Принцип работы воздушного винта
|
| Рис. 4.2. Треугольник скоростей у сечения лопасти. |
Винт создает тягу в воздухе, действуя на него подобно крылу. Крыло самолета обычно движется поступательно, тогда как лопасть винта движется и поступательно и вращательно. Лопасть винта представляет собой по форме вытянутый прямоугольник, один размер которого значительно меньше по сравнению с другим, вращающийся с угловой скоростью W около оси х - х (рис.4.1), проходящей у одного края этого прямоугольника. Плоскость прямоугольника, оставляющая некоторый угол j c плоскостью вращения, движется также поступательно в направлении оси вращения со скоростью V. Рассекая лопасть цилиндром радиуса r, ось которого совпадает с осью х; получаем в сечении вытянутый прямоугольник. Так как обычно ширина лопасти невелика по сравнению с ее длиной, то сечение цилиндром заменяется близким им, но удобным для вычерчивания, сечением касательной плоскости к цилиндру и перпендикулярной оси лопасти (рис.4.1).
Так как лопасть совершает сложное движение - поступательное и вращательное, то нужно сложить эти два движения. Геометрическая сумма окружной скорости вращения U = W r, и поступательной скорости (скорость полета) V, (рис.4.2) дает вектор W (скорость движения воздушного потока относительно профиля сечения). Если взять другое сечение плоскостью, касающейся цилиндра меньшего или большего радиуса, то составляющая скорость V остается той же, а окружная скорость Wr будет меньше или больше; последняя изменяется по линейному закону, становясь на оси винта равной нулю.
Так как лопасть берется плоской, то угол j на всех радиусах будет одним и тем же, а угол β, называемый углом притекания потока к сечению, будет различным на разных радиусах в связи с переменной окружной скоростью вращения W r. Следовательно, с уменьшением радиуса r угол β увеличивается, а угол a=φ-β уменьшается и может стать равным нулю или даже отрицательным.
Воздушные винты подразделяются на винты фиксированного шага (ВФШ) и винты изменяемого шага (ВИШ).
Воздушный винт преобразует крутящий момент ТВД или ПД в силу тяги. При этом имеют место потери, оцениваемые коэффициентом полезного действия (к. п. д.) винта.
ВФШ характеризуется постоянным углом установки лопасти. В конструктивном отношении этот винт имеет втулку, в которой жестко крепятся лопасти, которые передают ей тягу, и ей же воспринимается крутящий момент с вала двигателя на винт.
ВИШ состоит из лопастей, втулки с механизмом поворота лопастей и устройств, обеспечивающих его надежную работу. Для управления винтом имеется аппаратура автоматического и ручного действия.
К воздушным винтам предъявляются следующие требования:
-высокий к. п. д.;
-для ВИШ - изменение угла установки лопастей в диапазоне, обеспечивающем легкий запуск двигателя; минимальную положительную тягу винта на режиме малого газа; максимальную отрицательную тягу при пробеге и минимальное лобовое сопротивление лопастей во флюгерном положении; автоматическое изменение угла установки лопастей в зависимости от режима полета ВС и работы двигателей со скоростью поворота не менее 10 °/с;
-минимальные значения реактивного и гироскопического моментов;
-в конструкции винта и регулятора частоты вращения должны быть автоматические защитные устройства, ограничивающие произвольный переход лопастей винта на малые углы установки и предотвращающие возникновение отрицательной тяги в полете;
-защита лопастей и обтекателя втулки винта от обледенения;
-достаточная прочность при малой массе, уравновешенность и минимальный шум.
Основные характеристики винта принято подразделять на геометрические, кинематические и аэродинамические.
4.2. ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВИНТА
К геометрическим характеристикам относят: диаметр D винта, число лопастей, форма лопасти в плане, толщина c, хорда сечения b и углы установки сечений лопастей. Диаметр винта (D=2R) определяет окружность, описываемая концами лопастей при вращении винта относительно его оси (рис.4.3). Диаметр является главнейшей характеристикой винта, так как он преимущественно определяет его тяговые характеристики.
Рис. 4.3. Геометрические характеристики воздушного винта I-лопасть; 2-втулка; 3-нагревательный элемент; 4 и 5-линия сечения и элемент лопасти, образованные цилиндрическими сечениями; 6 и 7-линия сечения и элемент лопасти, образованные плоскими сечениями; 8 - часть лопасти, окрашенная в желтый цвет;9 - контрольное сечение; О - ось вращения винта; 0В - ось поворота лопасти; D и R - диаметр и радиус винта; r-радиус сечения; b и с-ширина и максимальная толщина сечения лопасти |
Величина диаметра выбирается из аэродинамических соображений и согласуется с возможностью размещения винта на ВС. Диаметры современных винтов составляют от 3м до 6 м.
Большие диаметры винтов приводят к низким к.п.д. в связи с возможностью появления сверхзвуковых скоростей на концевых участках лопастей, а также усложняют компоновку двигателя на самолете. Малые значения диаметров не позволяют преобразовать заданный крутящий момент двигателя в необходимую тягу.
|
Рис.4.4 Изменение относительных ширины  и толщины  по радиусу  лопасти 
|
Если разрезать лопасть на некотором радиусе r цилиндрической поверхностью, имеющей продольную ось, совпадающую с осью вращения винта, то отпечаток разреза называют сечением лопасти. Это сечение имеет крылообразную форму профиля. Часть лопасти, находящаяся между двумя радиусами (r и r+Δ r ), представляет собой элемент лопасти с площадью ΔS =bΔr. Здесь и далее вместо дугообразных сечений рассматриваются плоские.
Отношение текущего радиуса сечения r к радиусу винта R называют относительным радиусом =r/R.Радиус неработающей части лопасти, занятой втулкой, обозначают r0 . и 0= r 0 /R.
