Перетворюючий потужність (крутний момент) двигуна в тягу, необхідну для поступального руху літальних апаратів, аеросаней, глісерів, суден на повітряній подушці. Повітряні гвинти бувають тягнуть - встановлюються на літаку та ін попереду двигуна (у напрямку руху) і штовхають - поміщаються позаду двигуна. Гвинти можуть бути одиночними та здвоєними співвісними, коли два гвинти розташовані один над іншим, вал верхнього гвинта проходить через порожній вал нижнього гвинта і обертаються вони в протилежні сторони. За способом кріплення лопатей до втулки розрізняють гвинти: незмінного кроку, лопаті яких виконані разом з втулкою; змінюваного кроку – найпоширеніший тип, лопаті якого у польоті можна повертати у втулці навколо осі деякий кут, званий кроком гвинта; реверсивні, у яких у польоті лопаті можуть бути встановлені під негативним кутом для створення тяги, спрямованої в протилежну від руху сторону (такий лопат використовується, напр., для ефективного гальмування та зменшення довжини пробігу літака при посадці). Особливість флюгерного повітряного гвинта – можливість в польоті встановлювати лопаті повітряним потоком, щоб при зупинці двигуна в польоті не збільшувати лобового опору літака від гвинта. Число лопатей повітряних гвинтів від 2 до 6 у одиночних і до 12 - у співвісних.
Різновидами повітряних гвинтів є несучий гвинті кермовий гвинт, що застосовуються на гелікоптерах, гвинтокрилах, автожирах.
Енциклопедія "Техніка". - М: Росмен. 2006 .
Лопатевий рушій для перетворення крутного моменту двигуна в тягу гвинта. Встановлюється на літаках, гвинтокрилах, аеросанях, апаратах на повітряній подушці, екранопланах і т.д.
Ст ст. поділяються; за способом встановлення лопатей - на гвинти незмінного, фіксованого та змінного кроку (можуть бути флюгерними або флюгерно-реверсивними); за механізмом зміни кроку - з механічним, електричним чи гідравлічним приводом; за схемою роботи – прямою або зворотною схемою; по конструкції - на одиночні, співвісні, дворядні, Ст ст. у кільці.
Ст ст. складається з лопатей ( див.Лопать гвинта), втулки та може також включати зміни кроку гвинта. Ст ст. розрізняються діаметром D (0,5-6,2 м) та числом лопатей k (2-12). Втулка служить для кріплення лопат і передачі крутного моменту від валу двигуна. Механізм зміни кроку забезпечує зміну кута установки лопат у польоті.
1)
У Ст ст. незмінного кроку лопаті не повертаються навколо своїх осей.
2)
Лопаті Ст ст. фіксованого кроку можуть бути встановлені під необхідним кутом перед польотом, але під час роботи вони не повертаються.
3)
У Ст ст. кроку, що змінюється, можна змінювати кут установки лопатей за допомогою системи ручного управління або автоматично за допомогою регулятора частоти обертання. Регулятор підтримує задану частоту обертання двигуна, керуючи кроком за допомогою подачі олії через систему каналів у відповідні порожнини механізму управління Ст ст. із гідравлічним приводом.
4)
У флюгерного Ст ст. лопаті можуть встановлюватися потоком для зменшення аеродинамічного опору при вимушеній зупинці двигуна в польоті ( див.Флюгування гвинта).
5)
Лопаті флюгерно-реверсивного Ст ст. можуть також встановлюватися в таке положення, коли при його обертанні створюється негативна тяга, що використовується на посадці для скорочення довжини пробігу та маневрування на землі ( див.Реверсування гвинта).
Механічні та електричні механізми зміни кроку мають велику інерційність і тому практично не використовуються. Найбільш поширені Ст ст. із гідравлічним приводом.
1)
У Ст ст. з гідравлічним приводом прямої схеми лопаті встановлюються на малий крок з допомогою зусиль, створюваних тиском олії, але в великий крок - відцентровими силами противаг. Такі Ст ст. застосовуються за потужностей двигуна до 2000 кВт.
