Účinnost vzduchové vrtule. Klasifikace vrtulí. Závislost účinnosti na výšce a rychlosti letu

V poslední době dochází k určitému bloudění a někdy přímo zavádějícímu, co se týče výběru vrtulí na hobitích akrobatických modelech, mezi které lze za určitých předpokladů zařadit i cvičné modely. Důvodem zde, zdá se, je to, že v tradičních sportovních oblastech byly směrnice již dlouho vypracovány a byla provedena teoretická zdůvodnění pro optimální volbu vrtulí - u vysokorychlostních, závodních modelů s časovačem. Abychom dospěli ke správným kritériím, aniž bychom zacházeli příliš hluboko do divočiny klasické teorie šroubu, navrhujeme k diskusi následující materiál.

Na první pohled teoretika je vše jednoduché. Vezmete vnější charakteristiku motoru a škrticí klapky a řadu aerodynamických charakteristik komerčně dostupných vrtulí, pomocí kterých vytvoříte řadu grafů požadovaného výkonu ve stejných souřadnicích jako vnější charakteristiky motoru. Poté v požadovaném režimu rychlosti najdete průsečík grafů - tak jste získali optimální šroub. Všechno je v životě těžší. Pokud s náležitou péčí lze ještě na stojanu převzít vnější charakteristiky motoru, pak jsou charakteristiky foukání modelových vrtulí nepravděpodobné. Modelové firmy, dokonce i giganti, je také nedávají. Výstup se navrhuje následovně: for základní parametry obecně uznávané nebo doporučené výrobcem motoru jsou akceptovány a následně jsou postupně aproximovány ve směru požadovaném konstruktérem. K tomu je třeba alespoň kvalitativně pochopit, jak jisté konstrukční parametry ovlivnit vlastnosti vrtule. O tom se bude dále diskutovat.

Začněme s hlavními ustanoveními teorie vrtule a vezmeme z ní pouze několik vzorců:

tah vrtule

Výkon potřebný k otáčení vrtule

Relativní stoupání vrtule

poměr tahu vrtule

účiník vrtule

Hustota vzduchu

otáčky vrtule

Průměr šroubu

rychlost letadla

Víc vzorců brát nebudeme, jinak to mnohé nebude zajímat.

Analyticky se tu moc počítat nedá, protože hlavní je, jak se chová tah a výkonové koeficienty vrtule a také jejich poměr, který určuje účinnost vrtule. Tyto parametry jsou stanoveny empiricky převzetím charakteristik konkrétních vrtulí foukáním v aerodynamickém tunelu. Proto budeme uvažovat o jejich kvalitativní změně v závislosti na různých parametrech. Začněme efektivitou. Pro typický šroub vypadá graf takto:

Vezměte prosím na vědomí, že relativní krok je bezrozměrná hodnota a je roven jedné při rychlosti letu 1 m/s, rychlosti vrtule 60 ot./min. a jejím průměru 1 metr. Nyní musíme vysvětlit, proč graf vypadá takto. Při nulovém došlapu je účinnost nulová, protože vrtule nekoná žádnou práci – letadlo stojí. Při zdvihu 1,6 tato vrtule také nepracuje, protože její stoupání je takové, že se listy pohybují pod nulovým úhlem náběhu (tedy kolmo na proudění) a nevytvářejí žádný tah. Pro šrouby s jiným stoupáním obecná forma grafika je stejná, ale je proporcionálně stlačena (s menším krokem) nebo roztažena (s větším krokem) podél osy. Při skluzu 20-30% (pro daný šroub v oblasti = 1,1 - 1,4) je účinnost šroubu maximální a může dosáhnout hodnoty 0,8. Jedná se o nejvýhodnější oblast z hlediska využití výkonu motoru. Zajímavé je, že v tomto regionu se účinnost mění nevýznamně; s klesající rychlostí v tomto rozsahu úměrně roste tah, což má pozitivní vliv na rychlostní stabilitu letu. Při prokluzu menším než 15 - 20% začíná účinnost prudce klesat, protože se zmenšuje úhel náběhu listu, respektive list vrtule klesá a snižuje se jeho tah. V relativním rozsahu stoupání od 0 do 0,9 závisí účinnost vrtule téměř lineárně na otáčkách, což svědčí o jejím téměř konstantním tahu !!!. Tito. Na rozdíl od všeobecného mínění lze ze statického tahu s mírnými korekcemi poměrně přesně určit tah správně zvolené vrtule za letu. Pokud se na tuto část grafu podíváte přesněji, pak je v levé polovině poněkud konvexní. Tah vrtule totiž s klesající rychlostí poněkud klesá v důsledku nárůstu zatížení vrtule B (viz vzorec, kde jsou otáčky ve jmenovateli i na druhou). Typická závislost při změně B z nuly na 10 vypadá takto:

Pokles součinitele tahu je spojen se změnou charakteru proudění vzduchu před vrtulí s poklesem rychlosti. Pro nás ale není důležitý důvod, ale to, že správně zvolená vrtule ve statice dává tah menší než tah při maximální účinnosti, maximálně o 15 %.

