внимания требует оснащение крупных и тяжелых водных судов, используемых в промышленности или обороне. Так, для танкеров, атомных ледоколов, авианосцев и прочих судов большого водоизмещения актуально наличие и возможность передачи высокой мощности. Для этого их оборудуют двух или трех вальными установками, а также устанавливают по несколько винтов. Чаще всего это 4 движителя, расположенные симметрично. Одним же из важных параметров винтов для арктических ледоколов считает прочность, т.к. они должны иметь возможность дробить толщи льда при движении не только вперед, но и назад.
Недостатки
Недостатки у самолета с воздушным винтом тоже имеются. В первую очередь, это минусы чисто «кинетические». Во время вращения винт самолета, обладая собственной массой, оказывает воздействие на корпус самолета. Если лопасти, например, вращаются по часовой стрелке, то корпус стремится вращаться, соответственно, против часовой стрелки. Создаваемые пропеллером завихрения активно взаимодействуют с крыльями и оперением летательного аппарата, создавая различные потоки справа и слева, тем самым дестабилизируя траекторию полета.
И наконец, вращающий пропеллер представляет собой своеобразный гироскоп, то есть он стремится сохранить свое положение, что затрудняет процесс изменения траектории полета для воздушного суда. Эти недостатки винта самолета были известны давно, и конструкторы научились с ними бороться путем внесения определенной асимметричности в конструкции самих кораблей или их управляющих поверхностей (рулей направления, спойлеров и т. д.). Справедливости ради надо отметить, что подобными «кинетическими» недостатками обладают и реактивные двигатели, но в несколько меньшей степени.
К минусам можно отнести и так называемый эффект запирания, когда увеличение диаметра и частоты вращения винта самолета до определенных пределов, перестают давать эффект в виде увеличения тяги. Этот эффект связан с появлением на отдельных участках лопастей потоков воздуха около- или сверхзвуковой скорости, что создает волновой кризис, то есть образование скачков уплотнения воздушной среды. По сути, они преодолевают звуковой рубеж. В связи с этим максимальная скорость самолетов с воздушным винтом не превышает 650-700 км/час.
Пожалуй, единственным исключением стал бомбардировщик Ту-95, развивающий скорость до 950 км/час, то есть почти звуковую скорость. Каждый его двигатель оснащен двумя соосными винтами, вращающимися в противоположных направлениях. Ну и последней проблемой винтовых самолетов является их шумность, требования к которой со стороны авиационных властей, постоянно ужесточаются.
Виды гребных винтов:
Видов гребных винтов очень много. Они могут изготовляться из разных материалов (сталь, бронза, латунь, чугун, пластмасса), иметь разную конструкцию (цельнолитую, со съемными или поворотными лопастями), а также другие принципиальные отличия, влияющие на их работу и, непосредственно, движение судна, на котором они установлены.
Еще один параметр различия гребных винтов – возможность управления углом атаки лопастей движителя. По этому принципу они разделяются на винты фиксированного шага и винты регулируемого шага.
Достоинства
Летательные аппараты, использующие в качестве движителя воздушный винт, гораздо экономичней своих турбореактивных «собратьев». Коэффициент полезного действия достигает 86%, что является недостижимой величиной для реактивной авиации. Это их главное преимущество, которое фактически вновь ввело их в строй во время нефтяного кризиса 70-х годов прошлого века. На небольших дистанциях полета, скорость не имеет решающего значения по сравнению с экономичностью, поэтому большинство самолетов региональной авиации – винтовые.
Винты фиксированного шага:
Винты фиксированного шага (ВФШ) – это движители, которые имеют единственный и постоянный угол установки лопастей, что обусловлено способом их производства. Такие движители отливают цельными, поэтому они имеют небольшие габариты и вес. Устанавливают их преимущественно на машинах малого водоизмещения:
– любительских;
– маломерных;
– морских судах, предназначенных для торговли;
– кораблях, требующих увеличенной прочности винта и прочих.
Движение таких судов предполагает длительный ход в одном направлении, поэтому маневренность винтов фиксированного шага как основная характеристика отходит на второй план.
Разновидность данного механизма – винты со съемными лопастями. Их шаг остается фиксированным, но конструкция предполагает не литое изготовление, а крепление лопастей к диску движителя в одной позиции. Это дает возможность замены при поломке отдельных деталей (лопастей), а не всего устройства, и позволяет изготавливать прочные движители с большим диаметром, цельное литье которых достаточно затруднительно.
