полете самолет все время преодолевает сопротивление воздуха. Эту работу выполняет его силовая установка, состоящая либо из поршневого двигателя внутреннего сгорания и воздушного винта, либо из реактивного двигателя. Мы кратко расскажем только о воздушном винте.
С воздушным винтом каждый из нас знаком с детства.
В деревнях ребята часто устанавливают на воротах двухлопастную ветрянку, которая при ветре вращается так быстро, что лопасти ее сливаются в сплошной круг. Ветрянка и есть простейший винт. Если насадить такой винт на ось, сильно закрутить между ладонями и выпустить, то он с жужжанием полетит вверх.
В пределах измеренного диапазона - вогнутый граф многочлена второй ступени. Студенты измеряют сложную лабораторную роль - сочетание механики и электричества. Измеренные результаты снова эвристичны, поскольку эти зависимости не учат в физике гимназий. Студенты ищут математическое описание измеренных результатов.
Тема, как обычно на моторной лодке, не самая простая. Чтобы попытаться изучить его, нам нужно знать несколько основных параметров и ответить на некоторые вопросы, связанные с нашими предпочтениями в отношении использования устройства. Таким образом, в более простых терминах, в каких диапазонах вращения наш двигатель работает оптимально и в каком диапазоне оборотов он достигает максимальной мощности. Нам нужно знать, какой размер винт будет вписываться в наш концентратор. Этот размер задается в дюймах.
Воздушный винт самолета насаживается на вал двигателя. При вращении винта лопасти набегают на воздух под некоторым углом атаки и отбрасывают его назад, благодаря чему, как бы отталкиваясь от воздуха, стремятся двигаться вперед. Таким образом, при вращении воздушный винт развивает аэродинамическую силу, направленную вдоль оси винта. Эта сила тянет самолет вперед и поэтому называется силой тяги.
Если максимальный диаметр составляет 14 дюймов, известно, что мы не предполагаем ничего выше этих 14 дюймов, и желательно, чтобы диаметр был немного меньше максимального, поскольку мы минимизируем возможность кавитации с вышеуказанными подвесными двигателями.
Мы должны знать, какой дно у нашей лодки. Было бы хорошо узнать средний вес нашей лодки в сухих условиях и запланированную максимальную нагрузку. Пример многопролетного высокопроизводительного винта Для «нормальных» моторных лодок и стандартных условий - довольно бесполезный. В зависимости от ваших потребностей и целей мы используем алюминиевые, стальные, латунные винты или более продвинутые сплавы и отливки.
Воздушный винт может иметь две, три или четыре лопасти. Профиль (сечение) лопасти подобен профилю крыла.
В работе по созданию силы тяги большую роль играют шаг воздушного винта и угол установки лопасти к плоскости вращения.
Шагом воздушного винта называют расстояние, которое винт должен был бы пройти за один свой полный оборот, если бы он ввинчивался в воздух, как болт в гайку. В действительности же при полете самолета воздушный винт из-за малой плотности воздуха продвигается на несколько меньшее расстояние.
Мы выбираем винт - такой алюминий или сталь?
Невозможно ответить на этот вопрос однозначно. Как и все продукты и один и другой материал, он имеет свои преимущества и недостатки. Алюминиевые болты дешевле купить, дешевле в эксплуатации, проще и проще обслуживать, встречаются в большем количестве типов, прыжках, размерах и типах. Легче и дешевле экспериментировать с поиском оптимального винта для наших нужд. Часто, по цене 2-3 алюминиевых болта, мы можем купить стальной болт. Конечно, стальной винт - это более высокая цена для покупки, а также более высокая эффективность, достигнутая во время работы.
Шаг воздушного винта получается тем больше, чем больше угол установки лопасти к плоскости вращения (рис. 17, а).
Таким образом, винт с большим углом установки лопастей быстрее «шагает», чем винт с малым углом установки (подобно тому как болт с крупной резьбой быстрее ввинчивается в гайку, чем болт с мелкой резьбой). Следовательно, винт с большим шагом нужен для большой скорости полета, а с малым шагом - для малой скорости.
Проще говоря, стальные болты бывают быстрее, они также имеют большую емкость для потяжки, по сравнению с тем же размером - размером с алюминиевые винты. Стальной винт также важен для некоторых визуальных свойств - эстетических. Теперь вы спросите, стоит ли платить за стальной винт? Ответ - трудно сказать, это индивидуальный вопрос для каждой моторной лодки.