Nyní o tom, co je správně vybraný šroub. Vraťme se k grafu účinnosti. Pokud na něj aplikujete rodinu grafů vrtule, které se liší pouze stoupáním, budou se podobat tomu stávajícímu, ale stlačené nebo natažené podél osy, jak je uvedeno výše. Pravda, maximální účinnost s klesajícím krokem také klesá. Maximální hodnota 0,8 nastane, pokud optimální skluz šroubu dopadne na relativní krok asi jedna. To je jedno z kritérií pro správně vybraný šroub.

Abychom mohli posoudit, kde jsou typické hodnoty, vezměme 40-objemový motor s výkonem 1,3 hp. při 14 000 ot./min a vypočítejte pro tento případ typickou vrtuli o velikosti 250 na 150. Při akrobatické rychlosti 90 km/h dostaneme 0,43. Při takovém kroku nepřesáhne maximální účinnost 0,6. Pro dosažení takové účinnosti by mělo být stoupání vrtule se skluzem 20 % asi 9 centimetrů a pro realizaci dostupného výkonu s takovým stoupáním je třeba zvětšit průměr vrtule na 27 - 30 centimetrů. S výše uvedeným krokem nebude účinnost vyšší než 0,5. Tak nízké účinnosti je dosaženo v důsledku příliš vysokých otáček motoru při maximálním výkonu.

Pojďme se podívat, jak vypadají profesionálové F3A ve světle výše uvedeného. Drtivá většina z nich létá OS MAX 140 RX s vrtulí 16 x 14 palců rychlostí 90 - 70 km/h při otáčkách cca 9000 ot./min.. Vrtule 14 palců je optimální při 25% prokluzu při cca 180 km/h. Při rychlosti 90 km / h bude jeho účinnost 0,65 a při rychlosti 70 km / h - 0,5. Jednoduchým výpočtem vyplývá, že v rozsahu rychlostí 50 - 100 km/h tah této vrtule vůbec nezávisí na rychlosti, ale je určen pouze otáčkami motoru. To se asi profesionálům líbí, protože. u této vrtule v rozsahu letových rychlostí existuje vztah jedna ku jedné mezi polohou plynové páky a tahem motoru. Optimální vrtule 18 x 8 dá při rychlosti 90 km/h tah větší než dvacet procent, ale bude záležet nejen na otáčkách motoru, ale také na rychlosti letadla. Profíci jsou ochotni obětovat toto aditivum pro lepší kontrolu trakce.

Nejhorší situace je u modelů s časovačem. Tam se motor točí až na 30 000 otáček za minutu a rychlost zdvihu letadla je nízká. Při velmi malém průměru šroubu se zatížení šroubu ukazuje jako strašné. V kontextu výše uvedeného zní poznámka E. Verbitského, zmíněná v 5. čísle Ministerstva školství a vědy pro rok 1999, velmi věrohodně. Píše se v ní, že podle jeho výpočtů „... běžné vrtule F1C o průměru 180 mm při otáčkách 28000 ot./min mají účinnost asi 40 %. Snížením otáček na 7000 pomocí převodovky při zvětšení průměru vrtule, můžete zvýšit účinnost vrtule na 80%. Stejné výsledky byly získány od autora tohoto materiálu.

Tady na rádiových závodech - je to přesně naopak. Tam jsou otáčky takové, že pro téměř jakoukoli rychlost lze vypočítat vrtuli s účinností blízkou 0,8. Výše byla věnována malá pozornost účiníku. To není náhoda. Faktem je, že tento parametr je důležitý při výpočtu extrémního režimu. Pokud je vrtule konstruována na maximální tah při maximálním výkonu, tak v dílčích režimech, o kterých se hlavně mluvilo, panuje jistota, že výkon motoru bude stačit. Navíc bez ohledu na vnější charakteristiky motoru, protože otáčky ve vzorci pro požadovaný výkon jsou ve třetí mocnině. Tak rychle nemůže výkon s poklesem otáček klesat ani u motorů s rezonančním výfukem a vysokootáčkovým časováním ventilů. U akrobatických modelů nejsou důležitější extrémní režimy, ale celý rozsah otáček a zatížení vrtulí.

