Аэродинамика самолета, страница 12

Приработе воздушного винта, когда самолет не движется, развивается максимальная тяга, но тяговая мощностьпри этом равна нулю, так как скорость движения равна нулю.КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ВОЗДУШНОГО ВИНТА. ЗАВИСИМОСТЬ КПД ОТВЫСОТЫ И СКОРОСТИ ПОЛЕТАЧасть энергии вращения двигателя затрачивается на вращение воздушного винта и направлена напреодоление сопротивления воздуха, закрутку отбрасываемой струи и др. Поэтому полезная секунднаяработа, или полезная тяговая мощность винта, NB, будет меньше мощности двигателя Ne, затраченной навращение воздушного винта.Отношение полезной тяговой мощности к потребляемой воздушным винтом мощности(эффективной мощности двигателя) называется коэффициентом полезного действия (кпд) воздушного винтаи обозначается η. Он определяется по формулеηВ =NB.Nе(3.12)Рис.

70 Характеристики по мощности двигателя М-14П самолетов Як-52 и Як-55Рис. 71 Примерный вид кривой изменения располагаемой мощности в зависимости от скоростиполетаАЭРОДИНАМИКА САМОЛЕТА50Рис. 72 Высотная характеристика двигателя М-14П на режимах 1 - взлетный, 2- номинальный 1, 3 номинальный 2, 4 - крейсерский 1; 5 - крейсерский 2Величина КПД воздушного винта зависит от тех же факторов, что и тяговая мощность воздушноговинта.КПД всегда меньше единицы и достигает у лучших воздушных винтов величины 0,8...0,9.График зависимости располагаемой эффективной мощности от скорости полета для самолетов Як52 и Як-55 изображен на Рис.

70.График Рис. 71 называется характеристикой силовой установки по мощности.При V=0, Np=0; при скорости полета V=300 км/ч, Np= =275 л.с. (для самолета Як-52) и V=320 км/ч,Np=275 л. с. (для самолета Як-55), где Np - потребная мощность.С увеличением высоты эффективная мощность падает вследствие уменьшения плотности воздуха.Характеристика изменения ее для самолетов Як-52 и Як-55 от высоты полета Н изображена на Рис. 72.Для уменьшения скорости вращения воздушного винта в двигателе применяется редуктор.Степень редукции подбирается таким образом, чтобы на номинальном режиме концы лопастейобтекались дозвуковым потоком воздуха.ВИНТЫ ИЗМЕНЯЕМОГО ШАГАДля устранения недостатков воздушных винтов неизменяемого шага и фиксированногоприменяется воздушный винт изменяемого шага (ВИШ).

Основоположником теории ВИШ являетсяВетчинкин.ТРЕБОВАНИЯ К ВИШ:ВИШ должен устанавливать на всех режимах полета наивыгоднейшие углы атаки лопастей;снимать с двигателя номинальную мощность на всем рабочем диапазоне скоростей и высот;сохранять максимальное значение коэффициента полезного действия на возможно большемдиапазоне скоростей.Лопасти ВИШ либо управляются специальным механизмом, либо устанавливаются в нужноеположение под влиянием сил, действующих на воздушный винт. В первом случае это гидравлические иэлектрические воздушные винты, во втором - аэродинамические.Гидравлический винт - воздушный винт, у которого изменение угла установки лопастейпроизводится давлением масла подаваемого в механизм, находящийся во втулке винта.Электрический винт - воздушный винт, у которого изменение угла установки лопастейпроизводится электродвигателем, соединенным с лопастями механической передачей.Аэромеханический винт - воздушный винт, у которого изменение угла установки лопастейпроизводится автоматически - аэродинамическими и центробежными силами.Наибольшее распространение получили гидравлические ВИШ.

