Аэродинамика самолета, страница 11

65, а, нетрудно заметить, что:когда воздушный винт вращается, а поступательная скорость равна нулю (V=0), то каждый элементлопасти винта имеет угол атаки, равный углу установки элемента лопасти ϕ;при поступательном движении воздушного винта угол атаки элемента лопасти винта отличается отугла наклона элемента лопасти винта (становится меньше его);угол атаки будет тем больше, чем больше угол установки элемента лопасти винта;результирующая скорость вращения элемента лопасти винта W равна геометрической суммепоступательной и вращательной скоростей и находится по правилу прямоугольного треугольникаW = V 2 +U 2,(3.5)чем больше вращательная скорость, тем больше угол атаки элемента лопасти воздушного винта. Инаоборот, чем больше поступательная скорость воздушного винта, тем меньше угол атаки элемента лопастивоздушного винта.В действительности картина получается сложнее.

Так как винт засасывает и вращает воздух,отбрасывает его назад, сообщая ему дополнительную скорость v, которую называют скоростьюподсасывания. В результате истинная скорость W' будет по величине и направлению отличаться отскорости подсасывания, если их сложить геометрически. Следовательно, и истинный угол атаки α' будетотличаться от угла α (Рис. 65, б).Анализируя вышесказанное, можно сделать выводы:при поступательной скорости V=0 угол атаки максимальный и равен углу установки лопастивинта;при увеличении поступательной скорости угол атаки уменьшается и становится меньше углаустановки;при большой скорости полета угол атаки лопастей может стать отрицательным;чем больше скорость вращения воздушного винта, тем больше угол атаки его лопасти;АЭРОДИНАМИКА САМОЛЕТА46если скорость полета неизменна и обороты двигателя уменьшаются, то угол атаки уменьшаетсяи может стать отрицательным.Сделанные выводы объясняют, как изменяется сила тяги винта неизменяемого шага при изменениискорости полета и числа оборотов.Сила тяги винта возникает в результате действия аэродинамической силы ΔR на элемент лопастивинта при его вращении (Рис.

66).Разложив эту силу на две составляющие, параллельную оси вращения и параллельную плоскостивращения, получим силу ЛР и силу сопротивления вращению ΔХ элемента лопасти винта.Суммируя силу тяги отдельных элементов лопасти винта и приложив ее к оси вращения, получимсилу тяги винта Р.Тяга винта зависит от диаметра винта Д, числа оборотов в секунду n, плотности воздуха ρ иподсчитывается по формуле (в кгс или Н)Р = αρnс2 Д 4 ,(3.6)где α - коэффициент тяги винта, учитывающий форму лопасти в плане, форму профиля и углаатаки, определяется экспериментально. Коэффициент тяги воздушного винта самолетов Як-52 и Як-55В530ТА-Д35 равен 1,3.Таким образом, сила тяги винта прямо пропорциональна своему коэффициенту, плотности воздуха,квадрату числа оборотов винта в секунду и диаметру винта в четвертой степени.Так как лопасти винта имеют геометрическую симметрию, то величины сил сопротивления иудаления их от оси вращения будут одинаковые.Сила сопротивления вращению определяется по формулеX В = СXЛSW 2SЛ К,2(3.7)где Схл - коэффициент сопротивления лопасти, учитывающий ее форму в плане, форму профиля,угол атаки и качество обработки поверхности;W - результирующая скорость, м/с;Sл - площадь лопасти;К - количество лопастей.Рис.

66 Аэродинамические силы воздушного винтаАЭРОДИНАМИКА САМОЛЕТА47Рис. 67. Режимы работы воздушного винтаСила сопротивления вращению винта относительно его вращения создает момент сопротивлениявращению винта, который уравновешивается крутящим моментом двигателя:Мтр=Хвrв(3.8)Крутящий момент, создаваемый двигателем, определяется (в кгс-м) по формулеМ кр = 716,2Nе,n(3.9)где Ne-эффективная мощность двигателя.Рассмотренный режим называется режимом положительной тяги винта, так как эта тяга тянетсамолет вперед (Рис.

67, а). При уменьшении угла атаки лопастей уменьшаются силы Р и Х (уменьшаетсятяга винта и тормозящий момент). Можно достичь такого режима, когда Р=0 и X=R. Это режим нулевойтяги (Рис. 67, б).При дальнейшем уменьшении угла атаки достигается режим, когда винт начнет вращаться не отдвигателя, а от действия сил воздушного потока. Такой режим называется самовращением винта илиавторотацией (Рис. 67, в).При дальнейшем уменьшении угла атаки элементов лопасти винта получим режим, на котором силасопротивления лопасти винта Х будет направлена в сторону вращения винта, и при этом винт будет иметьотрицательную тягу.