Pár řádků o šířce čepele. Obecně se má za to, že zmenšením šířky listu vrtule lze mírně zvýšit jeho účinnost. To je pravda, ale pro vysokorychlostní režimy s relativně malým zatížením vrtule. U vrtule s úzkým listem jde charakteristika strměji. A to natolik, že při velkém zatížení je účinnost vrtule se širším listem vyšší. Přitom k tomu dochází v oblasti malých absolutních hodnot účinnosti.

Pro nízké rychlosti letu s vysokootáčkovými motory není možné neomezeně zmenšovat stoupání a zvětšovat průměr vrtule. Když je úhel náběhu listu menší než nejpříznivější polární profil pro daný profil, tah jednoho prvku klesá rychleji, než se zvětšuje plocha vrtule. Tito. pro pomalý let je minimální krok, za kterým je optimalizace zástavby vrtule možná pouze přes převodovku.

Které z výše uvedených dlouhých úvah lze uzavřít?

První- správně zvolená vrtule zajistí pilotáži přibližně konstantní maximální tah v širokém rozsahu letových rychlostí již od startu.

Druhý- stávající modelové motory neumožňují kvůli vysokorychlostním vnějším charakteristikám pomalou akrobacii nynější trendy F3A používá šrouby s dobrou účinností. Mimochodem, z tohoto závěru vyplývá názor široce prezentovaný v článcích Moskevského svazu umělců a umělců o významu pro letové a výcvikové modely kubatury motoru, a nikoli jeho výkonu, zejména autory A Sokolov a D. Dmitriev.

Třetí- pro moderní 3D akrobacii a na letounech typu fan-fly lze považovat za perspektivní použití motoru s převodovkou s výrazně zvětšeným průměrem vrtule. Jen tak se dramaticky (dvakrát) zlepší poměr tah/hmotnost elektrárny. Pak můžete počítat s velkou rezervou tahu při rychlostech vrtulníku a visení. Nyní visí na Diamante pomocí šroubů 310 x 95 mm. Toto je limit, již není efektivní snižovat krok níže.

A poslední - o vrtulích s proměnným stoupáním. Na akrobatických modelech je jejich použití nepraktické. VISH samozřejmě umožní při nízkých rychlostech zvýšit trakci díky vyšší účinnosti, ale tam toto zvýšení není potřeba. Tento nárůst bude navíc menší než teoretický kvůli aerodynamickému zkroucení čepele. Na rozdíl od vrtulníkových vrtulí mají letecké vrtule slušný zákrut, optimální pouze v jednom kroku. Ve velkém letectví se VISH rozšířil především kvůli zajištění vysoké účinnosti zástavby motoru, což u modelů nehraje roli.

P.S. Materiál obsahuje vzorce a grafy z monografií Aleksandrova V.L. "Vzduchové šrouby" a Bolonkina A.A. „Teorie letu létajících modelů“. Při výpočtech účinnosti byla použita mřížka aerodynamických charakteristik anglické vrtule z nejnovější práce.

Část rotační energie motoru je vynakládána na otáčení vrtule a je zaměřena na překonání odporu vzduchu, víření vymrštěného paprsku atd. Proto užitečná druhá práce neboli užitečná tažná síla vrtule, nb, bude menší výkon motoru N e vynaložené na rotaci vrtule.

Poměr užitečného hnacího výkonu k výkonu spotřebovanému vrtulí (efektivní výkon motoru) se nazývá koeficient užitečná akce(účinnost) vrtule a je označena h . Určuje se podle vzorce

Rýže. 11 Výkonová charakteristika motoru M-14P letounů Jak-52 a Jak-55

Rýže. 12 Přibližný pohled na křivku změny dostupného výkonu v závislosti na rychlosti letu

Rýže. 13 Výšková charakteristika motoru M-14P v režimech 1 - vzlet, 2 - jmenovitý 1, 3 - jmenovitý 2, 4 - cestovní 1; 5 - plavba 2

Hodnota účinnosti vrtule závisí na stejných faktorech jako hnací síla vrtule.

Účinnost je vždy menší než jedna a dosahuje 0,8 ... 0,9 u nejlepších vrtulí.

Graf závislosti dostupného efektivního výkonu na rychlosti letu pro letouny Jak-52 a Jak-55 je na Obr. jedenáct.

Graf Obr. 12 se nazývá charakteristika elektrárny z hlediska výkonu.

Při V=0, Np=0; při rychlosti letu V=300 km/h, Np==275 hp (pro letoun Jak-52) a V=320 km/h, Np=275 l. S. (pro letoun Jak-55), kde Np- požadovaný výkon.

S rostoucí nadmořskou výškou se efektivní výkon snižuje v důsledku poklesu hustoty vzduchu. Charakteristika jeho změny pro letouny Jak-52 a Jak-55 z výšky letu H je na Obr. 13.

Pro snížení rychlosti otáčení vrtule v motoru se používá převodovka.

