Конспект лекций (по КТП на 20016…17 г)

по дисциплине М-17 "Воздушный винт" Сайт "Конструкция воздушных винтов"

Занятие № 1. Введение (2 часа)

Вопросы: Место предмета «Воздушный винт» в ряду специальных дисциплин, изучаемых в колледже. Связь с базовыми науками – аэродинамикой, КЛА, КД, механикой и др. История зарождения и развития теории воздушного винта. Типы воздушных винтов, их классификация. Требования норм лётной годности к воздушным винтам ЛА

Дисциплина "Воздушный винт" (ВВ) предусмотрена новым учебным планом для авиационных техников-механиков базового уровня в объёме 32 часов. Изучается на 4 курсе во втором семестре (15 теоретических занятий и одна практическая работа). Практическое занятие в техническом классе № 15 или на УАТБ.

Завершение изучения – выставление итоговой оценки по текущему опросу и проведение Интернет - зачета.

На 3 курсе по дисциплине "Аэродинамика" был раздел "Аэродинамика воздушного винта", где рассматривались основные понятия аэродинамики воздушного винта и проведена лабораторная работа, которую вы успешно защитили. При изучении дисциплины "Воздушный винт" нам придется повторить основные понятия геометрических и аэродинамических характеристик воздушного винта, чтобы подробнее изучить работу винтов изменяемого шага ВИШ, используемого на современных самолётах, сначала с точки зрения теории, затем его конструктивного исполнения.

В Воздушном кодексе РФ есть Статья 37.4.1., Глава 5. "Сертификация гражданских ВС, авиационных двигателей и воздушных винтов". В ней указано, что "…все воздушные винты должны иметь Сертификат типа, т.е. соответствовать требованиям лётной годности и охране окружающей среды". Например, эталоном ГС ГА "Воздушные винты", 2001 года на самолёты Ан-24, Ан-24Т, Ан-30 предусмотрены двигатели АИ-24Т и АИ-24ВТ с воздушными винтами АВ-72 серии 02А.

Нормы лётной годности (НЛГ-3) в главе № 6 "Силовые установки" имеют пункт 6.6."Воздушные винты", где записаны основные требования к воздушным винтам ЛА.

Воздушный винт - лопастный агрегат, вращаемый валом двигателя (М_кр) и создающий силу тяги, необходимую для движения самолета по ВПП и в полёте.

Первое упоминание о воздушном винте (пропеллер, движитель) относится к 1475 году. Идею подъёма в воздух предложил итальянский ученой Леонардо де Винчи и это был шнековый винт, расположенный вертикально, на две по 360º длины окружности (спираль). В России в это время правил Иван ІV (Грозный).

Впервые эту идею в реальность применил российский ученый М.В.Ломоносов в 1754 году, изготовив модель прибора для метеоисследований. Два соосных двухлопастных винта приводились в движение от часовой пружины. Винты вращались в разные стороны. Это уже очень большое достижение для того времени, т.к. при одном вращающемся ВВ создаётся реактивный момент на корпус прибора, вращая его в противоположную сторону.

В 1881 году российский инженер (морской офицер) А.Ф.Можайский изготовил летательный аппарат тяжелее воздуха, используя тянущие двухлопастные воздушные винты неизменяемого шага, вращаемые от парового двигателя. Самолёт А.Ф.Можайского имел классическую аэродинамическую схему, но была допущена ошибка в расчете соотношения площади крыла и веса для малых скоростей полёта. Поэтому самолёт при разбеге не достиг скорости, при которой крыло создает подъёмную силу равную взлетному весу и не поднялся в воздух.

В 1901…1903 годах американские конструкторы братья Райт построили планер, а затем самолёт аэродинамической схемы "утка", с двигателем внутреннего сгорания и двумя толкающими воздушными винтами.17 декабря 1903 года они совершили свои первые полёты на 36 и 260 м со скоростью около 13 км/час.

В 1926 году российский ученый Н.Е.Жуковский обосновал свою теорию ВВ.

Принцип создания тяги ВВ до этого представлялся несколькими способами. Один из них, более ранний, объясняет создание силы тяги отбрасыванием лопастями ВВ воздушных масс назад и получая при этом направленную вперёд силу реакции.

Р = m · а (Н),

где m – масса отбрасываемого воздуха, а – ускорение.

