Войти
Винты военно-транспортного самолета C-130J Super Hercules В аэронавтике пропеллер, также называемый воздушным винтом, преобразует вращательное движение от двигателя или другого источника энергии в закрученный поток скольжения, который толкает пропеллер вперед или назад. Он содержит вращающуюся ступицу с механическим приводом, к которой прикреплено несколько лопастей с радиальным сечением аэродинамического профиля, так что весь узел вращается вокруг продольной оси. Шаг лопасти может быть фиксированным, изменяемым вручную до нескольких заданных положений или автоматически изменяемым типом «постоянной скорости».
Винт присоединяется к карданному валу источника питания либо напрямую, либо через понижающую передачу. Пропеллеры могут быть изготовлены из дерева, металла или композитных материалов.
Пропеллеры подходят для использования только на дозвуковых скоростях полета, в основном ниже примерно 480 миль / ч (770 км / ч ; 420 кн ), поскольку выше этой скорости скорость конца лопасти приближается к скорости звука, и местный сверхзвуковой поток вызывает высокое лобовое сопротивление, шум и проблемы конструкции воздушного винта.
Украшенный японский бамбуковый вертолет такэтомбо Самые ранние упоминания о вертикальном полете пришли из Китая. Примерно с 400 г. до н.э. китайские дети играли в бамбуковые летающие игрушки. Этот бамбуковый вертолет вращается путем перекатывания палки, прикрепленной к ротору, между руками. Вращение создает подъемную силу, и игрушка летит, когда ее отпускают. Даосская книга 4-го века нашей эры Баопузы Ге Хун ("子 «Мастер, принимающий простоту»), как сообщается, описывает некоторые идеи, присущие вращающемуся крылу.
Дизайн, похожий на игрушечный китайский вертолет, появился в картинах эпохи Возрождения и других работах.
«Воздушный винт» да Винчи Это было только в начале 1480-х годов, когда Леонардо да Винчи разработал конструкцию машины, которую можно было бы описать как «воздушный винт», в которой любое зарегистрированное продвижение было сделано в направлении вертикального полета. В его записях говорилось, что он построил небольшие летающие модели, но не было никаких указаний на то, чтобы какие-либо положения не позволяли ротору вращать аппарат. По мере того, как научные знания росли и становились все более популярными, человек продолжал следовать идее вертикального полета. Многие из этих более поздних моделей и машин больше напоминали бы древний бамбуковый летающий волчок с вращающимися крыльями, чем винт Леонардо.
В июле 1754 года русский Михаил Ломоносов разработал небольшой коаксиальный кабель по образцу китайского топа, но с приводом от пружинного устройства и продемонстрировал его Российская академия наук. Он приводился в действие пружиной и предлагался как метод подъема метеорологических приборов. В 1783 году и его механик Бьенвеню использовал коаксиальную версию китайского топа в модели, состоящей из вращающихся в противоположных направлениях лопастей индейки в качестве лопастей ротора, а также в 1784 г., продемонстрировал его Французской академии наук. Дирижабль дирижабль был описан Жаном Батистом Мари Мюзнье и представлен в 1783 году. На рисунках изображен обтекаемый корпус длиной 260 футов (79 м) с внутренними баллонетами, которые можно было использовать для регулирования лифт. Дирижабль был рассчитан на привод от трех пропеллеров. В 1784 году Жан-Пьер Бланшар установил на воздушном шаре пропеллер с ручным приводом, первое зарегистрированное средство передвижения, которое поднималось вверх. Сэр Джордж Кейли, находившийся под влиянием детского увлечения китайскими летательными аппаратами top разработал модель перьев, похожую на модель Лаунуа и Бьенвеню, но приводимую в движение резиновыми лентами. К концу века он перешел к использованию листов жести для лопастей ротора и пружин для привода. Его работы по его экспериментам и моделям окажут влияние на будущих пионеров авиации.