Привет студент
Винты могут быть тянущими и толкающими. Винты первого типа устанавливаются впереди фюзеляжа и крыла, винты второго типа — в их хвостовой части. Из соображений компоновки преобладающее использование получили тянущие винты. При выборе типа винта приходится учитывать и то, что отлетающие кусочки льда при обледенении самолета могут повредить лопасти винта, расположенного за крылом и фюзеляжем.
На двигателях большой Мощности выгодно бывает установить два винта, вращающихся в разные стороны. Такие винты называют соосными.
Применение соосных винтов позволяет не только спять большую мощность с вала двигателя, но за счет уменьшения потерь на закручивание воздушного потока получить несколько больший к. п. д. по сравнению с одиночным винтом.
Помимо этого, соосные винты, вращаясь в разные стороны, почти не создают реактивного момента, что весьма важно для обеспечения поперечного равновесия самолета.
Наиболее простым типом является винт фиксированного шага (ВФШ), у которого втулка и лопасти являются органически целыми. Материалом для изготовления таких винтов чаще всего служит древесина. Подобные винты в настоящее время применяют только на легких самолетах. Так как у ВФШ установочный угол в полете не изменяется, то подобный винт будет выгодным лишь при полете на весьма ограниченном диапазоне скоростей. В остальных случаях к. п. д. винта невысок.
Винты, у которых угол установки лопастей можно изменять в полете, называются винтами изменяемого шага (ВПШ). Лопасти у таких винтов относительно своих продольных осей автоматически или по воле летчика могут поворачиваться, изменяя угол установки.
Для уменьшения лобового сопротивления при отказе двигателя в полете применяют флюгерные винты изменяемого шага, лопасти которых с помощью специального привода по воле летчика устанавливаются в положение наименьшего сопротивления при остановленном винте. Это достигается при угле установки лопастей 83—85°.
Широкое применение в последние годы получили тормозные или реверсивные винты. Реверсивные винты — это ВПШ с приспособлениями, позволяющими устанавливать лопасти таким образом, что винт при вращении развивает отрицательную тягу. Наличие отрицательной тяги позволяет сократить длину послепосадочного пробега, увеличить угол планирования, повысить маневренность самолета при движении на земле.
Изменение угла установки лопастей у ВПШ может производиться механическим, гидравлическим и электрическим приводами.
Механическим винтом называется такой винт, у которого поворот лопастей на тот или иной угол осуществляется либо пилотом, либо теми силами, которые возникают при работе винта и изменяются при изменении режима работы. Иногда такие винты называются аэромеханическими. Они широко применяются на легких самолетах.
У гидравлических винтов изменяемого шага угол установки лопастей изменяется при помощи гидравлического двигателя под действием давления масла. Давление создается насосом, приводимым во вращение авиационным двигателем. Для питания насоса используется масло, идущее на смазку двигателя (неавтономный винт), а также масло, не входящее в систему смазки двигателя (автономный винт).
Изменение угла установки лопастей может производиться поршневым или шестеренчатым гидравлическим двигателем. Шестеренчатый двигатель может быть один на винт или по одному на каждую лопасть.
В том и в другом случаях вращательное движение гидравлического двигателя с помощью механической передачи осуществляет поворот лопастей.
Передача от подвижного элемента поршневого двигателя на лопасть осуществляется двумя способами:
поршень передает движение обойме — траверсе или поводку, связанному с эксцентрично установленным пальцем на лопасти или стакане, в котором крепится лопасть (рис. 114). Иногда поршень со стаканом лопасти связаны при помощи шатунов;
поршень, двигаясь поступательно, передвигает палец, установленный в винтовом вырезе обоймы. Палец, двигаясь по вырезу в обойме, поворачивает ее. Это движение передается лопастям через коническую зубчатую передачу.
Гидравлические винты могут быть выполнены по обратной, прямой и двойной схемам.
