Аэродинамика самолета. Тема 1
 Скачать 3.35 Mb.
|
|
МОЩНОСТЬ, ПОТРЕБНАЯ НА ВРАЩЕНИЕ ВОЗДУШНОГО ВИНТА Эта мощность затрачивается на преодоление сил сопротивления вращению винта. Формула для определения мощности воздушного винта (в л. с.) имеет вид: , 75 5 3 Д т N С ВР ρ β ⋅ = (3.10) где β - коэффициент мощности, зависящий от формы воздушного винта, числа лопастей, угла установки, формы лопасти в плане, от условия работы воздушного винта (относительной поступи) ). Д n V C Δ = λ Из формулы (3.10) видно, что потребная мощность для вращения воздушного винта зависит от коэффициента мощности, от скорости и высоты полета, оборотов и диаметра воздушного винта. С увеличением скорости полета уменьшается угол атаки элемента лопасти воздушного винта, количество отбрасываемого назад воздуха и его скорость, поэтому уменьшается и потребная мощность на вращение воздушного винта. С увеличением высоты полета плотность воздуха уменьшается и потребная на вращение воздушного винта мощность также уменьшается. С увеличением оборотов двигателя увеличивается сопротивление вращению воздушного винта и потребная мощность на вращение воздушного винта увеличивается. АЭРОДИНАМИКА САМОЛЕТА 49 Воздушный винт, вращаемый двигателем, развивает тягу и преодолевает лобовое сопротивление самолета, самолет движется. Работа, производимая силой тяги воздушного винта за 1 с при движении самолета, называется тягой или полезной мощностью воздушного винта. Тяговая мощность воздушного винта определяется по формуле , 75 V P N B В = (3.11) где Р в - тяга, развиваемая воздушным винтом; V-скорость самолета. С увеличением высоты и скорости полета тяговая мощность воздушного винта уменьшается. При работе воздушного винта, когда самолет не движется, развивается максимальная тяга, но тяговая мощность при этом равна нулю, так как скорость движения равна нулю. КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ВОЗДУШНОГО ВИНТА. ЗАВИСИМОСТЬ КПД ОТ ВЫСОТЫ И СКОРОСТИ ПОЛЕТА Часть энергии вращения двигателя затрачивается на вращение воздушного винта и направлена на преодоление сопротивления воздуха, закрутку отбрасываемой струи и др. Поэтому полезная секундная работа, или полезная тяговая мощность винта, N B , будет меньше мощности двигателя Ne, затраченной на вращение воздушного винта. Отношение полезной тяговой мощности к потребляемой воздушным винтом мощности (эффективной мощности двигателя) называется коэффициентом полезного действия (кпд) воздушного винта и обозначается η . Он определяется по формуле е B В N N = η (3.12) Рис. 70 Характеристики по мощности двигателя М-14П самолетов Як-52 и Як-55 Рис. 71 Примерный вид кривой изменения располагаемой мощности в зависимости от скорости полета АЭРОДИНАМИКА САМОЛЕТА 50 Рис. 72 Высотная характеристика двигателя М-14П на режимах 1 - взлетный, 2- номинальный 1, 3 - номинальный 2, 4 - крейсерский 1; 5 - крейсерский 2 Величина КПД воздушного винта зависит от тех же факторов, что и тяговая мощность воздушного винта. КПД всегда меньше единицы и достигает у лучших воздушных винтов величины 0,8...0,9. График зависимости располагаемой эффективной мощности от скорости полета для самолетов Як- 52 и Як-55 изображен на Рис. 70. График Рис. 71 называется характеристикой силовой установки по мощности. При V=0, Np=0; при скорости полета V=300 км/ч, Np= =275 л.с. (для самолета Як-52) и V=320 км/ч, Np=275 л. с. (для самолета Як-55), где Np - потребная мощность. С увеличением высоты эффективная мощность падает вследствие уменьшения плотности воздуха. Характеристика изменения ее для самолетов Як-52 и Як-55 от высоты полета Н изображена на Рис. 72. Для уменьшения скорости вращения воздушного винта в двигателе применяется редуктор. Степень редукции подбирается таким образом, чтобы на номинальном режиме концы лопастей обтекались дозвуковым потоком воздуха. ВИНТЫ ИЗМЕНЯЕМОГО ШАГА Для устранения недостатков воздушных винтов неизменяемого шага и фиксированного применяется воздушный винт изменяемого шага (ВИШ). Основоположником теории ВИШ является Ветчинкин. ТРЕБОВАНИЯ К ВИШ: ВИШ должен устанавливать на всех режимах полета наивыгоднейшие углы атаки лопастей; снимать с двигателя номинальную мощность на всем рабочем диапазоне скоростей и высот; сохранять максимальное значение коэффициента полезного действия