Прототип, созданный Михаилом Ломоносовым, 1754 г. Уильям Бланд отправил проекты своего «Атмотического дирижабля» в Великая выставка, проходившая в Лондоне в 1851 году, на которой была представлена модель. Это был удлиненный воздушный шар с паровым двигателем, приводившим в движение парные винты, подвешенные под ним. Альфонс Пено в 1870 году разработал игрушечные вертолеты соосным ротором, также приводимые в движение резиновыми лентами. В 1872 году Дюпюи де Лом запустил большой судоходный аэростат, который приводился в движение большим пропеллером, вращаемым восемью людьми. Хирам Максим построил судно весом 3,5 тонны с 110-футовым двигателем. (34-метровый) размах крыла, который приводился в движение двумя паровыми двигателями мощностью 360 л.с. (270 кВт), приводящими в движение два гребных винта. В 1894 году его машина была испытана с подвесными рельсами, чтобы предотвратить ее подъем. Испытания показали, что у него достаточно подъемной силы для взлета. Одна из игрушек Пено, подаренная их отцом, вдохновила братьев Райт на воплощение мечты о полете. Искривленная форма аэродинамического профиля (аэродинамического профиля) воздушного винта была изобретена братьями Райт. В то время как некоторые более ранние инженеры пытались смоделировать воздушные винты на морских гребных винтах, братья Райт осознали, что пропеллер по сути такой же, как крыло, и смогли использовать данные из своих более ранних В аэродинамической трубе экспериментируют с крыльями, вводя скручивание по длине лопастей. Это было необходимо для поддержания более равномерного угла атаки лезвия по всей его длине. Их оригинальные лопасти воздушного винта имели КПД около 82% по сравнению с 90% для современного (2010 г.) малого воздушного винта общего назначения, трехлопастного винта McCauley, используемого на самолете Beechcraft Bonanza. Ропер называет 90% пропеллера для самолета с двигателем.
Красное дерево было древесиной, которую предпочитали для винта во время Первой мировой войны, но нехватка во время войны стимулировала использование ореха, дуба, вишни. и ясень. Альберто Сантос Дюмон был еще одним пионером, разработавшим пропеллеры до братьев Райт (хотя и не столь эффективные) для своих дирижаблей. Он применил знания, полученные им из опыта работы с дирижаблями, чтобы создать пропеллер со стальным валом и алюминиевыми лопастями для своего биплана 14 бис в 1906 году. В некоторых из его конструкций лопасти использовались из гнутого алюминиевого листа, создавая таким образом форма аэродинамического профиля. Они были сильно недокалиброваны, и это плюс отсутствие продольного скручивания делало их менее эффективными, чем пропеллеры Райта. Тем не менее, это, пожалуй, первое использование алюминия в конструкции винта. Первоначально вращающийся аэродинамический профиль позади самолета, который его толкает, назывался пропеллером, а тянущий спереди - тягач. Позже термин «толкатель» стал использоваться для обозначения устройства, установленного сзади, в отличие от конфигурации трактора, и оба стали называться «пропеллеры» или «винты». Понимание аэродинамики низкоскоростного винта было довольно полным к 1920-м годам, но более поздние требования к передаче большей мощности при меньшем диаметре усложнили проблему.
Исследование гребного винта для Национального консультативного комитета по аэронавтике (NACA) было направлено Уильямом Ф. Дюраном с 1916 года. Измеренные параметры включали эффективность воздушного винта, тягу развито, и мощность поглощена. Хотя пропеллер может быть испытан в аэродинамической трубе, его характеристики в свободном полете могут отличаться. В Авиационной лаборатории Мемориала Лэнгли EP Leslie использовал Vought VE-7 с двигателями Wright E-4 для данных о свободном полете, в то время как Дюран использовал уменьшенные размеры с аналогичной формой для данные аэродинамической трубы. Их результаты были опубликованы в 1926 году в отчете NACA № 220.