Винтом обратной схемы называется винт, у которого лопасти поворачиваются на малый шаг под действием момента поперечных составляющих центробежных сил лопастей Мцб, а на большой шаг — под действием момента Ммех, создаваемого гидравлическим механизмом (рис. 114, а). При прекращении подачи масла или нарушении герметичности системы лопасти винта поворачиваются на минимальный шаг под действием указанных центробежных сил. Как следствие этого, в полете произойдет раскрутка двигателя, т. е. число, оборотов резко повысится свыше максимально допустимого. Пилот Должен будет выключить двигатель во избежание его разрушения.
Винтом прямой схемы называется винт, у которого лопасти поворачиваются на малый шаг под действием момента Ммех, создаваемого гидравлическим механизмом, а на большой шаг — под действием разности моментов центробежных сил противовесов Мпр центробежных сил лопастей Мцб (рис. 114, б). При прекращении подачи масла лопасти такого винта устанавливаются на максимальный (рабочий) шаг. Для винтов прямой схемы раскрутка не опасна.
Вес таких винтов больше веса винтов обратной схемы, но преимуществом его является возможность получения некоторой мощности (до 70% максимальной) при прекращении подачи масла к винту.
Винтом двойной схемы называют такой винт, лопасти которого на малый шаг устанавливают под действием момента Ммех создаваемого гидравлическим механизмом, и момента центробежных сил лопастей Мцб, а на большой шаг — только при помощи гидравлического механизма (рис. 114, в).
Для предупреждения поворота лопастей винта двойной схемы на малый шаг при отказе системы подачи масла предусмотрен механизм, называемый фиксатором шага. В случае прекращения подачи масла фиксатор шага запирает масло в полости большого шага цилиндровой группы винта, фиксируя лопасти на том шаге, на котором находилась лопасть в момент аварии. Фиксатор шага может быть установлен и на винте обратной схемы, но только при двухканальном подводе масла к винту.
Электрические винты изменяемого шага.
Лопасти этих винтов поворачиваются на нужный угол при помощи электродвигателей. На одном винте может быть установлен один электродвигатель или несколько (по числу лопастей); в последнем случае для синхронизации поворота лопасти связывают механически. У некоторых винтов электродвигатель установлен на авиационном двигателе, и движение лопастям передается при помощи дифференциальной зубчатой передачи. Электродвигатели выбираются всегда реверсивные, так как лопасти должны поворачиваться в обе стороны. Питание электрическим током двигатели получают от общей сети самолета. Электродвигатели, приводящие в действие лопасти винта, снабжаются концевыми выключателями, которые отключают двигатели в момент, когда лопасти повернутся на предельный малый или большой шаг.
Используемая литература: «Основы авиации» авторы: Г.А. Никитин, Е.А. Баканов
Скачать реферат: У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера. КАК ТУТ СКАЧИВАТЬ
Пароль на архив: privetstudent.com
Винты регулируемого шага:
Винты регулируемого шага (ВРШ) предполагают возможность изменения поворота лопастей в ступице. Крепление составляющих винта производится таким образом, что благодаря особому приводу лопасти могут вращаться вокруг своей оси и, при необходимости, менять угол атаки. Достигается эта возможность приводом, известным как механизм изменения шага (МИШ).
Механизм изменения шага может быть:
– ручным;
– механическим;
– электромеханическим;
– гидравлическим;
– электрогидравлическим.
В состав механизма изменения шага (МИШ), за исключением ручного, входят: механизм поворота лопастей, размещаемый, как правило, в ступице винта; сервомотор, создающий усилия для поворота лопастей и располагаемый на участке между гребным валом и главным двигателем; обратная связь или устройство, показывающее величину нового шага винта.
В свою очередь, механизм поворота лопастей, являющийся составной частью механизма изменения шага, может быть:
– зубчатым – используется на винтах малых диаметров и на судах, не предполагающих развитие высоких мощностей;
– кривошипным – отличается высокой степенью надежности и прочности, применяется на напряженных конструкциях, высокооборотных винтах и пр.
Размещается механизм поворота лопастей внутри ступицы гребного винта, что отражается как на ее размерах, так и на габаритах самого винта.
Самым часто используемым приводом считается гидравлический привод управления винтами регулируемого шага. В нем поворот лопастей производится за счет воздействия жидкостей с малой вязкостью, а само устройство механизма отличается сравнительной простотой. Еще одно преимущество гидравлики – возможность создавать большие рабочие мощности даже на маленьких и легких движителях.
