Лекции по аэродинамике. Учебное пособие по аэродинамике содержание содержание 2 раздел I. Основы аэродинамики 4 Тема основные понятия и законы аэродинамики 4 Классификация летательных аппаратов 5 атмосфера земли 6

• Название: Учебное пособие по аэродинамике содержание содержание 2 раздел I. Основы аэродинамики 4 Тема основные понятия и законы аэродинамики 4 Классификация летательных аппаратов 5 атмосфера земли 6
• Анкор: Лекции по аэродинамике.doc
• Дата: 28.01.2017
• Размер: 9.65 Mb.
• Имя файла: Лекции по аэродинамике.doc
• Тип: Учебное пособие; #243
• страница: 18 из 40

Скорости движения элементов лопасти

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.

К
аждый элемент лопасти совершает сложное движение, состоящее из окружного и поступательного ( Рисунок 4.4).
Рисунок 4.4 Угол установки и угол атаки лопасти.

а - угол атаки элемента лопасти, б -скорости элемента лопасти
О
кружная скорость элемента лопасти равна:

где n_с – число оборотов винта в секунду.
Чем дальше элемент лопасти находится от центра вращения воздушного винта, тем больше окружная скорость U. Вектор скорости лежит в плоскости вращения и совпадает с направлением вращения лопасти.

Поступательная скорость V– это скорость самолета. Вектор скорости совпадает с направлением движения самолета.

Результирующая скорость вращения элемента лопасти винта W равна геометрической сумме поступательной и окружной скоростей движения элемента лопасти и находится по правилу прямоугольного треугольника: W=V²+U².

В действительности картина получается сложнее. Так как винт засасывает воздух и отбрасывает назад, ему сообщается дополнительная скорость , которую называют скоростью подсасывания. В результате истинная скорость W' и угол атаки ' будут отличаться от своих теоретических значений.

Занятие №8

Угол атаки элементов лопасти

Углом атаки элемента лопасти винта  называется угол между хордой элемента и направлением его результирующей скорости движения .

Поступательная скорость равна нулю (V=0), воздушный винт вращается на месте. В этом случае каждый элемент лопасти винта имеет угол атаки, равный углу установки элемента лопасти: α=φ, т.е. имеет максимальное значение.

Угол атаки будет тем больше, чем больше угол установки элемента лопасти винта;

-При поступательном движении воздушного винта угол атаки элемента лопасти становится меньше его угла установки. Чем больше скорость полета, тем меньше становится угол атаки лопасти воздушного винта.

При большой скорости полета углы атаки лопастей могут стать отрицательными.

-При увеличении числа оборотов винта увеличиваются окружные скорости элементов лопасти U, тем больше становятся углы атаки элемента лопасти воздушного винта.

Если скорость полета неизменна и обороты двигателя уменьшаются, то углы атаки уменьшаются и могут стать отрицательными.

Эти выводы относятся к работе винтов неизменяемого шага при изменении скорости полета и числа оборотов. Они позволяют объяснить, как изменяется сила тяги винта при изменении скорости полета и числа оборотов.

Аэродинамические силы лопасти и винта

Аэродинамические силы элемента лопасти. Картина обтекания элемента лопасти пинта аналогична картине обтекания профиля крыла. Вследствие взаимо­действия потока с элементом лопасти на ней возникает элементарная аэродинамическая сила (Рисунок4.5).



Составляющая силы , направленная вдоль оси вращения винта, есть элементарная сила тяги , возникающая в результате разности давлений на поверхностях лопасти.

Сила тяги элемента совпадает с направлением движения винта.

Составляющая силы , направленная перпендикулярно оси вращения винта, есть элементарная сила сопротивления вращению винта. Эта сила возникает вследствие действия сил трения воздуха в пограничном слое на поверхности лопасти и разности давлений у её передней и задней кромок.

Сила сопротивления элемента лопасти действует в плоскости вращения винта и направлена в сторону, противоположную вращению винта.
А
эродинамические силы винта
а

Рисунок 4.6 Аэродинамические силы воздушного винта
Сила тяги винта. Является равнодействующей сил тяг всех элементов лопастей винта:

P= .

Тяга приложена к центру втулки винта и направлена вдоль оси вращения винта (Рисунок4.6). Определяется по формуле:



где  - коэффициент тяги винта. Он учитывает форму лопасти в плане, форму профиля, углы атаки лопасти, определяется экспериментально.

Таким образом, сила тяги винта прямо пропорциональна своему коэффициенту, плотности воздуха, квадрату числа оборотов винта и диаметру винта в четвертой степени. Рассчитывается в кгс или Н.

Основными факторами, влияющими на тягу винта, являются: геометрические параметры винта, скорость полета, высота полета, число оборотов винта.

Зависимость тяги винта от скорости полета. С помощью рисунка 4.4 было показано, что при увеличении скорости полета углы атаки лопастей уменьшаются, поэтому уменьшается коэффициент тяги . Зависимость силытяги от скорости полета для данной частоты вращения воздушного винта на данной высоте определяется с помощью характеристики воздушного винта для тяги (Рисунок4.7).

Р
исунок 4.7 Характеристика воздушного винта по тяге
С помощью данной зависимости можно определить тягу винта для любой скорости и оборотов:

-На V=0 винт создает наибольшую тягу, т.к. =max;

-С увеличением скорости тяга из-за снижения коэффициента уменьшается и на некоторой максимальной скорости становится равной нулю при данной частоте вращения винта.

-Частота вращения винта значительно влияет на тягу – пропорционально n². Однако при дальнейшем увеличении оборотов тяга резко снижается из-за развития волнового кризиса на лопастях.

