Т. Карман - Аэродинамика. Избранные темы в их историческом развитии (1161639), страница 36
Текст из файла (страница 36)
67; он сделал поправку, допустив равнозначное относительное удлинение,тля каждой лопасти. Однако к логическому решению задачи нельзя прийти только на основании сочетания теории элемента лопасти и теории количества движения. Проблема подобна той, которая возникает в теории крыльев с конечным относительным удлинением, а именно, необходимо определить эффективную относительную скорость между жцдкостью и профилем крыла по величине и направлению.
Теория количества движения ясно указывает, что осевая скорость потока, проходящего через диск винта, выше, чем скорость впереди винта. С другой стороны. вращающиеся лопасти создают вращение в воздухе, так что момент количества движения вращающегося воздуха должен быть равен вращшощему моменту, действующему на вал Она> воздушного ван>аа н аовлшчввноп ранга>в 175 винта.
Поэтому воздух в плоскости винта вращается в том же направлении,что и лопасти винта. Таким образом, относительная скорость в касательном направлении меньи>е >ш. График на рис. 67 пок>хэь>виет поправку, которую следует применить, чтобы получить соответствующие значения составляющих относительной скорости. С этими составляк>- шими относительной скорости мы можем определить поправки подьемной силы н сопротивления, действуклцих на элемент лопасти, по направлению и величине.
Очевидно, что поправки в составляющих скорости представляют возбужденные скорости; это развитие примитивной теории элемента лопасти Фрудсь аналогично развитию теории крыла, успешно выполненного Прандтлем. Что касается определения возбужденных скоростей, то можно признать два шага в развитии этой теории. Первым шагом явилось соединение теории элемента лопасти и теории количества движения.
Теория количества движения дает возможность рассчитать средние значения возбужденных скоростей. Этот метод тождествен предпш>ожению, согласно которому реальные лопасти заменяются большим количеством неравномерно распределенных лопастей. Он обеспечивает очень удовлетворительные результаты, особенно осли применить поправку, предложенную Прандтлем [б] для влияний концов лопастей. Это уточнение принимает во внимание влияние количества лопастей.
Теорию воздушного винта, кратко описанную на этих страницах, разрабатывали в период с 1918 по 1924 голы Бец [6] и Ггшьмбольд [7] в Германии, Вуд [8] и Глауэрт [8] в Англии, а также Пистолези [9] в Италии. Я мог бы также упомянуть статью, написанную мной совместно с Теодором Биненом в 1924 голу [10]. Второй шаг в развитии теории состоит в непосредственном применении идей Ланчестера — Прандтля к вращающимся присоединенным вихрям, представляющим лопастя винта. Винтовые вихревые псллосы теперь заменяют своб»дные вихревые яцлг>сы теории Прандтля. Эту идею впервые исследовал с математической точки зрения Сидни Гольдстейн в своей докторской диссертации в 1'еттингенском униве1юитете [и]. Гольдстейн стал одним нз ведущих специалистов по аэродинамике в Англии и организовал группу, работающую в области механики жидкостей в Манчестере.
В настоящее время он работает в Технологическом институте в Хайфе. Работу Гвлаьдстейна продолжили два специалиста по аэродинамике из Японии Морин [12] и Канада [13]. 176 Глава 'Р>Г Доставляет удовольствие видеть последовательное уточнение представлений о функционировании простого устройства типа воздушного винта, от аналогии с винтовым домкратом до завершенной теории, основанной на принципах научной механики жидкостей и использующей все математические методы этой науки. С практической точки зрения значительный прогресс достигнут также В кое>струкцР!и Возлу'пшого Винта, Хочу Отметить аВтОматпческое управление по тангажу и реверс тяги; последнее используется в современных самолетах для торможения.
Иногда воздушный винт может войти в реверс тяги, даже если он не предназначен для этого; конструкция, по-видимому, еще не является достаточно совершенной. Последние достижения касак>тся винтов дпя очень высоких скоростей, например, сверхзвуковых. Трудность здесь состоит в том, как мы видели в главе 1У, что лобовое сопротивление на сверхзвуковых скоростях зависит в значительной степени от толщины профиля крыла. Поэтому сверхзвуковой воздушный винт должен иметь очень тонкие лопасти, которые, однако, вызывают трудности возможного колебания и чрезмерной деформации. Таким образом, конструкция таких винтов и поиск подходящих материалов и формы лопастей представляет серьезну ю проблему.
Реактивные двигатели и ракеты В течение почти сорока лет со времени активного полета воздушный винт, приводимый в движение поршневым двигателем внутреннего сгорания, быа единственным необходимым элементом создания силы тяги в воздухе. Конечно, за этн годы поршневой двигатель самолета зннчитепьно усовершенствовался. Например, мы уже говорили, что двигатель, использовавшийся братьями Райт, имел вес 15 фунтов на лошадиную силу:, это соотношение уменьшилось до менее чем одного фунта на лошадинук> силу. Кроме того, сейчас также используется и развивается система новых двигательных установок, конкурирующая с обычными двигателями и воздушным винтом.