В теории реактивного движения тяга Р, при полном расширении воздуха за двигателем, определяется по формуле:

Р = G_в · (С_с – V);

где: G_в - расход воздуха на входе в двигатель, м³/с (или кгс/с);

С_с - скорость воздуха (газа) за выходным соплом, м/с;

V - скорость полёта, м/с.

Более точную формулу силы тяги реактивного двигателя в 1929 году вывел академик Б.С.Стечкин (выпускник МВТУ им. Н.Э.Баумана), ученик Н.Е.Жуковского. (см. учебник А.Л.Калягина "Теория воздушно – реактивного двигателя"): Р = G_т · С_с - G_в · V (Р_с – Р_н) · F_с;

где: G_т - расход газа на выходе из сопла, м³/с;

G_в - расход воздуха на входе в двигатель, м³/с;

С_с - скорость воздуха (газа) за выходным соплом, м/с;

V - скорость полёта, м/с;

Р_с – давление газа на выходе из сопла, кгс/м²;

Р_н – давление воздуха в атмосфере на высоте Н, кгс/м²;

F_с - площадь выходного сечения сопла, м².

Современные двигатели с ВВ отбрасывают до 200 м³/с воздуха.

Расчет расхода воздуха (или газа) производится по формуле:

G_т = m · ρ^*/ √Т^*· F · q · λ;

где: m - масса воздуха на входе в двигатель, кг;

ρ^* - плотность воздуха (газа) за выходным соплом, кг·с²/м⁴;

Т^*- температура воздуха (газа), К;

F_с - площадь выходного сечения сопла, м²;

(q · λ ) – газодинамическая функция.

Таким образом – этот способ объяснения создания тяги ВВ очень сложный, хотя и не противоречивый! В настоящее время имеются и хорошо работают турбо-вентиляторные авиационные двигатели Д-36, ПС-90А, НК-93 и другие.

Теория Н.Е.Жуковского утверждает, что работа воздушного винта основана на тех же принципах, что и работа крыла самолета, т.е. аэродинамический способ создания тяги и, в последствии, при изучении воздушного винта, мы будем придерживаться именно этого способа, как более научно обоснованного для дозвуковых скоростей вращения лопастей ВВ, а также рассмотрим, почему за воздушным винтом (вентилятором) возникает эффект отбрасывания масс воздуха назад.

Силовая установка ЛА предназначена для создания силы тяги, необходимой для преодоления лобового сопротивления и обеспечения поступательного движения самолета. Силовая установка ЛА обычно состоит из непосредственно двигателя (корпус, заборник воздуха, компрессор, камера сгорания, турбина, сопло), движителя (воздушный винт) и систем, обеспечивающих работу двигателя (топливная система, система смазки, охлаждения и т.д.).

В настоящее время в транспортной и военной авиации широкое распространение получили турбореактивные и турбовинтовые двигатели, такие как АИ-20 (самолёт Ил-18, Ил-36), АИ-24 (самолёт Ан-24, Ан-32), НК-12 (самолёт Ту-95), Д-27 (самолёт Ан-70) и другие. На французском транспортном самолёте А400М установлены четыре ТВД с разным направлением вращения саблевидных ВВ.

В спортивной и сельскохозяйственной авиации пока еще применяются силовые установки с поршневыми авиационными двигателями внутреннего сгорания. На самолетах Як-52 и Як-55 силовая установка состоит из поршневого двигателя М-14П и воздушного винта изменяемого шага В530ТА-Д35. Двигатель М-14П преобразует тепловую энергию сгорающего топлива в энергию вращения воздушного винта.

Классификация и типы воздушных винтов

- по числу лопастей - двух-, трех-, четырех-, шести- и многолопастные;

- по направлению вращения (смотреть по направлению полета) - левые и правые;

- по расположению относительно двигателя – тянущие и толкающие;

- по форме лопастей - обычные, саблевидные и веслообразные;

- по типам – неизменяемого, фиксированного и изменяемого шага (ВИШ).

Требования, предъявляемые к воздушным винтам

К воздушным винтам предъявляются следующие требования:

- винт должен быть прочным и мало весить;

- должен обладать весовой, геометрической и аэродинамической симметрией;

- должен развивать необходимую тягу при различных эволюциях в полете;

- должен работать с наибольшим коэффициентом полезного действия.