Автоматическое устройство ввинтах изменяемого шага предназначено для сохранения постоянными заданных оборотов воздушноговинта (двигателя) путем синхронного изменения угла наклона лопастей при изменении режима полета(скорости, высоты) и называется регулятором постоянства оборотов (РПО).АЭРОДИНАМИКА САМОЛЕТА51Рис. 73 Работа воздушного винта изменяемого шага В530ТА-Д35 при разных скоростях полетаРПО совместно с механизмом поворота лопастей изменяет шаг винта (угол наклона лопастей)таким образом, чтобы обороты, заданные летчиком с помощью рычага управления ВИШ, при изменениирежима полета оставались неизменными (заданными).При этом следует помнить, что обороты будут сохраняться до тех пор, пока эффективная мощностьна валу двигателя Ne будет больше мощности, потребной для вращения воздушного винта при установкелопастей на самый малый угол наклона (малый шаг).На Рис.

73 показана схема работы ВИШ.При изменении скорости полета от взлетной до максимальной в горизонтальном полете уголустановки лопастей ϕ возрастает от своего минимального значения ϕмин до максимального ϕмакс (большойшаг). Благодаря этому углы атаки лопасти изменяются мало и сохраняются близкими к наивыгоднейшим.Работа ВИШ на взлете характерна тем, что на взлете используется вся мощность двигателя развивается наибольшая тяга.

Это возможно при условии, что двигатель развивает максимальные обороты, акаждая часть лопасти винта развивает наибольшую тягу, имея наименьшее сопротивление вращению.Для этого необходимо, чтобы каждый элемент лопасти воздушного винта работал на углах атаки,близких к критическому, но без срыва воздушного потока.

На Рис. 73, а видно, что угол атаки лопасти передвзлетом (V=0) за счет перетекания воздуха со скоростью ΔV немного отличается от угла наклона лопасти навеличину фмин. Угол атаки лопасти соответствует величине максимальной подъемной силы.Сопротивление вращению достигает в этом случае величины, при которой мощность, расходуемаяна вращение винта, и эффективная мощность двигателя сравниваются и обороты будут неизменными.

Сувеличением скорости угол атаки лопастей воздушного винта уменьшается (Рис. 73, б). Уменьшаетсясопротивление вращению и воздушный винт как бы облегчается. Обороты двигателя должны возрастать, ноРПО удерживает их за счет изменения угла атаки лопастей постоянными. По мере увеличения скоростиполета лопасти разворачиваются на больший угол ϕср.При выполнении полета на максимальной скорости ВИШ также должен обеспечиватьмаксимальное значение тяги. При полете на максимальной скорости угол наклона лопастей имеетпредельное значение рмакс (Рис.

73, в). Следовательно, при изменении скорости полета происходитизменение угла атаки лопасти, при уменьшении скорости полета угол атаки увеличивается - винтзатяжеляется, при увеличении скорости полета угол атаки уменьшается - винт облегчается. РПОавтоматически переводит лопасти винта на соответствующие углы.При увеличении высоты полета мощность двигателя уменьшается и РПО уменьшает угол наклоналопастей, чтобы облегчить работу двигателя, и наоборот. Следовательно, РПО удерживает оборотыдвигателя с изменением высоты полета постоянными.При заходе на посадку воздушный винт устанавливается на малый шаг, что соответствует оборотамвзлетного режима.

Это дает возможность летчику при выполнении всевозможных маневров на глиссадепосадки получить взлетную мощность двигателя при увеличении оборотов до максимальных.ДЕЙСТВИЕ НА ЛОПАСТЬ ВИНТА СОБСТВЕННЫХ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ СИЛПри рассмотрении действия на лопасть воздушного винта собственных центробежных сил выделимв поперечном сечении элемента лопасти два небольших объема, расположенных в передней и задней частяхсечения (Рис. 75).АЭРОДИНАМИКА САМОЛЕТА52Во время вращения воздушного винта на массы, заключенные в этих объемах, действуютцентробежные силы Рц1 и Рц2, приложенные к их центрам тяжести и направленные по радиусам вращенияr1 и г2.Раскладывая эти центробежные силы на составляющие, направленныеперпендикулярно оси поворота лопасти, проанализируем их взаимодействие.параллельноиРис.