на возможно большем диапазоне скоростей. Лопасти ВИШ либо управляются специальным механизмом, либо устанавливаются в нужное положение под влиянием сил, действующих на воздушный винт. В первом случае это гидравлические и электрические воздушные винты, во втором - аэродинамические. Гидравлический винт - воздушный винт, у которого изменение угла установки лопастей производится давлением масла подаваемого в механизм, находящийся во втулке винта. Электрический винт - воздушный винт, у которого изменение угла установки лопастей производится электродвигателем, соединенным с лопастями механической передачей. Аэромеханический винт - воздушный винт, у которого изменение угла установки лопастей производится автоматически - аэродинамическими и центробежными силами. Наибольшее распространение получили гидравлические ВИШ. Автоматическое устройство в винтах изменяемого шага предназначено для сохранения постоянными заданных оборотов воздушного винта (двигателя) путем синхронного изменения угла наклона лопастей при изменении режима полета (скорости, высоты) и называется регулятором постоянства оборотов (РПО). АЭРОДИНАМИКА САМОЛЕТА 51 Рис. 73 Работа воздушного винта изменяемого шага В530ТА-Д35 при разных скоростях полета РПО совместно с механизмом поворота лопастей изменяет шаг винта (угол наклона лопастей) таким образом, чтобы обороты, заданные летчиком с помощью рычага управления ВИШ, при изменении режима полета оставались неизменными (заданными). При этом следует помнить, что обороты будут сохраняться до тех пор, пока эффективная мощность на валу двигателя Ne будет больше мощности, потребной для вращения воздушного винта при установке лопастей на самый малый угол наклона (малый шаг). На Рис. 73 показана схема работы ВИШ. При изменении скорости полета от взлетной до максимальной в горизонтальном полете угол установки лопастей ϕ возрастает от своего минимального значения ϕ мин до максимального ϕ макс (большой шаг). Благодаря этому углы атаки лопасти изменяются мало и сохраняются близкими к наивыгоднейшим. Работа ВИШ на взлете характерна тем, что на взлете используется вся мощность двигателя - развивается наибольшая тяга. Это возможно при условии, что двигатель развивает максимальные обороты, а каждая часть лопасти винта развивает наибольшую тягу, имея наименьшее сопротивление вращению. Для этого необходимо, чтобы каждый элемент лопасти воздушного винта работал на углах атаки, близких к критическому, но без срыва воздушного потока. На Рис. 73, а видно, что угол атаки лопасти перед взлетом (V=0) за счет перетекания воздуха со скоростью Δ V немного отличается от угла наклона лопасти на величину фмин. Угол атаки лопасти соответствует величине максимальной подъемной силы. Сопротивление вращению достигает в этом случае величины, при которой мощность, расходуемая на вращение винта, и эффективная мощность двигателя сравниваются и обороты будут неизменными. С увеличением скорости угол атаки лопастей воздушного винта уменьшается (Рис. 73, б). Уменьшается сопротивление вращению и воздушный винт как бы облегчается. Обороты двигателя должны возрастать, но РПО удерживает их за счет изменения угла атаки лопастей постоянными. По мере увеличения скорости полета лопасти разворачиваются на больший угол ϕ ср При выполнении полета на максимальной скорости ВИШ также должен обеспечивать максимальное значение тяги. При полете на максимальной скорости угол наклона лопастей имеет предельное значение рмакс (Рис. 73, в). Следовательно, при изменении скорости полета происходит изменение угла атаки лопасти, при уменьшении скорости полета угол атаки увеличивается - винт затяжеляется, при увеличении скорости полета угол атаки уменьшается - винт облегчается. РПО автоматически переводит лопасти винта на соответствующие углы. При увеличении высоты полета мощность двигателя уменьшается и РПО уменьшает угол наклона лопастей, чтобы облегчить работу двигателя, и наоборот. Следовательно, РПО удерживает обороты двигателя с изменением высоты полета постоянными. При заходе на посадку воздушный винт устанавливается на малый шаг, что соответствует оборотам взлетного режима. Это дает возможность летчику при выполнении всевозможных маневров на глиссаде посадки получить взлетную мощность двигателя при увеличении оборотов до