За счет управления винтом дистанционно, непосредственно с ходового мостика, облегчилась и координация движения самого судна. Применение же небольших, но мощных и крепких, движителей даже на габаритных судах улучшило их ходовые качества и маневренность, позволили скоординировать шаг винта с любой скоростью машины. В результате таких действий производительность гребного винта увеличивается в несколько раз, а это снижает общие затраты на эксплуатацию судна.
К сожалению, опыт изготовления воздушных винтов на любительских конструкциях за редким исключением не заслуживает повторения. И пожалуй, основная причина неудач в несогласованности параметров воздушного винта с характеристиками двигателя. Чаще всего самодеятельные конструкторы создают слишком «тяжелые» в аэродинамическом отношении винты, в результате чего двигатель не развивает полной мощности и тяга оказывается недостаточной.
Предлагаемый метод определения геометрических параметров воздушных винтов позволяет максимально упростить задачу подбора их размеров, обеспечивающих при сравнительно высоком КПД возможность наиболее полно использовать мощность двигателя.
Рис. 1. График взаимозависимости между диаметорм винта, мощностью и тягой.
При проектировании воздушных винтов следует иметь в виду, что тяга винта при правильно выбранных шаге и сечениях лопасти зависит от его диаметра и мощности на его валу (см. рис. 1). Максимально допустимый диаметр определяется по рисунку 2. Он ограничивается, кроме конструктивных соображений (с увеличением диаметра увеличиваются габариты машины), глазным образом окружной скоростью конца лопасти: для винтов с деревянными лопастями кривая А, для металлических кривая Б.
Превышение окружной скорости сверх рекомендуемой вызывает волновое сопротивление из-за сжимаемости воздуха, резко снижающее КПД винта и существенно уменьшающее запас прочности вследствие возрастающих центробежных сил.
Рис. 2. График взаимозависимости между диаметорм винта и частотой его вращения.
По рисунку 2 для выбранного диаметра винта можно определить максимально допустимую частоту его вращения. Например, если двигатель развивает максимальную мощность при 4500 об/мин, то необходимо или выбрать диаметр воздушного винта 1 м, или, если тяга винта с Ø1 м недостаточна, установить винт большего диаметра и понижающий редуктор. При установке редуктора следует учитывать его коэффициент полезного действия: мощность, подводимая к винту, уменьшается на величину потерь в передаче. Значения же КПД таковы: шестеренчатая одноступенчатая передача с прямозубыми шестернями (цилиндрическими) равна 0,99; с прямозубыми коническими шестернями 0,98. Следует заметить, что КПД шестеренчатой передачи падает при снижении точности ее изготовления и сборки, доходя до 0,94 и даже до 0,9.
КПД клиноременной передачи в пределах 0,95—0,97; цепной 0,94—0,98. Если КПД передачи с учетом трения в подшипниках равняется 0,9—0,8, то тяга составит (соответственно) 0,94—0,86 от тяги, определенной по рисунку 1. С увеличением скорости движения машины тяговое усилие воздушного винта падает. В зависимости от диаметра тяга по скорости изменяется различно. На рисунке 3 показано изменение тяги по скорости воздушных винтов с фиксированным шагом № 1 с Ø1 м и № 2 с Ø2м, при постоянной мощности 17,5 л. с. На графике видны преимущества по тяге воздушного винта с Ø2 м, вплоть до скорости 83 км/ч, а при КПД передачи 0,8 до скорости 72 км/ч. На скорости больше указанной преимущество имеет винт с Ø1 м. При встречном ветре 10 м/с (36 км/ч) преимущество винта с Ø2м сохраняется до скорости движения, меньшей на величину скорости ветра, то есть до 36 км/ч.
Рис. 3. Тяга по скорости для мощности 17,5 л.с. (винты диаметорм 1 и 2 метра)
Рассмотренный пример дает наглядное представление о взаимозависимости диаметра винта, поступательной скорости транспортного средства (при постоянной мощности) и развиваемой им тяги. Для воздушных винтов аэросаней и глиссеров, имеющих небольшие скорости движения, расчет рекомендуется производить для условий работы винта на месте, то есть для V=0.