Мы выбираем размер - размер нашего оптимального винта
Если мы уже знаем, чего мы ожидаем от нашей лодки, мы можем начать поиск оптимального размера. Как правило, производитель, уже находящийся на этапе продажи автомобилей, принимает размер так называемого средний. Теперь пришло время для испытания: сбросьте водную лодку и приступите к измерениям: - в каком диапазоне поворотов лодка входит в слайд, какова скорость крейсерской скорости, какие максимальные обороты двигателя и какая максимальная скорость мы получаем. Теперь пришло время сделать выводы из результатов теста.
Работа лопастей воздушного винта подобна работе крыла. Но движение винта сложнее. В отличие от крыла лопасти винта в полете не только движутся вперед, но еще и вращаются при этом. Эти движения складываются, и поэтому лопасти винта движутся в полете по некоторой винтовой линии (рис. 17, б). Посмотрим, как возникает сила тяги воздушного винта.
Выводы показывают, что даже если мы уменьшаем или увеличиваем нагрузку, двигатель должен работать в пределах, рекомендованных производителем. В случае сомнений достаточно загрузить лодку еще 2-3 пассажирами и проверить, работают ли наши теоретические расчеты с практическими. К сожалению, в этом случае вы должны предпринять меры предосторожности. Все зависит от того, насколько велики отклонения. Важно, при какой нагрузке и при каких условиях получается это «поворот» поворотов. Если вы плаваете с пустым баком, без пассажиров или соло, на супер плоской воде, с супер-обрезанным двигателем, основанным только на кавитационной плите - у него все еще нет большой проблемы.
Для этого выделим на каждой лопасти маленький элемент, ограниченный двумя сечениями (рис. 17, а). Его можно считать за маленькое крыло, которое в полете движется по винтовой линии, набегая на воздух под некоторым углом атаки. Следовательно, элемент лопасти, подобно крылу самолета, создаст аэродинамическую силу Р. Эту силу мы можем разложить на две силы - параллельно оси винта и перпендикулярно к ней. Сила,
Мы не будем открывать Америку, если запишем доктрину
Хуже, когда оборот оборота уже находится на стадии среднего веса лодки, то есть с топливом, оборудованием и пассажирами. Двигатель или увеличить сопротивление на валу 🙂 Просто наденьте винт большего размера, чем текущий. Ну, но сколько увеличить размер, дать больший зрачок или, может быть, поэкспериментировать с шагом винта. Ответ прост - самые большие результаты не увеличат диаметр, а просто увеличат высоту тона. Точного рецепта нет, потому что это зависит от многих факторов, но мы можем посоветовать примерно.
Направленная вперед, и будет силой тяги элемента лопасти, вторая же, маленькая сила, направленная против вращения винта, будет тормозящей силой.
Элементарные силы тяги обеих лопастей в сумме дадут силу тяги Т всего винта, как бы прилаженную к его оси. Тормозящие силы преодолевает двигатель.
Сила тяги винта очень сильно зависит от скорости полета. С увеличением скорости она уменьшается. Почему это происходит и какое имеет значение для полета?
Чаще всего это не так, если испытания не проводятся на винтах одного производителя. Мы действуем точно в соответствии с правила здесь, только в другом направлении, то есть, уменьшая шаг болта, помня, что один дюйм на ходу составляет 200 об / мин на валу. Другой вопрос, на который нельзя ответить в одном предложении. Опять же, вам нужно подумать о том, какой параметр мы хотим быть, будь то скорость или легкость скольжения, или стабильность и более низкое потребление во время длительных полетов. Если нашим основным приоритетом является максимальная скорость, мы советуем вам придерживаться 3-точечного болта, если он будет болван и эффективно плавает на больших расстояниях, потянув игрушки с водой или воздушные игрушки, мы бы посоветовали вам подумать о четырехлопастном пятиточечном винте.
Когда самолет стоит на земле и силовая установка работает, то лопасти винта имеют только одну скорость - окружную (рис. 17, а). Значит, воздух набегает на лопасть по направлению стрелки В, показанной в плоскости вращения винта. Угол между этой стрелкой и хордой профиля лопасти будет, очевидно, углом атаки. Как видим, при неподвижном воздухе он равен углу установки лопасти к плоскости вращения. Иначе получается в полете, когда, кроме вращательного движения, винт движется еще и вперед (вместе с самолетом).