Stupeň redukce se volí tak, že v nominálním režimu jsou konce lopatek obtékány podzvukovým proudem vzduchu.

ŠROUBY S PROMĚNNÝM ROZTEČEM

Pro odstranění nedostatků vrtulí s pevným stoupáním a s pevným stoupáním se používá vrtule s proměnným stoupáním (VSP). Vetchinkin je zakladatelem teorie VIS.

POŽADAVKY NA VISH:

VISH by měl nastavit nejpříznivější úhly náběhu lopatek ve všech režimech letu;

odstranit jmenovitý výkon z motoru v celém provozním rozsahu rychlostí a nadmořských výšek;

pro udržení maximální hodnoty koeficientu účinnosti v co největším rozsahu otáček.

Listy VISH jsou buď ovládány speciálním mechanismem, nebo jsou nastaveny do požadované polohy vlivem sil působících na vrtuli. V prvním případě se jedná o hydraulické a elektrické vrtule, ve druhém o aerodynamické.

hydraulický šroub- vrtule, u které se změna úhlu instalace listů provádí tlakem oleje přiváděného do mechanismu umístěného v náboji vrtule.

elektrický šroub- vrtule, u které změnu úhlu zástavby lopatek provádí elektromotor spojený s lopatkami mechanickým převodem.

Aeromechanická vrtule- vrtule, u které se změna úhlu instalace listů provádí automaticky - aerodynamickými a odstředivými silami.

Nejpoužívanější hydraulický VISH. Automatické zařízení ve vrtulích s proměnným stoupáním je určeno k udržování konstantní nastavené rychlosti vrtule (motoru) synchronní změnou úhlu sklonu listů při změně režimu letu (rychlost, výška) a nazývá se regulátor konstanty otáček ( RPO).

Rýže. 14 Provoz vrtule V530TA-D35 s proměnným stoupáním při různých rychlostech letu

RPO spolu s mechanismem natáčení listů mění stoupání vrtule (úhel sklonu listů) tak, že otáčky nastavené pilotem pomocí ovládací páky VIS zůstávají při letu nezměněny (dané). změny režimu.

Zároveň je třeba pamatovat na to, že otáčky budou udržovány tak dlouho, dokud nebude efektivní výkon na hřídeli motoru Ne větší než výkon potřebný k otáčení vrtule při nastavení lopatek na nejmenší úhel sklonu (malé stoupání).

Na Obr. 14 ukazuje schéma fungování VIS.

Při změně rychlosti letu ze vzletu na maximum ve vodorovném letu úhel instalace lopatek j roste ze své minimální hodnoty j min až do maxima j max (velký krok). Díky tomu se úhly náběhu čepele mění jen málo a zůstávají blízko nejvýhodnějším.

Práce VIS při vzletu se vyznačuje tím, že při vzletu je využit celý výkon motoru - je vyvinut největší tah. To je možné za předpokladu, že motor vyvine maximální otáčky a každá část listu vrtule vyvine největší tah a má nejmenší odpor proti otáčení.

K tomu je nutné, aby každý prvek listu vrtule pracoval v úhlech náběhu blízkých kritickým, ale bez zastavení proudění vzduchu. Na Obr. 14, a ukazuje, že úhel náběhu lopatky před vzletem (V=0) v důsledku proudění vzduchu rychlostí DV mírně odlišný od úhlu sklonu lopatky o hodnotu fmin. Úhel náběhu čepele odpovídá velikosti maximální zvedací síly.

Odpor proti otáčení v tomto případě dosahuje hodnoty, při které se porovná výkon vynaložený na otáčení šroubu a efektivní výkon motoru a otáčky zůstanou nezměněny. S rostoucí rychlostí se zmenšuje úhel náběhu listů vrtule (obr. 14, b). Snižuje se odpor proti otáčení a vrtule se stává jakoby lehčí. Otáčky motoru by se měly zvýšit, ale RPO je udržuje konstantní změnou úhlu náběhu lopatek. S rostoucí rychlostí letu se lopatky natáčejí do většího úhlu. j srov .

Při letu do nejvyšší rychlost VISH by také měl poskytovat maximální hodnotu tahu. Při letu maximální rychlostí má úhel sklonu lopatek limitní hodnota pmax (obr. 14, c). Proto se změnou rychlosti letu se mění úhel náběhu listu, s poklesem rychlosti letu se úhel náběhu zvětšuje - vrtule ztěžkne, se zvýšením rychlosti letu se úhel náběhu zmenšuje - vrtule se stává lehčí. RPO automaticky převádí listy vrtule do příslušných úhlů.

Se zvyšující se výškou letu klesá výkon motoru a RPO snižuje úhel sklonu lopatek pro usnadnění chodu motoru a naopak. V důsledku toho RPO udržuje otáčky motoru konstantní se změnou výšky letu.