Следующим этапом при проектировании является определение ширины лопастей, их числа, профиля сечения лопасти и угла ее установки (шага). Указанные параметры должны быть увязаны с выбранным диаметром, частотой вращения винта и мощностью на его валу. На практике редко встречается необходимость применять сложные по аэродинамической компоновке винты с большой воздушной нагрузкой на сечения лопасти, то есть сечения с большой кривизной и щелевые сечения. Подавляющее большинство винтов, оптимальных для заданных требований, будут иметь узкие лопасти и «стандартные» крыльевые профили.
Рис. 4. Определение возможных геометрических размеров винта по оборотам и мощности двигателя.
По приведенному графику (рис. 4) можно определить геометрические параметры винта, согласующиеся с характеристиками двигателя. В зависимости от диаметра винта и мощности на его валу определяется частота вращения, соответствующая выбранной относительной ширине лопасти В (в процентах от радиуса винта). На этом же графике находится и шаг винта, отнесенный к его диаметру H/D (относительный шаг), оптимальный для выбранной ширины лопасти.
Можно задаться частотой вращения, мощностью, диаметром и определить относительную ширину лопасти и соответствующий ей шаг. Первым способом определяем параметры винта № 2, вторым параметры винта № 1.
Пример
Определить геометрические размеры винтов при следующих исходных данных: мощность на валу винта 17,5 л. с., частота вращения вала двигателя 4500 об/мин, диаметр винта №1 1 м, винта № 2 2 м. По рисунку 4 определяем: для Ø1 м B = 12,5% (62,5 мм); h =0,45 (Н = 0,45 м); для Ø2м В = 10% (100 мм); h = 0,40 (Н = 0,8 м). Для винта № 2 взята минимальная допустимая ширина 10%.
Зная шаг винта, определяем углы установки сечений лопасти. Для этой цели находим величину, в 2,5 раза меньшую шага винта:
Ø1 м : H/2π = 450/6,28 ~=72 мм;
Ø2 м : H/2π = 800/6,28 ~=72 мм.
Из схемы, приведенной на рисунке 5, видно построение углов установки сечений лопасти.
Рис. 5. Пример постороения углов установки сечений лопасти винта постоянного шага.
Для винта № 2 по допустимой окружной скорости определена максимальная частота вращения, равная 2250 об/мин, которая соответствует минимальному передаточному отношению. Но при этой частоте ширина лопасти получается около 4%. Из условий прочности ширину лопасти менее 10% применять нельзя. Тогда по графику (рис. 4) определяем для Ø2 м В = 10% и 17,5 л. с., частоту вращения вала винта 1530 об/мин. Передаточное отношение понижающей передачи при этом должно быть: 4500: 1520 = 2,95.
Рис. 6. Геометрические размеры лопасти двухлопастного винта (в процентах от радиуса) при ширине лопасти 16,5%
На рисунке 6 приведены геометрические размеры лопасти двухлопастного винта в процентах от радиуса при ширине лопасти 16,5%. Для нашего примера ширина лопасти равна 12,5% и 10%. Следовательно, все размеры сечений будут составлять:
12,5/16,5 ~= 0,755 для винта № 1
и 10/16,5 ~= 0,605 для винта № 2
от размеров на чертеже.
В случае, если по графику (рис. 4) определена ширина лопасти более 16,5%, то можно или пропорционально увеличить все размеры двухлопастного винта до необходимой величины, или увеличить число лопастей так, чтобы суммарная ширина их, отнесенная к диаметру, равнялась найденной относительной ширине.
Рис. 7. Внешняя и дроссельная характеристики двигателя «ИЖ — Планета 3» с винтом D=1 м, В=62,5 мм, S 0.75 = 10 гр. 50 мин.
На рисунке 7 приведена характеристика двигателя «ИЖ-Планета-3» и его дроссельная характеристика с одним из рассмотренных винтов. При установке на этот двигатель двухлопастного винта без редуктора с Ø1,2 м, шагом 0,48 м и шириной лопасти В =100 мм (пунктирная кривая) двигатель мог бы развить только 2900 об/мин и мощность 12 л. с. Тяга винта при этом составила бы 40 кг вместо 54 кг винта № 1, правильно подобранного к двигателю. Тщательное определение ширины лопасти и углов установки сечений позволит использовать полную мощность двигателя и получить тягу, близкую к максимально возможной.
Воробьев Ю., Махоткин Г. По материалам журнала «Моделист-Конструктор»
Обсудить на форуме