Многолопастные гребные винты имеют большую эффективность с одинаковыми параметрами. У них меньше проскальзываний, что делает их более эффективными. Четырехполосная скорость будет протекать быстрее с той же частотой вращения двигателя, потребляя меньше топлива, необходимого для покрытия того же расстояния на трехлопастном винте. На 4 лезвиях лодка вступает в слайд быстрее и эффективнее, что приводит к более высокому выходу корпуса из воды. Но все это будет работать только с правильно подобранным пропеллером.
Мы должны соответствовать описанным выше условиям относительно выбора болта двигателя. Скорости, полученные отдельными типами подводных лодок как в поверхностном, так и в подводном положении, были разными и зависели от многих факторов. То же самое можно сказать и об эффективности движителя болта - короче говоря, можно сказать, что наиболее неблагоприятным явлением является кавитация винта, который, как технический вопрос, сегодня также не является небольшой проблемой для конструкторов и конструкторов этого типа двигателей.
В полете эти движения складываются, и в результате лопасть движется по винтовой линии (рис. 17, б). Поэтому воздух набегает на лопасть по направлению стрелки В1, и угол между ней и хордой профиля будет углом атаки. Вы видите, что угол атаки стал меньше угла установки. И чем больше будет скорость полета, тем меньше станут углы атаки лопастей, а поэтому тем меньше станет и сила тяги (при неизменном числе оборотов винта).
Чтобы попытаться объяснить это, вам нужно объяснить несколько слов о геометрии и работе винта. Болт, обращенный в направлении движения судна, является стороной всасывания, а противоположная сторона - стороной давления. Край заслонки винта направлен на его вращение. передняя кромка, а противоположная - задняя кромка. Точка, наиболее удаленная от оси болта на ее пластине, определяется концом плоскости - эта точка определяется шагом болта. На основе этих компонентов определяются безразмерные коэффициенты, представленные на графиках, определяемых гидродинамическими характеристиками.
Этот недостаток в особенности присущ простому винту, у которого угол установки лопастей, а тем самым и шаг винта, нельзя изменять в полете (простой винт имеет и другие недостатки). Гораздо более совершенен винт изменяемого шага (рис. 18). Такой винт благодаря особому устройству втулки без участия летчика изменяет свой шаг. Когда летчик уменьшает скорость полета, шаг винта тотчас же уменьшается, когда же летчик увеличивает скорость, винт увеличивает шаг.
Кроме того, следует учитывать тот факт, что винт перемещается в слое воды, направление которого соответствует направлению движения судна и которое уже имеет определенную скорость. При проектировании болта определяются три этапа. Определение привода с соответствующей мощностью и числом оборотов, этот этап предопределяет геометрические размеры болта, правильный выбор размеров винта в зависимости от максимальной тяги и наивысшей эффективности, определение характеристик движения судна, т.е. участки тяги пропеллера, крутящего момента и мощности на болте для заданных оборотов скорость. Вышеприведенное показывает, сколько факторов, зависящих друг от друга, влияют на правильную и оптимальную работу винта.
Мы уже рассказали, как, используя законы аэродинамики, можно создать крыло, способное поднять самолёт в воздух и поддерживать его во время полёта.
Но крыло, как и фюзеляж, хвостовое оперение, шасси и другие части самолёта, испытывает лобовое сопротивление воздуха. Чтобы самолёт мог совершать полёт, необходимо, чтобы какая-то сила тянула его вперёд, преодолевая лобовое сопротивление.
Чтобы определить коэффициент потока и гидродинамические характеристики конструкции винта, проводятся типовые испытания, в то время как важно сохранять геометрическое сходство модели и винта, а также сходство потока воды с моделью и винта. Эти испытания проводятся в качестве испытаний моделей на свободных колесах или в качестве самоходных военно-морских моделей. Испытания самих винтов выполняются в кавитационных или гидродинамических туннелях, где нет свободной поверхности воды (винт полностью погружен в проточную воду), и в них можно регулировать атмосферное давление.
Какая же сила может тянуть самолёт вперёд? Ведь самолёт нельзя тянуть на верёвочке, как змей.
На самолёте есть двигатель. Но двигатель сам не может тянуть самолёт. Полезная работа двигателя идёт на то, чтобы сообщить валу энергию вращения. Когда подобный двигатель установлен на автомобиле, то энергия вращения вала передаётся колёсам. Колёса, отталкиваясь от земли, двигают автомобиль вперёд. А как же быть в воздухе?
