Въздушен винт

Въздушният винт, наричан още въздушно витло е основен двигателен агрегат за транспортни средства, движещи се в резултат на взаимодействието с въздушната среда. Популярни наименования са и широко разпространеното и използвано от неспециалисти название перка и чуждицата пропелер. Привежда се в движение от двигател и посредством винта се преобразува въртящия момент на двигателя в тяга. Въздушният винт е използван още в зората на създаване на моторното задвижване в летателните апарати, но намира приложение и в транспортните средства движещи се по земната и водната повърхност. Такива са аерошейни, аеролодки, съдове на въздушна възглавница и др. Въздушният винт до края на Втората световна война е основен двигателен елемент на самолетите, докато развитието на реактивната авиация променя начина за задвижване на летателните апарати. Новите конструкции турбовитлови двигатели отново налагат въздушния винт от ново поколение в тежките товарни самолети. В хеликоптерите, независимо от подмяната на двигателите (от бутални двигатели с вътрешно горене към газотурбинни), въздушният винт остава основния носещ винт, както за създаване на подемна сила, така и за придвижване в различни посоки.

Въздушни винтове с много добри аеродинамични качества се произвеждат като силови агрегати във ветрогенераторите, превръщайки кинетичната енергия на въздушните маси в механична енергия за производство на електрическа енергия.

Аналог на въздушния винт е гребният винт, двигателен елемент работещ във водна среда и използван за движение на транспортни средства по вода.

Теория Същността на действието на въздушния винт е, че при въртенето му в резултат на характерния му профил, даден обем въздух се изтласква в направление противоположно на движението на транспортното средство. Въртенето на лопатите на винта създава зона на повишено налягане зад винта и зона на понижено налягане пред него. От това и като се отчете, че профилът на винта е плоско-изпъкнал, подобно профила на крилата на самолет, то в резултат на въртенето се създава подемна сила насочена в посоката на движение.

Теорията на въздушния винт и експериментирането с нови видове, брой на лопати и управление на ъгъла на атака и други, занимава повече от 100 години учените по аеродинамика. Теорията продължава да се развива особено с напредъка в областта на аеродинамиката, теоретичната механика, нови конструкционни материали и науката за съпротивление на материалите. Основните трудности при разработката и използването на въздушните винтове за постигане по-високи скорости са ограничения наложени от аеродинамически и от технически характер.

Изисквания Към въздушния винт се предявяват следните изисквания: -аеродинамични – като двигателен агрегат да създава възможно по-голяма тяга при разчетните експлоатационни условия за транспортното средство и най-ефективно използване на характеристиките на двигателя. -технологически – да бъде прост за изработване, контрол, експлоатация и ремонт. -якостни – да притежава достатъчно якост и коравина при експлоатация. Да не се деформира или да променя геометричните си параметри при натоварване и вибрации, с което да се променят аеродинамичните му характеристики.Диманчев, н.с.инж. Георги, Тема 8. Избор на витло, сп. Криле, бр. 4, 1986, с. 72

Видове въздушни винтове

Класификация по начина на създаване на тягата: - теглещ въздушен винт – когато винтът е поставен по посоката на движение в предната част на фюзелажа или атакуващия ръб на крилата; - тласкащ въздушен винт – когато е поставен в средата или края на фюзелажа или изходящия ръб на крилата в посока обратна на движението на транспортното средство. Класификация по брой на лопатите: -еднолопатен; -двулопатен; -трилопатен; -четирилопатен; -многолопатен. Класификация по вида на управление на стъпката (ъгъла на атака) на въздушните винтове: -с фиксирана стъпка – наричан още еднорежимен винт; -с променлива стъпка регулируема преди полет; -с променлива стъпка и реверс – винт управляем по време на полет. Класификация по вида на използвания материал: -дървени винтове изработени по технология от многослоен дървен материал. Евтина конструкция, обикновено с фиксирана стъпка. Понастоящем се използват в леки и свръхлеки конструкции самолети, матоделтаплани, мотопланери, аерошейни и други транспортни средства движещи се по земна и водна повърхност. -метални — поставят се на скоростни, леки или тежкотонажни самолети с различно предназначение. Изработват се в различен брой на лопатите и са с механизъм за промяна стъпката и реверса по време на експлоатация. -композитни материали – намалено тегло, висока якост, износоустойчивост и компактни механизми за управление на стъпката и реверса. Изработват се както за класически въздушни винтове, така и за новите модели понякога наричани пропфан

Технически и аеродинамични характеристики Аеродинамичната характеристика на въздушните винтове е обвързана с общите изисквания и характеристика на задвижваното транспортно средство. Въздушният винт се изчислява и се произвежда конкретно и в зависимост от предварително зададените изисквания и параметри на цялото транспортно средство. Показатели характеризиращи работата на винта са:

Основни геометрични характеристики

Диаметър на винта D (m); Радиус на винта R = D/2 (m);

Геометрична стъпка на винта – разстоянието, което изминава винтът за един оборот, ако се движи във въздуха като в твърда среда H (m) ; Дебелина на профила на лопатата c; ъгъл на поставяне на сечение на лопатата φ = arctg(H/2πr); Широчина на лопатата B; Профил на лопатите на винта. Обикновено се използват крилни профили, като се предпочита плоско-изпъкналият профил; Форма на лопатата в план. Има голямо значение за якостта на витлото.