Для преобразования крутящего момента двигателя в тягу с минимальным значением диаметра винт имеет несколько лопастей. На современных ТВД устанавливают обычно четырехлопастные винты. Большее число лопастей снижает к.п.д. На мощных ТВД вместо увеличения числа лопастей применяют соосные винты, расположенные друг за другом и вращающиеся в противоположных направлениях вокруг одной оси.
Характерными размерами сечения лопасти являются максимальные ширина b и толщина-с лопасти, а также их относительные величины
= 
и 
= 
У современных винтов max = 8…10% (рис. 4.4).
Линию 0В (см. рис.4.3), проходящую через середины сечений лопасти, называют ее осью. Вид оси лопасти (прямая или кривая) и распределение ширины лопасти вдоль этой оси характеризуют форму лопасти в плане. Приближение max к концу лопасти повышает тягу винта, но увеличивает изгибающий момент вследствие перемещения центра давления к концу лопасти.
Максимальная толщина сечения лопасти уменьшается к ее концу (при больших скоростях обтекания необходима меньшая относительная толщина профиля). Для сравнительной оценки этой толщины рассматривают ее относительное значение на 0 =0, 9 и обозначают 0,9 . Для современных винтов 0,9 =4…5% (рис.4.4).
4.3.КИНЕМАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВИНА
|
| Рис.4.5. Аэродинамические силы, действующие на элемент лопасти |
Плоскость, перпендикулярная оси вращения воздушного винта и проходящая через любую точку лопасти, называется плоскостью вращения винта. Таких параллельных плоскостей бесчисленное множество. Обычно под плоскостью вращения винта понимается плоскость, проходящая через середину или конец хорды профиля (рис.4.5).
Сечения лопасти наклонены к плоскости вращения. Угол установки сечения лопасти φ измеряют между плоскостью вращения винта и хордой профиля. Величина φ определяет для данного радиуса винта значение шага h как расстояние, на которое продвинулся бы воздушный винт в неподатливой среде за один оборот
h=2r tgφ ns ,
где ns -число оборотов винта в секунду.
При эксплуатации винтов значение шага не замеряется, но термин «шаг винта» получил распространение.
|
| Рис.4.6. Изменение угла установки φ и угла притекания потока β вдоль лопасти |
Кинематическими характеристиками винта являются окружная, поступательная и результирующая скорости сечения лопасти, углы атаки и притекания потока, коэффициент скорости. В полете сечение лопасти винта вращается с окружной скоростью U=ωr=2πлsr и движется поступательно со скоростью полета V. Кроме этих основных
скоростей, в плоскости вращения возникают индуктивные скорости подсасывания и закручивания, которые для упрощения здесь не рассматриваются. В этом случае результирующая скорость W определяется по формуле
W= 
.
Направление скорости W образует с хордой профиля угол атаки α, а со скоростью U угол притекания струи β. Тогда
φ=a+β,
где
β=arc tg 
=arc tg 
.
При постоянных значениях поступательной скорости V и угла установки φ с увеличением радиуса сечения лопасти угол β уменьшается, а угол a увеличивается.
|
| Рис.4.7. Изменение относительной крутки лопасти по радиусу |
Для того чтобы каждое сечение лопасти находилось под одним и тем же наивыгоднейшим углом атаки aнаив (при котором аэродинамическое качество максимальное), необходимо с уменьшением угла β уменьшать угол установки φ. Поэтому у лопасти воздушного винта углы установки в корневой части (у комля) наибольшие, а по направлению к концу лопасти уменьшаются (рис. 4.6). Такое распределение углов установки сечений лопасти называется геометрической круткой. Крутка должна обеспечивать условие a=φ-β=const=aнаив .
|
| Рис. 4.8. Изменение углов β и φ в зависимости от скорости полета |
Для определения величины крутки лопасти пользуются понятием относительной крутки сечения лопасти 
(рис.4.7), сравнивая угол φ установки любого сечения лопасти с углом установки сечения, расположенного на =0,75 и обозначаемого в виде φ0,75 : =φ - φ0,75 . Общая крутка лопасти определяется разностью углов установки в начале рабочей части лопасти φro и на конце лопасти φR. Так как по радиусу винта угол установки лопасти меняется, то он измеряется на номинальном радиусе rном . Значение rном обычно берется равным 1000 мм для винтов с D<4 м и 1600 мм для винтов с D>4 м.
При постоянных значениях угла установки сечения лопасти (β и окружной лопасти полета U) угол атаки изменяется в зависимости от скорости полета. При увеличении скорости V угол атаки a уменьшается, а при уменьшении V - увеличивается. Для того чтобы при изменении скорости полета угол атаки a оставался постоянным, необходимо изменять угол установки лопасти (рис. 4.8).
Это возможно путем поворота лопасти во втулке винта относительно собственной оси винта. В случае ВФШ это достигается увеличением окружной скорости U (увеличение частоты вращения винта).
4.4. АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВИНТА
К аэродинамическим характеристикам винта относятся тяга Р, момент сопротивления М и мощность N, необходимые для вращения винта, и коэффициент полезного действия η в
Как указывалось выше, лопасти винта, находящиеся во вращательном и поступательном движении, имеют разные скорости движения по отношению к набегающему потоку воздуха. Рассматривая два сечения лопасти (см. рис.4.9) на радиусах r и r+Δr и полученную между этими сечениями часть лопасти называется элементом лопасти на радиусе r. Площадь этого элемента лопасти будет dS=bdr.
| |||
| Рис.4.9. Геометрические размеры лопасти |
В обращенном движении, на указанный элемент лопасти набегает поток со скоростью V параллельной оси винта, и, во-вторых,- поток со скоростью U в направлении, перпендикулярном скорости V , дающие результирующую скорость W- скорость набегания потока на элемент лопасти. Угол между вектором W и хордой сечения есть угол атаки сечения α.
Угол φ между хордой сечения и вектором U (или, что тоже, плоскостью вращения винта) есть угол установки сечения лопасти, а угол β между векторами скоростей U и W - угол притекания. Такой элемент лопасти можно рассматривать как крыло и применить к нему общие формулы аэродинамики.