2)
При потужностях понад 2000 кВт значно зростає маса противаг, тому використовуються Ст ст. зворотної схеми, у яких лопаті встановлюються великий крок з допомогою зусиль, створюваних тиском масла, але в малий крок - відцентровими силами самих лопатей.
- Одиночний гвинт має один ряд лопатей,
- співвісний Ст ст. складається з двох одиночних гвинтів, встановлених на співвісних валах і обертаються в протилежні сторони ( див.Співвісний гвинт),
- Дворядний Ст ст. складається з двох одиночних гвинтів, розташованих один за одним і обертаються в одному напрямку.
- в. в. в кільці має профільоване кільце, завдяки якому створиться доповнить тяга; ефективний на малих швидкостях (до 200 км/год).
Для зменшення аеродинамічного опору і втрат потужності на вході на Ст Ст. встановлюють обтічники (еліптичні, конічні та ін), що закривають втулку та прикомлеві частини лопатей. На Ст ст. можуть розміщуватися протиобледенітельние системи.
До Ст ст. нового покоління відносяться Ст ст. зменшеного діаметра з великою кількістю широких тонких шаблеподібних лопатей, які необґрунтовано називаються гвинтовентиляторами.
У початковий період розвитку авіації Ст ст. виготовлялися головним чином з деревини, а в наступні роки знайшли застосування інші (сталь, титан, алюмінієві сплави, композиційні матеріали та ін.).
Для оцінки якості Ст ст. та зіставлення їх між собою використовуються в основному безрозмірні α та потужність
(β) = N/(ρ)n3D5
(N - , (ρ) - щільність повітря, n - частота обертання гвинта)
та коефіцієнт корисної дії повітряного гвинта
(η) = (αλ)/(β)((λ) = V/nD - відносна, V - швидкість польоту). Характеристики Ст ст. визначають у льотних випробуваннях, з досліджень Ст ст. та їх моделей в аеродинамічних трубах, а також теоретичним шляхом. При розрахунках розрізняють 2 випадки; визначення форми, розмірів та числа лопатей за заданими значеннями (α), (β) та (η) (пряме завдання) та визначення (α), (β), та (η) за відомою геометрією Ст ст. (Зворотне завдання).
Вперше розглядати лопату Ст ст. як запропонував російський інженер С. К. Джевецький в 1892, він же в 1910 висунув гіпотезу плоских перерізів (кожен перетин лопаті розглядається як ). Шляхом розкладання підйомної сили профілю dY і його опору аеродинамічного dX визначають тягу dP і силу dQ опору обертанню елемента лопаті, що розглядається, а повні тягу лопаті і силу опору її обертанню (звідси - потрібну для обертання Ст потужність двигуна) отримують інтегр. В основному сили, що діють на елемент лопаті, визначаються відносною швидкістю W набігаючого потоку і її геометричним кутом атаки
(α)r = (φ)-arctg(V/(ω)r),
(φ) – кут установки елемента лопаті.
В ідеальному випадку швидкість потоку, що набігає
W = (ω) Xr + V,
де (ω) – кутова швидкість лопаті, r – радіус-вектор аналізованого перерізу, V – вектор швидкості польоту. При своєму русі лопата захоплює у себе , надаючи йому додаткову, індуктивну швидкість w. В результаті справжня швидкість Wн. обтікання елемента та істинний ((α)н відрізняються від ідеальних. Обчислення w та (α)н є основним завданням теорії гвинта.
У 1910-1911 рр. X. Сабінін і Б. Н. Юр'єв розвинули теорію Джевецького, включивши до неї, зокрема, деякі положення теорії ідеального пропелера. Розрахунки Ст ст. за отриманими формулами цілком задовільно узгоджувалися з експериментальними результатами. У 1912 Н. Е. запропонував вихрову теорію, що дає точне фізичне уявлення про роботу гвинта, і практично всі розрахунки Ст ст. стали проводитися з урахуванням цієї теорії.
