45. Центробежные силы лопастей винта

При вращении винта на элементы лопастей действуют центробежные силы, направленные от оси вращения и перпендикулярно к ней. Величина центробежной силы любого элемента лопасти: (1), где — масса элемента.

Массу элемента лопасти можно определить, пользуясь формулой: , где — удельный вес материала; — площадь сечения лопасти; — ускорение силы тяжести.

Подставляя значение в формулу (1), получим: . Интегрируя это уравнение по всей длине лопасти в пределах от до , находим величину центробежной силы лопасти: .

Для современных винтов величины центробежных сил достигают очень больших значений. Они воспринимаются корпусом втулки винта.

Возьмем два элемента лопасти, заключенных между двумя параллельными сечениями, один из них на ребре атаки, а другой на ребре обтекания. Векторы центробежных сил и этих элементов направлены от оси вращения и перпендикулярны к ней. Их можно разложить в плоскостях, параллельных плоскости вращения винта, по направлениям, параллельному ( и )) и перпендикулярному ( и к оси лопасти. Эти силы показаны также на поперечном сечении лопасти.

Если произвести разложение векторов центробежных сил для других таких же элементов, расположенных между передней и задней кромками на этом же сечении лопасти, то получим эпюр поперечных составляющих центробежных сил. Векторы, составляющие этот эпюр, расположены в плоскостях, перпендикулярных к оси вращения винта.

Как видно из рис. (справа), поперечные составляющие центробежных сил меняют свое направление при переходе через ось лопасти, являющейся обычно и линией центров тяжести сечений. Заменим силы одного направления равнодействующими и , тогда действие всего эпюра сил будет эквивалентно паре сил. Величина пары вдоль лопасти будет менять свое значение. Суммарная пара для всей лопасти представляет собой довольно большой момент М_с от поперечных составляющих центробежных сил, который скручивает лопасть в направлении уменьшения угла установки.

В винтах изменяемого шага поворот лопастей на необходимый угол установки происходит относительно осей, совпадающих с осями комлевых (цилиндрических) частей лопастей. Величина момента М_С стремящегося уменьшить угол установки, зависит от угловой скорости вращения винта (числа оборотов), материала, геометрических размеров, углов установки и крутки лопасти, т. е.:

, где с — толщина лопасти; q — коэффициент, зависящий от типа профиля лопасти.

Величина момента поперечных центробежных сил лопастей учитывается как при проектировании систем автоматического регулирования скорости вращения роторов двигателей, так и при их эксплуатации.

46. Условия возникновения отрицательной тяги и способы ее предотвращения в полете

Отрицательная тяга винта в полете появляется всякий раз, когда угол атаки лопастей принимает отрицательные значения. На самолетах, имеющих ПД с винтами изменяемого шага, величина отрицательной тяги сравнительно небольшая. Объясняется это тем, что минимальные углы установки лопастей для этих самолетов выбирают в пределах 19—22°. Диапазоны изменения этих углов в полете определяются диапазонами изменения скоростей полета и обычно не превышают 30—35°. Если по какой-либо причине система регулирования скорости вращения откажет в полете и лопасти перейдут на минимальный угол установки, то в этом случае может возникнуть отрицательная тяга винта, но величина ее при указанных не достигает больших значений, а поэтому и существенных осложнений в управлении самолетом не вызывает.

Предотвращение образования отрицательной тяги винта в полете у самолетов с ТВД является одной из актуальных и важных проблем. При отказе двигателя или возникновении неисправностей системе регулирования скорости вращения отрицательная тяга винта может достигать очень больших значений, иногда превышающих по величине максимальную положительную тягу. Внезапное возникновение отрицательной тяги в полете при недостаточной подготовке экипажа может привести к тяжелым последствиям, так как при этом самолет резко разворачивается и создает крен в сторону отказавшей силовой установки.

Возможность возникновения большой отрицательной тяги винта на самолетах с ТВД объясняется прежде всего тем, что геометрические и аэродинамические характеристики винтов на самолетах с ТВД существенно изменились по сравнению с винтами на самолетах с ПД. Винты для ТВД имеют значительно большие размеры (диаметр, ширина лопастей и их количество), чем винты для ПД. На одном и том же угле установки лопастей отрицательная тяга винта на самолете с ТВД больше, чем на самолете с ПД.

Другой причиной возможности появления большой отрицательной тяги на самолетах с ТВД является наличие широкого диапазона поворота лопастей и малые значения минимальных углов установки. Как известно, для уменьшения потребной мощности пусковых устройств лопастей винта одновального ТВД выбирают обычно в пределах 0—8⁰, что обеспечивает минимальное сопротивление вращению винта при запуске двигателя и незначительную тягу при работе на земле на режиме малого газа. Перевод лопастей на эти углы при послепосадочном пробеге самолета обеспечивает также получение необходимой отрицательной тяги для сокращения длины пробега.

Однако при отказе двигателя в полете регулятор, стремясь сохранить заданную скорость вращения, переводит лопасти на малые углы установки (отрицательные углы атаки), при которых возникает большая отрицательная тяга, затрудняющая продолжение полета. Уход лопастей на малые углы установки и возникновение отрицательной тяги может быть и при отказе системы регулирования скорости вращения, когда, при отсутствии давления масла в цилиндровой группе винта, лопасти, не испытывая противодействия, моментами от собственных поперечных составляющих центробежных сил устанавливаются на .

У винтов фиксированного шага при отказе двигателя величина отрицательной тяги изменяется пропорционально изменению скорости полета. С ростом скорости полета увеличиваются скорость вращения при авторотации и отрицательная тяга винта. С понижением скорости полета эти параметры уменьшаются.

На величину отрицательной тяги оказывает влияние высота полета. Чем ниже высота полета, тем при прочих равных условиях значения отрицательной тяги выше и, наоборот, с увеличением высоты полета отрицательная тяга уменьшается. Указанные явления объясняются изменением плотности воздуха.

Величина отрицательной тяги зависит от температуры окружающего воздуха. С понижением температуры окружающего воздуха увеличивается потребная мощность компрессора, так как растет весовое количество воздуха, которое должен сжимать компрессор. Но при неизменной подаче топлива мощность турбины остается неизменной и поэтому ее окажется недостаточно для вращения компрессора и винта. Регулятор в этом случае облегчает винт, переводя лопасти на меньшие углы установки. На некоторых режимах полета, особенно при снижении, когда двигатели задроссе-лированы, лопасти могут перейти на такой угол установки, при котором угол атаки будет отрицательным, а следовательно, появится отрицательная тяга. Последняя будет тем больше, чем ниже температура окружающего воздуха.

Отрицательная тяга может также возникнуть при обледенении лопастей винта, так как при этом увеличивается потребная мощность для вращения винта. Поскольку мощность турбины неизменна, то регулятор, поддерживая постоянную скорость вращения, переводит лопасти на меньшие углы установки и, как в предыдущем случае, может возникнуть отрицательная тяга.

Способы её предотвращения.

Для ограничения величины отрицательной тяги винта и защиты от раскрутки ТВД в полете в конструкции двигателей и винтов предусматриваются защитные устройства. К ним относятся фиксаторы угла установки (шага): гидравлический (ГФШ), механический (МФШ) и центробежный (ЦФШ); промежуточный упор лопастей и автофлюгеры: по крутящему моменту, отрицательной тяге и предельной скорости вращения ротора двигателя.

В зависимости от режима полета самолета, работы двигателя и причин неисправной работы системы винт — регулятор может сработать одно или несколько из перечисленных выше защитных устройств.