/
Author: Кондратьев В.
Tags: физика транспорт механика изобретения история давних изобретений
Year: 1988
Text
Общественное КБ «М~К» — Трудно предстарить себе движитель более уни- версальный, чем воздушный винт. Он годится чуть ли не для любого транспортного средства: глиссера и аэросаней, самолета и мотодельтаплана, азрохода и экранолета. Однако далеко не все энтузиасты-самодельщики четко предстазляют себе, как правильно рассчитать параметры воздушного винта. Действуя методом проб и ошибок, они подчас теряют многс времени и сил, создавая десятки различных пропеллеров в надежде найти такой, который применительно к конкретному двигателю и транспортному средству обеспечивал бы оптимальную тягу. Выполняя многочисленные пожелания читателей, редакция обратилась с просьбой к члену техниче- ской комиссии слетов СЛА, инженеру-авиаконст- руктору В. П. Кондратьеву разработать упрощен- ную методику расчета воздушных винтов. ВИЖИТЕЛЬ—ВОЗДУШНЫЙ ВИНТ Расчет и подбор воздушного винта к двигателю, а также к конкретным самолету, глиссеру или аэросаням — сложная и топкая задача. Теорией воздушного винта занимались и про- должают заниматься известные уче- пые-аэродпнампки, и для тех, кто хо- чет углубленно изучить методику ра- счета винтов, можно рекомендовать известные книги, посвященные этому вопросу. Правда, существующие теории мало пригодны для практического исполь- зования и к тьму лее базируются на сложном математическом аппарате. Ну а для конструкторов-любителей бо- лее простой и доступной является ме- тодика, основанная па статистическом обобщении данных лучших воздушных винтов. Сразу же отметим, что речь пойдет в дальнейшем лишь о моноблочных де- ревянных винтах фиксированного ша- га. Такие винты просты, надежны и наиболее доступное для изготовления в любительских условиях. Следует сказать, что во многих странах мира применение самодельных металличе- ских — и особенно гнутых — винтов запрещено. Они опасны и недостаточно надежны, имеют ограниченный ресурс, и зафиксировано немало случаев их разрушения как во время испытаний, так и во время эксплуатации. То же можно отнести и к винтам изменяемо- го — а тем более изменяемого автома- тически — шага. Исходными данными для подбора винтов для самодеятельных конструк- торов обычно являются мощность дви- гателя (л. с.), частота вращения воздушного винта пп (мин-1), мак- симальная скорость движения (полета) VMakC (км/ч) и расчетная скорость для винта Vp (км/ч). Несколько замечаний применительно к расчетной скорости. Воздушный виит фиксированного шага, как изве- стно, является однорежимным. Это означает, что максииалышй КПД он обеспечивает только па одней — рас- четной — скорости и (для летательно- го аппарата) только па одной расчетной высоте. Однако мы все же будем по- лагать, что расчетная высота (в том числе и для любительского самолета) близка к нулю, а расчетная скорость задается сачим конструктором. Следует помнить, что если аппарат предназначается для достижения макси- мально возможной скорости, то имен- но она и будет являться расчетной. Если, например, самолет должен обес- печивать панлучшие взлетные харак- теристики, то за расчетную условно принимается скорость, близкая к пу- левой. При этом винт развивает наи- большую статическую тягу — тягу па месте. Именно так подбираются винты для глиссеров, аэросаней, мотодельта- планов и ультралегких самолетов. Есть еще один параметр, который иной раз является определяющим для самолета. При этом расчетной ско- ростью для винта становится наивы- годнейшая скорость набора высоты. Если виит рассчитан па это — самолет имеет наивысшую скороподъемность. Наивыгоднейшую скорость набора (Уяаб) Для самолета можно ориенти- ровочно определить по номограмме, изображенной па рнсуцке 2, или под- считать по следующей эмпирической формуле: где G BJJI — взлетный вес, 1кр— раз- мах крыла. Для пилотажного самолета, разви- вающего высокую скорость в пикиро- вании, необходим воздушный винт фиксированного шага, который в ре- жиме ветряка не раскручивался бы до оборотов, превышающих предельно допустимые. В противном случае сле- дует установить пропеллер несколько большего шага. Надо сразу же примириться с мыслью, что ни один расчет не позво- лит сразу и с высокой точностью опре- делить все параметры винта фиксиро- ванного шага. По утверждению извест- ного западногерманского специалиста по конструированию винтов Г. Мюль- бауэра, точный расчет таких винтов — дело бесполезное. Возглавляемая им фирма предлагает заказчикам, как
