Методические пособия

Движитель - воздушный винт

Движитель - воздушный винт

        Трудно представить себе движитель более универсальный, чем воздушный винт. Он годится чуть ли не для любого транспортного средства: глиссера и аэросаней, самолета и мотодельтаплана, аэрохода и экранолета.
        Однако далеко не все энтузиасты-самодельщики четко представляют себе, как правильно рассчитать параметры воздушного винта. Действуя методом проб и ошибок, они подчас теряют много 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 технической комиссии слетов СЛА, инженеру-авиаконструктору В. П. Кондратьеву разработать упрощенную методику расчета воздушных винтов.
        Расчет и подбор воздушного винта к двигателю, а также к конкретным самолету, глиссеру или аэросаням - сложная и тонкая задача. Теорией 1 воздушного винта занимались и продолжают заниматься известные ученые-аэродинамики, и для тех, кто хочет углубленно изучить методику расчета винтов, можно рекомендовать известные книги, посвященные этому вопросу.
        Правда, существующие теории мало пригодны для практического использования и к тому же базируются на сложном математическом аппарате. Ну а для конструкторов-любителей более простой и доступной является методика, основанная на статистическом обобщении данных лучших воздушных винтов.
        Сразу же отметим, что речь пойдет в дальнейшем лишь о моноблочных деревянных винтах фиксированного шага. Такие винты просты, надежны и наиболее доступны для изготовления в любительских ycловиях. Следует сказать, что во многих странах мира применение самодельных металлических - 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 изменяемого - а тем более изменяемого автоматически - шага.

        Исходными данными для подбора винтов для самодеятельных конструкторов обычно являются мощность двигателя Nдв (л. с.), частота вращения воздушного винта nв (мин -1 ), максимальная скорость движения (полета) Vмакс (км/ч) и расчетная скорость для винта Vp (км/ч).
        Несколько замечаний применительно к расчетной скорости. Воздушный винт фиксированного шага, как известно, является однорежимным. Это означает, что максимальный КПД он обеспечивает только на одной - расчетной - скорости и (для летательного аппарата) только на одной расчетной высоте. Однако мы все же будем полагать, что расчетная высота (в том числе и для любительского самолета) близка к нулю, а расчетная скорость задается самим конструктором.
        Следует помнить, что если аппарат предназначается для достижения максимально возможной скорости, то именно она и будет являться расчетной. Если, например, самолет должен обеспечивать наилучшие взлетные характеристики, то за расчетную условно принимается скорость, близкая к нулевой. При этом винт развивает наибольшую статическую тягу - тягу на месте. Именно так подбираются винты для глиссеров, аэросаней, мотодельтапланов и ультралегких самолетов.
        Есть еще один параметр, который иной раз является определяющим для самолета. При этом расчетной скоростью для винта становится наивыгоднейшая скорость набора высоты. Если винт рассчитан на это - самолет имеет наивысшую скороподъемность. Наивыгоднейшую скорость набора (Vнаб) для самолета можно ориентировочно определить по номограмме, изображенной на рисунке, или подсчитать по следующей эмпирической формуле:

где G взл - взлетный вес, l кр- размах крыла.
        Для пилотажного самолета, развивающего высокую скорость в пикировании, необходим воздушный винт фиксированного шага, который в режиме ветряка не раскручивался бы до, оборотов, превышающих предельно допустимые. В противном случае следует установить пропеллер несколько большего шага.
        Надо сразу же примириться с мыслью, что ни один расчет не позволит сразу и с высокой точностью определить все параметры винта фиксированного шага. По утверждению известного западногерманского специалиста по конструированию винтов Г. Мюль-бауэра, точный расчет таких винтов - дело бесполезное. Возглавляемая им фирма предлагает заказчикам, как правило, несколько винтов, шаг которых, а иногда и диаметр существенно отличаются. Далее заказчик, испытывая самолет, подбирает наилучший движитель. Именно фирма для выпускаемого самолета. Кроме того, летательный аппарат комплектуется, как правило, несколькими винтами: скоростным, скороподъемным, пропеллером для крейсерских полетов на максимальную дальность или другими, в зависимости от требовании заказчика.
        Приблизительно так поступают и инструкторы-любители. Даже самые тщательные расчеты не дают возможности получить идеальный для данного транспортного средства аэродвижитель. Лишь в процессе испытании - заездов или полетов - станет ясно, как видоизменить винт, уменьшить или же увеличить его шаг. Как правило, лишь второй (а то и третий) пропеллер позволяет достичь оптимального результата.
        Методика же, которая здесь предлагается, вполне позволяет создать исходный винт - если можно так выразиться, винт первого приближения. И уже испытания покажут, появятся ли необходимость в следующем, более подходящем для созданного вами транспортного средства.
        Проектирование винта начинайте с определения его диаметра и шага. Для этого воспользуйтесь монограммами на рисунке 1:

Рис. 1. Номограмма для определения диаметра и шага винта.

