Воздушный винт

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Пропеллер немецкого дирижабля SL1 (1911) диаметром 4,4 м
Винт английского дирижабля R29 (1918) в шотландском музее
Современный воздушный винт транспортного самолёта A400M
Винты АВ-60К самолёта Ту-142

Возду́шный винт (пропе́ллер) — лопастной агрегат работающий в воздушной среде, приводимый во вращение двигателем и являющийся движителем, преобразующим мощность (крутящий момент) двигателя в действующую движущую силу тяги. В.винты, выполняющие (помимо функций движителя), дополнительные, либо иные функции, имеют специальные названия: ротор, несущий винт автожира, несущий винт вертолёта, рулевой винт, вентилятор, ветряк, винтовентилятор.

В. В. работающий в качестве движителя, в сочетании с двигателем образуют винтомоторную установку (ВМУ) — входящую в состав силовой установки используемой для: летательных аппаратов (самолётов, автожиров, цикложиров, экранопланов); водных самоходных средств (аэроглиссеров, СВП); наземных транспортных средств (аэросаней).

Воздушный винт применяется в качестве движителя для самолётов, автожиров, цикложиров (циклокоптеров) и вертолётов с поршневыми и турбовинтовыми двигателями, а также в том же качестве — для экранопланов, аэросаней, аэроглиссеров и судов на воздушной подушке. У автожиров и вертолётов воздушный винт применяется также в качестве несущего винта, а у вертолётов ещё и в качестве рулевого винта. В зависимости от наличия возможности изменения шага лопастей воздушный винт подразделяются на винты фиксированного и изменяемого шага. В зависимости от способа использования воздушные винты делятся на тянущие и толкающие.

Лопасти винта, вращаясь, захватывают воздух и отбрасывают его в направлении, противоположном движению. Перед винтом создаётся зона пониженного давления, за винтом — повышенного. Вращение лопастей воздушного винта приводит к разворачивающему эффекту, воздействующему на летательный аппарат, причины которого в следующем:

Реактивный момент винта. Любой воздушный винт, вращаясь в одну сторону, стремиться накренить самолет или развернуть вертолёт в противоположную сторону. Именно из-за этого возникает асимметрия при поперечном управлении самолётом. Например, самолет с винтом левого вращения совершает развороты, перевороты и бочки вправо гораздо легче и быстрее, чем влево. Этот же реактивный момент является одной из причин неуправляемого разворота самолета вбок в начале разбега.

Закручивание струи винта. Воздушный винт закручивает воздушный поток, что также вызывает несимметричную обдувку плоскостей и хвостового оперения справа и слева, различную подъёмную силу крыла справа и слева и разницу в обдуве управляющих поверхностей. Несимметричность потока хорошо видно при авиационных химработах на примере распыляемого вещества.

Гироскопический момент винта. Любое быстровращающиеся тело имеет гироскопический момент (эффект волчка), заключающиеся в стремлении сохранении своего положения в пространстве. Если принудительно заставить ось вращения гироскопа наклониться в какую-либо сторону, например вверх или вниз, то она не просто будет противодействовать этому отклонению, а будет уходить в направлении, перпендикулярном произведенному воздействию, то есть в данном случае вправо или влево. Так, при изменении в установившемся полёте угла тангажа самолёт будет стремиться самостоятельно поменять курс, а при начале разворота возникает стремление к самостоятельному изменению угла тангажа.

Все три причины разворота — реактивный момент, действие струи и гироскопический момент винта всегда действуют в одну сторону: при винте левого вращения разворачивают самолет вправо, а при винте правого вращения — влево. Этот эффект проявляется особенно сильно на мощных одномоторных самолётах при взлёте, когда самолёт движется с небольшой поступательной скоростью и эффективность воздушных рулей низкая. С ростом скорости разворачивающий момент ослабевает ввиду резкого увеличения эффективности рулей.

Для компенсации разворачивающего момента все самолёты делают несимметричными - как минимум, отклоняют руль направления от строительной оси самолёта.

Данного недостатка лишены соосные воздушные винты (кроме гироскопического эффекта).

Реактивный и гироскопический момент также присущ всем турбореактивным двигателям и учитывается в конструкции самолёта. Для компенсации реактивного момента винта вертолёта приходится применять рулевой винт, предотвращающий вращение фюзеляжа.

Технические параметры[править | править вики-текст]

Определяющими являются диаметр и шаг винта. Шаг винта соответствует воображаемому расстоянию, на которое передвинется винт, ввинчиваясь в несжимаемую среду за один оборот. Существуют винты с возможностью изменения шага как на земле, так и в полёте. Последние получили распространение в конце 1930-х годов и применяются практически на всех самолётах, кроме некоторых сверхлёгких, и вертолётах. В первом случае изменение шага требуется из-за необходимости получения большой тяги в широком диапазоне скоростей при мало изменяющихся (или неизменных) оборотах двигателя, соответствующих максимальной мощности, во втором — из-за невозможности быстрого изменения оборотов несущего винта.