Při přiblížení na přistání je vrtule nastavena na malé stoupání, které odpovídá rychlosti vzletu. To umožňuje pilotovi při provádění různých manévrů na sestupové dráze při přistání získat vzletový výkon motoru se zvýšením rychlosti na maximum.

Listová vrtule letadla, známá také jako vrtule nebo listový stroj, která je poháněna do rotace provozem motoru. Pomocí šroubu se točivý moment z motoru převádí na tah.

Vrtule funguje jako vrtule v letadlech, jako jsou letadla, cyklogyroskopy, vírníky, sněžné skútry, vznášedla, ekranoplány, ale i vrtulníky s turbovrtulovými a pístovými motory. U každého z těchto strojů může šroub vykonávat různé funkce. V letadlech se používá jako hlavní rotor, který vytváří tah, u vrtulníků zajišťuje vztlak a pojíždění.

Všechny letecké vrtule se dělí na dva hlavní typy: vrtule s proměnným a pevným stoupáním. V závislosti na konstrukci letadla mohou vrtule poskytovat tlačný nebo tažný tah.

Listy vrtule při otáčení zachycují vzduch a vytvářejí jeho vytlačování v opačném směru letu. Před šroubem je vytvořen nízký tlak a za ním vysokotlaká zóna. Vrhaný vzduch získává radiální a obvodový směr, díky tomu se ztrácí část energie, která je přiváděna do vrtule. Samotné víření proudu vzduchu snižuje racionalizaci aparatury. Zemědělská letadla při práci na polích mají špatnou rovnoměrnost rozptylu chemikálií v důsledku proudění z vrtule. Podobný problém je řešen u zařízení, která mají uspořádání koaxiálního šroubu, v tomto případě dochází ke kompenzaci pomocí činnosti zadního šroubu, který se otáčí v opačném směru. Podobné vrtule jsou instalovány na letounech, jako jsou An-22, Tu-142 a Tu-95.

Technické parametry vrtulí

Nejvýraznější charakteristikou vrtulí, na kterých závisí samozřejmě tažná síla a samotný let, je stoupání vrtule a její průměr. Stoupání je vzdálenost, kterou může vrtule urazit zašroubováním do vzduchu během jedné úplné otáčky. Až do 30. let minulého století se používaly vrtule s konstantním stoupáním otáčení. Teprve koncem 30. let 20. století byla téměř všechna letadla vybavena vrtulemi s proměnným stoupáním.

Parametry šroubu:

Průměr kružnice vrtule je velikost, kterou při otáčení opisují hroty listů.

Stoupání šroubu je skutečná vzdálenost, kterou šroub urazí za jednu otáčku. Tato vlastnost záleží na rychlosti a otáčkách.

Geometrické stoupání vrtule je vzdálenost, kterou by vrtule mohla ujet v pevném médiu za jednu otáčku. Od běhounu vrtule ve vzduchu se liší klouzáním listů ve vzduchu.

Úhel umístění a instalace listů vrtule je sklonem sekce listu ke skutečné rovině otáčení. Kvůli přítomnosti zkroucení lopatek se úhel natočení měří podél řezu, ve většině případů je to 2/3 celé délky ostří.

Listy vrtule mají přední - řeznou - a odtokovou hranu. Průřez lopatek má křídlový profil. V profilu lopatek je tětiva, která má relativní zakřivení a tloušťku. Pro zvýšení pevnosti listů vrtule se používá tětiva, která má směrem ke kořeni vrtule zesílení. Řezné tětivy jsou v různých rovinách, protože čepel je vyrobena zkrouceně.

Stoupání vrtule je hlavní charakteristikou vrtule, závisí především na úhlu listů. Rozteč se měří v jednotkách ujeté vzdálenosti za otáčku. Čím větší stoupání vrtule udělá za jednu otáčku, tím větší objem je lopatkou odhozen. Na druhé straně zvýšení stoupání vede k dodatečnému zatížení elektrárny, respektive ke snížení počtu otáček. Moderní letadla mají schopnost měnit sklon lopatek bez zastavení motoru.

Výhody a nevýhody vrtulí

Účinnost vrtulí na moderních letadlech dosahuje 86 %, což po nich činí poptávku ze strany leteckého průmyslu. Je třeba také poznamenat, že turbovrtule jsou mnohem ekonomičtější než proudová letadla. Přesto mají šrouby určitá omezení jak v provozu, tak v konstrukčním plánu.