В основном, как мы уже говорили, все винтовые устройства основаны на принципе реакции или струи. В основном они отличая>тся видом используемой энергии и способом приведения струи в действие. Энергия для воздушных двигателей может вырабатываться с использованием кислорода атмосферного воздуха в качестве химического От еоздушного еинк>а к космической рике>ие 177 реагента в сочетании с каким-либо топливом, например у> леводородом, таким как бензин или керосин.
Второй класс двигательных установок использует топливные смеси, которые вырабаэ>ь>ван>т энер> ин> без использования атмосферного кислорода. Такие двигательные установки называя>тся ракетами. Наконец. в качестве источников эцергни можно использовать ядерные реакции. Рассмотрим нодробнео эти три класса двигательных установок. Устройства, использующие воздух и топливо, можно разделить по методу запуска струи, реакция которой обеспечивает тягу как движущую силу.
С помощьк> винта струя создается чисто механическим способом. Воздушный винт приводился в действие исключительно двигателями, совершающими возвратно-поступательное движение, т. е. поршневыми двигателями, до тех нор, пока в качестве основного движителя не был создан легковесный газотурбинный двигатель.
Соединение воздушного винта и газовой турбины наэывается турбввинтовым двигателем (ецгЬоргор), не очень подходящее слово для английского языка, но почти повсеместно принятое. Комбинированный дни>атель, который также используется для приведения в действие винтов, является сочетанием поршневого и турбореактивного двигателя. Реактивный двэээатшэь отличается от винтового тем, что струя в нем получается с помощью тепловой энергии, например при горении топлива в атмосферном воздухе. Такие установки называются воздушно-реактивными двигателями.
Основной принцип такого двигателя заклк>чается в вгяработке газа с высоким давлением и высокой температурой, .который, будучи выпущенным из выхлопной трубы, обеспечивает тягу. При появлении этих двигателей обсужлался вопрос, следует лн иснользова|ь в качестве газоэенератора комбинацию порцшевого двигателя и компрессора или газовую турбину. В сегодняпшнх реактивных двигателях используют исклю цпельно газовые турбины. В реактивном двигателе, созда>шом Секондо Кампинн (Бесов>1о Сап>рцй) н установленном в 1940 году на самолете Каьшини — Кацрони (Сапэрэш —.
Саргоп1), использован поршневой двигатель. Однако первым когда-либо полегевшнм реактивным самолетом (1939 год) был немецкий Хенкель 178, где применен тип двигателя, называемый турбореактивным (рис. 68). Основные части такой установки: а) компрессор, который забирает воздух извне и доводит его до определенного давления для того, чтобы сделать сгорание и преобразование тепла в механическую энер- 178 Рис.
68, Принципиальная схема, показывающая элементы турбореактивного дви~ ателя. (11з кнвги М. в. /негож, вв1 Ргври1вьвв авЫ Сав Тпгбввев )соруг1810 1948, Зо1ш УУ11еу аш1 Бовь, 1вс.), с разрешения.) гию более экономичным, б) камера сгорания или топка, где топливо впрыскивается в воздушный поток и сгорает, и в) турбина, которая выполняет две функции.
Первая выходная мсзщпость ее вала достаточна для приведения в движение коьшрессора, вторая -- онв создает струю высокой скорости, которая обеспечивает тягу. Мы видим, что соединение турбины и компрессора, в конечном счете, служит в качестве газогенератора для создания струи. Первый турбореактивный двигатель, описанный выше Не Я-ЗЬ, создал Ганс Иохим Пвбст фон Охайн, инженер, получивший образование в Геттингене и работавший в компании «Хенкель». Этот двигатель вырабатывал почти 1100 фунтов тяги.
Его компрессор был центробежного типа, а турбина имела радиальный впуск. Развитие реактивных дви|втелей в Лнглии и Соединенных Штатах тесно связано с работами сэра Франка Уиттла. Однако я не хочу подробно описывать эту историю, В блестящей монографии Роберта Шлайферв )14) дается очень полное описание рвзрабогок в различных странах в критический период, предвпествовавший Второй мировой войне и во время нее. Некоторые из компонентов турбореактивных двигателей, типа центробежного компрессора и *урбины, использовались ранее в качестве частей обычных двигателей, а именно, в нагнетателях поршневых двигателей при полете на больших высотах. Конечно, камеры сгорания также были известны, но сгорание топлива в воздушном потоке с относительно высокой скоростью было новой проблекюй, Тяга крупнейших установок, созданных в настоящее время, составляет порядка 1500 фунтов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