Они должны воспроизводить реальные условия работы болта. В случае судовых гребных винтов важной проблемой во время его эксплуатации является проблема кавитации корабля-пропеллера - этот термин используется для определения явления кипения жидкостей, происходящих на поверхности твердого тела при постоянной температуре, вызванных уменьшением давления. Что касается пропеллера, это явление создается, когда повышенное давление воды создается на пластине давления, а давление воды уменьшается на стороне всасывания аэродинамического профиля и становится равным критическому давлению выделения газа, которое считается равным давлению пара насыщенная вода.
Оказывается, можно сделать так, что аэродинамическая сила, сила воздействия воздуха на движущееся в нём тело, будет не только оказывать вредное сопротивление, но и тянуть самолёт вперёд. Для создания силы тяги в воздухе служат воздушные винты . Они применяются на самолётах, дирижаблях, аэросанях, глиссерах. До появления реактивных самолётов воздушный винт был единственным средством для сообщения самолёту тяги. Двигатели, установленные на автомобиле, пароходе, тракторе, винтовом самолёте, аэросанях, сами по себе ещё не могут создать тяги.
С этого момента между поверхностью всасывающего клапана и водой создается пространство, заполненное водяным паром - смесь водяных капель и пузырьков газа. Кавитация является крайне неблагоприятным и вредным явлением, изменяя поток вокруг фланцев винтов, уменьшая силу давления и, следовательно, эффективность и вызывая механическую эрозию.
Этот блок был оснащен биплан-винтом диаметром 760 мм, и, несмотря на высокую мощность турбины и высокую скорость, он получил небольшую скорость из-за возникновения явления кавитации. Парсонс, пытаясь решить эту проблему, провел первое модельное исследование болта, включающего кавитацию, - после того, как он получил образец, Парсонс пришел к выводу, что условия проектирования могут быть выполнены при условии, что статическое давление было уменьшено, и это невозможно было получить в традиционных пулах моделей.
Для того чтобы создать тягу, эти двигатели нуждаются в промежуточных посредниках, которые в результате отталкивания от внешней среды — земли, воды или воздуха, развивают силу тяги, направленную вперёд. Такими посредниками, через которые передаётся работа двигателя, у автомобиля являются ведущие задние колёса, у корабля — водяной винт, у трактора—гусеницы, а у винтомоторного самолёта — воздушный винт. Этих посредников принято называть движителями. Однако есть замечательный двигатель — реактивный двигатель. Он не нуждается в движителе. В нём давление газов, без всяких промежуточных механизмов, толкает камеру реактивного двигателя, заставляя её перемещаться вперёд в любой среде и даже в безвоздушном пространстве. Реактивный двигатель — это, как говорят, двигатель прямой реакции.
Решением этой проблемы была конструкция Парсонса герметично закрытого циркуляционного канала диаметром 150 мм, установка там винтовой модели и снижение давления внутри канала с помощью вакуумного насоса. Дальнейшие испытания проводились с увеличением давления водяного пара, насыщенного нагреванием воды в канале, что позволило уменьшить количество кавитаций.
В результате этих испытаний Парсонс увеличил количество пропеллеров и уменьшил их диаметр, достигнув в то время рекордной скорости «турбины», равной 34 узлам. Немцы смоделировали свой туннель не на прототипе Парсонса, но совершенно по-другому подумали - этот туннель был смоделирован по конструкции ветровых туннелей. Поскольку ветровые туннели в то время были намного больше, чем водные туннели, принятие такого предположения позволило использовать огромный опыт, приобретенный при проектировании этих устройств.
При полёте самолёта с поршневым двигателем реактивное действие осуществляется не непосредственно, а через движитель — воздушный винт, вращаемый двигателем. Воздушный винт при своей работе засасывает воздух спереди и отбрасывает его назад, в сторону, обратную полёту. Воздух, который отбрасывается винтом, создаёт силу реакции, толкающую лопасти винта, а с ними и весь самолёт вперёд. При этом, чем большую массу воздуха в единицу времени отбрасывает винт, тем большую силу тяги получают его лопасти. Здесь уместна аналогия с гребцом: чем большую массу воды в единицу времени отбрасывает вёслами гребец, тем большей получается сила, толкающая лодку вперёд. Для создания требуемой тяги лопасти современного винта мощного мотора должны отбрасывать в секунду более 200 м 3 воздуха. При этом отбрасывании воздуха лопасти винта испытывают давление, направленное вперёд, т. е. силу тяги. Чтобы при заданном диаметре винта и числе его оборотов увеличить количество отбрасываемого воздуха и скорость воздуха, винты делают с 3 и 4 лопастями. Лопасти винта укреплены во втулке под некоторым углом к плоскости вращения винта. Этот угол называется углом установки лопасти и может меняться. От этого угла зависит шаг винта. Шагом воздушного винта называется расстояние, на которое продвинулся бы винт за один оборот, двигаясь в воздухе, как в жёсткой гайке.
