Совместная работа С.У. с ВФШ

 

    Установившийся режим работы силовой установки (С.У.) с поршневым двигателем с ВВ реализуется при условии, что вся мощность двигателя N_дв снимается на винт. Крутящий момент от двигателя на валу винта M_дв при этом равен моменту сопротивления ВВ, т.е. M_дв = M_в. Для ВФШ максимальный КПД η_max достигается только при одной определенной скорости. Шаг ВФШ устанавливается изготовителем авиационной техники и не может изменяться. Максимальное значение КПД достигается только при одном определенном сочетании неизменного угла установки лопасти, воздушной скорости и частоты вращения, т.е. оборотов ВВ. ВФШ используется, когда необходимо достичь малого веса ВС, простоты и низкой стоимости летательного аппарата (л.а.). Выбор ВФШ зависит от предполагаемого назначения ВС; он может быть тангажным и маршевым. Тангажный винт имеет меньший угол установки φ_м как результат меньшее лобовое сопротивление. Это позволяет повысить обороты двигателя и мощность, что эффективно во время взлета и набора высоты, но делает ВВ неэффективным в крейсерском полёте. Маршевый ВВ имеет бόльший угол установки φ и бόльшее сопротивление. Обороты двигателя и мощность будут ниже, чем в предыдущем случае. Эффективность взлета и набора высоты ниже, зато повышается в крейсерском полете.

    ВФШ крепится на валу, являющимся продолжением коленчатого вала двигателя. В этом случае частота вращения ВВ и коленчатого вала совпадают, т.е. n_в = n_дв, что реализовано на ВС Cessna 172S. Если ВВ устанавливают на валу, соединяющемся с коленчатым валом через зубчатую передачу, то частота вращения винта и двигателя различны и отличаются в число редукции (DA40, DA42, DV20, Як-18Т). Расчетным режимом для самолетов с ВФШ обычно является крейсерский полет.

    Для управления оборотами ВВ на ВС с ВФШ используется ручка газа, контролирующая интенсивность поступления воздушно-топливной смеси в двигатель. Изменение полезной мощности двигателя (при полете на постоянной высоте) приводит к изменению оборотов ВВ.

    ВВ представляет собой вращающуюся аэродинамическую поверхность,создающуютягу. Двигатель вращает ВВ, который и создает тягу как крыло подъемную силу. При увеличении мощности двигателя уравнение  принимает вид неравенства M_дв > M_в, где M_в –момент сопротивления ВВ при конструктивном угле установки лопасти φ. В результате обороты «легкого» для двигателя винта увеличиваются, линейная скорость вращения  возрастает; это приводит к увеличению угла атаки лопасти (см. рис. 1) и, как следствие, к увеличению аэродинамической по своей природе тяги ВВ и скорости полета. Эта зависимость полностью подтверждается таблицей 5 крейсерских характеристик в РЛЭ ВС Cessna 172S при одной высоте полета H.

    При увеличении высоты полета такая прямая зависимость нарушается, т.к. одинаковая частота вращения двигателя на большей высоте создает меньшую мощность; для сохранения полезной мощности с увеличением высоты необходимо увеличивать положения РУД. Сопротивление воздушного винта (аналогично сопротивлению крыла) зависит от условий наружного воздуха: от температуры, давления, плотности. При изменении высоты сопротивление воздушного винта изменится. Например, при увеличении высоты H плотность воздуха ρ уменьшается, уменьшается сопротивление и момент сопротивления воздушного винта М_в; винт становится легким для двигателя (режим работы не изменился) М_в< M_дв, в результате чего обороты винта увеличиваются (см. таблицу 5 РЛЭ Cessna 172).

Рис. 1

    Воздушно-топливная смесь характеризуется содержанием в ней топлива и воздуха. Идеальное, т.е. обеспечивающее полное сгорание, соотношение называется стехиометрическим. При увеличении высоты значение плотности снижается, и для поддержания оптимального соотношения смесь надо «обеднять», т.е. уменьшать подачу топлива. Обеднение и обогащение смеси используется на ВС Cessna C172S.

ВФШ рассчитывается так, чтобы двигатель мог с ним развить расчетную частоту вращения на расчетной скорости, которой является максимальная скорость крейсерского полета. Угол установки лопасти ВФШ подбирают таким образом, чтобы при максимальной скорости V_max и номинальных оборотах n_ном угол атаки был наивыгоднейшим, т.к. только при этих условиях достигается максимальное значение КПД. В нерасчетных условиях ВФШ становится либо «тяжелым», либо «легким». Если винт «тяжелый», то он не снимает с вала двигателя полной мощности; если «легкий», то частота его вращения станет выше допустимой при неизменном режиме работы двигателя и его мощность необходимо уменьшить, т.е. «легкий» винт также не может потреблять всю мощность двигателя.

    Под раскруткой винта понимают увеличение частоты вращения ВВ сверх максимально допустимой. Для каждого типа двигателя указана максимально допустимая частота вращения и время его непрерывной работы на такой частоте. Раскрутка может также возникнуть при пикировании и при работе винта в режиме ветряка. Раскрутка возможна для ВФШ; для ВИШ она возможна только в случае отказа или неисправностей механизмов управления шагом винта, в результате которых ВИШ начинает работать как ВФШ. К основным признакам раксрутки винта относятся тряска двигателя, увеличение частоты вращения вала двигателя; изменение звука работающего двигателя. Действия пилота при раскрутке ВВ определены в РЛЭ ВС.

    Т.о. недостатками ВФШ является низкий КПД в нерасчетных условиях, т.е. максимальный КПД реализуется при одной высоте и одной расчетной скорости. В других условиях винт является либо «легким» либо «тяжелым», и не может использовать полностью мощность двигателя.

    КПД ВВ зависит от высоты полета и в общем случае с увеличением высоты КПД ВВ уменьшается.