Характеристики летательного
аппарата в значительной мере зависят от тяги, создаваемой силовой
установкой. В свою очередь, величина тяги является функцией параметров
воздушного винта. Правильно подобранный винт способен наиболее
эффективно преобразовать подводимую мощность двигателя в кинетическую
энергию воздушной струи.
На практике приходится производить подбор
воздушного винта под конкретный, уже готовый летательный аппарат с
конкретным двигателем.
Первой наиболее важной задачей при выборе
воздушного винта является определение его диаметра. Если нет каких-либо
конструктивных ограничений, то максимальный диаметр воздушного винта
определяется исходя из условия максимально допустимой линейной скорости
конца лопасти V=272 м/с (0.8 M) по формуле:
(1)
где 
- диаметр воздушного винта, (м);
- расчетная скорость полета, (м/c);
- частота вращения воздушного винта, (об/мин).
Если стоит задача использования малошумного винта, то его диаметр
определяется по следующей формуле:
(2)
В этом случае определяющим условием является линейная скорость на
конце лопасти, не превышающая 170 м/с (0.5 М). Также диаметр винта
может быть найден с использованием формулы, приведенной в работе (1):
(3)
где 
- мощность двигателя, (л.с.);
- расчетная скорость полета, (км/ч);
- частота вращения воздушного винта, (об/мин);
- плотность воздуха на расчетной высоте Н,
Значения коэффициента 
для деревянных винтов приведены в табл.1.
Таблица 1 - Значения коэффициента для деревянных воздушных винтов
| Число лопастей, Z |
2 |
3 |
4 |
5* |
6* |
|
|
| Скоростной воздушный винт |
97.5 |
87.2 |
82.1 |
77.5 |
73.8 |
| Скороподъемный воздушный винт |
109.4 |
99.2 |
92.4 |
87.5 |
83.7 |
* - данные для винтов с 5-ю и 6-ю лопастями получены
экстраполированием.
Конечно, желательно иметь диаметр воздушного винта как
можно больше, так как в этом случае ометаемая площадь максимальна. Но
при определении диаметра надо учитывать ряд ограничений:
- клиренс между винтом и поверхностью земли при статическом обжатии
амортизации должен быть не менее 180 мм для летательного аппарата с
носовым колесом и не менее 230 мм для ЛА с хвостовым колесом;
- клиренс между винтом и водной поверхностью - не менее 460 мм;
- зазор между винтом и элементами конструкции - не менее 26 мм.
Большой диаметр позволяет получить большую тягу, но для выполнения
условий по клиренсу и зазорам может возникнуть необходимость поднять
выше ось вращения винта. Увеличение плеча между вектором тяги и центром
тяжести в сочетании с большой тягой приводит к возрастанию продольных
моментов по тангажу. В этом случае увеличивается балансировочное
сопротивление, и, как следствие, снижается аэродинамическое качество
всего ЛА в целом.
Для различных типов ЛА приемлемые диапазоны диаметров воздушных винтов
составляют:
- для парамоторов;
- для сверхлегких ЛА;
- для легких ЛА;
В случае, если имеющийся диаметр винта недостаточен для полного
использования подводимой мощности, выходом является увеличение числа
лопастей.
В отличие от двухлопастных винтов, многолопастные создают
более равномерный поток и меньшие вибрации, но, с другой стороны,
требуют тщательного подхода к весовой балансировке и установке лопастей.
Многолопастные винты, как правило, изготавливаются из композиционных
материалов на основе стекло- или углепластика.
Конструктивно
такие винты состоят из втулки и лопастей. Они позволяют менять углы
установки каждой лопасти и корректировать характеристики винта.
Двухлопастные
воздушные винты для сверхлегких ЛА обычно изготавливаются моноблочными
деревянными, фиксированного шага. Для них традиционно применяется
древесина твердых пород - бук, ясень, клен, орех, береза.
Практика
показывает, что при интенсивной эксплуатации винты довольно часто
выходят из строя. Одними из наиболее характерных причин этого являются:
- эксплуатация с неподготовленных площадок;
- незащищенность лопастей от абразивного износа;
- полеты в дождь;
- различные аварии ЛА;
- для гидросамолетов - сильное брызгообразование.
Композитные воздушные винты, несмотря на ряд преимуществ, более
других подвержены абразивному износу, известны случаи их разрушения.