Рис. к Номограмма для определения ^диаметра и шага винта. Р и с. 2. Номограмма для определения н айвы годней шей скорости набора вы- соты (А); сравнение воздушных вин- тов различных диаметров (Б); графи- ни для определения относительной Таблица х,% 0 1 2,5 1 5 | 10 20 30 | 40 50 60 70 80 I 90 | too У в .% 3 1 5,5 |б,63 1 8,05 9,57 10 1 9,83 9,28 в,29 6,84 5,21 I 3.37 I 0 У н •% 3 1 Ъ23 |о,81 | 0,58 0,0В 0 ! о 1 0 0 0 0 I 0 | 0 правило, несколько винтов, шаг кото- рых, а иногда и диаметр существенно отличаются. Далее заказчик, испыты- вая самолет, подбирает паилучший движитель. Именно его и поставляет в дальнейшем фирма для выпускаемо- го самолета. Кроме того, летательный аппарат комплектуется, как правило, несколькими винтами: скоростным, скороподъемиым, пропеллером для крейсерских полетов на максимальную дальность или другими, в зависимости от требований заказчика. Приблизительно так поступают и конструкторы-любители. Даже самые тщательные расчеты пс дают возмож- ности получить идеальный для данно- го транспортного средства аэродвижи- тель. Лишь в процессе испытаний — заездов или иолетов — станет ясно, как видоизменить винт, уменьшить или же увеличить его шаг. Как правило, лишь второй (а то и третий) пропел- лер позволяет достичь оптимального результата. Методт® же, которая здесь предла- гается, вполне позволяет создать исход- ный пинт — если можно так. выразить- ся, винт первого приближения. И уже испытания покажут, появится ли не- обходимость в следующем, более под- ходящем для созданного вами тран- спортного средства. Проектирование винта начинайте с определения его диаметра и шага. Для этого воспользуйтесь номограммами па рисунке 1 или же следующими эмпи- рическими формулами: VP ; 11В=ЗО— , Пв где DB— диаметр винта (м), Нп — шаг винта (м), 1\'дп - мощность дви- гателя (л. с.), nD — часто га вращения винта (мин-1), VM0KC — максималь- ная скорость (км/ч). Если кепстру ктивные особенности вашего транспортного средства не позволяют использовать винт рекомен- дованного диаметра, следует учиты- вать, что при уменьшении диаметра на 10... 12%, по сравнению с определен- ными по номограмме, надо перейти к трехлопарткому винту. При занижении диаметра на 15% и более — стоит подумать уже о применении чстырех- лопастного пропеллера. При уменьше- нии диаметра на 20% относительно расчетного придется уже подумать о повышении частоты вращения винта или же изменении компоновки тран- спортного средства. При занижении диаметра винта иног- да рекомендуют увеличивать ширину лопастей или лее шага. Действительно, зто позволяет (унимать с двигателя всю мощность, но КПД аэродвижителя при этом неизбежно падает. И еще одно замечание. Толкающий винт- по сравнению с расчетным дол- жен иметь меньший на 5...10% шаг. Далее, определив диаметр и шаг винта, надо вычертить его плановую проекцию. Ширина лопасти в каждом сечении определяется по формуле; где b — относительная ширина лопа- сти (%), определяется по номограмме ла рисунке 2. Максимальная хорда лопасти в плановой проекции должна составлять 0,08...0,1DB. Форма лопасти может быть любой. В некоторых работах авторы нередко и вполне обоснованно доказывают пре- имущества эллиптических, веслообраз- пых, саблевидных или каких-либо иных законцовок лопастей. Наверное, каждый из них по-своему прав. Однако практи- ка показывает, что в реальных условиях характеристики винта любительского изготовления от формы законцовки практически не зависят. После вычерчивания плановой проек- ции можно переходить к построению профиля лопаьги на нескольких ра- диусах — например, на г=0,8; 0,6; 0,4; 0,2 (г — относительный радиус лопасти). Для лопастей винта используются обычно крыльевые профили. Следует, правда, учесть, что по ряду причин 4