или же следующими эмпирическими формулами:

где D в ,- диаметр винта (м), Н в - шаг винта (м), N дв - мощность двигателя (л. с.), n в -частота вращения винта (мин -1 ), V макс - максимальная скорость (км/ч).
 

        Если конструктивные особенности вашего транспортного средства не позволяют использовать винт рекомендованного диаметра, следует учитывать, что при уменьшении диаметра на 10... 12%, по сравнению с определенными по номограмме, надо перейти к трехлопастному винту. При занижении диаметра на 15% и более - стоит подумать уже о применении четырех-лопастного пропеллера. При уменьшении диаметра на 20% относительно расчетного придется уже подумать о повышении частоты вращения винта или же изменении компоновки транспортного средства.
        При занижении диаметра винта иногда рекомендуют увеличивать ширину лопастей или же шага. Действительно, это позволяет снимать с двигателя всю мощность, но КПД аэродвижителя при этом неизбежно падает.
        И еще одно замечание. Толкающий винт по сравнению с расчетным должен 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 лопасти (%). Максимальная хорда лопасти в плановой проекцит должна составлять 0,08...0,1 D в .
        Форма лопасти может быть любой. В некоторых работах авторы нередко и вполне обоснованно доказывают преимущества эллиптических, веслообразныx, саблевидных или каких-либо иных законцовок лопастей. Наверное, каждый из них по-своему прав. Однако практика показывает, что в реальных условиях характеристики винта любительского изготовления от формы законцовки практически не зависят.
        После вычерчивания плановой проекции можно переходить к построению профиля лопасти на нескольких радиусах - например, на r=0,8; 0,6; 0,4; 0,2 (r - относительный радиус лопасти).
        Для лопастей винта используются обычно крыльевые профили. Следует, правда учесть, что по ряду причин чаще предпочтение отдается плоско-выпуклым лопастям. Координаты такого профиля с относительной толщиной в 10% приводятся в таблице 1:

 

Координаты профиля Y в каждом сечении рассчитываются по формуле:

где с - максимальная относительная толщина лопасти в сечении, получаемая из графика на рнсунке 2:

Рисунок 2. Номограмма для определения наивыгоднейшей скорости набора высоты (А); сравнение воздушных винтов различных диаметров (Б); графики для определения относительной ширины лопасти и относительной толщины профиля лопасти (В); график для определения массы деревянного винта фиксированного шага (Г).

У современного деревянного винтa она обычно составляет 6...8% на конце лопасти. У комля лопасти профиль обычно выполняется толстым (произвольным), симметричным, переходящим в ступицу винта. V10 - относительные координаты у 10%-го профиля из таблицы 1. V10 и с подставляются в формуле в %. Наконец, a - угол установки профиля в сечении. Он определяется из условия, что шаг винта в любом сечении должен быть постоянным. Это правило вывел когда-то И. Е. Жуковский, испытав знаменитые свои винты "НЕЖ", и до сего времени ему следуют конструкторы винтов, хотя несколько позже Жуковского академик Б. Н. Юрьев доказал, что шаг винта в различных его сечениях вовсе не обязательно должен быть постоянным. Но все-таки, следуя Жуковскому, определим угол установки профиля в каждом из сечений:

При построении сечения лопасти может пригодиться и линейный параметр h c, определяемый из формулы:



        Построив сечения лопасти, совсем уже нетрудно вычертить боковую проекцию заготовки винта. Она также может иметь произвольную форму, но вполне определенную в каждом сечении высоту. Пример такого построения - на рисунке 3.
 

Рис. 3. Построение теоретического чертежа воздушного винта.
При выполнении чертежа надо учесть. что Rз - практический радиус скругления задней кромки, равный 0,8...1.5% местной хорды лопасти: на схеме показан профиль лопасти 10-процентной относительной толщины; координаты этого профиля приведены в таблице 1; координаты профиля  в любом заданном сечении можно определить по формуле:

где с - максимальная относительная толщина лопасти в сечении, получаемая из графика В (рис. 2). Y10 - относительные координаты у 10-процентного профиля из таблицы 1 (Y10 и C подставляются в формулу в процентах), a - угол установки профиля лопасти в сечении;
С - абсолютная толщина лопасти в сечении; Т - высота заготовки.

        Итак, винт вычерчен. Какой же будет его тяга? Ее можно ориентировочно определить по номограмме (рис. 4):
 

Рис. 4. Номограмма для определения статической тяги винта.