Тема 1. Основные понятия о вв (10 час)

Занятие № 2. Тема 1.1. Основные понятия (2 часа)

Вопросы: Основные элементы воздушного винта. Геометрические и кинематические характеристики воздушного винта. Угол установки, крутка, скольжение винта. Фиксированный шаг, изменяемый шаг. Угол установки и крутка лопасти. Геометрический шаг, поступь и скольжение винта. Относительная поступь лопасти воздушного винта.

Силовая установка любого самолёта предназначена для создания силы тяги, необходимой для преодоления лобового сопротивления и обеспечения поступательного движения самолета.

Двигатель преобразует тепловую энергию сгорающего топлива в энергию вращения воздушного винта.

Воздушный винт – это лопастной агрегат, вращаемый валом двигателя, создающий тягу, необходимую для движения самолета. Воздушный винт преобразует Мкр двигателя в положительную тягу, необходимую для полёта самолёта и в отрицательную тягу, используемую для торможения самолёта при пробеге после посадки. Лопасти винта, вращаясь, захватывают воздух и отбрасывают его в направлении противоположном движению, создавая реактивную силу тяги. При этом перед винтом создаётся зона пониженного давления, за винтом – повышенного. Вращение лопастей воздушного винта приводит к тому, что отбрасываемые ими массы воздуха приобретают окружные (радиальные) направления, на что расходуется часть энергии, подводимой к винту.

Самолёты с ТВД значительно экономичнее, чем самолёты с ТРД, однако воздушные винты имеют некоторые ограничения, как конструктивного, так и эксплуатационного характера.

1. «Эффект запирания», который возникает либо при увеличении диаметра воздушного винта, либо при увеличении скорости вращения, и выражается в отсутствии роста тяги с увеличением мощности, передаваемой на винт. Эффект связан с появлением на лопастях участков с около звуковым или сверхзвуковым обтеканием воздуха (волновой кризис). Это явление накладывает существенные ограничения на технические характеристики самолёта с винтомоторной установкой. В частности современные самолёты с воздушными винтами, как правило, не могут развивать скорость более 650…700 км/час. Самый быстрый винтовой самолёт – бомбардировщик Ту-95 – имеет максимальную скорость 920 км/час.

2. Повышенный шум. Шумность современных самолётов в настоящее время регламентируется нормами ИКАО.

Авиаконструкторы ищут на определённые способы, чтобы такой эффективный движитель, как воздушный винт, нашёл место на самолётах будущего. Что для этого сделано?

1. Преодоление эффекта запирания. На самом мощном в мире турбовинтовом двигателе НК-12 крутящий момент силовой установки делится между двумя соосными воздушными винтами, вращающимися в разные стороны.

2. Применение саблевидных лопастей. Многолопастный воздушный винт с саблевидными лопастями позволяет затянуть волновой кризис, и тем самым увеличить максимальную скорость полёта. Такое техническое решение реализовано на самолётах Ан-70 (соосные воздушные винты по восемь и шесть лопастей) и А-400М (восемь лопастей).

3. Разработки сверхзвуковых воздушных винтов. Эти разработки ведутся уже много лет, но ещё не привели к реальным техническим воплощениям. Лопасть сверхзвукового воздушного винта имеет крайне сложную форму, что затрудняет её прочностной расчёт. Кроме того, экспериментальные сверхзвуковые воздушные винты оказались очень шумные.

4. Заключение воздушного винта в аэродинамическое кольцо (импеллер) может снизить концевое обтекание лопастей, уменьшает шум и повышает безопасность (защитить обслуживающий персонал). Однако вес самого кольца является ограничивающим фактором для широкого распространения такой конструкции.

5. Вентилятор, так же, как импеллер, заключен в кольцо, но кроме того, имеет входной и выходной направляющие аппараты. Направляющий аппарат представляет собой систему неподвижных лопастей (статор), позволяющих регулировать поток воздуха, попадающий на ротор вентилятора, и тем самым поднять его эффективность. Очень широко применяется в современных авиационных двигателях.

Геометрические характеристики воздушного винта влияют на его аэродинамику. Сечения рабочей части лопасти воздушного винта имеют профили аналогично профилям крыла самолёта и при вращении создают такие же аэродинамические силы.

Профиль лопасти ВВ характеризуется также как у крыла - хордой, относительной толщиной и относительной кривизной. Наиболее распространенные формы лопасти воздушного винта в плане - симметричная и саблевидная. Плоскость, перпендикулярная оси вращения винта, называется плоскостью вращения винта.

