Воздушные винты

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.

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?

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.

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.

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 м3 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 Fс.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.

Воздушные винты

Воздушные винты

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:

Воздушные винты

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.

К недостаткам винта надо ещё отнести то, что в разреженных слоях атмосферы он отбрасывает меньше воздуха, чем у земли. Это ведёт к падению тяги. Поэтому для полётов на больших высотах винт непригоден.

Говоря о недостатках винтов на больших скоростях полёта, не следует думать, что воздушные винты отжили свой век. В авиации малых и средних скоростей (до 750 км/час) они вне конкуренции, так как на этих скоростях работа винтомоторной установки отличается большой экономичностью.

Смотрите также