Кинематични характеристики Мощност на двигателя – N (W); Tяга (теглителна сила) на винта – P (N); Честота на въртене на винта – n (tr/s); Ъглова скорост – ω (rad/s); Периферна скорост на лопатата – U = ωR (m/s); Скорост на движение за винта – V (m/s); Разчетна скорост на движение на винта. Приема се това да е нормалната експлоатационна скорост на движение на транспортното средство. При самолетите например това е крейсерската скорост; Най-висока скороподемност.

Аеродинамични характеристики Коефициент на тягата – α = P/(ρ.n2.D4); Коефициент на мощността – β = N/(ρ.n3.D5); Относителна стъпка – λ = V/(n.D); КПД – η = (α/β)λ.

Особености Въздушният винт с фиксирана стъпка се нарича еднорежимен, защото конструктивно е заложен режима за получаване на максимален коефициент на полезно действие (КПД) и позволява на двигателя да развие пълната си мощност. Изчислението на конструкцията е направена за точно определена разчетна скорост (Vр) и при полет на точно определена височина (Hр). Във всички останали режими работи по-неефективно. Така са обвързани въздушния винт и летателния апарат – ако самолетът трябва да развива максимална скорост, то аеродинамичните показатели на винта и неговата разчетна скорост трябва да съвпадат с тази на самолета. Когато винтът трябва да обезпечава най-добра характеристика при излитане, той се конструира така, че разчетната му скорост да е близка до нулата. Точно в този режим винтът ще развива най-голяма статична тяга. Такива аеродинамични характеристики са характерни и се залагат при изработката на въздушни винтове за глисери, аерошейни, мотоделтаплани, ултралеки самолети.Кондратьев, инж. В., Движитель-воздушный винт, сп. Моделист конструктор, бр. 12, 1988, с.3 – 6

Избор на диаметъра на въздушния винт Диаметърът на витлото определя диаметъра на окръжността описван от краищата на въздушния винт. Изборът на диаметъра се определя от много фактори: зависи от скоростта на движение на летателния апарат; зависи от мощността на двигателя и може да се увеличава с увеличаването на мощността; зависи от якостта на материала и тя е ограничаващ фактор. Причината е развиването на високи скорости на краищата на винта, при което центробежните сили може да доведат до разрушаването му; високата скорост на краищата на винта, надвишаващи скоростта на звука, водят до значителен шум и намалена ефективност. Възможни са завихряния, липсата на устойчивост и генерирането на неконтролирани вибрации. диаметърът се ограничава от просвета на самолета, т.е. от височината на колесника, разположението на двигателите, както и от избраната аеродинамична схема на разположението на крилата.

Тягата на въздушния винт пада с увеличаването на скоростта на летателния апарат и то в тясна зависимост от диаметъра. Колкото е по-голям диаметърът и са по-ниски оборотите на винта, толкова е по-малка тягата при по-висока скорост. Статичната тяга е по-голяма на винт с по-голям диаметър, отколкото на винт с по-малък диаметър. Противоречието – скорост – тяга – диаметър на винта, е причината скоростните самолети да ползват високооборотен винт и с по-малък диаметър.

Бавноходните самолети използват бавнооборотни винтове с по-голям диаметър. Това налага в конструкцията на двигателите за тези самолети, да се постави понижаващ редуктор. За мощните двигатели редукторите обикновено са със зъбни колела. При леките самолети и наземните транспортни средства се използват редуктори от по-евтините ремъчни предавки с трапецовидни ремъци или оразмерените за предаване на съответната мощност широки клиновидни ремъци.

Модерно развитие

На авиационното изложение „Бурже 85“ в Париж са изложени модели на нов вид въздушен вид – турбовитловентилаторни, разработени и представени от специализирани фирми производителки. Новата конструкция със структурата и профила на лопатите трябва да намери приложение в тежкотонажните самолети, като съчетае икономичността на турбовитловите самолети и скоростта на реактивната авиация. Новите, с особена форма многолопатни въздушни винтове, са наричани саблевидни или пропфан (витловентилатор). Концепцията за това на „Дженерал Илектрик“, наречена УДФ (според източници на английски език UHB – ultra high bypass – ултра висок байпас), по едно споразумение с „Дъглас“ и „Боинг“ ще се експериментира с поставяне на двигатели с този нов тип тяга. НАСА финансира проект на лидера за производство на витла „Хамилтон Стандарт“ и на „Алисън“ за изследване на класическия тип пропфан. На изложението е предложено и конструктивно решение на такъв „саблевиден“ вид витло от съветските самолетостроители. Показаният винт е сдвоен с диаметър 4,2 m и 16 тесни лопати (по 8 на пласт). Изработен е от високоякостни композитни материали с компактен механизъм за промяна стъпката и реверса. За самолетен двигател с мощност 10 000 hp (от категорията на Антей) при скорост М = 0,7, (където М е Число на Мах) и при 960 tr/min, винтът постига много висок КПД = 0,9.Чамурлийски, инж. Николай, Парадът на „Руслан“, сп. Криле, бр.11, 1985

Понастоящем въздушни винтове от типа на пропфан се използват в тежките транспортни самолети. Използването на такъв вид „саблевиден“ () въздушен винт позволява на съвременните самолети да летят с над 700 km/h. Примери за успешното прилагане на този нов вид тяга са Антонов Ан-70 и др.

Недостатъци Въздушният винт създава високо ниво на шум при експлоатация. Витломоторната група не може да покрие изискванията според нормите на ICAO.

Източници

Категория:Конструкция на летателните апарати Категория:Движители