ATR 72 пропеллер в полете. Лоури указывает на эффективность воздушного винта около 73,5% в крейсерском режиме. для Cessna 172. Это заимствовано из его "Bootstrap-подхода" для анализа характеристик легких самолетов гражданской авиации, использующих винты фиксированного шага или постоянной скорости. На эффективность гребного винта влияет угол атаки (α). Это определяется как α = Φ - θ, где θ - угол винтовой линии (угол между результирующей относительной скоростью и направлением вращения лопасти), а Φ - угол шага лопасти. Очень малые углы наклона и винтовой линии дают хорошие характеристики против сопротивления, но обеспечивают небольшую тягу, в то время как большие углы имеют противоположный эффект. Наилучший угол наклона спирали - это когда лопасть действует как крыло, производящее гораздо большую подъемную силу, чем сопротивление. Однако «подъемная сила» - это только один способ выразить аэродинамическую силу, действующую на лопасти. Чтобы объяснить характеристики самолета и двигателя, одна и та же сила выражается немного по-разному в терминах тяги и крутящего момента, поскольку требуемая мощность винта - это тяга. Тяга и крутящий момент являются основой определения КПД гребного винта, как показано ниже. Передаточное число пропеллера аналогично углу атаки крыла.
КПД гребного винта определяется как
Воздушные винты похожи по сечению крыла на крыло с низким лобовым сопротивлением и поэтому плохие в работе, когда угол атаки отличается от их оптимального . Поэтому в большинстве воздушных винтов используется механизм переменного шага для изменения угла наклона лопастей при изменении частоты вращения двигателя и скорости самолета.
Моряк проверяет пропеллер десантного корабля на воздушной подушке на воздушной подушке Еще одним соображением является количество и форма используемых лопастей. Увеличение соотношения сторон лопастей снижает сопротивление, но величина создаваемой тяги зависит от площади лопасти, поэтому использование лопастей с большим удлинением может привести к чрезмерному диаметру гребного винта. Еще один баланс заключается в том, что использование меньшего количества лопастей снижает влияние помех между лопастями, но наличие достаточной площади лопасти для передачи доступной мощности в пределах установленного диаметра означает, что необходим компромисс. Увеличение количества лопастей также снижает объем работы, которую требуется выполнить каждой лопасти, ограничивая локальное число Маха - существенное ограничение производительности гребных винтов. Производительность воздушного винта ухудшается, когда трансзвуковой поток впервые появляется на концах лопастей. Поскольку относительная скорость воздуха в любой части воздушного винта является векторной суммой скорости самолета и тангенциальной скорости из-за вращения, поток над концом лопасти достигнет околозвуковой скорости намного раньше, чем самолет. Когда воздушный поток над концом лопасти достигает своей критической скорости, сопротивление лобовому сопротивлению и крутящему моменту быстро увеличивается, и образуются ударные волны, создавая резкое увеличение шума. Поэтому летательные аппараты с обычными винтами обычно не летают быстрее 0,6 Маха. Были винтовые самолеты, которые развивались в диапазоне до 0,8 Маха, но низкая эффективность винта на этой скорости делает такие применения редкими.
Наконечник лопасти гребного винта движется быстрее, чем ступица. Следовательно, необходимо, чтобы лезвие было закручено, чтобы поддерживать равномерный угол атаки по всей длине лезвия.
Были предприняты усилия по разработке пропеллеров и пропеллеров для самолетов, работающих на высоких дозвуковых скоростях. «Исправление» похоже на конструкцию трансзвукового крыла. Используются тонкие секции лопастей, и лопасти отводятся назад в форме ятагана (винт саблицы ) аналогично стреловидности крыла, чтобы задержать возникновение ударных волн, когда концы лопастей приближаются к скорости звука.. Максимальная относительная скорость поддерживается на минимально возможном уровне за счет тщательного контроля шага, чтобы лопасти имели большие углы спирали. Большое количество лезвий используется для уменьшения работы на лезвие и, следовательно, прочности циркуляции. Используются воздушные винты встречного вращения. Разработанные гребные винты более эффективны, чем турбовентиляторы, и их крейсерская скорость (0,7–0,85 Маха) подходит для авиалайнеров, но генерируется огромный шум (см. Антонов Ан-70 и Туполев Ту -95 для примеров такой конструкции).
