Совместная работа С.У. с ВИШ

 

На большинстве легких ВС устанавливается поршневой двигатель с ВВ. Поршневой двигатель – это двигатель внутреннего сгорания, в котором энергия расширяющихся газов, полученная в результате сгорания топлива, преобразуется в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня. За последние годы поршневая технология была усовершенствована за счёт внедрения компьютеризированных систем управления двигателем. Системы управления двигателем уменьшают расход топлива, оптимизируют работу двигателя и упрощают работу пилота. Последние достижения связаны с созданием авиадвигателя, работающем как автомобильный на дизельном топливе. Такой двигатель может работать на авиационном керосине, что уменьшает стоимость топлива, а значит и стоимость летного часа. Дизельные авиадвигатели компании TAE устанавливаются на DA40, DA42, PA-28. На ВС с такими двигателями применяется электронно-цифровая система управления, упрощающая процесс управления двигателем и воздушным винтом.

Воздушный винт изменяемого шага (ВИШ) является ВВ, который управляется механизмом регулятора шага таким образом, чтобы сохранить постоянную частоту вращения винта при изменении аэродинамической нагрузки (высоты, температуры, давления, скорости и т.д.). На большинстве легких ВС установлены именно ВИШ, главным преимуществом которых является высокий КПД в широком диапазоне воздушных скоростей и позволяет выбрать (и поддерживать) необходимую частоту вращения двигателя в различных условиях полета.

    Механизм управления углом установки лопасти (регулятор постоянства оборотов) изменяет шаг винта; при этом КПД ВВ близок к максимальному в широком диапазоне эксплуатационных условий; тяга ВИШ будет больше, чем у ВФШ при прочих равных условиях. Коэффициент полезного действия ВВ для ВИШ реализуется для разных эксплуатационных условий при разных углах установки лопасти. Значение η_в для легких ВС в диапазоне от 0.75 до 0.91. Зависимость η_в от λ для разных углов установки представлена на рис. 2. Зависимость КПД ВИШ представляет собой огибающую кривых КПД множества винтов ВФШ с углами установки лопасти от φ_min до φ_max. КПД и тяга изолированного винта всегда больше КПД и тяги ВВ на самолете на 25-30%. Часть получаемой от двигателя мощности расходуется на перемещение самолета и равна P_вV; остальная мощность двигателя затрачивается на преодоление сопротивления в струе, интерференцию винта и самолета, на закручивание струи и прочие потери, т.о. режим работы винта (т.е. φ) должен соответствовать режиму полета (V). В этом случае лопасти винта будут работать на наивыгоднейшем угле атаки, давая максимальный КПД.

φ – угол установки лопасти λ – относительная поступь

Рис. 2 Зависимость КПД η_в ВИШ от скорости;

    КПД винта зависит от высоты полета. Частота вращения ВВ в полете поддерживается постоянной, поэтому при уменьшении плотности воздуха с высотой, а значит и момента сопротивления ВВ, угол установки лопасти φ необходимо увеличивать для сохранения равенства M_дв = M_в; т.о. при увеличении φ M_в возрастает и компенсируется его уменьшение с высотой. Максимальное η_в (см. рис. 2) при бόльшем угле установки достигается при бόльшей скорости. Т.о. при увеличении высоты полета и неизменной скорости η_в уменьшается.

    КПД ВВ зависит и от режима работы двигателя. Наивыгоднейший угол атаки на лопастях ВВ достигается при определенном (заданном в РЛЭ) сочетании частоты вращения ВВ n_в, угла установки лопасти φ_м, скорости полета V. Такое сочетание должно соответствовать каждому режиму работы двигателя. Каждой скорости полета должна соответствовать своя мощность двигателя, тогда на лопастях винта сохранится наивыгоднейший угол атаки и максимальное η_в у ВВ.

    Диапазон изменения углов установки лопасти ВВ определяет тип ВВ. Флюгерным ВВ называется ВИШ, лопасти которого могут быть установлены по потоку. При этом углы установки лопасти обычно 85-90˚. Обычно такие винты устанавливаются на многодвигательные ВС (DA42) с целью уменьшения лобового сопротивления ВВ неработающего двигателя. При отказе двигателя винт, находящийся на обычных углах установки, вращаясь от набегающего потока может создавать значительное сопротивление и на малых углах установки

Рис. 3

отрицательную тягу. Остановленный винт с лопастями на летных углах установки создает ещё большее сопротивление, чем вращающийся. Сопротивление зафлюгированного ВВ много меньше, что облегчает технику пилотирования многодвигательного ВС при отказе двигателя.