Jedním z těchto omezení je „uzamykací efekt“, ke kterému dochází, když se zvětší průměr šroubu nebo když se přidá počet otáček, a tah naopak zůstane na stejné úrovni. Je to dáno tím, že na listech vrtule se objevují úseky s nadzvukovým nebo transsonickým prouděním vzduchu. Tento efekt neumožňuje letadlo se šrouby vyvinout rychlost vyšší než 700 km/h. Na tento moment většina rychlé auto s vrtulí je domácí model dálkového bombardéru Tu-95, který může dosáhnout rychlosti 920 km/h.

Další nevýhodou šroubů je vysoká hlučnost, která je regulována světovými standardy ICAO. Hluk ze šroubů nezapadá do hlukových norem.

Moderní vývoj a budoucnost leteckých vrtulí

Technologie a zkušenosti umožňují konstruktérům překonat některé problémy s hlukem a zvýšit trakci nad rámec omezení.

Tím bylo možné obejít blokovací efekt díky použití výkonného turbovrtulového motoru typu NK-12, který přenáší výkon na dvě souosé vrtule. Jejich rotace v různých směrech umožnila obejít zamykání a zvýšit trakci.

Na vrtule se používají i tenké šavlovité listy, které mají schopnost oddálit krizi. To vám umožní dosáhnout vyšších rychlostí. Tento typ vrtulí je instalován na letounech An-70.

V současné době probíhá vývoj na vytvoření nadzvukových vrtulí. Navzdory skutečnosti, že návrh probíhá velmi dlouho se značnými finančními injekcemi, nebylo možné dosáhnout pozitivního výsledku. Mají velmi složitý a přesný tvar, což značně komplikuje výpočty konstruktérů. Ukázalo se, že některé standardní vrtule nadzvukového typu jsou velmi hlučné.

Uzavření vrtule do prstence - oběžného kola - je slibným směrem vývoje, protože snižuje koncový průtok kolem lopatek a hladinu hluku. Zlepšilo se také zabezpečení. Existují letadla s ventilátory, které mají stejnou konstrukci jako oběžné kolo, ale jsou navíc vybaveny zařízením pro směr proudění vzduchu. To výrazně zlepšuje účinnost vrtule a motoru.

Za letu letadlo neustále překonává odpor vzduchu. Tuto práci vykonává její elektrárna, tvořená buď pístovým spalovacím motorem a vrtulí, nebo proudovým motorem. Stručně budeme hovořit pouze o vrtuli.

Každý z nás zná vrtuli od dětství.

Na vesnicích děti často instalují na vrata dvoulistý větrný mlýn, který se ve větru otáčí tak rychle, že jeho lopatky splývají v souvislý kruh. Větrný mlýn je nejjednodušší šroub. Pokud takový šroub nasadíte na osu, pevně jej otočíte mezi dlaněmi a uvolníte, pak s bzučením vyletí nahoru.

Letadlová vrtule je namontována na hřídeli motoru. Když se vrtule otáčí, lopatky vybíhají pod určitým úhlem náběhu do vzduchu a odhazují ji zpět, díky čemuž, jako by startovaly ze vzduchu, mají tendenci se pohybovat vpřed. Během rotace tak vrtule vyvíjí aerodynamickou sílu směřující podél osy vrtule. Tato síla táhne letadlo dopředu, a proto se nazývá tah.

Vrtule může mít dva, tři nebo čtyři listy. Profil (řez) listu je podobný profilu křídla.

Při práci na vytváření tahu hraje důležitou roli stoupání vrtule a úhel listu k rovině otáčení.

Stoupání vrtule je vzdálenost, kterou by vrtule musela urazit za jednu celou otáčku, kdyby byla zašroubována do vzduchu jako šroub do matice. Ve skutečnosti se během letu letadla vrtule díky nízké hustotě vzduchu posune o něco kratší vzdálenost.

Stoupání vrtule je tím větší, čím větší je úhel instalace listu k rovině otáčení (obr. 17, a).

Vrtule s velkým úhlem lopatek tedy „chodí“ rychleji než vrtule s malým úhlem instalace (podobně jako se šroub s velkým závitem zašroubuje do matice rychleji než šroub s jemným závitem). Proto je pro vysokou rychlost letu potřeba vrtule s velkým stoupáním a pro nízkou rychlost je potřeba vrtule s malým stoupáním.

Činnost listů vrtule je podobná jako u křídla. Pohyb vrtule je ale složitější. Na rozdíl od křídla se listy vrtule za letu nejen pohybují vpřed, ale zároveň se také otáčejí. Tyto pohyby se sčítají, a proto se listy vrtule pohybují za letu po určité šroubovici (obr. 17, b). Podívejme se, jak vzniká tažná síla vrtule.

