Моделист-Конструктор №9 1977г.

Общественное КБ «М-К»

                                         ВАШ ЛУЧШИЙ ВИНТ

К сожалению, опыт изготовле­ния воздушных винтов на люби­тельских конструкциях за редким исключением не заслуживает повторения. И пожалуй, основная причина неудач в несогласован­ности параметров воздушного винта с характеристиками двига­теля. Чаще всего самодеятель­ные конструкторы создают слиш­ком «тяжелые» в аэродинамиче­ском отношении винты, в резуль­тате чего двигатель не развива­ет полной мощности и тяга ока­зывается недостаточной.

Предлагаемый метод опреде­ления геометрических парамет­ров воздушных винтов позволя­ет максимально упростить задачу подбора их размеров, обеспе­чивающих при сравнительно вы­соком КПД возможность наибо­лее полно использовать мощ­ность двигателя.

При проектировании воздуш­ных винтов следует иметь в виду, что тяга винта при правильно вы­бранных Шаге и сечениях лопасти зависит от его диаметра и мощности на его валу (см. рис. 1).

Максимально допустимый диа­метр определяется по рисунку 2. Он ограничивается, кроме кон­структивных соображений (с уве­личением диаметра увеличивают­ся габариты машины), главным образом окружной скоростью конца лопасти: для винтов с де­ревянными лопастями — кривая А, для металлических — кри­вая Б.

Превышение окружной ско­рости сверх рекомендуемой вы­зывает волновое сопротивление из-за сжимаемости воздуха, рез­ко снижающее КПД винта и су­щественно уменьшающее запас прочности вследствие возраста­ющих центробежных сил.

По рисунку 2 для выбранного диаметра винта можно опреде­лить максимально допустимую частоту его вращения. Например, если двигатель развивает макси­мальную мощность при 4500 об/мин, то необходимо или выбрать диаметр воздушного винта 1 м, или, если тяга винта с D=1 м недостаточна, установить винт большего диаметра и пони­жающий редуктор. При установ­ке редуктора следует учитывать его коэффициент полезного дей­ствия: мощность, подводимая к винту, уменьшается на величину потерь в передаче. Значения же КПД таковы: шестеренчатая од­ноступенчатая передача с прямо­зубыми шестернями (цилиндри­ческими) равна 0,99; с прямозу­быми коническими шестерня­ми — 0,98. Следует заметить, что КПД шестеренчатой передачи па­дает при снижении точности ее изготовления и сборки, доходя до 0,94 и даже до 0,9.

КПД клиноременной переда­чи — в пределах 0,95—0,97; цепной — 0,94—0,98. Если КПД передачи с учетом трения в под­шипниках равняется 0,9—0,8, то тяга составит (соответственно) 0,94—0,86 от тяги, определенной по рисунку 1. С увеличением скорости движения машины тя­говое усилие воздушного винта падает. В зависимости от диаметра тяга по скорости изменяется различно.

На рисунке 3 показано изменение тяги по скорости воз­душных винтов с фиксированным шагом № 1 с D=1 м и № 2 с D=2м, при постоянной мощности 17,5 л. с. На графике видны пре­имущества по тяге воздушного винта с D=2 м, вплоть до скоро­сти 83 км/ч, а при КПД передачи 0,8 — до скорости 72 км/ч. На скорости больше указанной преимущество имеет винт с D=1 м. При встречном ветре 10 м/с (36 км/ч) преимущество винта с D=2м сохраняется до скоро­сти движения, меньшей на вели­чину скорости ветра, то есть до 36 км/ч.

Рассмотренный пример дает наглядное представление о взаи­мозависимости диаметра винта, поступательной скорости транс­портного средства (при постоянной мощности) и развиваемой  им тяги. Для воздушных винтов аэросаней и глиссеров, имеющих небольшие скорости движения расчет рекомендуется производить для условий работы винта на месте, то есть для V = 0.