 

Управление ВИШ в полете

 

На лопасть ВВ при его вращении действует аэродинамические и центробежные силы. Аэродинамическая сила действует на каждое сечение лопасти и создает момент , направленный на увеличение угла установки лопасти. (рис. 3)

При вращении ВВ на каждый элемент лопасти, расположенный на расстоянии r от оси вращения, действуют центробежные силы  и , направление которых не совпадают с плоскостью вращения.

Проекции центробежных сил на ось поворота лопасти  и  стремятся вырвать лопасть, так как создают силу, направленную вдоль оси лопасти; действие этих сил требует усиления корневых сечений лопасти для обеспечения необходимой прочности ВВ. (рис.4)

Проекции  и  создают моменты, стремящиеся повернуть лопасть в сторону уменьшения угла установки лопасти (рис.5). Величина этого момента зависит от массы лопасти, числа оборотов, угла установки. Аэродинамические моменты по своей величине меньше инерционных. У корня лопасти находятся противовесы, создающие моменты инерционных сил N, бо́льшие чем инерционные моменты лопастей и стремящиеся повернуть лопасть на большой шаг.

Для того, чтобы обеспечить требуемый угол установки лопасти применяются гидравлические механизмы, управляющие поворотом лопасти с помощью гидромеханизма, находящегося во втулке винта. В зависимости от принципов увеличения и уменьшения угла установки лопасти выделяются прямая, обратная и двусторонняя схемы управления.

- прямая схема управления: на малый шаг лопасти переводятся центробежными силами лопасти и действием давления масла; на большой шаг моментами центробежных сил противовесов и аэродинамических сил (гидроцентробежный принцип действия); эта схема применяется достаточно широко. Ее достоинство в том, что при отказе гидромеханизма происходит увеличение угла установки лопасти, что препятствует раскрутке винта (Як-18Т).

- обратная схема: на малый шаг лопасти переводятся моментом от центробежных сил, на большой – моментами аэродинамических сил и давлением масла.

- двусторонняя схема: на малый шаг переводятся давлением масла и моментом центробежных сил лопастей; на большой – моментами центробежных сил противовесов, моментами аэродинамических сил и давлением масла.

Измение шага ВИШ обеспечивается работой центробежного регулятора постоянства оборотов (РПО). У РПО имеется элемент включающий пружину и вращающиеся грузики. При заданных оборотах ВВ центробежная сила грузиков и сила затяжки пружины уравновешены.

При изменении режима полета винт изменяет угол установки и, как следствие, изменяются обороты в системе «винт-двигатель». Соответственно изменяются обороты центробежного регулятора – нарушается равновесие между центробежными силами грузиков и силой затяжки пружины. Связанный с грузиками специальный золотник перемещается, открывая канал подачи или слива масла в зависимости от схемы управления гидромеханизма. В результате угол установки лопасти начинает меняться, пока не возникает равенство сил в регуляторе оборотов.

Центробежные грузики на малых оборотах (≈1300-1400 об/мин) создают центробежные силы, недостаточные для перемещения золотника вверх; вследствие этого невозможно перевести ВВ на большой шаг при частоте вращения вала двигателя порядка 1300 об/мин.

Диапазон углов поворота лопасти ограничивается цифрами высокого и низкого шага; если лопасть достигает одного из этих углов, винт будет работать как ВФШ.

На ВС с ВИШ имеется два органа управления: ручка управления двигателем (РУД) и ручка управления шагом винта (РУШВ). РУД управляет мощностью двигателя, а РУШВ – оборотами.

При изменении угла установки лопасти РУШВ изменяется момент сопротивления ВВ  и нарушается равенство , в результате чего обороты изменяются. Установленные пилотом обороты и равенство  будут поддерживаться за счет автоматического изменения угла установки лопасти с помощью РПО.

На ВС с таким управлением (DV20, Як-18, Як-52, Як-55) полезная мощность двигателя контролируется РУД и отображается на манометре наддува. Наддув – абсолютное давление воздушно-топливной смеси внутри впускного коллектора. Полезная мощность двигателя зависит от количества воздушно-топливной смеси, поступающей в камеру сгорания. При увеличении РУД в двигатель поступает большее количество смеси и наддув возрастает. При выключенном двигателе манометр показывает давление окружающего воздуха. Для работы ВВ на заданных оборотах должен быть обеспечен соответствующий наддув. При изменении оборотов и давления наддува должен сохраняться определенный порядок изменения мощности и оборотов.

Для ВС, оборудованных системой управления двигателем, таких как DA-40 и DA-42 пилот управляет только РУД.