74 Характер действия на лопасть воздушного винта собственных центробежных силПродольная сила X, направленная параллельно оси поворота лопасти, стремится вырвать лопасть излопастного стакана, вызывая растяжение лопасти. Поперечная сила Т, направленная перпендикулярно осиповорота лопасти, стремится повернуть лопасть в сторону уменьшения угла установки ϕ (Поперечные силыT1 и Т2 создают моменты Мл1 и Мл2 лопасти, которые зависят от их массы, числа оборотов воздушноговинта и установочного угла лопасти ϕ, а также от расстояния объемов от оси поворота лопасти h1 и h2.Максимальное значение его соответствует 0 или 90°.Рассмотрим действие на лопасть винта центробежных сил противовеса (Рис. 74).Центробежные силы противовесов лопастей Рпр приложены в центре тяжести противовесов и направлены порадиусам их вращения.При анализе действия центробежной силы противовеса Рпр раскладываем ее на две составляющие: силу К,направленную параллельно оси лопасть, которая стремится изогнуть кронштейн противовеса, и силу N, направленнуюперпендикулярно оси поворота лопасти, которая стремится повернуть лопасть в сторону увеличения ее угла установкиϕМомент противовеса MПР=Nh(Kгc) зависит от величины массы противовеса, радиуса его вращения, числаоборотов воздушного винта, угла установки лопасти и угла установки противовеса ϕпр.АЭРОДИНАМИКА САМОЛЕТА53Рис.

75 а - характер действия на лопасть воздушного винта центробежных сил лопасти, б аэродинамические силы, действующие на винтАэродинамическая сила R (Рис. 75, б), приложенная в центре давления профиля, создает момент,поворачивающий лопасть в сторону увеличения шага.При увеличении угла установки лопасти ϕ увеличивается и момент аэродинамической силы, но егоабсолютное значение в диапазоне рабочих углов поворота рабочих лопастей небольшое по сравнению свеличинами аэродинамических центробежных моментов лопастей и противовесов.Автоматические воздушные винты с гидравлическим управлением работают по прямой, обратнойили двусторонней схеме.Лопасти винтов, работающих по прямой схеме, на малый шаг переводятся действием давлениямасла и центробежных сил лопастей, на большой шаг - центробежными силами противовесов лопастей иаэродинамическими силами лопастей.Воздушные винты, работающие по двусторонней схеме, переводятся на малый шаг давлениеммасла, центробежными силами лопастей, на большой шаг - давлением масла, центробежными силамипротивовесов и аэродинамическими силами лопастей.АЭРОДИНАМИКА САМОЛЕТА54ВЗАИМНОЕ ВЛИЯНИЕ ВОЗДУШНОГО ВИНТА И САМОЛЕТАВоздушный винт, установленный на самолетах Як-52 и Як-55, при работе испытывает влияние отрасположенных вблизи него частей самолета, при этом уменьшается скорость воздушного потока вплоскости вращения винта, что увеличивает тягу воздушного винта.

Такое изменение тяги характеризуетсявеличиной е, называемой коэффициентом торможения скорости, и входит в виде поправки в относительнуюпоступьλ = λ0 (1 + ε ),(3.13)где λo - поступь изолированного воздушного винта.Величина е всегда больше нуля, поэтому λ > λ0 . С другой стороны, воздушный винт отбрасываетза собой массу воздуха, скорость которого больше скорости полета, увеличивает тем самым лобовоесопротивление частей самолета, находящихся в струе за воздушным винтом. Увеличение сопротивлениясамолета превышает по своей величине прирост тяги. В итоге - влияние обдувки самолета выражаетсяобщим понижением тяги двигательной установки.Кроме того, за счет того, что скорость отбрасываемого воздушного потока воздушным винтомбольше скорости полета, при обтекании частей самолета создается дополнительный прирост подъемнойсилы. Величина ее зависит от площади крыла, скорости полета, мощности силовой установки.Рис.