Кинематические характеристики воздушного винта

Перемещаясь вместе с воздушным судном, лопасти винта совершают вращательно-поступательное движение, и его кинематические и аэродинамические характеристики определяются скоростью этого совместного движения (см. рис. 1).

На рис. 2 представлено движение элемента лопасти в некотором сечении на радиусе r от втулки.

    Рис. 1                                                       Рис. 2

Скорость движения элемента лопасти  является геометрической суммой поступательной скорости движения воздушного винта вместе с самолетом  и линейной скорости в плоскости вращения винта  = 2πrn_В = r𝜔_В, где:

n_В  - число оборотов винта в секунду

𝜔_В - угловая скорость вращения винта [рад/с]

r - радиус рассматриваемого сечения лопасти

 =  +

При вращении винта возникают индуктивные скорости, величину которых определяют из теории винта, но в практической аэродинамике воздушного винта самолета ими пренебрегают.

Угол установки лопасти 𝜑 (см. рис. 2) – это угол, заключенный между хордой сечения лопасти и плоскостью воздушного винта.

По мере удаления от оси вращения, линейная скорость вращения  элемента лопасти увеличивается. Таким образом, все элементы лопасти движутся с различными линейными скоростями вращения, и, как следствие, под различными углами к набегающему потоку воздуха. Для того, чтобы обеспечить нормальную работу каждого элемента, применяют геометрическую и аэродинамическую крутку.

Геометрическая крутка  - разница между углом установки лопасти в сечении радиуса r (на расстоянии r от втулки) и номинального угла установки лопасти в сечении 0,75R

Аэродинамическая крутка заключается в том, что лопасть набирается из разных профилей - по мере удаления от оси вращения винта, толщина лопасти уменьшается. Аэродинамическая крутка позволяет увеличить критическое число М и уменьшить волновое сопротивление.

Направление результирующей скорости поступательно-вращательного движения воздушного винта, а также угол установки элемента лопасти 𝜑 определяют угол атаки элемента лопасти α – угол между хордой элемента лопасти и вектором результирующей скорости .

Существуют воздушные винты фиксированного шага (ВФШ), имеющие один конструктивный угол установки лопасти (винт самолета Cessna 172S); винты изменяемого шага (ВИШ), угол установки лопастей которого изменяется с помощью механизма поворота лопасти (регулятор постоянства оборотов - РПО) (DA40, DA42, DV20, Як-18Т, Ан-2, Ан-24, Ан-26, Ил-114, Ан-140 и т.д.); и винты регулируемого или переставного шага, на которых угол установки лопасти может быть изменен на земле.

Значение линейной скорости вращения  зависит от оборотов винта и расстояния рассматриваемого сечения от втулки, и по мере его увеличения величина  может возрастать до значений, сравнимых со скоростью звука на данной высоте. При этом профиль концевого участка лопасти попадает в трансзвуковой режим обтекания - на концах лопастей возникают скачки уплотнения, что приводит к появлению волнового сопротивления и увеличению сопротивления винта в целом, а следовательно, и к снижению его КПД.

Для того, чтобы избежать появления волнового кризиса на концевых сечениях лопасти, скорость вращения винта понижается по отношению к скорости вращения вала двигателя с помощью редуктора; соотношение между оборотами винта и двигателя задается числом редукции.

Возникновение тяги воздушного винта аналогично возникновению подъемной силы крыла: лопасть винта можно рассматривать как крыло, совершающее вращательно-поступательное движение. При этом угол атаки каждого элемента лопасти зависит от скорости поступательного движения винта вместе с самолетом , от скорости вращательного движения  = 2πrn_В и от угла установки 𝜑.

При увеличении скорости поступательного движения  угол атаки элемента лопасти уменьшается; при увеличении оборотов n и, как следствие, линейной скорости вращения , угол атаки элемента лопасти увеличивается; при увеличении угла установки 𝜑 угол атаки увеличивается.

К кинематическим характеристикам воздушного винта относятся:

· геометрический шаг винта Н - расстояние, которое движущийся поступательно винт должен пройти за один свой полный оборот, если бы он двигался в воздухе как в твердой среде; Н = 2πr tg(𝜑)

· поступь винта h - действительное расстояние, на которое движущийся поступательно винт продвигается в среде за один свой полный оборот вместе с самолетом; h =

· относительная поступь винта λ =  . Относительная поступь винта – безразмерный коэффициент, являющийся критерием подобия в теории винта. При постоянном угле установки лопасти угол атаки зависит от соотношения скоростей  и , то есть является функцией относительной поступи λ.