Подъемная сила для элемента лопасти:
dY=C y 
d S , (4.1)
и лобового сопротивления
dX=Cx dS. (4.2)
Как известно из аэродинамики, коэффициент лобового сопротивления Сx зависит от относительного размаха крыла. Какой же относительный размах принимать в данном случае? На первый взгляд, кажется, что следует принять бесконечный размах; но, как известно из аэродинамики, такое крыло не будет иметь индуктивного сопротивления. Поэтому оно не будет вызывать индуктивных скоростей, что противоречит тому, что должно быть в струе идеального пропеллера. Таким образом, если принять элемент лопасти за крыло бесконечного размаха, то следует каким-либо другим путем находить вызванную винтом скорость, и тогда треугольник скоростей в сечении лопасти следует принимать, как показано на рис. 4.5. Для того чтобы можно было воспользоваться этими формулами для определения тяги и мощности элемента лопасти, следует принять в них Сy и Сx для какого-то фиктивного относительного размаха, причем считать, что элемент работает в лопасти изолированно - без какого бы то ни было влияния соседних элементов. Далее следует допустить, что воздействие потока на такой элемент, несмотря на то, что он движется по винтовой траектории, подобно воздействию потока на крыло, движущегося поступательно. Это последнее предположение называется, обычно, гипотезой плоских сечений.
dY= Сy b dr (4.3)
dX= Сx b dr (4.4)
Абсолютные значения линейных размеров лопасти выразятся в относительной форме:
b= D, r= 
и dr=d 
Выразим W через U и β.
U=ώr=2πns r= πns 
(4.5)
W2= 
= 
(4.6)
Значения элементарных подъемной силы dY и силы сопротивления dX с учетом (4.6) выразятся:
dY=Cy 
=Cy 
(4.7)
dX=Cx = Cx (4.8)
Рис. 4.10. Схема аэродинамических сил и скоростей, действующих на элемент лопасти |
Спроектируем подъемную силу и лобовое сопротивление элемента допасти на два взаимно перпендикулярных направления - на направление, параллельное оси винта, и на направление, совпадающее с плоскостью вращения винта (рис. 4.10).
Проекция dY на ось винта дает тягу dPэлемента лопасти:
dP=dYcosβ-dXsinβ= ( 
)(4.9)
Проекция dX на плоскость вращения винта дает силу сопротивления вращению этого элемента:
dT=dYsinβ+dXcosβ= ( 
) (4.10)
Момент сопротивления вращению dM элемента лопасти:
dM=dT r=dT = 
( ) 
.(4.11)
Потребная мощность вращения dN элемента лопасти:
dN=dM ω= dM 2πns= 
( ) (4.12)
Общие тяга Р и мощность N для винта с i лопастями выразятся соответствующими интегральными зависимостями выражений (4.9) и (4.12):
P= 
( ) 
. (4.13)
N= 
( ) . (4.14)
|
| Рис. 4.11. Аэродинамические характеристики винта при постоянном угле установки лопастей |
В формулах (4.13) и (4.14) подынтегральные выражения являются переменными функциями, зависящими от геометрических и аэродинамических характеристик лопасти винта, и, обозначив их соответственно СР – коэффициент тяги и С N – коэффициент мощности, получим окончательное выражение для тяги и мощности:
P= 
CP ρn2D4 , (4.15)
N= CN ρn3D5, (4.16)
Коэффициент полезного действия винта ηв можно записать в виде:
ηв= 
= 
= 
= 
λ= π 
(4.17)
Относительная скорость есть отношение скорости набегающего потока к окружной скорости на конце лопасти:
= 
= tg 
= = 
|
| Рис. 4.11а. Аэродинамическая характеристика винта |
Здесь отношение 
называется поступью винта (поступательное перемещение винта в податливой среде), а 
=λ- относительной поступью, тогда: λ=π .
При подборе винта и при аэродинамическом расчете самолета задается мощность, передаваемая двигателем на винт, и требуется еще знание лишь коэффициента полезного действия винта,— тягой винта при аэродинамическом расчете обычно не пользуются. Удобно совместить кривые СN и ηтак, чтобы на кривых СN были нанесены соответствующие значения – η,тогда получается диаграмма, изображенная на рис. 4.11а.
На ней по оси абсцисс отложены λ, по оси ординат СN; кривые СN расположены по параметру угла установки винта φ; на кривых СN нанесены точки соответствующих КПД винта, при соединении которых образуются кривые одинаковых КПД. Как видно, кривые одинаковых КПД замкнутые и пересекаются соответствующими кривыми СN дважды. Ядро этих замкнутых кривых соответствует наибольшему значению КПД. Такая диаграмма называется аэродинамической характеристикой винта. На диаграмме должны быть обозначены условия испытаний, т. е, тип винтового прибора, диаметр испытанного винта, тип винта или его геометрическая характеристика, формы и размеры тела за винтом, скорость потока и число оборотов при испытании. Диаграмма, приведенная на рис. 197, является основной для подбора винтов.
4.5. РЕЖИМЫ РАБОТЫ
|
| Рис. 4.12. Работа винта на месте |
При постоянном угле установки лопасти j ее угол атаки α зависит от величины скорости полета (см. рис. 4.10). При увеличении скорости полета угол атаки уменьшается. В этом случае говорят, винт «облегчается», так как момент сопротивления вращению винта уменьшается, что вызывает увеличение частоты его вращения. При уменьшении скорости полета, наоборот, угол атаки увеличивается и винт «затяжеляется», частота его вращения снижается.
Мощность винта N и коэффициент мощности CN считаются положительными, когда крутящий момент от аэродинамических сил винта противоположен направлению его вращения.
Если крутящий момент этих сил направлен в сторону вращения винта, т. е. сила сопротивления вращению T<0, мощность винта считается отрицательной.