K tomu vybereme na každé čepeli malý prvek, omezený dvěma sekcemi (obr. 17, a). Lze jej považovat za malé křídlo, které se za letu pohybuje po šroubovici, vybíhající do vzduchu pod určitým úhlem náběhu. V důsledku toho bude prvek listu, stejně jako křídlo letadla, vytvářet aerodynamickou sílu P. Tuto sílu můžeme rozložit na dvě síly - rovnoběžné s osou vrtule a kolmé k ní. Síla,

Směrem dopředu a bude to přítlačná síla prvku čepele, druhá, malá síla, namířená proti otáčení šroubu, bude brzdná síla.

Elementární přítlačné síly obou listů v součtu udělují přítlačnou sílu T celé vrtule, jako by byla zasazena do její osy. Brzdné síly překonává motor.

Tažná síla vrtule je velmi závislá na rychlosti letu. S rostoucí rychlostí klesá. Proč se to děje a co to znamená pro let?

Když je letadlo na zemi a napájecí bod pracuje, pak mají listy vrtule pouze jednu rychlost - obvodovou (obr. 17, a). To znamená, že vzduch proudí na čepel ve směru šipky B, znázorněné v rovině otáčení šroubu. Úhel mezi touto šipkou a tětivou profilu čepele bude samozřejmě úhel náběhu. Jak vidíte, když je vzduch v klidu, rovná se úhlu lopatky k rovině rotace. Jinak to dopadá za letu, kdy kromě pro rotační pohyb, šroub se také pohybuje dopředu (spolu s letadlem).

Za letu se tyto pohyby sčítají a v důsledku toho se čepel pohybuje po šroubovici (obr. 17, b). Vzduch proudí na lopatku ve směru šipky B1 a úhel mezi ní a profilovou tětivou bude úhlem náběhu. Můžete vidět, že úhel náběhu se zmenšil než úhel instalace. A čím větší je rychlost letu, tím menší jsou úhly náběhu lopatek a tím menší bude i tažná síla (při konstantním počtu otáček vrtule).

Tato nevýhoda je vlastní především jednoduché vrtuli, u které nelze za letu měnit úhel listů, a tím i stoupání vrtule (jednoduchá vrtule má další nevýhody). Šroub s proměnným stoupáním je mnohem dokonalejší (obr. 18). Takový šroub díky speciálnímu pouzdrovému zařízení mění své stoupání bez účasti pilota. Když pilot sníží rychlost, stoupání vrtule se okamžitě sníží, když pilot zvýší rychlost, vrtule zvýší stoupání.

G. V. Makhotkin

Konstrukce vrtule

Vzduchová vrtule získal pověst nepostradatelného pohonu pro vysokorychlostní plavidla provozovaná v mělkých a zarostlých vodních plochách a také pro obojživelné sněžné skútry, které musí pracovat na sněhu, ledu a vodě. U nás i v zahraničí již bylo nasbíráno mnoho zkušeností. vrtulové aplikace na vysokorychlostních malých plavidlech a obojživelnících. Takže od roku 1964 se u nás sériově vyrábějí a provozují obojživelné sněžné skútry (obr. 1) Design Bureau pojmenovaném. A. N. Tupolev. Ve Spojených státech je na Floridě provozováno několik desítek tisíc vzduchových člunů, jak jim Američané říkají.

Problém vytvoření vysokorychlostního motorového člunu s mělkým ponorem s lodním šroubem nadále zajímá naše amatérské stavitele lodí. Nejdostupnější výkon pro ně je 20-30 hp. S. Proto se budeme zabývat hlavními otázkami návrhu vzduchového pohonného systému s očekáváním právě takového výkonu.

Pečlivé stanovení geometrických rozměrů vrtule umožní plné využití výkonu motoru a získání tahu blízkého maximu s dostupným výkonem. V tomto případě bude důležitá především správná volba průměru vrtule, na kterém závisí nejen účinnost vrtule, ale také hladina hluku, přímo určovaná obvodovými rychlostmi.

Studie závislosti tahu na rychlosti zdvihu prokázaly, že pro realizaci schopností vrtule o výkonu 25 hp. S. je nutné mít jeho průměr - cca 2 m. Pro zajištění co nejnižších nákladů na energii musí být vzduch vržen zpět proudem s větší plocha sekce; v našem konkrétním případě bude plocha zametaná šroubem asi 3 m². Zmenšením průměru vrtule na 1 m pro snížení hladiny hluku se plocha zametaná vrtulí zmenší 4x, a to i přes zvýšení rychlosti v proudnici způsobí pokles trakce na vyvazovacích lanech o 37 %. Bohužel tento pokles tahu nelze kompenzovat ani roztečí, ani počtem lopatek, ani jejich šířkou.