Углом установки лопасти винта  - называется угол наклона хорды сечения лопасти к плоскости вращения винта

Рис. 1. Формы воздушного винта

а - профиль лопасти, б - формы лопастей в плане

Геометрический шаг винта - это расстояние, которое движущийся поступательно винт должен пройти за один свой полный оборот, если бы он двигался в воздухе, как в твердой среде.

Для определения, чему равен шаг винта, представим, что винт движется в цилиндре, радиус которого равен расстоянию от центра вращения винта до точки Б на лопасти винта (рис.3). Эта точка опишет на поверхности цилиндра винтовую линию. Из прямоугольного треугольника ЦВБ находим, чему равен шаг винта:

где  - угол установки лопасти винта.

Развернем отрезок цилиндра, равный шагу винта Н по линии БВ. Получится прямоугольник, в котором винтовая линия превратилась в диагональ этого прямоугольника ЦВ. Эта диагональ наклонена к плоскости вращения винта БЦ под углом . Шаг винта будет тем больше, чем больше угол установки лопасти .

Если все сечения лопасти винта имеют разный шаг, то за общий шаг винта считается шаг сечения, находящегося на расстоянии от центра вращения, равном 0,75R, где R-радиус винта. Этот шаг называется номинальным, а угол установки этого сечения - номинальным углом установки.

Рис. 2. Диаметр, радиус, геометрический шаг воздушного винта

Для большей прочности применяют лопасти с переменной толщиной - постепенным утолщением к корню. Ребро лопасти, рассекающее воздух, называется передней кромкой (или ребром атаки), а заднее ребро - задней кромкой.

Диаметром винта называется диаметр окружности, описываемой концами лопастей при вращении винта. Диаметр современных винтов колеблется от 2 до 5 м.

Рис. 3. Развертка винтовой линии

Поступь воздушного винта - это действительное расстояние, на которое движущийся поступательно винт продвигается в воздухе вместе с самолетом за один свой полный оборот.

Если скорость самолета V выражена в м/с, а число оборотов винта в секунду, то поступь винта Н_n (м) можно найти по формуле:

Н_n = V / n_с

Поступь винта несколько меньше геометрического шага винта. Это объясняется тем, что лопасть винта проскальзывает в воздухе при вращении ввиду низкого значения плотности его относительно твердой среды.

Разность между значением геометрического шага и поступью воздушного винта называется скольжением винта и определяется по формуле

S = H - H_n.

Относительная поступь – λ это отношение поступи воздушного винта к его диаметру, λ = Н_n / D.

После подстановки получим формулу относительной поступи значения Н_n:

λ = V / n_с · D

Конструктивно воздушные винты исполняются трёх видов.

Винт неизменяемого шага имеет лопасти, которые выполнены со ступицей как единое целое и не могут вращаться вокруг своих осей.

Рис. 4. Воздушный двухлопастный винт неизменяемого шага

Хорды сечений лопастей такого винта могут лежать в одной плоскости (лопасть "без крутки") и в разных плоскостях, так как лопасть выполняется закрученной (или "лопасть с круткой"). Поэтому воздушные винты подразделяются на винты с постоянным шагом вдоль лопасти (все сечения имеют одинаковый шаг), переменным шагом (сечения имеют разный шаг).

Например: Воздушный винт АВ-72 двигателя АИ-24 имеет переменный шаг вдоль лопасти, так как это выгодно с аэродинамической точки зрения. Все сечения лопасти винта набегают на воздушный поток под одинаковым углом атаки α.

Винт фиксированного шага имеет лопасти, которые устанавливаются на земле перед полетом под определённым углом к плоскости вращения и фиксируются, т.е. в полете угол установки не меняется. ВФШ является однорежимным. Его регулируют только на одну (расчетную) скорость, на одну расчетную высоту и постоянные обороты.

Винт изменяемого шага (ВИШ) имеет лопасти, которые во время работы могут автоматически при помощи гидравлического или электрического привода вращаться вокруг своих осей и устанавливаться под нужным углом к плоскости вращения.

По диапазону углов установки лопастей воздушные винты изменяемого шага подразделяются:

на обычные, когда угол установки изменяется от 13 до 50° (легкомоторные ЛА);

на флюгерные - угол установки меняется от 0 до 93°;

на тормозные или реверсные винты, имеют изменяемый угол установки от -15 до +90° (таким винтом создают отрицательную тягу и сокращают длину пробега самолета).