Ниже рассмотрены наиболее характерные режимы работы винта.
|
| Рис. 4.13. Работа винта на пропеллерном режиме |
Режим, при котором поступательная скорость V=0, следовательно, λ и hв равны нулю, называется режимом работы винта на места(рис. 4.12). На рис. 4.11 этому режиму cooтветствует точка а, где коэффициенты тяги Ср и мощности C N обычно имеют максимальные значения. Угол атаки лопастей ά при работе винта на месте примерно равен углу установки φ. Так как hв=o, то винт при работе на месте никакой полезной работы не производит.
Режим работы винта, когда при наличии поступательной скорости создается положительная тяга, называется пропеллерным режимом (рис.4.13). Он является основным и наиболее важным режимом работы, который используется при рулении, взлете, наборе высоты, горизонтальном полете самолета и частично - на снижении и посадке. На рис. 4.11 этому режиму полета соответствует участок аб. По мере увеличения относительной поступи λ уменьшаются значения коэффициентов тяги и мощности. Коэффициент полезного действия винта при этом сначала возрастает, достигая максимума в некоторой точке б, а затем падает.
|
| Рис.4.14. Работа винта на режиме нулевой тяги |
Точка б характеризует оптимальный режим работы винта для данного значения угла установки лопастей j. Таким образом, пропеллерному режиму работы винта соответствуют положительные значения коэффициентов С P, C N и hв. Такие условия полета, как правило, возникают при снижении самолета. В силовых установках с ВФШ возможна раскрутка винта.
|
| Рис.4.15. Работа винта на режиме торможения |
Режим работы, при котором винт не создает ни положительной, ни отрицательной тяги (сопротивления), называется режимом нулевой тяги. На этом режиме винт как бы свободно ввинчивается в воздух, не отбрасывая его назад и не создавая тяги (рис. 4.14). Режиму нулевой тяги на рис. 4.11 соответствует точка в. Результирующая сила dR оказываетсяв третьем квадранте.Здесь коэффициент тяги Ср и к. п. д. винта hв равны нулю. Коэффициент мощности CN имеет некоторое положительное значение ,соответствующее затратам энергии на преодоление вращению винта. Угол атаки лопастей при этом, как правило, несколько меньше нуля.
Режим работы винта, когда создается отрицательная тяга (сопротивление) при положительной мощности на валу двигателя, называется режимом торможения, или тормозным режимом винта (рис.4.15). На этом режиме угол притекания струй β больше угла установки φ, т.е. угол атаки лопастей α- величина отрицательная. В данном случае воздушный поток оказывает давление на спинку лопасти, чем и создает отрицательную тягу, т.к. результирующая сила dR оказывается в третьем квадранте. На рис.4.11 этому режиму работы винта соответствует участок, заключенный между точками в и г, на котором коэффициенты Ср и ηв имеют отрицательные значения, а значения коэффициента СN изменяются от некоторого положительного значения до - нуля.
|
| Рис.4.16 Работа винта на режиме авторотации |
Как и в предыдущем случае, для преодоления момента сопротивления вращению винта требуется определенная мощность двигателя. Отрицательная тяга винта используется для сокращения длины послепосадочного пробега. Для этого лопасти специально переводят на минимальный угол установки φmin, при котором во время пробега самолета угол атаки α отрицательный.
Режим работы, когда мощность на валу двигателя равна нулю а винт вращается за счет энергии набегающего потока (под действием аэродинамических сил, приложенных к лопастям), называется режимом авторотации (рис. 4.16). Двигатель при этом развивает мощность N, необходимую лишь для преодоления внутренних сил и моментов сопротивления, образующихся при вращении винта.
Результирующая сила dR= - dP ориентировано строго по оси вращения винта и направлено против полета самолета. На рис. 4.11 этому режиму соответствует точка г. Тяга винта, как и на режиме торможения, отрицательная.
|
| Рис. 4.17. Работа винта на режиме ветряка |
Режим работы, при котором мощность на валу двигателя отрицательна, а винт вращается за счет энергии набегающего потока, называется режимом ветряка (рис. 4.17). На этом режиме винт не только не потребляет мощности двигателя, а сам вращает вал двигателя за счет энергии набегающего потока. На рис. 4.11 этому режиму соответствует участок правее точки г и тогда, рассматривая винт как источник энергии, hв > 0
Режим ветряка применяют для запуска остановившегося двигателя в полете. В этом случае вал двигателя раскручивается до необходимой для запуска частоты вращения, не требуя специальных пусковых устройств.
Торможение самолета при пробеге осуществляется переводом лопастей винта на минимальный угол установки и начинается на режиме ветряка, последовательно проходя стадии, авторотации, торможения, режима нулевой тяги. С уменьшением скорости пробега винт начинает работать в режиме минимальной тяги
4.6. КЛАССИФИКАЦИЯ ВИНТОВ ИЗМЕНЯЕМОГО ШАГА
Ранее было показано, что величина угла атаки лопастей при неизменном угле установки φ зависит от скорости полета. В ВФШ при малых скоростях полета (взлет) углы атаки сечений лопастей близки к углам установки лопастей, что вызывает «затяжеление» винта. В этом случае мощность двигателя недостаточна для раскрутки винта до взлетных (максимальных) оборотов. В горизонтальном полете при большой поступательной скорости угол атаки лопастей может существенно уменьшиться, что создаст избыточную мощность двигателя (по сравнению с винтом), которая приведет к росту оборотов до недопустимо больших значений, при которых не обеспечивается надежность работы двигателя.
В прошлом, когда диапазон скоростей полета самолетов был невелик, применялись винты фиксированного шага. По мере совершенствования самолетов и увеличения диапазона скоростей полета появилась потребность в винтах изменяемого шага. Первые ВИШ имели сравнительно небольшой диапазон изменения углов установки лопастей, который обычно не превышал 10°. Это были, как правило, двух шаговые винты. Взлет и набор высоты в этом случае производились на малом угле установки (малом шаге), позволяющем получить взлетную частоту вращения ротора двигателя при работе на месте. При переходе на горизонтальный полет лопасти переводились на большой шаг с помощью специальных механизмов.