Se zvýšením rychlosti pohybu klesá ztráta trakce z poklesu průměru; zvýšení rychlosti tedy umožňuje použití vrtulí s menším průměrem. U vrtulí o průměru 1 a 2 m, které poskytují maximální trakci na kotvištích, se při rychlosti 90 km/h hodnoty tahu vyrovnají. Zvětšení průměru na 2,5 m, zvýšení trakce na kotvištích, dává jen mírné zvýšení trakce při rychlostech nad 50 km/h. Obecně platí, že každý rozsah provozních otáček (při určitém výkonu motoru) má svůj optimální průměr vrtule. S nárůstem výkonu při konstantní rychlosti se zvyšuje průměr optimální z hlediska účinnosti.

Jak vyplývá z Obr. 2 grafy, tah vrtule o průměru 1 m je větší než tah vodní vrtule (standardní) přívěsného motoru "Neptune-23" nebo "Privet-22" při rychlostech nad 55 km / h a vrtule o průměru 2 m - již při rychlostech přes 30 -35 km/h. Výpočty ukazují, že při rychlosti 50 km/h bude kilometrová spotřeba paliva motoru s vrtulí o průměru 2 m o 20-25 % nižší než u nejúspornějšího přívěsného motoru "Privet-22".

Pořadí výběru prvků vrtule podle uvedených grafů je následující. Průměr vrtule se určuje v závislosti na požadované tažné síle na kotvištích při daném výkonu na hřídeli vrtule. Pokud se předpokládá provoz motorového člunu v obydlených oblastech nebo oblastech, kde jsou hluková omezení, bude přijatelná (dnes) hladina hluku odpovídat obvodové rychlosti - 160-180 m/s. Po určení, na základě této podmíněné normy a průměru šroubu, maximálního počtu jeho otáček, stanovíme převodový poměr od hřídele motoru k hřídeli šroubu.

Pro průměr 2 m bude přípustná hladina hluku asi 1500 ot/min (pro průměr 1 m - asi 3000 ot/min); tedy převodový poměr při otáčkách motoru 4500 ot/min bude asi 3 (pro průměr 1 m - asi 1,5).

S pomocí grafu na Obr. 3 budete moci určit velikost tahu vrtule, pokud již byl zvolen průměr vrtule a výkon motoru. Pro náš příklad byl vybrán motor nejdostupnějšího výkonu - 25 koní. s., a průměr šroubu je 2 m. Pro tento konkrétní případ je hodnota tahu 110 kg.

Nedostatek spolehlivých převodovek je snad největší překážkou, kterou je třeba překonat. Řetězové a řemenové pohony vyrobené amatéry v řemeslných podmínkách se zpravidla ukazují jako nespolehlivé a mají nízkou účinnost. Nucená instalace přímo na hřídel motoru vede k nutnosti zmenšit průměr a v důsledku toho snížit účinnost stěhováku.

Pro určení šířky a rozteče lopatky použijte nomogram znázorněný na Obr. 4. Na vodorovné pravé stupnici vedeme z bodu odpovídajícího výkonu na hřídeli vrtule svislici, dokud se neprotne s křivkou odpovídající dříve zjištěnému průměru vrtule. Z průsečíku vedeme vodorovnou přímku k průsečíku se svislicí vedenou z bodu ležícího na levé stupnici počtu otáček. Výsledná hodnota určuje míru krytí navržené vrtule (výrobci letadel nazývají poměr součtu šířek listů k průměru krytí).

U dvoulistých vrtulí je povlak roven poměru šířky listu k poloměru vrtule R. Nad hodnotami povlaku jsou uvedeny hodnoty optimálních stoupání vrtule. Pro náš příklad jsme získali: pokrytí σ=0,165 a relativní rozteč (poměr rozteče k průměru) h=0,52. Pro šroub o průměru 1 m je σ=0,50 ma h=0,65. Vrtule o průměru 2 m by měla být 2listá se šířkou listu 16,5 % R, protože rozsah pokrytí je malý; vrtule o průměru 1 m může být 6listá s šířkou listu 50:3 = 16,6% R nebo 4listá s šířkou listu 50:2 = 25% R. Zvýšením počtu listů získáte dodatečné snížení hladiny hluku.

Při dostatečné míře přesnosti můžeme předpokládat, že stoupání vrtule nezávisí na počtu listů. Uvádíme geometrické rozměry dřevěné čepele o šířce 16,5 % R. Všechny rozměry na výkresu Obr. 5 jsou uvedeny jako procento poloměru. Například sekce D je 16,4 % R, umístěná na 60 % R. Tětiva sekce je rozdělena na 10 stejných částí, tj. každá 1,64 % R; špička je proražena 0,82 % R. Pořadnice profilu v milimetrech se určí vynásobením poloměru procentuální hodnotou odpovídající každé pořadnici, tj. 1,278; 1,690; 2,046 ... 0,548.