КПД воздушного винта[править | править вики-текст]

КПД воздушного винта называют отношение полезной мощности, затрачиваемой на преодоление сопротивления движению летательного аппарата, к мощности двигателя. Чем ближе КПД к 1, тем эффективнее расходуется мощность двигателя, и тем большую скорость или грузоподъемность может развить ЛА при той же энерговооружённости.

Положительные и отрицательные стороны воздушного винта[править | править вики-текст]

КПД современных воздушных винтов достигает 82-86 %, что делает их очень привлекательными для авиаконструкторов. Самолёты с турбовинтовыми силовыми установками значительно экономичнее, чем самолёты с реактивными двигателями. Однако воздушный винт имеет и некоторые ограничения, как конструктивного, так и эксплуатационного характера. Часть этих ограничений описана ниже.

  • «Эффект запирания». Этот эффект возникает либо при увеличении диаметра воздушного винта, либо при увеличении скорости вращения, и выражается в отсутствии роста тяги с увеличением мощности, передаваемой на винт. Эффект связан с появлением на лопастях винта участков с околозвуковым и сверхзвуковым течением воздуха (т. н. волновой кризис).
    Это явление накладывает существенные ограничения на технические характеристики самолётов с винтомоторной силовой установкой. В частности, современные самолёты с воздушными винтами, как правило, не могут развить скорость более 650—700 км/ч. Самый быстрый винтовой самолёт — бомбардировщик Ту-95 — имеет максимальную скорость 920 км/ч, где проблема эффекта запирания была решена применением двух соосных винтов с допустимыми размерами лопастей, вращающихся в противоположных направлениях.
  • Повышенная шумность. Шумность современных самолётов в настоящее время регламентируется нормами ICAO. Воздушный винт классической конструкции в эти нормы не вписывается. Новые типы воздушных винтов с саблевидными лопастями создают меньший шум, но такие лопасти очень сложны и дороги в производстве.

История[править | править вики-текст]

Идея воздушного винта происходит от архимедова винта.

Известен чертеж Леонардо Да Винчи с изображением прообраза вертолета с несущим винтом. Винт всё ещё выглядит как архимедов.

Чертеж вертолета Да Винчи. 148x годы

В июле 1754 Михаил Ломоносов провел демонстрацию аэродромической модели. На ней лопасти уже уплощены, что приближает их к современному виду. Предполагается, что Ломоносов использовал образ китайской детской игрушки - бамбукового вертолётика.

Аэродромическая машина М. В. Ломоносова. Модель.
Современная японская игрушка такетомбо - бамбуковый вертолет, происходящая от китайского варианта. Слева - бамбук, справа - пластик

Будущее воздушного винта и современные разработки[править | править вики-текст]

Авиаконструкторы идут на определённые технические ухищрения, чтобы такой эффективный движитель, как воздушный винт, нашёл место на самолётах будущего.

  • Преодоление эффекта запирания. На самом мощном в мире турбовинтовом двигателе НК-12 крутящий момент силовой установки делится между двумя соосными воздушными винтами, вращающимися в разные стороны.
  • Применение саблевидных лопастей. Многолопастный воздушный винт с тонкими саблевидными лопастями позволяет затянуть волновой кризис, и тем самым увеличить максимальную скорость полёта. Такое техническое решение реализовано на самолёте АН-70.
  • Разработка сверхзвуковых воздушных винтов. Эти разработки ведутся уже много лет, но никак не приведут к реальным техническим воплощениям. Лопасть сверхзвукового воздушного винта имеет крайне сложную форму, что затрудняет её прочностной расчёт. Кроме того, экспериментальные сверхзвуковые винты оказались очень шумны.
  • Импеллер. Заключение воздушного винта в аэродинамическое кольцо. Весьма перспективное направление, поскольку позволяет снизить концевое обтекание лопастей, снизить шумность, и повысить безопасность (защищая людей от увечий). Однако вес самого кольца служит ограничивающим фактором для широкого распространения такого конструкторского решения в авиации. Зато на аэросанях, аэроглиссерах, судах на воздушной подушке и дирижаблях импеллер можно увидеть достаточно часто.
  • Вентилятор. Так же, как импеллер, заключён в кольцо, но кроме того, имеет входной и иногда выходной направляющий аппарат. Направляющий аппарат представляет собой систему неподвижных лопастей (статор), позволяющих регулировать поток воздуха, попадающий на ротор вентилятора, и тем самым поднять его эффективность. Очень широко применяется в современных авиационных двигателях.

См. также[править | править вики-текст]

Литература[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]