лопасти и относительной профиля лопасти (В); гра- определения массы дере- ширины толщины фин ДЛЯ вянного винта фиксированного шага (П. Рис. 3, Построение теоретического чер- тежа воздушного Емнта. При выполнении чертежа надо учесть, что Щ — практический радиус скругле- ния задней кромки, равный 0.8.,Л,5% местной хорды лопасти; на схеме пока- зан профиль лопасти 10 процентной относительной толщины; координаты этого профиля приведены в таблице 1; координаты профиля «у» в любом заданном сечении можно определить по формуле у __ io'с ‘ Un iU00-COSa где с — максимальная относительная толщина лопасти в сечении, получаемая из графика В (рис. 2), yw — относитель- ные координаты у 10-процентною про* фнля из таблицы 1 (у,ц и с подставля- ются в формулу в процентах), а — угол установки профиля лопасти и сечении. С — абсолютная толщина попасти в се- чении: Т *— высота заготовки чаще предпочтение отдастся плоско- выпуклым лопастям. Координаты та- кого профиля с относительной толщи- ной в 10% приводятся в таблице 1. Координаты профиля Y в каждом сечении рассчитываются по формуле: у _ У|О*с'Вл 1000-COSa где с — максимальная относительная толщина лопасти в сечении, получае- мая из графика па рисунке 2. У совре- менного деревянного впита она обычно составляет G...8% на конце лопасти. У комля лопасти профиль обычно вы- полняется толстым (произвольным), симметричным, переходящим в ступицу винта. Vio — относительные координа- ты у 10-процентного профиля из таб- лицы 1. Vio в с подставляются в фор- муле в %. Наконец, « — угол уста- новки профиля в сечении. Он опреде- ляется нз условия, что шаг винта в любом сечении должен быть постоян- ным. Это правило вывел когда-то Н. Е. Жуковский, испытав знаменитые свои винты «ПЕЖ», и‘до сего времени ему следуют конструкторы винтов, хо- тя несколько позже Жуковского акаде- мик Б. II. Юрьев доказал, что шаг винта в различных его сечениях вовсе по обязательно должен быть постоян- ным. Ио все-таки, следуя Жуковскому, определим угол установки профиля в каждом из сечений: При построении сечения лопасти мо- жет пригодиться и линейный параметр Пс, определяемый из формулы: 2Н„ВЛ 11с =---=--- . 51 * Г - Dy Построив сечения лопасти, совсем уже нетрудно вычертить боковую про- екцию заготовки впита. Опа также мо- жет иметь произвольную форму, но вполне определенную в каждом сече- нии высоту. Пример такого построе- ния — на рисунке 3. Итак, винт вычерчен. Какой же бу- дет его тяга? Ее можно ориентировочно определить по номограмме (рис. 4): это будет так называемая статическая тяга, или тяга па месте. Когда глис- сер, аэросани или самолет построены, правильность прикидки можно прове- рить экспериментально с помощью обычного динамометра. Сложнее об- стоит дело с определением тяги на ка- кой-либо скорости движения: расчет се затруднен, точность его невысока, а проверить результат практически не- возможно. И, наверное, в практике са- модеятельных конструкторов это и не нужно. Несколько замечаний, которые мо- гут быть полезными при определении параметров винта. Как известно, его тяга с ростом скорости падает — тем сильнее, чем больше диаметр пропеллера и ниже ча- стота его вращения. Вместе с тем ста- тическая тяга, винта большого диаметра обычно гораздо выше, чем у малень- кого. Примерный характер падения тя- ги винтов показан па рисунке 2. Вывод напрашивается сам собой: скоростному самолету нужен высоко- оборотный пропеллер малого диаметра, тихоходному — малооборотиыи боль- шой. Как правило, любительские са- молеты пе достигают таких скоростей, когда становятся выгодными высоко- оборотные винты. Поэтому при исполь- зовании двухтактных двигателей, имею- щих высокую частоту вращения колен- вала, имеет смысл применять пони- жающий редуктор. Разумной можно представить сле- дующую методику подбора, винта к любительскому аппарату. Вначале в соответствии с компоновочной схемой выбирается максимально возможный диаметр винта: здесь принимаются во внимание допустимые зазоры между концами лопастей и конструкцией, потребный клиренс п Другие парамет- ры. Затем по номограмме (рис. 1) или по формуле 10J, /-ц^- определяется потребная частота враще- 5
