ВВ. Воздушный Винт.Экзамен. 1. Назначение воздушного винтаВоздушный винт
 Скачать 1.38 Mb.
|
|
1.Назначение воздушного винта Воздушный винт – лопастный агрегат, вращаемый валом двигателя, создающий тягу в воздухе, необходимую для движения самолета. Воздушный винт преобразует крутящий момент на валу двигателя в аэродинамическую силу тяги. Идея применения воздушного винта на летательном аппарате возникла давно. Еще в XV веке Леонардо да Винчи создал проект летательного аппарата с несущим винтом, который приводился в действие мускульной силой человека. В 1754г. М.В. Ломоносовым была построена модель вертолета, названная им «аэродинамической машинкой», на которой использовались так называемые соосные винты, приводимые в действие часовой пружиной. Теория воздушного винта разработана Н. Е. Жуковским и его учениками. В настоящее время воздушные винты на многих самолетах заменены реактивными двигателями, создающими тягу непосредственно, без помощи винта. Однако для полетов на дозвуковых скоростях воздушные винты, работающие от поршневых и газотурбинных двигателей, продолжают широко применяться. Винты классифицируются: по числу лопастей: на двух-, трех-, четырех- и многолопастные; по материалу изготовления: на деревянные, металлические; по направлению вращения: левого и правого вращения; по расположению относительно двигателя: на тянущие и толкающие; по форме лопастей: на обычные, саблевидные, веслообразные; по типам: на фиксированные, неизменяемого и изменяемого шага. Воздушный винт состоит из ступицы, лопастей и укрепляется на валу двигателя с помощью специальной втулки (Рисунок4.1) Винт неизменяемого шага имеет лопасти, которые не могут вращаться вокруг своих осей. Лопасти со ступицей выполнены как единое целое. Винт фиксированного шага имеет лопасти, которые устанавливаются на земле перед полетом под любым углом к плоскости вращения и фиксируются. В полете угол установки не меняется. Винт изменяемого шага имеет лопасти, которые во время работы могут при помощи гидравлического или электрического управления вращаться вокруг своих осей и устанавливаться под нужным углом к плоскости вращения. По диапазону углов установки лопастей воздушные винты подразделяются: на обычные, у которых угол установки изменяется от 13 до 50°, они устанавливаются на легкомоторных самолетах; на флюгерные, у которых угол установки меняется от 0 до 90°; на тормозные или реверсные винты, которые имеют изменяемый угол установки от –15° до +90°Таким винтом создают отрицательную тягу и сокращают длину пробега самолета. Работа воздушного винта основана на тех же принципах, что и крыло самолета: по третьему закону Ньютона винт, вращаясь, отбрасывает массу воздуха назад вдоль своей оси. Реакцией движущейся массы воздуха является тяга винта. Чем больше масса и скорость отбрасываемого воздуха, тем больше развиваемая винтом тяга. 2. Силы, действующие на лопасть При работе пропеллера на его лопасти действуют аэродинамические и центробежные силы, которые стремятся развернуть лопасть вокруг ее продольной оси. Эти силы являются физическим результатом функционирования лопасти как устройства, преобразующего крутящий момент двигателя в тягу. Устранить эти силы невозможно. Но можно повлиять на их величину изменяя геометрические и весовые характеристики лопасти. При вращении пропеллера силы, действующие на лопасть, вызывают напряжение растяжения, кручения и изгиба (растягивают, скручивают и изгибают лопасть). Лопасть материальна и обладает некоторой массой, поэтому при ее вращении в составе пропеллера возникает центробежная сила. Эта сила вызывает самое большое напряжение растяжения лопасти. Центробежная сила лучше всего может быть представлена как сила, стремящаяся вытащить лопасть из втулки или разорвать ее. Изгибающая сила, возникающая вследствие вращения пропеллера, изгибает лопасть в сторону, противоположную вращению. Момент аэродинамических сил стремится повернуть лопасть на больший угол установки. Момент возникает вследствие того, что ось поворота лопасти расположена посредине хорды, а подъемная сила приложена впереди оси (1/4 хорды от передней кромки профиля). Поворачивающий момент