С дальнейшим увеличением диапазона скоростей полета самолетов и, следовательно, с увеличением диапазона изменения углов установки лопастей, стали применять винты с автоматическими системами регулирования частоты вращения путем изменения угла установки в зависимости от режима полета.
В зависимости от источника энергии для принудительного перемещения лопастей относительно их продольных осей ВИШ подразделяются на:
-механические (энергия отбирается от двигателя с помощью дифференциального шестеренчатого механизма или от усилия летчика);
-электрические, в которых перемещение лопастей производится с помощью электрического двигателя, размещенного в коке винта и связанного с комлями лопастей конической шестеренчатой передачей;
-гидравлические, в которых силовым элементом является гидропоршень в коке винта, поступательное перемещение которого преобразуется с помощью кривошипно-шатунного механизма во вращательное движение лопастей.
В основе регулирования ВИШ лежит поддержание постоянных оборотов винта (двигателя) вне зависимости от развиваемой мощности двигателя за счет изменения угла установки лопастей с помощью центробежного регулятора.
При отклонении от равновесного режима двигателя в сторону большей развиваемой мощности попытка увеличить его обороты парируется установкой лопастей на больший угол. В этом случае частота вращения винта остаётся на прежнем уровне (в пределе допуска) с одновременным увеличением тяги. При отклонении режима в сторону уменьшения процесс регулирования идёт в обратном направлении.
Винты с такими системами регулирования частоты вращения получили название воздушных автоматических винтов. Конструктивно винты автоматические представляют собой весьма сложные агрегаты, успешная эксплуатация и техническое обслуживание которых возможны лишь при условии глубокого изучения принципов их работы и правил технической эксплуатации.
4.7. СИЛЫ И МОМЕНТЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА ЛОПАСТИ
Центробежные силы лопастей и их моменты
На поперечном сечении произвольного радиуса лопасти выделим концевые элементарные массы. При вращении винта на эти элементы лопасти действуют центробежные силы, направленные по радиусу от оси вращения и лежащие в плоскости вращения этих элементов.
|
| Рис.4.18. Действие центробежных сил на лопасть |
Векторы центробежных сил dPц1 и dPц2 крайних частей элемента лопасти (рис. 4.18) направлены от оси вращения и перпендикулярны к ней. Их можно разложить в соответствующих плоскостях вращения на осевые и нормальные составляющие dK1,dK2 и df1, df2. Последние силы показаны также на поперечном сечении лопасти.
Разложение векторов центробежных сил для других таких же частей сечения, расположенных между передней и задней кромками в пределах этого же сечении лопасти, даёт эпюру поперечных составляющих центробежных сил (рис. 4.19) Поперечные составляющие центробежных сил (рис. 4.18) меняют свое направление при переходе через ось лопасти. Заменяя силы одного направления, соответствующими равнодействующими dF1 и dF 2 , получаем момент Мц от поперечных составляющих центробежных сил, который стремится повернуть лопасть на уменьшение угла установки.
В винтах изменяемого шага поворот лопастей на необходимый угол установки происходит относительно осей, совпадающих с осями комлевых (цилиндрических) частей лопастей.
Величина момента Мц, зависит от частоты вращения винта, материала, геометрических размеров, углов установки и крутки лопасти.
Аэродинамические силы и их моменты
Рис.4.19. Эпюр момента поперечных составляющих ц.б. сил
|
Аэродинамические силы появляются в результате воздействия воздушного потока на лопасть и распределяются по всей её поверхности. Такую схему нагружения лопасти можно рассматривать, как жёстко закрепленную одним концом балку, подверженную действию распределенной аэродинамической нагрузки, которая создает изгибающий и крутящий моменты.
Равнодействующая аэродинамических сил элемента лопасти приложена в центре давления, который обычно находится впереди оси вращения лопасти (см. рис. 4.5) и стремится повернуть последнюю в сторону увеличения угла установки. Величина суммарного момента аэродинамических сил лопасти для данного винта зависит от углов атаки лопасти и величины результирующей скорости набегающего потока. Значение момента аэродинамических сил невелико.
При отрицательных углах атаки лопастей направление равнодействующей силы меняется так, что крутящие моменты аэродинамических сил в этом случае стремятся повернуть лопасти в сторону уменьшения угла установки.
Центробежные силы противовесов и их моменты
|
| Рис.4.20. Действие момента центробежных сил противовеса |
Обычно величина крутящего момента от аэродинамических сил невелика, поэтому он не может быть использован в качестве самостоятельного источника энергии для поворота лопастей в сторону увеличения угла установки. В связи с этим на некоторых винтах изменяемого шага дополнительно устанавливают специальные противовесы (грузы), которые при помощи кронштейнов закрепляют к комлевым частям лопастей (рис. 4.20).
При вращении винта возникают центробежные силы противовесов Рп, направленные от оси вращения. Противовесы относительно лопастей размещают таким образом, чтобы составляющие Рn на плече h создавали крутящий момент лопасти Мц=Рnf h, стремящийся повернуть лопасть в сторону увеличения угла установки. Величина крутящего момента противовесов Мц зависит от их массы, расстояния от оси вращения, плеча h и частоты вращения винта. Все эти параметры выбирают с таким расчетом, чтобы совместное действие двух крутящих моментов от центробежных сил противовеса и аэродинамических сил обеспечивало поворот лопасти в сторону увеличения угла установки с необходимой интенсивностью поворота. Составляющая Рпк противовеса, направленная вдоль лопасти, вызывает изгибающий момент, который воспринимается кронштейном противовеса.