Мд^Л-С. 120 /а Ito too 90 80 70 60 50 А 40 30 20 Рис. 4. Номограмма для определения статической тяги винта. СХЕМА УСТАНОВКИ ВИНТА ЗАГОТОВКА Рис. 5- Типовая конструкция воздушного ей и та фирмы «Хоффман»; 1 — стальная опорная шайба, 2 — ступица винта, 3 — проволочная контров- ка болтов, 4 — болты крепления винта, 5 — латунная сетка. 6 — латунная окантовка, 7 — отверстие для проволочной контровки, В — переклейка из сосновых брусков, 9 — стальная резьбовая втулка (запрессована во фланец винта), 10 — фланец, II — болт крепления фланца на валу двигателя, 12 — стопорная шайба с отгибающимся усом (фиксируется на валу двигателя), 13 — вал двигателя, 14 — штифт (запрессовывается во фланец винта для установ- ки ого в определенном положении), 15 — лакокрасочное покрытие и эпоксид- ная шпаклевка, 16 — припой. 17 — эпоксидное заполнение, 18 — стекло- ткань (2 слоя). ния винта Сравнивая ее с характе- ристикой двигателя, легко определить необходимую степень редукции оборо- тов. Редуктор может быть как шесте- ренчатым, так и клиноременным много- ручьевым. бстати; последние получили сегодня весьма широкое распростране- ние на аэросанях, мотодельтапланах и ультралегких самолетах. Упрощенные методики, подобные описанной, широко используются п в нашей стране, и за рубежом. Как по- казывает практика, они позволяют по- лучить винты, мало уступающие вы- бранным по аэродинамическим продув- кам или рассчитанным па вычисли- тельных машинах в соответствии с хо- дящей ныне по рукам «усовершенство- ванной» и < особо точной» программой. Напомню.; еще раз, успех в подборе винта фиксированного шага во многом зависит от правильного выбора расчет- ной скорости. Перейдем теперь к конструкции воз- душного винта. Как сделать заготовку из деревянного бруска с помощью то- пора, рубанка, рашпиля и напильни- ков, объяснять, видимо, не придется: конструктору-любителю все это долж- но быть хорошо знакомо. Думается, целесообразнее узнать подробности конструкции и технологии производства деревянных винтов фиксированного шага, принятых на одной из ведущих фирм по изготовлению пропеллеров «Хоффман». Фирма выпускает их в большом количестве л принимает за- казы под любые аппараты и двигатели. Заготовка такого винта, как этп по- казано на рисунке 5, получается ме- тодом переклейки пз брусков сечением 30X60 мм. Для соединения брусков используются эпоксидные смолы. Для изготовления винтов обычно применяются достаточно твердые и тя- желые породы древесины. «Хоффман» же предпочитает легкую сосну. Дре- весина, по сути, выполняет роль же- сткого легкого заполнителя, а проч- ность достигается последующей оклей- кой готового винта двумя слоями стек- лоткани на эпоксидном связующем. Чтобы ступица не проминалась при за- тяжке болтов, она имеет достаточно большой диаметр. Конструкция ступи- цы и установка «фирменного» винта показаны на рисучда 5. Особенностью «хоффмановского» винта является окантовка его перед- ней кромки. Обычно передняя кромка оковывает ;я латунными пластинами для предотвращения преждевременного выхода винта из строя. Однако если окантовка, так это обычно делается, закрепляется на винте заклепками, ре- сурс винта оказывается невысоким. На «хоффмаповском» же вичте окан- товка вначале припаивается к метал- лической сетке, которая затем наклеи- вается на лопасть. Ну а стеклотканью лопасть оклеивается уже после уста- новки окантовки. Далее винт шпа- клюется. вышкуривасгся и окрашивает- ся. В результате получается поверх- ность очень высокого качества. Для под- счета массы таких винтов можно вос- пользоваться графиком на риДуике 2. Итак, виит готов. Он взвешен, отба- лансирован, установлен на созданное вами же транспортное средство — будь то летательный аппарат, аэромобиль или же АВИ. Но... Двигатель работает, однако частота вращения винта явно недостаточна. Не надо беспокоиться: при исправном моторе ;то означает лишь, что винт «тяжеловат» для ну- левой скорости. Он раскрутится до максимальных оборотов, когда машине, наберет расчетную скорость движения. Гораздо хуже, если на максимальном газе мотор стремится выйти на оборо- ты, превышающие допустимые. В этом случае винт придется заменить более «тяжелым», то есть имеющим несколь- ко больший шаг'. В, КОНДРАТЬЕВ, инженер 6