Силы, действующие на лопасти воздушного винта, включают следующее. Некоторые из этих сил могут противодействовать друг другу, уменьшая общие механические напряжения.
Целью изменения угла тангажа является поддержание оптимального угла атаки лопастей винта, что обеспечивает максимальную эффективность во всем режиме полета. Это снижает расход топлива. Только за счет максимального повышения эффективности гребного винта на высоких скоростях можно достичь максимально возможной скорости. Эффективный угол атаки уменьшается с увеличением скорости полета, поэтому на высоких скоростях требуется более крупный шаг.
Требования к изменению шага демонстрируются характеристиками гребного винта во время соревнований Schneider Trophy в 1931 году. Используемый Fairey Aviation Company гребной винт фиксированного шага остановился при съемке -откл до 160 миль в час на пути к максимальной скорости 407,5 миль в час. Очень широкий диапазон скоростей был достигнут потому, что некоторые из обычных требований к летно-техническим характеристикам самолета не применялись. Не было никаких компромиссов в отношении максимальной скорости, взлетная дистанция не ограничивалась доступной длиной взлетно-посадочной полосы и не требовалось набора высоты.
Лопасти переменного шага, используемые на Туполев Ту-95 приведите его в движение со скоростью, превышающей максимальную, когда-то считавшуюся возможной для винтового самолета с исключительно крупным шагом.
Вид в разрезе винта Hamilton Standard. Этот тип винта с постоянной скоростью вращения использовался на многих американских истребителях, бомбардировщиках и транспортных самолетах Второй мировой войны Ранние настройки управления шагом управлялись пилотом, либо с небольшим количеством предустановленных положений, либо с плавной регулировкой.
Простейшим механизмом является винт, регулируемый с земли, который можно регулировать на земле, но фактически он является винтом фиксированного шага в воздухе. Подпружиненный «двухскоростной» винт VP настраивается на точное взлетное состояние, а затем срабатывает на грубое движение один раз в крейсерском режиме, пропеллер остается грубым до конца полета.
После Первой мировой войны были разработаны автоматические пропеллеры 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. Автоматические винты имели то преимущество, что они были простыми, легкими и не требовали внешнего управления, но характеристики конкретного винта было трудно сопоставить с характеристиками силовой установки самолета.
Самым распространенным гребным винтом переменного шага является винт постоянной скорости. Это контролируется гидравлическим блоком постоянной скорости (CSU). Он автоматически регулирует шаг лопастей, чтобы поддерживать постоянные обороты двигателя при любой заданной настройке управления мощностью. Пропеллеры с постоянной скоростью позволяют пилоту устанавливать скорость вращения в соответствии с потребностями в максимальной мощности двигателя или максимальной эффективности, а регулятор гребного винта действует как контроллер с обратной связью для изменения гребного винта. угол тангажа, необходимый для поддержания выбранной частоты вращения двигателя. В большинстве самолетов эта система является гидравлической, а гидравлической жидкостью служит моторное масло. Однако пропеллеры с электрическим управлением были разработаны во время Второй мировой войны и широко использовались на военных самолетах, а недавно стали возрождаться и на самолетах отечественной постройки.
Другой конструкцией является V-Prop, который имеет автономное питание и самоуправление.
Пропеллер на подвесном двигателе TP400 турбовинтовой самолет Airbus A400M На большинстве гребных винтов с изменяемым шагом лопасти можно вращать параллельно потоку воздуха для остановите вращение гребного винта и уменьшите сопротивление при выходе из строя или преднамеренной остановке двигателя. Это называется оперением, термин заимствован из гребля. На однодвигательных самолетах, будь то планер с двигателем или самолет с турбинным двигателем, эффект заключается в увеличении планируемой дальности. На многомоторном самолете регулировка винта на неработающем двигателе снижает сопротивление и помогает самолету поддерживать скорость и высоту с работающими двигателями.