Відповідно до теорії Жуковського, гвинт замінюється системою приєднаних та вільних вихорів. При цьому лопаті заміняться вихорами приєднаними, які переходять в , що йде вздовж осі гвинта, а з задньої кромки лопаті сходять вільні вихори, що утворюють в загальному випадку гвинтову вихрову пелену. При припущенні, що (ω) зв'язок (ω) з циркуляцією швидкості навколо перерізу лопаті. Гіпотеза плоских перерізів при безвідривному обтіканні лопаті була підтверджена експериментально збігом розподілів тиску по перерізах лопаті обертового Ст в. і крил з тими самими профілями перерізів. Виявилося, однак, що обертання впливає поширення зриву потоку по поверхні лопаті і особливо на розрідження в області відриву. Починається на кінці лопаті область відриву потоку подібна до труби, що обертається, розрідження в ній управляється відцентровою силою і на внутрішній частині лопаті набагато більше, ніж на крилі.
При (λ) 1 відмінність істинної (ω) від середньої стає помітною, і розрахунок Ст ст. з істинною (ω) стає аналогічним розрахунку крила кінцевого розмаху ( див.Крила теорія). При розрахунку важко навантажених Ст ст. (з великим ставленням потужності до поверхні, що змітається гвинтом) необхідно враховувати деформацію вихорів.
Внаслідок того, що до окружної швидкості Ст ст. додається поступальна, вплив стисливості повітря позначається насамперед на Ст ст. (Приводить до зменшення коефіцієнта корисної дії). При дозвукових окружній швидкості кінця лопаті, поступальної швидкості літака та дозвукової швидкості W вплив стисливості повітря на (ω) слабкий і позначається лише на обтіці лопаті. У разі ж дозвукової швидкості літальної та надзвукової швидкості W на кінці лопаті (коли необхідний облік стисливості середовища) теорія Ст ст, заснована на схемі приєднаних (несучих) вихорів, стає практично незастосовною, до потрібен перехід до схеми несучої поверхні. Такий перехід необхідний при дозвуковій швидкості кінця лопаті, якщо її ширина досить велика. Отримані в СРСР експериментальним шляхом Ст ст. і поправки, зумовлені стисливістю повітря, широко застосовувалися при виборі діаметрів та числа лопатей Ст ст. і разом із вибором форми лопатей (особливо профілів їх перерізів) дали можливість поліпшити льотні характеристики вітчизняних літаків, зокрема що у Великій Вітчизняній війні.
Протягом першого періоду освоєння великих дозвукових швидкостей основним завданням проектування Ст ст. вважали створення гвинтів великого діаметра (до 6 м) з високим коефіцієнтом корисної дії (повітряний гвинт85%) за максимальної швидкості польоту. Характеристики профілів при великих навколозвукових швидкостях полота вперше були отримані експериментально на гвинтах із так званими дренованими лопатями, причому один із профілів мав властивості надкритичного профілю (1949). Для другого періоду (з 60-х рр.) характерна додаткова вимога – збільшена тяга Ст ст. при зльоті. З цією метою було розроблено лопаті з профілями збільшеної кривизни. Подальший розвиток Ст ст. пов'язують із розробкою гвинтів із великою кількістю широких тонких шаблеподібних лопатей. Зі збільшенням числа і ширини лопатей велике значення набуває обтікання їх комлевих частин, де суттєвий ефект решітки профілів. Засобом зменшення хвильового опору можливо вибір форми кока. Розрахунки та експерименти показують, що на швидкостях польоту, що відповідають Маху числу польоту M У СРСР великий внесок у розробку теорії, методів розрахунку та проектування Ст в. внесли С. Ш. Бас-Дубов, Б. П. Бляхман, В. П. Ветчинкін, К. І. Жданов, Г. М. Заславський, В. В. Келдиш, А. Н. Кишалов, Г. І. Кузьмін , А. М. Лепілкін, Г. І. Майкапар, І. Ст Остославський, Н. Н. Поляков, Д. В. Халезов.
Авіація: Енциклопедія. - М: Велика Російська Енциклопедія. Головний редактор Г.П. Свищев. 1994 .