4.8. СХЕМЫ РАБОТЫ ВОЗДУШНЫХ ВИНТОВ С ГИДРАВЛИЧЕСКИМИ МЕХАНИЗМАМИ ПОВОРОТА ЛОПАСТЕЙ
В настоящее время в винтовой авиации наибольшее распространение получили гидравлические винты, у которых изменение углов установки лопастей осуществляется под давлением масла. По принципу действия они подразделяются на двух сторонние и одно сторонние винты. В гидравлических односторонних винтах масло (от системы охлаждения двигателя) от специального насоса под повышенным давлением подается в одну из полостей гидроцилиндра через золотник центробежного регулятора. Другая полость постоянно соединена со сливной магистралью, служащей системой питания двигателя (Рм 
)
Односторонний винт обратного действия
Рис.4.21. Схема работы одностороннего винта обратного действия 1- гидроцилиндр; 2 - поршень; 3 - комель лопасти; 4 – центробежный регулятор; 5 - золотник; 6 – грузики центробежного регулятора; 7 – механизм настройки регулятора |
Кинематическая схема винта (см. рис.4.21) выполнена так, что увеличение угла установки лопастей происходит при перемещении поршня 2 вправо, когда давление в полости А превысит давление в полости Б. Уменьшение угла установки осуществляется под действием момента от поперечных составляющих центробежных сил лопасти М ц/б путём слива масла из полости А гидроцилиндра.
В общем случае на лопасть действуют моменты: М ц/б – момент от поперечных составляющих центробежных сил, направленный на уменьшение угла установки лопасти j; встречно ему направлен момент от аэродинамических сил М а/д и действующий в том же направлении момент от давления в полости А на поршень – МА.
На равновесном режиме, когда пружина 7 уравновешивает усилие от центробежных грузиков 6, бурт золотника 5 перекрывает полость А цилиндра 1 и создает в нем гидроупор, который воспринимает усилие от М ц\б и лопасть находится в фиксированном положении.
В случае увеличения мощности двигателя (возрастает подача топлива) при сохранении прежней мощности потребления винтом, произойдет рост оборотов двигателя. Это вызовет увеличение центробежных сил грузиков 6 и золотник 5 откроет доступ маслу в полость А. В этом случае МА + М а\д > М ц\б ,что вызовет перемещение лопасти на больший угол j. С увеличением потребляемой мощности винтом частота его вращения снижается до заданной величины и устанавливается равновесный режим.
 Рис.4.22 Схема работы одностороннего винта обратного действия
1- гидроцилиндр; 2 - поршень; 3 - комель лопасти; 4 – центробежный регулятор; 5 - золотник; 6 – грузики центробежного регулятора; 7 – механизм настройки регулятора; 8 – груз.
|
С уменьшением мощности двигателя (сокращение подачи топлива) процесс происходит в обратном порядке. Особенностью таких винтов является их относительная простота конструкции. К числу недостатков следует отнести возможность раскрутки винта при нарушении герметичности полости А гидроцилиндра. Под действием М ц\б лопасти могут переместиться на минимальный угол установки. С этой целью необходимо предусматривать в конструкции винта специальные упоры, исключающие перемещение поршня при разгерметизации полости А.
Односторонний винт прямого действия имеет механизм поворота лопастей с односторонним подводом масла. В нем сила давления масла используется только для перевода лопастей на уменьшение углов установки (рис. 4.22).
Для перевода лопастей на увеличение углов установки применяются противовесы так, что момент от поперечных составляющих центробежных сил Мг направлен встречно М ц/б. Таким образом, в сторону уменьшения угла установки лопасти поворачиваются при выполнении следующего неравенства: МА+ Мц/б >Мгр.+ М а/д.
В этом случае масло подается в полость А через золотниковый канал центробежного регулятора.
|
| Рис.4.23 Схема работы двухстороннего винта 1- гидроцилиндр; 2 - поршень; 3 - комель лопасти; 4 – центробежный регулятор; 5 - золотник; 6 – грузики центробежного регулятора; 7 – механизм настройки регулятора. |
Лопасти в сторону увеличения угла установки поворачиваются при условии: Мгр.+ Ма/д> МА+ Мц/б, что имеет место при сливе масла из полости А в картер двигателя в связи с перемещением золотника вверх за счет увеличенных центробежных сил грузиков регулятора. Применение противовесов в механизме поворота лопастей имеет большое значение в обеспечении безопасности полета при снижении давления в маслосистеме. В этом случае исключается возможность поворота лопастей винта в сторону малых углов установки, а, следовательно, раскрутки винта и появления отрицательной тяги. Однако наличие противовесов увеличивает массу винта.
В винтах двухстороннего действия давление масла используется как для увеличения, так и уменьшения угла установки лопастей (рис. 4.23) зависимости от положения золотника 5 масло от насоса может попадать как в полость А, так и в полость Б цилиндра. Поршень соединен с лопастью таким образом, что при его поступательном движении лопасть будет совершать вращательное движение относительно своей оси.
Если масло от насоса будет поступать в полость А, то из полости Б оно будет сливаться. Тогда соотношение моментов:
МА + М а/д >МБ+ Мц/б,,
где М А — момент, создаваемый силой давления масла в полости А.
В данном случае угол установки лопастей будет увеличиваться. При подаче масла в полость Б из полости А масло будет сливаться и угол установки лопастей уменьшится. Соотношение моментов в этом случае будет
МА + М а/д ,< МБ+ Мц/б,
где м Б - момент, создаваемый силой давления масла в полости Б.
Из рассмотрения работы винтов двустороннего действия видно, что моменты, создаваемые силой давления масла, являются управляемыми. Они определяются положением золотника 5. Моменты M а/д, и М ц/б , постоянно действующие, и управлению не поддаются.
4.9. СОВМЕСТНАЯ РАБОТА ВИНТА И РЕГУЛЯТОРА
На современных самолетах с ТВД применяются только автоматические винты, для чего в рассмотренных выше системах регулирования устанавливаются регуляторы частоты вращения с датчиком центробежного типа (рис.4.21). Назначение регуляторов состоит в том, чтобы, работая совместно с ВИШ, автоматически поддерживать заданную частоту вращения ротора двигателя постоянной. Задается она степенью сжатия пружины регулятора при помощи механизма настройки 7.
