Геометрические и кинематические характеристики воздушных винтов

Лекция 15

Тема 4. Аэродинамические характеристики  самолетных винтов

4.1. Геометрические  и кинематические характеристики воздушных винтов.

4.4. Серийные диаграммы винтов. Винты изменяемого шага

Серийная диаграмма - это зависимости =f() при различных углах установки лопастей . На нее же наносятся линии равных КПД

Рис.4.11

         Серийные диаграммы используются для аэродинамического расчета винтовых самолетов и подбора винта.

         Винт фиксированного шага имеет недостатки:

Рекомендуемые материалы

         -обеспечивает высокий КПД в узкой области значений ;

         -позволяет снимать полную мощность с двигателя только на одном режиме, а на других режимах он либо "тяжелый", либо "легкий" для двигателя.

         В идеале желательно было бы реализовать оптимальный максимально возможный КПД при всех значениях .

         Реализовать оптимальный винт на практике невозможно, т.к. для него при изменении  изменяется .

         Так как

,

то для сохранения N=const необходимо изменять либо n_c, либо D, что конструктивно решить пока не удается.

         Поэтому на практике применяются ВИШ, реализующие программу

         n_c =const, =const, N=const

         путем установки автомата - регулятора частоты вращения.

4.5. Подбор винта к самолету

Задача подбора винта к самолету формулируется так: для самолета с заданными аэродинамическими характеристиками и с двигателем, характеристики которого заданы, требуется подобрать винт из имеющихся в наличии, обеспечивающий при заданных расчетных условиях наибольший к.п.д. При этом предполагается, что характеристики винта в виде серийной диаграммы известна или может быть получена экспериментально. Расчетные условия в зависимости от типа самолета могут быть следующие.

1.Режим максимальной скорости полета. В этом случае винт подбирается так, чтобы  обеспечить наибольшую из возможных скоростей горизонтального полета на расчетной высоте.

          2.Режим взлета самолета. Для этого режима винт подбирается так, чтобы при данной полезной нагрузке (определенной взлетной массе) он обеспечивал самолету наименьшую длину разбега.

          3.Режим наибольшей дальности полета. В этом случае винт подбирают из условия наибольшей дальности полета самолета.

          Подбирая винт на тот или иной режим полета, следует проверить, чтобы полученные значения к.п.д. были удовлетворительными и на не расчетных режимах полета. Исходными величинами при подборе винта являются скорость V_расч , заданная высота полета, то есть плотность воздуха ρ, мощность двигателя N_{расч ,} частота вращения винта n_расч.

          При подборе винта вначале выбирают его тип и отбирают серийную диаграмму. Затем задаются рядом значений диаметров D_i, вычисляют коэффициенты скорости и мощности, соответствующие заданным значениям D_i.

                                          λ_i=,  =       

По определенным значениям λ_i и β_i на серийной диаграмме строят зависимости =(λ) (рис.4.12, кривые 1,2,3). Если кривая 3 проходит через область максимальных к.п.д., то винт выбран правильно.

                В этом случае строят график η=η(D) (рис.4.13), снимая η с серийной диаграммы. Диаметр, соответствующий максимальному к.п.д., является оптимальным.

                                              Рис.4.12                                                        Рис.4.13

 

                  На к.п.д. винта при наличии волновых потерь очень сильно влияют следующие факторы: число M (максимальное), при котором работают лопасти винта, относительная толщина лопастей, угол атаки сечений лопастей. Учет влияния волновых потерь на к.п.д. винта выполняется по специальной методике.

                        В авиационной практике наибольшее распространение получили винты ВИШ, у которых в полете с изменением скорости углы установки лопасти (шаг) изменяются так, что при полете на постоянной высоте (ρ=const) и постоянной частоте вращения двигателя (винта) n_с=const коэффициент мощности =const. Эти винты не обеспечивают максимально возможного к.п.д. на всех режимах полета, но они значительно лучше по к.п.д., чем винты ВФШ.    