повітряний гвинт Енциклопедія «Авіація»
повітряний гвинт- Мал. 1. Схеми повітряних гвинтів. повітряний гвинт лопатевий рушій для перетворення крутного моменту двигуна в тягу гвинта. Встановлюється на літаках, гвинтокрилах, аеросанях, апаратах на повітряній подушці, екранопланах і т.д. у … Енциклопедія «Авіація»
повітряний гвинт- Мал. 1. Схеми повітряних гвинтів. повітряний гвинт лопатевий рушій для перетворення крутного моменту двигуна в тягу гвинта. Встановлюється на літаках, гвинтокрилах, аеросанях, апаратах на повітряній подушці, екранопланах і т.д. у … Енциклопедія «Авіація»
повітряний гвинт- Мал. 1. Схеми повітряних гвинтів. повітряний гвинт лопатевий рушій для перетворення крутного моменту двигуна в тягу гвинта. Встановлюється на літаках, гвинтокрилах, аеросанях, апаратах на повітряній подушці, екранопланах і т.д. у … Енциклопедія «Авіація»
ПОВІТРЯНИЙ Гвинт- лопатевий рушій, робочим середовищем якого є повітря. Повітряний Гвинт поширений авіаційний рушій. Судновий Повітряний Гвинт з геометрії лопатей та гідродинамічних характеристик суттєво відрізняються від авіаційних та… Морський енциклопедичний довідник
Пропелер, рушій, в якому радіально розташовані профільовані лопаті, обертаючись, відкидають повітря і тим самим створюють силу тяги. Ст ст. складається з втулки, розташованої на валу двигуна, і лопатей, що мають уздовж розмаху. Велика Радянська Енциклопедія
повітряний гвинт- orasraigtis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. impeller airscrew; propeller vok. Luftschraube, f; Propeller, m; Saugschraube, f rus. повітряний гвинт, m; пропелер, m pranc. aero propulseur, m; hélice aérienne, f; hélice propulsive, f … Fizikos terminų žodynas
Надіжин Микита
Теорія повітряного гвинта: від перших пропелерів до ефективних агрегатів майбутнього.
ПЛАН:
Вступ.
1.1. Повітряний гвинт.
1.2.Технічні вимоги до моделі літака класу F1B.
3.Опис конструкції повітряного гвинта.
1.4. Опис моделі літака.
Висновок.
Список литературы, програмне забезпечення.
Програми.
Вступ
Повітряний гвинт, пропелер, рушій, в якому радіально розташовані профільовані лопаті, обертаючись, відкидають повітря і тим самим створюють силу тяги (Пропелер - студентська багатотиражка в Московському авіаційному інституті). Повітряний гвинт складається з однієї, двох або більше лопатей, з'єднаних один з одним маточкою. Основна частина гвинта - лопаті, оскільки вони створюють тягу.
Ідею повітряного гвинта запропонував в 1475 Леонардо да Вінчі, і застосував його для створення тяги вперше в 1754 В.М. Ломоносів у моделі приладу для метеорологічних досліджень.
М.В. Ломоносів
літаком А.Ф. Можайського використовувалися повітряні гвинти. Брати Райт використовували гвинт, що штовхає.
Ще на початок проектування першого літака, А.Ф. Можайським були виготовлені кілька моделей літака, у яких рушієм був повітряний гвинт, що обертається гумовим джгутом. В Америці брати Райт також спочатку виготовляли моделі літака, і лише потім було спроектовано перший літак.
З початку 20 століття у всьому світі молоді люди почали проектувати та будувати моделі літаків та проводити змагання. У нашій країні перші змагання наказав Н.Є. Жуковський у 1926 році. Авіамодельний спорт став культивуватися Міжнародною авіаційною федерацією FAI, розроблено кодекс FAI, проводяться Всеросійські та міжнародні змагання.