Композиционные материалы обладают самыми высокими удельными
прочностными и жесткостными характеристиками, но, в то же время, эти
характеристики в значительной мере зависят от точности соблюдения
производственного техпроцесса. Детали из композитов, зачастую, имеют
большой разброс механических характеристик и плохо выдерживают
сосредоточенные нагрузки. При выклейке лопастей происходит
одновременное формирование материала и конструкции. Только качественные
исходные материалы, правильно выбранный технологический процесс при
тщательном его соблюдении позволяет получить качественную продукцию.
Деревянные
воздушные винты хорошо себя зарекомендовали при эксплуатации с
неподготовленных площадок и при полетах с воды. Несомненными
достоинствами деревянных винтов являются их высокая ремонтопригодность
даже в полевых условиях, возможность хорошей защиты от внешних
воздействий, высокий запас прочности, получаемый из конструктивных
соображений. Технология изготовления таких винтов позволяет
контролировать качество исходных материалов. Для предохранения лопастей
от повреждения мелкими камнями, пылью, водой винт должен быть оклеен
стеклотканью, что одновременно позволяет несколько повысить жесткость
лопастей. Поверхность винта должна быть защищена лакокрасочным
покрытием. Лучше всего подходят для этого эпоксидные, полиуретановые
или алкидные лаки и эмали. Предпочтительнее лакированная поверхность
без краски. Помимо хорошего внешнего вида у таких винтов есть
возможность визуального контроля за качеством использованных
материалов, качеством изготовления, за состоянием в процессе
эксплуатации.
Передние кромки лопастей должны быть защищены
металлической оковкой. Для повышения надежности соединения, оковка
закрепляется клеемеханическими соединениями при помощи заклепок или
винтов-саморезов. На винтах из композиционных материалов, оковка или
отсутствует или слабо выполняет свои функции.
Опытным путем было
определено, что оковка должна начинаться от участка лопасти, имеющего
линейную скорость U=113 м/с. Радиус, с которого начинается оковка,
определяется по следующей формуле:
(4)
Длина оковки находится из выражения:
(5)
Толщина оковки должна находиться в пределах. Масса и размеры оковки
оказывают значительное влияние на момент инерции винта, поэтому следует
обращать внимание на применяемые материалы. В табл.2 приведены данные
по основным материалам, используемым для оковок.
Таблица 2 - Характеристики материалов,
применяемых для оковок
|
Материал
|
Плотность,
кг/м3
|
Предел
прочности при растяжении, кг/мм2
|
Ударная
вязкость, KCU, кДж/м2
|
|
Сталь нержавеющая 12Х18Н9Т
|
7800
|
61
|
250
|
|
Титановый сплав ОТ 4-0
|
4500
|
55
|
800
|
|
Латунь Л96
|
8850
|
22
|
215
|
Как видно из табл.2, титановый сплав имеет плотность,
а, следовательно, и массу в 1.73 раза меньше, чем у стали, и в 1.96
раза меньше, чем у латуни. По ударной вязкости титан превосходит
нержавеющую сталь в 3.2 раза, хотя на 11% уступает в прочности.
Очевидно, что титановые сплавы наиболее подходят для оковок, но к
недостаткам можно отнести их дефицитность и, соответственно, высокую
стоимость.
В качестве дополнительного средства защиты для толкающих
винтов, можно порекомендовать использовать обтекатели или щитки на
основных колесах шасси. Хорошая защита избавляет владельца винта от
многих досадных неприятностей.
Для нормальной эксплуатации лучше
всего иметь несколько воздушных винтов. При этом желательно, чтобы
винты несколько отличались по величине шага, хордам лопастей. Это
необходимо для эффективного использования мощности двигателя при
различных погодных и температурных условиях, а также для выполнения
различного рода задач: достижения максимальной экономичности,
максимальной скорости, скороподъемности и т.д.
Рассмотрим ряд параметров, по которым производится оценка воздушных
винтов.
Создаваемая тяга
На практике наиболее доступно измерение статической
тяги. Винт можно считать подобранным удачно, если при испытаниях
частота вращения вала двигателя лежит в пределах 94-97% от
максимальной. В полете за счет улучшения условий работы винта
максимальная частота вращения вырастет до 100%. Статическая тяга
зависит от атмосферных условий, поэтому для сравнительных оценок,
измеренная тяга приводится к стандартным условиям (t=150C, p=760 мм рт.
