Аэродинамические характеристики воздушного винта

 

Каждый элемент лопасти винта при вращательно-поступательном движении создает элементарную аэродинамическую силу d _a, аналогично профилю крыла. Величина и направление этой силы зависит от угла атаки, связанного с оборотами винта, скоростью полета и углом установки лопасти.

Увеличение оборотов винта n_В приводит к росту линейной скорости вращения винта  и увеличению угла атаки элемента лопасти, и как следствие, к увеличению аэродинамических сил. Значительное увеличение оборотов (при постоянном угле установки лопасти и постоянной скорости полета) может привести к выходу элемента лопасти на закритические углы атаки, и, как результат, к срыву потока на элементах лопасти.

При увеличении скорости полета (при постоянном угле установки лопасти и постоянных оборотах) углы атаки элементов лопасти будут уменьшаться. Возможен выход на отрицательные углы атаки, что приведет к возникновению отрицательной тяги винта.

Таким образом, аэродинамические силы также зависят от эксплуатационных факторов – угла установки лопасти, скорости полета и оборотов винта.

Элементарная аэродинамическая сила dR_a элемента лопасти dS может быть разложена на две составляющие: тягу dP_В (проекция на продольную ось, совпадающую с осью вращения винта), и силу сопротивления dQ_В (проекция на плоскость вращения винта). Сила сопротивления создает момент сопротивления участка лопасти dM_B = dQ_B·r.

Сила тяги и момент сопротивления всего винта с числом лопастей n определяется суммой элементарных сил и моментов dP_В и dM_B по всей площади всех лопастей:

Р_В = n  ; М_В = n

Для преодоления сопротивления при вращении винта необходима мощность двигателя N_ДВ:

N_ДВ = М_в·𝜔_В

Тягу, мощность и КПД воздушного винта определяют по результатам продувок, на основе которых получают коэффициенты тяги () и мощности (). Сила тяги и мощность воздушного винта определяются по формулам:

Р_В =

N_В =

где ρ – плотность воздуха; D – диаметр винта.

Коэффициенты тяги и мощности являются безразмерными критериями подобия в теории винта.

При  > 0 винт создает положительную тягу, направленную по полету. При  < 0 винт создает отрицательную тягу, направленную против полета.

При  > 0 для вращения винта необходимо затрачивать мощность двигателя. При  < 0 винт сам создает мощность и крутящий момент в сторону вращения.

Коэффициенты  и  являются функциями относительной поступи λ.

 

При полете винт создает тягу Р_В для движения самолета со скоростью V. Тяговая мощность винта может быть определена по формуле N_B = P_B·V. Пусть N_дв - мощность двигателя, потребная для вращения винта. Тогда КПД винта ɳ_В можно определить как соотношение тяговой мощности к мощности, затрачиваемой на двигателем на вращение винта:

ɳ_В =  =  =

Аэродинамические характеристики воздушного винта ,  и ɳ_В для винта фиксированного шага являются функцией только относительной поступи λ     (см. рис. 3); для винта изменяемого шага эти зависимости можно представить для различных углов установки лопасти 𝜑.

Рис. 3.

 

Рассмотрим изменение аэродинамических характеристик для винта фиксированного шага. При работе винта на месте (V = 0) относительная поступь λ = 0; при отказе двигателя и невращающемся винте (n_В = 0) λ = ∞; при нормальной работе двигателя λ > 0.

В зависимости от сочетания параметров V, n и 𝜑 лопасть винта работает на различных углах атаки, соответствующих шести различным режимам работы винта (см. рис. 3).

 

1. Режим работы винта на месте: V = 0, λ = 0, тяга Р_В максимальна, тяговая мощность N_В = V· Р_В = 0. Коэффициенты  и  максимальны, так как сечения лопасти имеют максимальный угол атаки, равный углу установки.

 

 

2. Режим положительной тяги – основной режим работы воздушного винта: λ > 0,  < _max,  < _max, так как при увеличении скорости полета V угол атаки сечений лопасти уменьшается; тяга винта уменьшается с увеличением скорости полета. КПД винта ɳ_В > 0, и при некотором значении λ достигает максимума.

 

 

3. Режим нулевой тяги: Р_В = 0,  = 0, ɳ_В = 0, угол атаки лопасти α = 0. Винт имеет некоторое сопротивление и снимает мощность с двигателя, но его тяга равно нулю.

 

 

 

4. Режим отрицательной тяги – возникает, если угол атаки сечения лопасти становится отрицательным. Двигатель затрачивает мощность на вращение винта, который создает отрицательную тягу.

 

 

5. Режим авторотации:  < ,  < . Винт вращается, не требуя мощности двигателя для своего вращения, создавая незначительную отрицательную тягу.

 

 

6. Режим ветряка:  < ,  < , Р_В < 0. Винт вращается под действием набегающего потока, создавая при этом мощность на валу винта. Проекция Q_в аэродинамической силы R_a на плоскость вращения винта направлена в сторону вращения. Тяга отрицательна.