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