максимальных. ДЕЙСТВИЕ НА ЛОПАСТЬ ВИНТА СОБСТВЕННЫХ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ СИЛ При рассмотрении действия на лопасть воздушного винта собственных центробежных сил выделим в поперечном сечении элемента лопасти два небольших объема, расположенных в передней и задней частях сечения (Рис. 75). АЭРОДИНАМИКА САМОЛЕТА 52 Во время вращения воздушного винта на массы, заключенные в этих объемах, действуют центробежные силы Рц1 и Рц2, приложенные к их центрам тяжести и направленные по радиусам вращения r1 и г2. Раскладывая эти центробежные силы на составляющие, направленные параллельно и перпендикулярно оси поворота лопасти, проанализируем их взаимодействие. Рис. 74 Характер действия на лопасть воздушного винта собственных центробежных сил Продольная сила X, направленная параллельно оси поворота лопасти, стремится вырвать лопасть из лопастного стакана, вызывая растяжение лопасти. Поперечная сила Т, направленная перпендикулярно оси поворота лопасти, стремится повернуть лопасть в сторону уменьшения угла установки ϕ (Поперечные силы T1 и Т2 создают моменты Мл1 и Мл2 лопасти, которые зависят от их массы, числа оборотов воздушного винта и установочного угла лопасти ϕ , а также от расстояния объемов от оси поворота лопасти h1 и h2. Максимальное значение его соответствует 0 или 90°. Рассмотрим действие на лопасть винта центробежных сил противовеса (Рис. 74). Центробежные силы противовесов лопастей Р пр приложены в центре тяжести противовесов и направлены по радиусам их вращения. При анализе действия центробежной силы противовеса Р пр раскладываем ее на две составляющие: силу К, направленную параллельно оси лопасть, которая стремится изогнуть кронштейн противовеса, и силу N, направленную перпендикулярно оси поворота лопасти, которая стремится повернуть лопасть в сторону увеличения ее угла установки ϕ Момент противовеса M ПР =N h (Kгc) зависит от величины массы противовеса, радиуса его вращения, числа оборотов воздушного винта, угла установки лопасти и угла установки противовеса ϕ пр АЭРОДИНАМИКА САМОЛЕТА 53 Рис. 75 а - характер действия на лопасть воздушного винта центробежных сил лопасти, б - аэродинамические силы, действующие на винт Аэродинамическая сила R (Рис. 75, б), приложенная в центре давления профиля, создает момент, поворачивающий лопасть в сторону увеличения шага. При увеличении угла установки лопасти ϕ увеличивается и момент аэродинамической силы, но его абсолютное значение в диапазоне рабочих углов поворота рабочих лопастей небольшое по сравнению с величинами аэродинамических центробежных моментов лопастей и противовесов. Автоматические воздушные винты с гидравлическим управлением работают по прямой, обратной или двусторонней схеме. Лопасти винтов, работающих по прямой схеме, на малый шаг переводятся действием давления масла и центробежных сил лопастей, на большой шаг - центробежными силами противовесов лопастей и аэродинамическими силами лопастей. Воздушные винты, работающие по двусторонней схеме, переводятся на малый шаг давлением масла, центробежными силами лопастей, на большой шаг - давлением масла, центробежными силами противовесов и аэродинамическими силами лопастей. АЭРОДИНАМИКА САМОЛЕТА 54 ВЗАИМНОЕ ВЛИЯНИЕ ВОЗДУШНОГО ВИНТА И САМОЛЕТА Воздушный винт, установленный на самолетах Як-52 и Як-55, при работе испытывает влияние от расположенных вблизи него частей самолета, при этом уменьшается скорость воздушного потока в плоскости вращения винта, что увеличивает тягу воздушного винта. Такое изменение тяги характеризуется величиной е, называемой коэффициентом торможения скорости, и входит в виде поправки в относительную поступь ), 1 ( 0 ε λ λ + = (3.13) где λ o - поступь изолированного воздушного винта. Величина е всегда больше нуля, поэтому 0 λ λ > . С другой стороны, воздушный винт отбрасывает за собой массу воздуха, скорость которого больше скорости полета, увеличивает тем самым лобовое сопротивление частей самолета, находящихся в струе за воздушным винтом. Увеличение сопротивления самолета превышает по своей величине прирост тяги. В итоге - влияние обдувки самолета выражается общим понижением тяги двигательной установки. Кроме того, за счет того, что скорость отбрасываемого воздушного потока воздушным винтом больше скорости полета, при