Это будет так называемая статическая тяга, или тяга на месте. Когда глиссер, аэросани или самолет построены, правильность прикидки можно проверить экспериментально с помощыо обычного динамометра. Сложнее обстоит дело с определением тяги на какой-лнбо скорости движения: расчет ее затруднен, точность его невысока, a пpовeрить результат практически невозможно. И, наверное, в практике самодеятельных конструкторов это и нс нужно.
        Несколько замечании, которые могут быть полезными при определении параметров винта.
        Как известно, его тяга с ростом скорости падает - тем сильнее, чем больше диаметр пропеллера и ниже частота его вращения. Вмеете с тем статистическая тяга винта большого диаметра гораздо выше, чем у маленького. Примерный характер падения тяги винтов показан на рисунке 2.
        Вывод напрашивается сам собой: скоростному самолету нужен высокооборотный пропеллер малого диаметра тихоходному - малооборотный 6oльшой. Как правило, любительские самолеты не достигают таких скоростей когда становятся выгодными высокооборотные винты. Поэтому при использованни двухтактных двигателей, имеющих высокую частоту вращения коленвала, имеет смысл применять понижающий редуктор.
        Разумной можно представить следующую методику подбора винта к любительскому аппарату. Вначале и соответствии с компоновочной схемой выбирается максимально возможный диаметр винта: здесь принимаются во внимание допустимые зазоры между концами лопастей и конструкцией, потребный клиренс и другие параметры. Затем по номограмме (рис. 1) или по формуле

определяется потребная частота вращения винта. Сравнивая ее с характеристикой двигателя, легко определитьнеобходимую степень редукции оборотов. Редуктор может быть как шестеренчатым, так и клиноременным многоручьевым. Кстати, последние получили сегодня весьма широкое распространение на аэросанях, мотодельтапланах и ультралегких самолетах.
        Упрощенные методики, подобные описанной, широко используются и в нашей стране, и за рубежом. Как показывает практика, они позволяют получить винты, мало уступающие выбранным по аэродинамнческим продувкам или рассчитанным на вычислительных машинах в соответствии с ходящей ныне по рукам "усовершенствованной" и "особо точной" программой. Напомню еще раз, успех в подборе винта фиксированного шага во многом зависит от правильного выбора расчетной скорости.
        Перейдем теперь к конструкции воздушного винта. Как сделать заготовку из деревянного бруска с помощью топора, рубанка, рашпиля и напильников, объяснять, видимо, не придется: конструктору-любителю все это должно 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 и принимает заказы под любые aппараты и двигатели.
        Заготовка такого винта, как это показано на рисунке, получается методом перекленки из брусков сечением 20Х60 мм. Для соединения брусков используются эпоксидные смолы.
        Для изготовления винтов обычно применяются достаточно твердые и тяжелые породы древесины. "Хоффман" же предпочитает легкую сосну. Древесина, по сути, выполняет роль жесткого легкого заполнителя, а прочность достигается последующей оклейкой готового винта двумя слоями стеклоткани на эпоксидном связующем. Чтобы Ступицa не проминалась при затяжке болтов, она имеет достаточно большой диаметр. Конструкция ступицы и установки "фирменного" винта показаны па рисунке 5:
 

Рис. 5. Типовая конструкция воздушного винта фирмы "Хоффман"
1 - стальная опорная шайба, 2 - ступица винта, 3 - проволочная контровна болтов, 4 - болты крепления винта, 5 - латунная сетка, 6 - латунная окантовка, 7 - отверстие для проволочной контровки, 8 - переклейка из сосновых брусков. 9 - стальная резьбовая втулка (запрессована во фланец винта), 10 - фланец, 11 - 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 установки его в определенном положении), 15 - лакокрасочное покрытие и эпоксидная шпаклевка. 16 - припой, 17 - эпоксидное заполнение, 18 - стеклоткань (2 слоя).

        Особенностью ":хоффмановского" винта является окантовка его передней кромки. Обычно передняя кромка оконтовывается латунными пластинами для предотвращения преждевременного выхода винта из строя. Однако если окантовка, как это обычно делается, закрепляется на винте заклепками, ресурс винта оказывается невысоким. На "хоффмановском" же винте окантовка вначале припаивается к металлической сетке, которая затем наклеивается иа лопасть. Ну а стеклотканью лопасть оклеивается уже после установки окантовки. Далее винт шпаклюется, вышкуривается и окрашивается. В результате получается поверхность очень высокого качества. Для подсчета массы таких винтов можно воспользоваться графиком на рисунке 2.
        Итак, винт готов. Он взвешен, отбалансирован, установлен на созданное вами же транспортное средство - будь то летательный аппарат, аэромобиль или же АВП. Но... Двигатель работает, однако частота вращения винта явно недостаточна. Не надо беспокоиться: при исправном моторе это означает лишь, что винт "тяжеловат" для нулевой скорости. Он раскрутится до максимальных оборотов, когда машина наберет расчетную скорость движения. Гораздо хуже, если на максимальном газе мотор стремится выйти на обороты, превышающие допустимые. В этом случае винт придется заменить более "тяжелым", то есть имеющим несколько больший шаг.