Влияние высоты полета на тягу винта. Выясняя зависимость тяги от скорости полета, рассматривалась работа винта на неизменной высоте при постоянной плотности воздуха.

Но при полетах на разных высотах плотность воздуха изменяется, что влияет на тягу воздушного винта. Это видно при анализе формулы тяги.

Для дру­гих высот тяга воздушного винта определяется по формуле:

,

где Р₀ – сила тяги, определенная для Н=0 при задан­ной скорости полета и данной частоте вращения винта;

- сила тяги винта на данной высоте;

- относительная плотность, определяется по таблице СА.

Из формулы следует, что чем больше высота полета, тем меньше создаваемая винтом тяга.

Момент сопротивления вращению винта. Кроме тяги, на каждую лопасть действуют силы сопротивления вращению лопастей Х_л, полученные суммированием сил сопротивления элементов: Х_л= (Рисунок4.6).

Силы сопротивления приложены в центре давления лопастей. Они образуют пару сил Х_л, находящихся на плече l друг от друга (Рисунок4.8).




Рисунок4.8 Тормозящий момент воздушного винта

и крутящий момент двигателя
Сила сопротивления вращению лопасти Xл определяется по формуле:

X_л= С_xл,

где Сх_л - коэффициент сопротивления лопасти, учитывающий ее форму в плане, форму профиля, угол атаки и качество обработки поверхности;

W - результирующая скорость, м/с;

Sл - площадь лопасти.

Так как лопасти винта имеют геометрическую симметрию, то величины сил сопротивления и удаления их от оси вращения будут одинаковые.

Силы сопротивления относительно оси вращения винта создают момент сопротивления вращению винта (тормозящий момент), который определяется по формуле:

М_т=Х_лr_лк_л,,

где r_л- плечо действия силы Х_л;

к_л- количество лопастей винта

Момент сопротивления направлен в сторону, противоположную вращению винта. Он преодолевает действие крутящего момента двигателя и уравновешивает его (Рисунок4.8).

К
рутящий момент, создаваемый двигателем, определяется по формуле:

где N_е – эффективная мощность двигателя, л.с.

Следовательно, крутящий момент на валу двигателя, в основном, зависит от мощности двигателя.

Соответствие винта двигателю
Для того чтобы винт вращался с постоянными оборотами, необходимо, чтобы тормозящий момент М_т, равный произведению , был равен крутящему моменту двигателя М_кр, равному произведению Fd,.т.е. М_т=М_кр (Рисунок4.8).

Предположим, что это равенство соответствует расчетному числу оборотов винта n_расч, то есть такому числу оборотов, при которых силовая установка работает наиболее экономично. На n_расч винт снимает полную мощность с вала двигателя. При этом считается, что винт «соответствует» двигателю.

Если это равенство будет нарушено, то двигатель будет уменьшать обороты или увеличивать. Новое равновесие устанавливается на новых оборотах двигателя, которые могут стать меньше или больше расчетных.

-Случай первый: М_т>М_кр,т.е. тормозящий момент винта стал больше, чем крутящий момент, создаваемый двигателем. Число оборотов двигателя снижается, т.к. винт стал «тяжелым» для двигателя. Винт не будет создавать необходимую тягу, а значит используется не полностью: n< n_расч.

-Случай второй: М_т<М_кр. Число оборотов начнет увеличиваться, т.к. винт становится «легким» для двигателя: n >n_расч. Возможна опасная раскрутка двигателя. Чтобы ее исключить, пилот уменьшает мощность двигателя. Поэтому двигатель будет использоваться не полностью.

Рассмотренные случаи возможны при работе винтов неизменяемого (или фиксированного шага), у которых углы установки в полете не изменяются. Облегчение или затяжеление винта происходит вследствие изменений условий полета: скорости, высоты полета, изменения подачи топлива в двигатель и других факторов.

Чтобы силовая установка работала с максимальным К.П.Д, используются винты изменяемого шага( ВИШ ).
Режимы работы винта




Рисунок4.8 Режимы работы воздушного винта
-Режим положительной тяги ( Рисунок4.8,а). Тяга направлена в сторону движения самолета. Винт работает на положительных углах атаки. Рассмотренный режим называется режимом положительной тяги винта, так как эта тяга тянет самолет вперед.

-При уменьшении углов атаки лопастей уменьшаются силы Р и Х (уменьшается тяга винта и тормозящий момент). Можно достичь такого режима, когда Р=0 и X=R. Это режим нулевой тяги (Error: Reference source not foundс 4.8, б).

-При дальнейшем уменьшении углов атаки достигается режим, когда винт начнет вращаться не от двигателя, а от действия сил воздушного потока. Такой режим называется самовращением винта или авторотацией (Error: Reference source not foundс4.8, в).

-При дальнейшем уменьшении углов атаки элементов лопасти винта получим режим, на котором сила сопротивления лопасти винта Х будет направлена в сторону вращения винта, и при этом винт будет иметь отрицательную тягу.

На этом режиме винт вращается от набегающего воздушного потока и вращает двигатель. Происходит раскрутка двигателя, этот режим называется режимом ветряка (Error: Reference source not foundс 4.8, г). Раскручивается вал двигателя. Чтобы предупредить раскрутку винта, уменьшают обороты двигателя. Если двигатель не дросселировать, то может произойти его разрушение.

Режимы самовращения и ветряка возможны в горизонтальном полете и на пикировании.

Вывод: Изменение углов атаки лопастей оказывает влияние на тягу и сопротивление винта. С увеличением скорости полета углы атаки лопасти винта фиксированного шага быстро уменьшаются, тяга винта падает. Наибольший угол атаки лопасти винта будет на скорости полета, равной нулю, при полных оборотах двигателя.

Занятие №9