Большинство систем флюгирования для поршневых двигателей обнаруживают падение давления масла и перемещают лопасти в направлении положения флюса, и требуют, чтобы пилот потянул рычаг управления воздушным винтом назад, чтобы отсоединить стопорные штифты большого шага до того, как двигатель перейдет в режим холостого хода. об / мин. Турбовинтовые системы обычно используют датчик отрицательного крутящего момента в понижающей коробке передач, который перемещает лопасти в направлении оперения, когда двигатель больше не передает мощность на воздушный винт. В зависимости от конструкции пилоту, возможно, придется нажать кнопку, чтобы отменить упоры с высоким шагом 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 называется бета-питчем. Обратная тяга используется для снижения скорости самолета после приземления и особенно полезна при посадке на мокрую взлетно-посадочную полосу, поскольку торможение колес снижает эффективность. В некоторых случаях обратный тангаж позволяет самолету рулить задним ходом - это особенно полезно для вывода гидросамолетов из закрытых доков.
Винты встречного вращения Винты встречного вращения иногда используются на двухмоторных и многодвигательных самолетах с крыльевыми двигателями. Эти пропеллеры вращаются в противоположных направлениях от своего аналога на другом крыле, чтобы уравновесить эффекты крутящего момента и p-фактора. Их иногда называют винтами с «ручным управлением», поскольку каждый винт бывает левосторонним и правосторонним.
Обычно пропеллеры на обоих двигателях большинства обычных двухмоторных самолетов вращаются по часовой стрелке (если смотреть с задней стороны самолета). Чтобы устранить проблему с критическим двигателем , винты с противовращением обычно вращаются «внутрь» к фюзеляжу - по часовой стрелке на левом двигателе и против часовой стрелки на правом - но есть исключения (особенно во время World Вторая мировая война ), такие как P-38 Lightning, который вращался "наружу" от фюзеляжа времен Второй мировой войны, и Airbus A400, у которого вращаются внутренние и внешние двигатели в противоположных направлениях даже на одном крыле.
Пропеллер встречного вращения или контр-пропеллер размещает два вращающихся в противоположных направлениях пропеллера на концентрических приводных валах таким образом, чтобы один находился непосредственно «ниже по потоку» от другого пропеллера. Это обеспечивает преимущества воздушных винтов встречного вращения для одной силовой установки. Передний гребной винт обеспечивает большую часть тяги, в то время как задний гребной винт также восстанавливает энергию, потерянную при вихревом движении воздуха в воздушной струе пропеллера. Противовращение также увеличивает способность гребного винта поглощать мощность от данного двигателя без увеличения его диаметра. Однако дополнительные затраты, сложность, вес и шум системы редко делают ее стоящей, и она используется только в высокопроизводительных типах, где конечная производительность важнее эффективности.
Вентилятор - это пропеллер с большим количеством лопастей. Следовательно, 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 серией скачков уплотнения, а не одной. Поместив вентилятор в профилированный канал, можно создать определенные схемы потока в зависимости от скорости полета и характеристик двигателя. Когда воздух входит в воздуховод, его скорость уменьшается, а давление и температура повышаются. Если самолет движется с высокой дозвуковой скоростью, это дает два преимущества: воздух поступает в вентилятор с более низкой скоростью Маха; а более высокая температура увеличивает локальную скорость звука. Хотя есть потеря эффективности, поскольку вентилятор использует меньшую площадь свободного потока и, следовательно, использует меньше воздуха, это уравновешивается тем, что канальный вентилятор сохраняет эффективность на более высоких скоростях, когда эффективность обычного гребного винта была бы низкой. Канальный вентилятор или пропеллер также имеет определенные преимущества на более низких скоростях, но воздуховод должен иметь форму, отличную от формы для полета на более высокой скорости. Вбирается больше воздуха, поэтому вентилятор работает с эффективностью, эквивалентной более крупному воздушному винту без воздуховода. Шум также снижается за счет воздуховода, и в случае отсоединения лезвия воздуховод поможет сдержать повреждение. Однако воздуховод добавляет вес, стоимость, сложность и (в определенной степени) сопротивление.
 | На Викискладе есть средства массовой информации, связанные с Воздушными винтами. |