аэродинамических сил используется для управления пропеллером. Если в конструкции пропеллера используются тяжелые металлические лопасти, у которых момент поперечных центробежных сил, стремящийся поворачивать лопасти на малые углы установки, превосходит по величине момент аэродинамических сил, стремящийся поворачивать лопасти на большие углы установки, то в состав конструкции механизма изменения положения лопастей обязательно должно входить устройство, удерживающее лопасти от перехода на малые утлы, что важно для предотвращения появления отрицательной тяги вследствие перехода на малые углы установки лопастей. У пропеллеров с легкими, например, композитными лопастями моменты центробеж ных и аэродинамических примерно одинаковы по величине. Следовательно, они взаимно компенсируются и не оказывают существенного влияния на положение лопастей, а для управления положением лопастей необходимо использование специальных силовых устройств, одно из которых обеспечиваем перевод лопастей на малые умы, а второе - на большие углы. 3.Найти коэффициент сопротивления β воздушного винта диаметром D = 150мм, при мощности двигателя N = 0,75 л.с. при n s =25.000 оборотах в минуту. Принять плотность воздуха равную 1,2754 кг/м³. Ответ : B=N*75\p*ns^3*D^5 B=0.75*75\1.2754 *416^3*0.150^5=56.25\71991296*1.2754*0.00007594=0.008 4. Угол атаки лопасти относительно набегающего потока Углом атаки элемента лопасти винта называется угол между хордой элемента и направлением его результирующей скорости движения W 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 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. 5. Треугольник скоростей Кинематическими характеристиками пропеллера являются окружная U, поступательная V и результирующая скорости W сечения лопасти, углы атаки α и притекания струй β, коэффициент скорости . В полете сечение лопасти пропеллера совершает сложное движение - вращается с окружной скоростью = ω · r = 2·π· n ·r , где : - линейная окружная скорость движения сечения лопасти, [м/с ]; ω - окружная скорость вращения пропеллера, [1/с ]; r - радиус сечения лопасти, [м ]; n - частота вращения пропеллера [об/ мин, об/сек, 1/с ]; - движется поступательно со скоростью полета V, [км/ч, м/с ]. Окружная скорость Ur зависит от частоты вращения пропеллера ω и положения сечения по радиусу лопасти Чем дальше элемент лопасти находится от центра вращения воздушного винта, тем больше окружная скорость Ur. Вектор скорости Ur лежит в плоскости вращения и совпадает с направлением вращения лопасти. Поступательная скорость V– это скорость самолета. Вектор скорости V 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: . В действительности картина получается сложнее. Так как винт засасывает воздух и отбрасывает назад, ему сообщается дополнительная скорость ∆V , которую называют скоростью подсасывания. В результате истинная скорость W' и угол атаки будут отличаться от своих теоретических значений. 6. Найти шаг H сечения лопасти r = 90мм, при угле установки в 45º H=2Пr*tga =6.28*0.09*1=0.5652 м 7.Изгибающие силы лопасти Изгибающая сила, возникающая вследствие вращения пропеллера, изгибает лопасть в сторону, противоположную вращению (рис.17А.1.22) (природа этих сил: сопротивление воздуха, инерционные силы при разгоне пропеллера). 8. Геометрические характеристики лопасти. Лопасти при вращении создают такие же аэродинамические силы, что и крыло самолета. На аэродинамику винта влияют его геометрические характеристики. Параметры, характеризующие размеры и форму винтов, определяются: диаметром винта, числом и формой лопастей.