На этом режиме винт вращается от набегающего воздушного потока и вращаетдвигатель. Происходит раскрутка двигателя, этот режим называется режимом ветряка (Рис. 67, г).Режимы самовращения и ветряка возможны в горизонтальном полете и на пикировании.На самолетах Як-52 и Як-55 эти режимы проявляются при выполнении вертикальных фигур вниз намалом шаге лопасти винта. Поэтому рекомендуется при выполнении вертикальных фигур вниз (при разгонескорости более 250 км/ч) винт затяжелять на 1/3 хода рычага управлением шага винта.ЗАВИСИМОСТЬ ТЯГИ ВИНТА ОТ СКОРОСТИ ПОЛЕТА.

ВЛИЯНИЕ ВЫСОТЫ ПОЛЕТА НАТЯГУ ВИНТАС увеличением скорости полета углы атаки лопасти винта, неизменяемого шага и фиксированного,быстро уменьшаются, тяга винта падает. Наибольший угол атаки лопасти винта будет на скорости полета,равной нулю, при полных оборотах двигателя.Соответственно уменьшается тяга воздушного винта до нулевого значения и далее становитсяотрицательной. Раскручивается вал двигателя. Чтобы предупредить раскрутку винта, уменьшают оборотыдвигателя. Если двигатель не дросселировать, то может произойти его разрушение.Зависимость тяги винта В530ТА-Д35 от скорости полета изображена на графике Рис.

68. Для егопостроения замеряют тягу воздушного винта при разных скоростях. Полученный график называетсяхарактеристикой силовой установки по тяге.ВЛИЯНИЕ ВЫСОТЫ ПОЛЕТА НА ТЯГУ ВИНТА.Выясняя зависимость тяги от скорости полета, рассматривалась работа винта на неизменной высоте припостоянной плотности воздуха. Но при полетах на разных высотах плотность воздуха влияет на тягу воздушного винта.С увеличением высоты полета плотность воздуха падает, соответственно пропорционально будет падать и тяга винта(при неизменных оборотах двигателя). Это видно при анализе формулы (3.6).АЭРОДИНАМИКА САМОЛЕТА48Рис.

68 Характеристика силовой установки М-14П по тяге (для Н=500 м) самолетов Як-52 и Як-55 своздушным винтом В530ТА-Д35Рис. 69 Тормозящий момент воздушного винта и крутящий момент двигателяТОРМОЗЯЩИЙ МОМЕНТ ВИНТА И КРУТЯЩИЙ МОМЕНТ ДВИГАТЕЛЯ.Как ранее рассматривалось, тормозящий момент винта противодействует крутящему моментудвигателя.Для того чтобы винт вращался с постоянными оборотами, необходимо, чтобы тормозящий моментМт, равный произведениюХ ⋅ е , был равен крутящему моменту двигателя Мкр, равному произведениюFd,.т.е. Мт=Мкр или Х ⋅ е =Fd (Рис. 69). Если это равенство будет нарушено, то двигатель будет уменьшатьобороты или увеличивать.Увеличение оборотов двигателя приводит к увеличению Мкр и наоборот.

Новое равновесиеустанавливается на новых оборотах двигателя.МОЩНОСТЬ, ПОТРЕБНАЯ НА ВРАЩЕНИЕ ВОЗДУШНОГО ВИНТАЭта мощность затрачивается на преодоление сил сопротивления вращению винта.Формула для определения мощности воздушного винта (в л. с.) имеет вид:N ВР =гдеβ75⋅ ρтС Д 5 ,3(3.10)β - коэффициент мощности, зависящий от формы воздушного винта, числа лопастей, угла установки,λ=формы лопасти в плане, от условия работы воздушного винта (относительной поступи)ΔV).nC ДИз формулы (3.10) видно, что потребная мощность для вращения воздушного винта зависит откоэффициента мощности, от скорости и высоты полета, оборотов и диаметра воздушного винта.С увеличением скорости полета уменьшается угол атаки элемента лопасти воздушного винта,количество отбрасываемого назад воздуха и его скорость, поэтому уменьшается и потребная мощность навращение воздушного винта. С увеличением высоты полета плотность воздуха уменьшается и потребная навращение воздушного винта мощность также уменьшается.С увеличением оборотов двигателя увеличивается сопротивление вращению воздушного винта ипотребная мощность на вращение воздушного винта увеличивается.АЭРОДИНАМИКА САМОЛЕТА49Воздушный винт, вращаемый двигателем, развивает тягу и преодолевает лобовое сопротивлениесамолета, самолет движется.Работа, производимая силой тяги воздушного винта за 1 с при движении самолета, называется тягойили полезной мощностью воздушного винта.Тяговая мощность воздушного винта определяется по формулеNВ =PBV,75(3.11)где Рв - тяга, развиваемая воздушным винтом; V-скорость самолета.С увеличением высоты и скорости полета тяговая мощность воздушного винта уменьшается.