4.6. Соосные винты. Реверсирование и флюгирование винтов

Современные винты устанавливаются, как правило, на самолетах с большим диапазоном скоростей полета и предназначены для снятия с вала турбовинтового двигателя (ТВД) достаточно больших мощностей — до десятков тысяч киловатт. Широкое распространение воздушных винтов в качестве движителей для современных до звуковых самолетов объясняется тем, что винтовые самолеты, как показывает опыт эксплуатации, имеют более высокую экономичность силовой установки (меньше расход топлива). Более высокая экономичность силовой установки с турбовинтовыми (ТВД) или турбовинтовентиляторными (ТВВД) двигателями по сравнению с турбореактивными двигателями. (ТРДД) объясняется меньшими потерями мощности при создании тяги, то есть более высоким к. п. д. в диапазоне чисел М=0,5 ... 0,8 (рис.4.14). При этом обычные воздушные винты более эффективны до чисел М<0,75, винтовентиляторы — при числах М=0,75 ... 0,8.

Рис.4.14

                Частота вращения винта n_c во время работы на расчетном режиме практически не меняется, следовательно, коэффициент скорости λ=с изменением скорости полета изменяется в широких пределах. При определенных условиях это может повлечь за собой значительное уменьшение к.п.д. винта. Отсюда вытекает необходимость обеспечивать при всех значениях высоты и скоростей полета достаточно высокий к.п.д. винта, особенно для винтов, снимающих с вала двигателя большую мощность (для тяжелых самолетов).

                  Обеспечение высоких значений к.п.д. воздушных винтов и снятие больших мощностей с вала ТВД реализуется несколькими путями в зависимости от того, является винт дозвуковым или сверхзвуковым.

                   Если полетные числа М<0,8, то предпочитают дозвуковые винты с тем, чтобы волновые явления на лопастях не уменьшали резко к.п.д. силовой установки с ТВД. Но требование сохранения докритического обтекания на винте накладывает ограничение на частоту вращения n_c и диаметр D, особенно для тяжёлых самолетов, поскольку у них необходимо снимать с двигателей большую мощность, а она пропорциональна указанным параметрам. Кроме того, реализация винтов большого диаметра сопряжена с большими конструктивными трудностями.

                  Ограничение по частоте вращения винта требует большой редукции оборотов свободной турбины ТВД, что приводит к конструктивным трудностям, росту массы редуктора и т. п. Можно также увеличивать снимаемую мощность (коэффициент р) за счет увеличения количества лопастей и их хорды (ширины), однако это приводит к увеличению взаимного влияния лопастей и соответствующему росту сопротивления. Коэффициент η начинает уменьшаться, что невыгодно, так как тяга винта падает, несмотря на увеличение снимаемой мощности.

                      Из-за наличия у тяжелых самолетов с ТВД указанных особенностей достаточно широкое применение на них получили соосные воздушные винты. Соосные винты, как уже было указано, представляют собой комбинацию из двух расположенных друг за другом одинаковых винтов, вращающихся вокруг одной оси в противоположных направлениях (рис.4.15). Отличаются винты только тем, что угол установки заднего винта , больше угла установки переднего винта , на 1... 1,5˚ (передний винт закручивает поток). Впервые соосные винты были установлены на самолете русским изобретателем А. Г. Уфимцевым.

                                      Рис.4.15                                       Рис.4.16

                     Соосные винты снимают с вала двигателя мощность, почти в два раза большую, чем один винт такого же диаметра. При этом они имеют более высокий к.п.д., так как при вращении в разные стороны поток не закручивается (рис.4.16). Достоинством соосных винтов также является отсутствие на валу двигателя реактивного момента. К недостаткам соосных винтов относится то, что они имеют более сложную систему передачи крутящего момента с вала двигателя и выполняются, как правило, дозвуковыми. Ограничение по скорости обтекания сечений лопастей вызвано опасностью появления вибраций лопастей из-за взаимодействия скачков уплотнения, возникающих при cвepxзвуковом обтекании сечений.

                      Выше, при изучении физических принципов создания тяги воздушным винтом было установлено, что в зависимости от условия обтекания винт может создавать максимальную (расчетную) положительную силу (тягу), так и примерно такую же максимальную отрицательную силу (отрицательную тягу).

                      Если по какой-либо причине винт будет работать на нерасчетном режиме максимальной отрицательной тяги, то это нежелательно, так как значительно растет лобовое сопротивление самолета. Если же двигатель размещен далеко от плоскости симметрии самолета (крайний двигатель у многодвигательного самолета при несимметричном выключении), то это наиболее опасный случай, так как появится значительный по величине неуравновешенный путевой момент (момент рыскания), обусловленный сопротивлением (отрицательной тягой) винта, работающего на нерасчетном режиме. Момент рыскания обуславливает появление кренящего момента, что опасно для неманевренных самолетов. Если винты соосные, то проблема только усугубляется, так как дополнительная сила и момент будут более значительными по абсолютной величине.