Перечислим основные геометрические характеристики: Диаметр винта D- это диаметр окружности, описываемой концами лопастей при вращении винта (Рисунок4.3). На тяжелых самолетах диаметр винта может достигать 5 – 6 м. Число лопастей. В зависимости от передаваемой мощности число лопастей винта может быть от 2 до 4. При большем числе лопастей эффективность винта снижается вследствие вредной интерференции между лопастями. При числе лопастей более 4-х лопасти придается особая форма. Форма лопасти в плане: наиболее распространенная – симметричная и саблевидная (Рисунок 4.2) Профиль лопасти. Сечения рабочей части лопасти имеют крыльевые профили. Профиль лопасти характеризуется хордой, относительной толщиной и относительной кривизной. Для большей прочности применяют лопасти с переменной толщиной – с постепенным утолщением к корню. Хорды сечений лежат не в одной плоскости, так как лопасть выполнена закрученной. Ребро лопасти, рассекающее воздух, называется передней кромкой, а заднее – задней кромкой. Плоскость, перпендикулярная оси вращения винта, называется плоскостью вращения винта (Рисунок 4.2). Геометрический шаг винта - это расстояние, которое движущийся поступательно винт должен пройти за один свой полный оборот, если бы он двигался в воздухе как в твердой среде. Шаг винта находится по формуле: H =2 π r tgφ. 9.Рассчитать тягу Р винта с КПД = 80%, при мощности двигателя 0,8 л.с. Ответ:P=75*80*0.8/1=4800 10. Вибрация и резонанс При работе пропеллера, когда он создает тягу, присутствуют аэродинамические и центробежные силы, которые, из-за несимметричности их приложения к оси вращения, вызывают вибрации (колебания) лопасти. Если это не учтено при разработке (проектировании) пропеллера, то эти вибрации могут привести к чрезмерному изгибу и нагартовке (наклепу) материала в отдельных местах. Что, в свою очередь, может привести к разрушению лопасти в полете. На концах лопастей могут возникать сверхзвуковые зоны обтекания, в которых могут возникнуть сверхзвуковые удары и вибрации. Механические вибрации вызываются также пульсациями мощности в поршневых двигателях из-за последовательности срабатывания цилиндров. Эти вибрации, как полагают, являются более разрушительными, чем аэродинамические вибрации. Пульсации мощности вызывают вибрации лопастей пропеллера, формируя постоянные волны, которые вызывают явления усталости материала лопастей и приводят к отказам пропеллеров (рис. 17А.1.33 23 ). Местоположение накопление повреждений и число циклов напряжения изменяются с изменением частоты вращения. Но самое критическое место концентрации напряжений находится приблизительно в 150 мм ( ) от конца лопасти. При анализе причин возникновения вибрации силовой установки необходимо определить возможные ее источники, учитывая в первую очередь то, что частота вибрации пропорциональна частоте вращения. 11. Деревянные лопасти Для изготовления моноблочных пропеллеров чаще всего используются твердые породы дерева: ясень, дуб, бук, вяз клен, береза, лиственница, ель. Названные породы дерева гигроскопичны, поэтому сыреют и коробятся Менее гигроскопичной является древесина смолистых пород дерева, например сосна, которая также широко применяется для изготовления пропеллеров. Хотя следует отметить, что хвойные породы дерена менее долговечны. Деревянный пропеллер имеет преимущество благодаря малому весу. Дерево пригодно для изготовления пропеллеров любого размера. Недостатками дерева являются легкая поломка, склонность к деформациям (изгибам) и гигроскопичность. Кроме того, легкость деревянного пропеллера может быть проблемой 4-х тактного поршневого двигателя, которому для обеспечения равномерной (безударной) работы предпочтительнее более тяжелый пропеллер в качестве маховика, или включение в конструкцию двигателя специального устройства – маховика. Для предохранения от абразивного износа передняя кромка лопасти защищается металлической оковкой. Наиболее подходящим материалом для нее является латунь, нержавеющая сталь или титановый сплав.Особой заботой у деревянных лопастей является обеспечение прочности тонкой концевой части лопасти.Деревянные пропеллеры легче и менее подвержены вибрациям, но намного сложнее при ручном изготовлении, особенно из тонких профилей и не могут легко дублироваться.При изготовлении многолопастных пропеллеров находит применение дельта- древесина (измельченная до размера мелких опилок и скрепленная эпоксидной смолой). Материал очень твердый и используется у комля лопасти для соединения лопасти с резьбовым стаканом.Деревянные лопасти обладают недостаточной твердостью, быстро изнашиваются до шероховатости поверхности, получают многочисленные механические повреждения в виде забоин от попадания твердых предметов, сыреют и коробятся, поэтому требуют сложной защиты кромок и рабочих поверхностей.