Предположим, что регулятору уже задана некоторая частота вращения. Она автоматически поддерживается постоянной системой винт-регулятор следующим образом. Во время работы двигателя на золотник 5 регулятора непрерывно действуют две силы: упругая сила пружины 7, стремящаяся опустить золотник вниз, и центробежные силы грузиков 6, стремящиеся поднять золотник вверх. Если двигатель работает на установившемся режиме, когда частота вращения поддерживается постоянной, золотник 5 находится в нейтральном положении (каналы для прохода масла перекрыты буртиками золотника), а между упругой силой пружины и центробежными силами грузиков устанавливается равновесие. Частота вращения ротора двигателя, соответствующая этому положению, называется равновесной или заданной. Очевидно, чем больше сжата пружина, тем большие потребуются центробежные силы грузиков, а, следовательно, и большая частота вращения ротора двигателя для удержания золотника в нейтральном положении и наоборот.
Предположим теперь, что частота вращения ротора двигателя по какой-либо причине изменилась, например, увеличилась. Очевидно, это возможно или при увеличении мощности, развиваемой двигателем, или при уменьшении мощности, поглощаемой винтом.
Рассмотрим наиболее простой случай - увеличение мощности двигателя за счет увеличения подачи топлива (при перемещении рычага управления двигателем (РУД) вперед). При этом нарушается равенство мощностей двигателя и винта, в результате чего частота вращения ротора двигателя увеличивается. На это реагирует центробежный регулятор частоты вращения, который должен поддерживать ее постоянной. При увеличении частоты вращения увеличиваются центробежные силы грузиков 6, которые, преодолевая упругую силу пружины, поднимают золотник 5 вверх. В этом случае масло с высоким давлением пойдет в полость А, а из полости Б оно будет сливаться в двигатель.
|
| Рис. 4.24. Изменение мощностей двигателя и винта по частоте вращения при разных расходах топлива |
Моментами силы давления масла и аэродинамических сил лопасти будут поворачиваться в сторону увеличения угла установки, преодолевая при этом момент поперечных составляющих центробежных сил лопастей. Таким образом, винт будет «затяжеляться», его момент сопротивления вращению увеличится, а, следовательно, увеличивается и потребляемая им мощность. Процесс затяжеления винта будет продолжаться до восстановления заданной частоты вращения, когда по мере уменьшения центробежных сил грузиков золотник регулятора будет возвращен пружиной в нейтральное положение и перекроет масляные каналы.
При уменьшении мощности двигателя (за счет сокращения подачи топлива) будет наблюдаться обратная картина. Частота вращения ротора двигателя начнет снижаться, от чего упругая сила пружины, преодолевая центробежные силы грузиков, опустит золотник вниз. В этом случае масло от насоса поступает в полость Б, а из полости А оно сливается в двигатель. Лопасти винта под действием момента силы давления масла (в полости Б) и моментов поперечных центробежных сил, преодолевая моменты аэродинамических сил, будут поворачиваться в сторону уменьшения углов установки. Винт при этом делается легче, так как потребляемая им мощность уменьшается. Процесс облегчения винта закончится, когда заданная частота вращения восстановится и золотник возвратится в нейтральное положение.
Дроссельная характеристика винта.
|
| Рис.4.25 Зависимость угла установки лопастей винта от подачи топлива в двигатель |
Описанный процесс регулирования частоты вращения при изменении подачи топлива представлен графикам (рис. 4.24), где показаны зависимости мощностей двигателя и винта от частоты вращения при разных расходах топлива.
Развиваемая мощность двигателя Nдв имеет (с определенной погрешностью) степенную зависимость от частоты вращения: Nдв ~ n(2…3) В то время как потребляемая мощность винтом Nв имеет более высокую зависимость от его оборотов: Nв ~ n5 .Исходным режимом работы силовой установки является точка пересечения кривой мощности двигателя, соответствующей расходу топлива Q T0 , с кривой мощности винта, лопасти которого установлены под углом φ0. Этому установившемуся режиму работы силовой установки соответствует частота вращения п0. При увеличении подачи топлива характеристика мощности двигателя будет располагаться выше исходной (изображена пунктиром QT1 > Q T0 ) вследствие более высокой температуры газов перед турбиной. Как видно из графика, пересечение кривых мощности винта при φ0 и мощности двигателя при QT1 > Q T0 соответствует частоте вращения, которая больше п0. В данном случае центробежный регулятор, обеспечивая постоянство частоты вращения, переставит лопасти на больший угол установки φ1 (пунктирная кривая мощности, винта при φ1>φ0), что вызовет снижение оборотов, до ранее установленных п0.
Таким образом, с увеличением подачи топлива, а, следовательно, и с увеличением мощности двигателя винт будет затяжеляться, т. е. угол установки лопастей увеличивается и тяга возрастает. При уменьшении подачи топлива, наоборот, регулятор, поддерживая заданную частоту вращения, переводит лопасти на меньшие углы установки, тем самым, уменьшая тягу двигателя. Качественный характер изменения угла установки лопастей φ от подачи топлива Q T в двигатель представлен на рис 4.25.
Скоростная характеристика винта.
| |
| Рис.4.26 Совместные характеристики двигателя Nдв и винта Nв по скорости полета V | |
Рассмотрим теперь работу системы винт-регулятор при изменении скорости полета и постоянной подаче топлива в двигатель. Предположим, самолет переводится с режима набора высоты в режим горизонтального полета или с режима горизонтального полета в режим снижения. И в том и другом случаях скорость полета увеличится при неизменной подаче топлива.
|
| Рис.4.27 Зависимость угла установки лопастей винта φ от скорости полета V |
На рис. 4.26 представлены графики изменения располагаемой мощности ГТД - Nдв и потребляемой воздушным винтом мощности Nв в зависимости от скорости полета V. В области дозвуковых скоростей полета мощность (что и тяга) двигателя Nдв с увеличением скорости полета незначительно снижается в то же время Nв падает более интенсивно. При скорости V0 система двигатель – винт работает на равновесном режиме (Nдв = Nв). С увеличением скорости полета до V1 возникает избыток мощности ( Nдв > Nв), вызывающий рост оборотов винта. Стремясь удержать обороты на заданном значении, центробежный регулятор оборотов переставит лопасти на большие углы установки φ1 Это вызовет снижение оборотов за счет большей потребляемой мощности винта Nв (φ1) и равновесный режим восстанавливается, но при больших значениях углов уста новки лопастей.