обтекании частей самолета создается дополнительный прирост подъемной силы. Величина ее зависит от площади крыла, скорости полета, мощности силовой установки. Рис. 76 . Поляра самолета с учетом обдувки воздушным винтом 1- без обдувки, 2- работа двигателя в номинале 3- работа двигателя на взлетном режиме Увеличение скорости полета уменьшает прирост аэродинамических сил. Чем больше мощность силовой установки, тем больше прирост аэродинамических сил. Для учета влияния обдувки воздушного винта на аэродинамические силы и их коэффициенты проводится их перерасчет для наиболее характерных режимов силовой установки Из Рис. 76 видно, что обдувка крыла увеличивает значения Су и Сх, причем Су увеличивается больше, чем Сх. Чем больше углы атаки крыла, тем больше прирост Су. Так, для самолетов Як-52 и Як-55 на взлетном режиме работы двигателя на угле атаки α, равном 14°, прирост Су составляет примерно 0,4. Увеличение Сх за счет увеличения местной скорости воздушного потока на крыле происходит в меньшей степени, чем Су. На угле атаки α, равном 16°, Сх возрастает на 0,046 или на 22% потому, что индуктивное сопротивление обдуваемой части будет меньше, чем его величина для крыла вне струи от винта. Улучшение аэродинамических характеристик самолетов Як-52 и Як-55 за счет обдувки от воздушного винта корректирует некоторые параметры самолетов, например: скорость отрыва уменьшается на 15...20%, а длина разбега - на 25...30%. (Приложение. Описание работы винта В530-ТА-Д35) ВОЗДУШНЫЙ ВИНТ В530ТА-Д35 Автоматический воздушный винт В530ТА-Д35 самолетов Як-52 и Як-55 двухлопастный, работает совместно с регулятором оборотов Р-2 по прямой схеме. На малый шаг винт переводится давлением масла и АЭРОДИНАМИКА САМОЛЕТА 55 центробежными силами лопастей, на большой шаг - центробежными силами противовесов и аэродинамическими силами лопастей. Автоматическая работа воздушного винта с регулятором оборотов обеспечивает поддержание постоянных оборотов, заданных летчиком, путем поворота лопастей в сторону увеличения или уменьшения установочного угла для изменения нагрузки на двигатель и снятия с винта наибольшего КПД. При отказе регулятора оборотов центробежные силы и аэродинамические силы лопастей переводят винт на большой шаг, сохраняя безопасность полета. ОСНОВНЫЕ ДАННЫЕ ВОЗДУШНОГО ВИНТА В530ТА-Д35 Тип винта Тянущий, автоматический, изменяемого шага Схема работы Прямая Принцип работы Гидроцентробежный Направление вращения Левое Диаметр винта, м 2,4 Число лопастей две Материал Сосна, дельта-древесина, фанера и стальная оковка Форма лопастей Веслообразная Угол установки лопастей на 1000 мм: минимальный 14 0 30' ± 10' максимальный 34°30 ± 30' Диапазон установки противовеса 20°+40' Угол установки противовеса 25° Масса винта, кг 40+2% СОВМЕСТНАЯ РАБОТА ВОЗДУШНОГО ВИНТА В530ТА-Д35 И РЕГУЛЯТОРА ОБОРОТОВ Р2 Совместная работа воздушного винта и регулятора оборотов обеспечивает автоматическое изменение шага винта и сохранение заданной частоты вращения коленчатого вала двигателя. Работа регулятора оборотов основана на гидроцентробежном принципе. Необходимая частота вращения коленчатого вала двигателя задается изменением силы сжатия золотника вниз и подводом масла в цилиндр для перевода винта на малый шаг. Центробежные Г - образные грузики на малых оборотах (48% или 1400 об/мин) создают центробежные силы, недостаточные для перемещения золотника вверх даже при малом сжатии пружины, т. е. при положении рычага управления винтом «Большой шаг». Вследствие этого невозможно перевести винт на большой шаг при наддуве ниже 400 мм рт. ст., что соответствует частоте вращения коленчатого вала 1300 об/мин при малом шаге. Таким образом, регулятор оборотов автоматически разгружает двигатель при любом положении рычага управления винтом, переведя винт на малый шаг во время посадки самолета и при остановке двигателя. Это происходит потому, что зубчатая рейка не имеет кинематической связи с золотником и не может удерживать его в верхнем положении. Перемещение золотника вверх осуществляется центробежными силами Г-образных грузиков, значение которых зависит от числа оборотов коленчатого вала двигателя. Коническая пружина перемещает золотник вниз во всех условиях, случаях, когда сила ее упругости больше центробежных сил Г-образных грузиков. |