Занятие № 3. Тема 1.2. Аэродинамические характеристики воздушного винта (2 часа)
Вопросы: Частота вращения лопасти ВВ, окружная скорость вращения винта. Угол атаки элемента лопасти, его зависимость от скорости полета и частоты вращения. Истинная скорость обтекания лопасти, треугольник скоростей. Угол подхода вектора истинной скорости воздушного потока к сечению лопасти ВВ по отношению к плоскости вращения лопастей.
К аэродинамическим характеристикам воздушных винтов относятся угол атаки и тяга воздушного винта. Для определения угла атаки графически необходимо определиться с понятием вращательной (окружной) скорости воздушного винта и её вектора, а также с понятием поступательной скорости и её вектора.
Вращательная (окружная) скорость равна
где: nс - обороты двигателя в сек;
r – расчетный радиус лопасти винта в м. На воздушных винтах АВ-68, АВ-72
r = 1,6м, поэтому окружная скорость при nс =1250 об/мин будет равна 754 км/ч.
Чем дальше элемент лопасти находится от центра вращения воздушного винта, тем больше вращательная (окружная) скорость U.
Поступательная скорость - это скорость самолета V. При вращении винта каждый элемент лопасти будет создавать аэродинамические силы, величина и направление которых зависят от скорости движения самолета (скорости набегающего потока) и угла атаки.
Результирующая скорость вращения элемента лопасти винта W равна геометрической сумме поступательной и вращательной скоростей и находится по правилу прямоугольного треугольника
Рис. 5. Угол установки и угол атаки лопасти
Углом атаки элемента лопасти винта называется угол между хордой профиля лопасти и направлением его истинного результирующего движения W.
При современной трактовке теории ВВ дополнительно ввели угол подхода воздушного потока к хорде сечения лопасти β = φ - .
Рассмотрим две схемы зависимости угла атаки от U при V=Const и от V при U=Const. Когда воздушный винт вращается, а поступательная скорость равна нулю (V=0), то каждый элемент лопасти винта имеет угол атаки, равный углу установки элемента лопасти . При поступательном движении воздушного винта угол атаки элемента лопасти винта отличается от угла установки профиля лопасти винта (становится меньше его).
Чем больше вращательная (окружная) скорость, тем больше угол атаки элемента лопасти воздушного винта. И наоборот, чем больше поступательная скорость воздушного винта, тем меньше угол атаки элемента лопасти воздушного винта.
В действительности картина получается сложнее. Так как винт засасывает и вращает воздух, отбрасывает его назад, сообщая ему дополнительную скорость V' (или ΔV) , которую называют скоростью подсасывания. В результате истинная скорость W' будет по величине и направлению отличаться от скорости подсасывания, если их сложить геометрически. Следовательно, и истинный угол атаки ' будет отличаться от угла , но пока это учитывать на будем из-за его малости.
Итак, каждый элемент лопасти совершает сложное движение, состоящее из вращательного и поступательного движений. Анализируя вышесказанное, можно сделать выводы:
при поступательной скорости V = 0 угол атаки максимальный и равен углу установки лопасти винта;
при увеличении поступательной скорости угол атаки уменьшается и становится меньше угла установки;
при какой-то определённой скорости полёта угол атаки ВФШ может быть = 0;
при большой скорости полета угол атаки лопастей может стать отрицательным;
чем больше скорость вращения воздушного винта, тем больше угол атаки его лопасти.
Сделанные выводы объясняют, как изменяется сила тяги винта неизменяемого шага при изменении скорости полета и числа оборотов.
Занятие № 4. Тема 1.3. Сила тяги и сила сопротивления вращению воздушного винта (2часа)
Вопросы: Сила тяги и сила сопротивления вращению лопастей воздушного винта. Момент сопротивления вращению лопасти.
Сила тяги воздушного винта возникает в результате действия полной аэродинамической силы R на элемент лопасти винта при его вращении.
Рис.6. Аэродинамические силы воздушного винта
Разложив эту силу на две составляющие, параллельную оси вращения и параллельную плоскости вращения, получим силу тяги ΔР и силу сопротивления вращению Х элемента лопасти винта. Суммируя силу тяги отдельных элементов лопасти винта и приложив ее к оси вращения, получим силу тяги винта Р.
Тяга винта зависит от диаметра винта D, числа оборотов в секунду n, плотности воздуха и подсчитывается по формуле (в кгс = 9,8 Н или Н = 0,102 кгс):
где - коэффициент тяги винта, учитывающий форму лопасти в плане, форму профиля и угла атаки, определяется экспериментально.
Таким образом, сила тяги винта прямо пропорциональна своему коэффициенту, плотности воздуха, квадрату числа оборотов винта в секунду и диаметру винта в четвертой степени.
Зависимость тяги воздушного винта от высоты полёта. С увеличением высоты полёта плотность воздуха в атмосфере уменьшается, значит, и тяга воздушного винта будет пропорционально уменьшаться. В безвоздушном пространстве воздушные винты не применяются.
Зависимость тяги воздушного винта от скорости полёта. С увеличением скорости полета углы атаки лопасти винтов неизменяемого и фиксированного шага уменьшаются. Соответственно уменьшается тяга воздушного винта до нулевого значения и даже может стать отрицательной. Наибольший угол атаки лопасти винта при расчетных (равновесных) оборотах двигателя будет на земле ( = ) , при скорости перемещения ЛА равной нулю.