Характер изменения φ=f(V) показан на графике рис.4.27.
При уменьшении скорости полета процесс регулирования протекает в обратном порядке. При уменьшении скорости полета угол атаки лопастей увеличивается, а, следовательно, винт делается «тяжелее». Частота вращения при этом снижается, а регулятор, стремясь поддержать заданное значение, переводит лопасти на меньшие углы установки.
Высотная характеристика
| |||
| Рис.4.28 Изменение мощностей двигателя и винта по высоте полета |
Система винт-регулятор будет реагировать и на изменение высоты полета, так как характеристика двигателя и винта по высоте изменяются неодинаково.
Высотная характеристика ТВД Nдв=f(h), представленная на графике рис.4.28, (верхняя ломаная кривая) имеет два характерных излома. На земле мощность двигателя определяется минимальной подачей топлива в двигатель, что соответствует потребной взлетной мощности. В интервале высот (0…h1) сохранение постоянной мощности (Nдв=const) за счет повышения температуры газов перед турбиной до максимально допустимой (увеличение подачи топлива) Тг мах. На высотах от h1 до h=11км происходит падение мощности двигателя. В этом диапазоне высот уменьшение плотности воздуха атмосферы частично компенсируется возрастанием степени сжатия воздуха в компрессора, связанное с понижением температуры атмосферы (Nдв ~ρ(0.8...0.9)).
На высотах более 11 км, где температура окружающего воздуха постоянна, мощность двигателя снижается пропорционально уменьшению плотности воздуха ρ.
Мощность винта, как следует из рис.4.28 (серия кривых при различных φ), снижается с подъемом на высоту пропорционально изменению плотности воздуха ρ.
Если, предположить, что угол установки лопастей винта φ0 на земле соответствовал условию Nдв.=Nв., то при увеличении высоты полета Nдв.>Nв. Такое несоответствие Nдв.и Nв вызывает увеличение частоты вращения, но регулятор, поддерживая заданное ее значение, переводит лопасти винта на большие углы установки.
| |||
| Рис. 4.29. Зависимость угла установки лопастей от высоты полета |
Таким образом, с увеличением высоты полета до h1 происходит интенсивное увеличение углов установки лопастей; на высотах (h1…11)км углы продолжают возрастать, но с меньшей интенсивностью; на высотах более 11 км угол установки остается постоянным, так как изменение мощностей двигателя и винта одинаково пропорциональны изменению плотности воздуха.
При уменьшении высоты полета процесс изменения угла установки будет обратный, т. е. лопасти винта будут переводиться на меньшие углы установки. Характер изменения угла установки лопасти показан на рис. 4.29.
4.10. АЭРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ВИНТЫ
На самолетах с двигателями небольшой мощности применяют аэромеханические винты, у которых лопасти поворачиваются автоматически, без использования посторонних источников энергии и регулятора частота вращения. Таким образом, аэромеханические винты является автономными и автоматическими. Автоматический поворот лопастей достигается за счет изменения в полете величины крутящих моментов, действующих на лопасти винта.
У обычных винтов величина моментов аэродинамических сил невелика, а направление их действия определяется величинами углов атаки. Если лопастям придать специальную форму или изогнуть их на угол γ (рис. 4.30) относительно оси поворота лопасти, то за счет изменения положения центра давления моменты аэродинамических сил будут обеспечивать поворот лопасти во втулке в сторону уменьшения угла установки. На лопасти аэромеханических винтов устанавливаются противовесы, которые создают крутящие моменты, направленные в сторону увеличения угла установки (затяжеление винта).
|
| Рис.4.30. Схема сил и моментов, действующих на аэромеханический винт |
На лопасти аэромеханических винтов устанавливаются противовесы, которые создают крутящие моменты, направленные в сторону увеличения угла установки (затяжеления винта). Моменты поперечных составляющих центробежных сил лопастей Мц стремятся развернуть лопасти в сторону уменьшения угла установки лопасти. Моменты Мц, создаваемые противовесами, больше моментов, создаваемых поперечными составляющими центробежных сил лопастей. На установившихся режимах соотношение моментов должно обеспечивать условие
Мп=Мц+Ма.
Однако значения указанных выше моментов в зависимости от режима полета изменяются, поэтому выбор правильного соотношения крутящих моментов, действующих на лопасти винта в широком диапазоне изменения угла установки, является весьма важной и сложной задачей. Это соотношение моментов должно обеспечивать «затяжеления» винта при увеличении скорости полета, и, наоборот, при снижении скорости полета винт должен «облегчаться». Частота вращения при неизменном режиме работы двигателя должна оставаться постоянной.
В соответствии с этим при работе двигателя на месте, когда тяга винта максимальна, а, следовательно, максимален крутящий момент от аэродинамических сил, лопасти винта устанавливаются на упор минимального угла. Этим обеспечиваются получение взлетной (максимальной) частоты вращения ротора двигателя и наивыгоднейшие условия взлета самолета.
В полете, по мере увеличения скорости, тяга винта уменьшается, уменьшаются и моменты Ма , а моменты центробежных сил противовесов и лопастей, не зависящие от скорости полета, сохраняют прежние значения (при n=const). В результате соотношение моментов изменится и лопасти постепенно будут поворачиваться в сторону увеличения угла установки, предотвращая раскрутку винта. Очевидно, при уменьшении скорости полета картина будет обратная. Таким образом, лопасти аэромеханического винта автоматически в зависимости от скорости полета изменяют угол установки. Частота вращения винта при этом меняется, но в сравнительн
Дата добавления: 2015-04-21; просмотров: 16455;