Основоположником теории воздушных винтов является проф. Н. Е. Жуковский. Лопасть винта в поперечном сечении имеет вид профиля крыла самолёта. Работа лопасти винта имеет много общего с работой крыла, но имеет и свои отличия. Так же, как и крыло самолёта, лопасть винта при своём движении атакует воздух под некоторым углом атаки а. В результате обтекания профиля лопасти на ней возникает полная
аэродинамическая сила R. Эту силу по правилу параллелограмма можно разложить на силу тяги F, действующую по направлению полёта, и на силу сопротивления вращению F с.в. , которая преодолевается двигателем (рис. 51).
Говоря об угле атаки лопасти а, надо сказать, что угол атаки есть угол между хордой лопасти и направлением геометрической суммы скоростей v. Дело в том, что в отличие от крыла самолёта, лопасть винта совершает не одно, а два движения. Она вращается и движется вперёд. На лопасть набегает как бы два потока: поток в плоскости вращения, от того что винт вращается, и поток, направленный перпендикулярно к плоскости вращения винта, оттого, что винт движется поступательно со скоростью полёта вместе с самолётом. Скорости этих потоков являются векторными величинами. Если сложить эти два вектора по правилу параллелограмма, то получим величину и направление геометрической суммы скоростей потока.
Во втулке винта лопасти поворачиваются и их можно установить под различными углами к плоскости вращения.
Рассмотрим простейший винт в виде двух повёрнутых плоских лопастей с постоянным углом установки, т. е. без закрутки (рис. 52). Повернём лопасти во втулке так, чтобы они встали перпендикулярно к плоскости вращения, т. е. дадим угол установки 90°. Такой винт очень трудно вращать и полезной работы от такого винта нельзя получить, так как тяги он развивать не будет.
Он будет работать как мешалка в тесте или мулинетка для испытания двигателя. Принято говорить, что чем труднее вращать винт, тем он тяжелее. Самым тяжелым винтом будет винт с углом установки лопасти 90°.
Возьмём другой крайний случай. Повернём лопасти во втулке так, чтобы угол установки стал равен нулю, т. е. поставим их в плоскости вращения винта. Лопасти легко будут рассекать воздух, встречая весьма малое сопротивление. Такой винт будет называться самым лёгким. Он также не даёт полезной работы, так как его тяга равна нулю. Если же мы поставим лопасти под наклоном к плоскости вращения, т. е. дадим угол установки лопасти, например, 30°, то в этом положении лопасти винта будут совершать полезную работу, возникает тяга. Таким образом, меняя углы установки или шаг винта, лётчик может на винте с изменяемым шагом, в зависимости от условий полёта, регулировать тягу винта, затяжеляя или облегчая винт.
До скорости полёта 750 км/час воздушные винты работают хорошо, переводя приблизительно 80—83% мощности двигателя в работу продвижения самолёта. При скорости полёта больше 750 км/час к. п. д. винта падает. Это видно из следующего. Из механики вращательного движения известно, что линейная скорость точки увеличивается с увеличением расстояния её от оси вращения. Поэтому сечения лопасти, лежащие ближе к её концу, имеют наибольшую скорость. Например, при работе на месте винта, диаметром 3 м, при скорости 2 300 об/мин линейная скорость конца лопасти будет:
т. е. больше скорости звука.
Это при работе винта на месте. В полёте же самолёта винт, помимо вращательного движения, имеет ещё поступательное движение. Это означает, что если самолёт летит, например, со скоростью v = 750 км/час, то и все сечения лопасти будут перемещаться с такой же поступательной скоростью. Если линейную скорость конца лопасти геометрически сложить с поступательной, то мы получим скорость конца лопасти, равную примерно 1500 км/час, т. е. в 1,2 раза больше скорости звука. А мы уже знаем (см. ч. I, § 5), что влекут за собой подобные скорости. При таких скоростях на передней части лопасти возникнет скачок уплотнения,—сопротивление воздуха резко возрастёт и для его преодоления к лопастям винта потребуется подводить большую добавочную мощность двигателя, при этом к.п.д. винта сильно падает. И если бы самолёты стали штурмовать большие скорости полёта с винтомоторной установкой, то из этого ничего не вышло бы, так как мощность винтомоторной установки, а с ней и вес самолёта стали бы непомерно большими.