ст.) по формуле:
(6)
где 
- измеренная статическая тяга, кг;
t - температура воздуха в момент испытаний, 0C;
p - атмосферное давление на момент испытаний, мм рт.ст.
Помимо создания высокой статической тяги, необходимо
знать как изменяется располагаемая тяга с изменением скорости ЛА.
Винты, рассчитанные на достижение максимальной скорости, создают
меньшую статическую тягу по сравнению с винтами, предназначенными для
обеспечения максимальной скороподъемности или минимума взлетной
дистанции. Изменение располагаемой тяги в зависимости от скорости можно
определить косвенно, путем замера горизонтальных скоростей полета и
скороподъемностей во время летных испытаний.
Надежность, ремонтопригодность, вибрации, шум
С точки зрения надежности деревянные моноблочные винты имеют одни из
самых лучших характеристик. Это обусловлено большим избытком прочности,
хорошей способностью дерева поглощать вибрации, многолетним опытом
эксплуатации деревянных воздушных винтов. К недостаткам дерева можно
отнести требовательность к условиям эксплуатации и хранения, когда
необходимо либо беречь винт от набухания при высокой влажности, либо от
рассыхания и растрескивания при низкой влажности и высокой температуре.
Ремонт деревянных винтов не представляет трудностей даже в полевых
условиях. Винты из композиционных материалов менее надежны, и прочность
такого винта трудно оценить даже специалистам. Наиболее достоверные
результаты дают испытания на прочность до разрушения. Композиты
подвержены также “старению” под воздействием солнечного излучения,
высоких температур и влажности, что приводит к постепенному ухудшению
прочностных характеристик винта. Ремонт воздушного винта из
композиционных материалов чаще всего заключается в полной замене
поврежденной лопасти.
О величине создаваемых вибраций и шуме трудно
сказать что-то конкретное, так как пока не проводились специальные
измерения. Однако, исходя из отзывов пилотов, все находящиеся в
эксплуатации винты обладают приемлемым уровнем шума и вибраций, хотя
можно отметить снижение шума при использовании многолопастных винтов
Момент инерции винта
Момент инерции винта главным образом влияет на величину приемистости
двигателя, поэтому желательно, чтобы приемистость, а следовательно и
момент инерции были минимальны. На величину приемистости оказывают
влияние аэродинамические характеристики винта, а через момент инерции,
масса воздушного винта и распределение масс вдоль лопастей. Путем
сочетания момента инерции и распределения аэродинамической нагрузки на
лопастях можно добиться необходимого значения приемистости. Время
раскрутки в пределах 3 сек. считается приемлемым.
Аэродинамическое сопротивление винта
Воздушный винт создает сопротивление в случае
остановленного двигателя или в планирующем полете с задросселированным
двигателем. Сопротивление винта возрастает с уменьшением угла установки
лопастей, увеличением диаметра и числа лопастей. При прочих равных
условиях двухлопастные винты создают меньшее сопротивление.
Сопротивление можно также снизить с помощью обтекателей втулки винта.
Рекомендуемый диаметр кока находится в пределах диаметра воздушного
винта при длине диаметра кока. Капотирование втулки винта позволяет
увеличить КПД на . Наиболее эффективно капотирование втулки винта на
самолетах с хорошими аэродинамическими формами. В этом случае решается
сразу несколько задач:
- снижение сопротивления фюзеляжа или мотогондолы;
- увеличение КПД винта;
- улучшение внешнего вида ЛА.
В заключение следует сказать, что
подбор воздушного винта должен начинаться с момента проектирования ЛА.
Должны быть предусмотрены возможность установки винта большего
диаметра, установка обтекателей втулки винта, обтекателей на колесах
шасси.
Для авиахимработ требуются винты с хорошей защитой от
абразивного износа и невысокой стоимостью. Аналогичные требования для
винтов, используемых для гидросамолетов и дельталетов на поплавковом
шасси.
Для спортивных и развлекательных полетов лучше подходят винты
из композиционных материалов, конструкция которых позволяет менять шаг
винта и корректировать его характеристики в зависимости от условий.
Но, все же, для быстрого и качественного подбора винтов, лучше всего
обращаться к специалистам.
С.Г.Пархоменко (Харьков), тел. (0572) 44-26-53