                         Для уменьшения сопротивления винтов предусматривается постановка лопастей во флюгерное положение (рис.4.17), то есть на углы установки лопастей =85˚... 87˚. Сопротивление и разворачивающий момент самолета резко уменьшаются до приемлемых значений, горизонтальный полет (или другой расчетный режим полета) может быть продолжен.

                                         Рис.4.17                                            Рис.4.18

               Наибольшую опасность представляет отказ двигателя на взлете, на этом же режиме наиболее актуальна необходимости автоматического флюгирования. На рис. 4.18 показано измене при автоматическом флюгировании его лопастей для самолета Ан-12 после отказа двигателя, работавшего на режиме номинальной мощности. Видно, что через 4...6 с после начала флюгирования тяга после колебания, вызванного увеличением угла установки лопастей, стабилизируется на небольшой отрицательной величине, соответствующей флюгерному положению лопасти.

                         Винты тяжелых самолетов делаются, как правило, реверсивными, т. е. могут при работающем двигателе создавать отрицательную тягу. Для этого лопасти винта переводятся на отрицательный угол установки = -25˚...-30˚ (рис. 4.19). Использование на пробеге отрицательной тяги может значительно уменьшить длину пробега.

                          На аэродинамические характеристики самолетов с воздушными винтами, особенно многодвигательных, значительное, влияние оказывает струя винта — объем воздуха, получающий вследствие воздействия винта дополнительную скорость.

                                       Рис.4.19                                                      Рис.4.20

              

                 Рассмотрим физическую природу этого явления. Для этого изучим изменение параметров потока в струе, проходящей через винт (рис.4.20). Вдали от плоскости вращения винта скорость V, давление р. За счет подсасывания воздуха перед винтом и отбрасывания за ним скорость в струе будет возрастать до V+2V_а, а давление перед винтом (в зоне подсасывания) будет сначала уменьшаться от р до р₁<р за счет сужения струи, а затем возрастать до р₂>р за счет сообщения струе дополнительной энергии.

                          Если винт расположен перед крылом, корпусом, мотогондолой, то поток ими тормозится, давление увеличивается, к.п.д. винта несколько возрастает.

                          Но по этой же причине, из-за повышения давления на лобовых частях крыла, мотогондолы растет и сопротивление самолета вследствие влияния винта. Кроме этого, сопротивление возрастает из-за увеличения скоростного напора в струе по сравнению с напором невозмущенного потока.

                           В результате обдувки крыла струей от винта изменяется давление на его поверхности. Если струя проходит над верхней поверхностью, то давление уменьшается, если над нижней поверхностью при отклоненной механизации, то давление увеличивается. Коэффициент подъемной силы по этой причине возрастает, степень его роста может быть различной в зависимости от взаимного положения крыла и винта. Если же струя проходит под крылом при неотклоненной механизации, то подъемная сила, как правило, уменьшается.

                           При наличии угла атаки самолета за счет составляющей скорости V_y, перпендикулярной оси винта, создается нормальная сила У, действующая на винт и направленная вверх (рис.4.21). Так как винт располагается впереди центра масс, то эта сила создает дестабилизирующий (положительный при >0) момент М_z, возрастающий с увеличением угла атаки.

38 Основные понятия и определения - лекция, которая пользуется популярностью у тех, кто читал эту лекцию.

                                             Рис.4.21                                                     Рис.4.22                          

                На современных и перспективных самолетах возможно применение воздушных винтов, работающих в кольце. Имеется ряд схем системы «винт в кольце», одна из них представлена на рис.4.22. Меняя геометрию (профиль) кольца и расположение винта в нем, можно получить направленную вперед дополнительную осевую силу, как за счет влияния винта на кольцо, так и за счет влияния кольца на воздушный винт.

              Как было уже указано, в диапазоне чисел М=0,75...0,8 наиболее эффективны ТВВД (рис.4.13). Для практического применения винтовентиляторов необходимо решение ряда проблем, возникающих в связи с необходимостью обеспечить нормативные требования по шуму и вибрациям в самолете, с раз- работкой технологии изготовления лопастей из композиционных материалов, систем автоматического управления углом установки лопастей при внезапных отказах двигателей и др.