Деревянные лопасти сильно деформируются во время работы пропеллера, при этом их форма может измениться настолько, что значительно изменяются их аэродинамические характеристики.Для мощных двигателей деревянные пропеллеры применяются сравнительно редко, так как не удовлетворяют требованиям прочности.В настоящее время деревянные пропеллеры применяют на СЛА, мотодельтапланах и легких самолетах. 12. Найти относительную поступь винтадиаметром D = 150мм, при n s 25’000 оборотах в минуту со скоростью 220 км/ч. Ответ: λ=220/416*0.150=220/62,4=3,5 13. Центробежные силы лопасти При работе пропеллера на его лопасти действуют аэродинамические и центробежные силы, которые стремятся развернуть лопасть вокруг ее продольной оси. Эти силы являются физическим результатом функционирования лопасти как устройства, преобразующего крутящий момент двигателя в тягу. Устранить эти силы невозможно. Но можно повлиять на их величину изменяя геометрические и весовые характеристики лопасти. Лопасть материальна и обладает некоторой массой, поэтому при ее вращении в составе пропеллера возникает центробежная сила. Эта сила вызывает самое большое напряжение растяжения лопасти. Центробежная сила лучше всего может быть представлена как сила, стремящаяся вытащить лопасть из втулки или разорвать ее. Центробежные силы играют большую роль в работе винтов изменяемого шага, поэтому требуют к себе более пристального внима ния. Если разложить векторы центробежных сил для других таких же частей элемента,расположенных между передней и задней кромками на том же сечении лопасти, то получим эпюру поперечных составляющих центробежных сил. 14. Металлические лопасти Постоянно ведется поиск новых решений, что выражается в многообразии материалов, используемых для изготовления лопастей пропеллеров. Но весь комплекс материалов можно объединить в три группы: - дерево; -металл; -композитные материалы (сложные, неоднородные материалы). Композиты - это сочетание материалов с различными свойствами. Как нам известно,изначально воздушные винты изготавливались из дерева.Но, увеличение скорости полета и мощности двигателей в процессе развития авиации потребовало перехода на более прочные металлические лопасти. Производились опыты по конструированию полых и сплошных стальных лопастей. Сплошные лопасти оказались чрезмерно тяжелыми, а полые - подверженными колебаниям и вибрациям. Наиболее приемлемыми оказались двух-, трех- и четырехлопастные пропеллеры со сплошными дюралюминиевыми лопастями, Для изготовления лопастей широко используется алюминиевый сплав Д1. Металлические пропеллеры вследствие меньшей толщины лопастей, по сравнению с деревянными, дают лучший КПД, в особенности при больших окружных скоростях конца лопасти. Например, применение алюминиевых лопастей даст повышение КПД на 2-3%, а при больших окружных скоростях - на 15%. Алюминиевые лопасти более долговечны, чем деревянные. Они не гигроскопичны, но подвержены коррозии под атмосферным воздействием, из-за чего требуют тщательного ухода в эксплуатации. Но они так же, как и деревянные подвержены вмятинам и царапинам, которые могут явиться очагами возникновения усталостных трещин. Может показаться, что металл является прекрасным материалом, но он склонен к усталости и остаточным деформациям, не возвращаясь к исходному состоянию, Но, несмотря на это, металлические лопасти нашли широкое применение. Они достаточно удобны при техническом обслуживании, так как позволяют устранять ряд дефектов (забоины, изгиб) в условиях эксплуатационного предприятия, но тем не менее требуют тщательного контроля возникновения усталостных трещин. Литые пропеллеры не могут выдерживать большие нагрузки, что делает их ненадежными и опасными. Моноблочные металлические пропеллеры практически не применяются из-за их дороговизны. Находят применение двухлопастные пропеллеры фиксированного шага благодаря универсализации лопастей.Достаточно широкое распространение получили алюминиевые цельные лопасти, но они получаются достаточно тяжелыми, дорогими в производстве. В настоящее время они вытесняются композитными лопастями. |