Следующим этапом при проектировании является определение ширины лопастей, их числа, профиля сечения лопасти и угла её  установки (шага). Указанные параметры должны быть увязаны с выбранным диаметром, частотой вращения винта и мощностью на его валу. На практике редко встречается необходимость применять сложные по аэродинамической компоновке винты — с большой воздушной нагрузкой на сечения лопасти, то есть сечения с большой криизной и щелевые сечения. Подавляющее большинство винтов, оптимальных для заданных требований, будут иметь узкие лопасти  и «стандартные» крыльевые профили.

По приведённому графику (рис. 4) можно определить геометрические параметры винта, согласующиеся с характеристиками двигателя. В зависимости от диаметра винта и мощности на его валу определяется частота вращения, соответствующая выбранной относительной ширине лопасти В (в процентах от радиуса винта),  на этом же графике находится и шаг винта, отнесенный к его диаметру H/D (относительный шаг), оптимальный для выбранной ширины лопасти.

Можно задаться частотой вращения, мощностью, диаметром и определить относительную ширину лопасти и соответствующий ей шаг. Первым способом определяем параметры винта №2 вторым — параметры винта №1

Пример. Определить геометрические размеры винтов при следующих исходных данных: мощность на валу винта 17,5 л. частота вращения вала двигателя 4500 об/мин, диаметр винта №1 — 1 м, винта №2 — 2 м. По рисунку 4 определяем: для D=1 м В= 12,5% (62,5 мм); h = 0,45(H=0,45 м); для D=2м В = 10% (100 мм); h=0,40 (Н=0,8 м). Для винта № 2 взята минимальная допустимая шири­на — 10%.

Зная шаг винта, определяем углы установки сечений лопасти. Для этой цели находим величину, в 2,5 раза   меньшую   шага винта:

D=1м: H/2п=450/6,28=72мм

D=2м: H/2п=800/6,28=127мм

Из схемы, приведенной на рисунке 5, видно построение углов установки сечений лопасти.

Для винта № 2 по допустимой окружной скорости определена максимальная частота вращения, равная 2250 об/мин, которая со­ответствует минимальному пере­даточному отношению. Но при этой частоте ширина лопасти по­лучается около 4%. Из условий прочности ширину лопасти ме­нее 10% применять нельзя. Тог­да по графику (рис. 4) опреде­ляем для D=2 м В = 10% и 17,5л. с., частоту вращения вала винта 1530 об/мин. Передаточное отношение понижающей переда­чи при этом должно быть:

4500: 1520 = 2,95.

На рисунке 6 приведены гео­метрические размеры лопасти двухлопастного винта в процен­тах от радиуса при ширине ло­пасти 16,5%. Для нашего приме­ра ширина лопасти равна 12,5% и 10%. Следовательно, все раз­меры сечений будут составлять:

12,5/16,5=0,758 для винта № 1

и 10/16,5=0,606 для винта № 2

от размеров на чертеже.

В случае, если по графику (рис. 4) определена ширина ло­пасти более 16,5%, то можно или пропорционально увеличить все размеры двухлопастного вин­та до необходимой величины, или увеличить число лопастей так, чтобы суммарная ширина их, от­несенная к диаметру, равнялась найденной относительной ши­рине.

На рисунке 7 приведена харак­теристика двигателя «ИЖ-«Плане-та-3» и его дроссельная характе­ристика с одним из рассмотрен­ных винтов. При установке на этот двигатель двухлопастного винта без редуктора с 01,2 м, шагом 0,48 м и шириной лопасти В = 100 мм (пунктирная кривая) двигатель мог бы развить только 2900 об/мин и мощное ь 12л. с. Тяга винта при этом составила бы 40 кг вместо 54 кг винта № 1, правильно подобранного к двига­телю. Тщательное определение ширины лопасти и углов установ­ки сечений позволит использовать полную мощность двигателя и по­лучить тягу, близкую к макси­мально возможной.

Ю. ВОРОБЬЕВ,

Г. МАХОТКИН,

инженеры