За правилами змагань всі моделі учасників повинні відповідати певним вимогам і, щоб перемогти на змаганнях, треба виготовити модель, що літає найкраще. Для цього необхідно збільшити висоту зльоту моделі, але зробити це складно, оскільки запас енергії на моделі обмежений вагою гумомотора, який перевіряється під час проведення змагань. Залишається тільки збільшувати коефіцієнт використання енергії гуми, а це механізація в польоті повітряного гвинта щодо зміни геометричних характеристик. Крутний момент резиномотора змінний і має нелінійну характеристику. А момент, що крутить, необхідний для приводу повітряного гвинта пропорційний діаметру гвинта в п'ятому ступені. Для реалізації наявного моменту, що крутить, і збільшення ККД повітряного гвинта треба в польоті змінювати діаметр і крок. У існуючих конструкціях змінюють крок гвинта, так як це конструктивно простіше, але це спричиняє збільшення швидкості польоту, а значить і шкідливого опору крила. Виграш виходить невеликий. Збільшення діаметра гвинта з одночасним збільшенням кроку дозволяє використовувати гвинт більш якісно. Виграш виходить більше.
Завдання : проектування механізмів, що дозволяють збільшити ККД, зменшити витрату палива для вироблення різних видів енергії, що призводять до зниження шкідливих викидів в атмосферу.
Тема цієї роботи дуже актуальна розуміння розвитку сучасної техніки. p align="justify"> Робота зі збільшення ККД повітряного гвинта робить можливим надалі проектування більш складних механізмів, спрямованих на збільшення ККД інших виробів, що споживають теплову та електричну енергію і пов'язаних з поліпшенням екології навколишнього простору. У сучасному світі це дуже важливо, оскільки застосування механізмів, що збільшують ККД на машинах, генераторах веде до зменшення витрати палива, а відтак викидів продуктів згоряння в атмосферу та поліпшення стану екології довкілля та здоров'я людини.
Мета цієї роботи : проектування механізму збільшення ККД використання механічної енергії повітряним гвинтом гумомоторної моделі літака.
Значення роботи : На прикладі проектування простого механізму розглядаються питання проектування складніших механізмів, які можна ефективно використати в майбутньому при розробці нової авіаційної техніки.
1. Повітряний гвинт
У спокійному повітрі літак може летіти горизонтально або з набором висоти тільки тоді, коли має двигун. Таким двигуном може бути повітряний гвинт або реактивний двигун. Повітряний гвинт повинен приводитись у обертання механічним двигуном. І в тому і в іншому випадку тяга створюється за рахунок того, що деяка маса повітря або вихлопних газів відкидається в протилежний бік руху.
Рис.4. Схема сил, які діють повітряний гвинт.
При своєму русі лопата повітряного гвинта описує просторі гвинтову лінію. У своєму поперечному перерізі вона має форму крилових профілів. У правильно спроектованому гвинті всі перерізи лопаті зустрічають потік під деяким найвигіднішим кутом. При цьому на лопаті розвивається сила, аналогічна аеродинамічній силі на крилі. Ця сила, будучи розкладеною на дві складові (у площині гвинта та перпендикулярну площині) дають тягу та опір обертанню даного елемента лопаті. Підсумувавши сили, що діють на всі елементи лопатей, отримують тягу, що розвивається гвинтом, і момент, потрібний для обертання гвинта (Малюнок 4). Залежно від величини споживаної потужності застосовуються повітряні гвинти з різним числом лопатей - двох, трьох і чотирьох лопатеві, а також співвісні гвинти, що обертаються в протилежних напрямках для зменшення втрат потужності на закручування струменя повітря, що відкидається. Такі гвинти застосовують літаками Ту-95, Ан-22, Ту-114. На Ту-95 встановлено 4 двигуни НК-12 конструкції Миколи Кузнєцова (Малюнок 5). Кінці лопатей у цих гвинтів обертаються з надзвуковою швидкістю, створюючи сильний шум (Натовська назва літака Ту-95 - Ведмідь, прийнятий на озброєння в 1956 році і ВПС Россі використовують цей літак донині). В авіамодельному спорті для отримання високих результатів на змаганнях використовують однолопастні гвинти. Коефіцієнт гвинта залежить від величини покриття гвинта
(де - число лопатей, - максимальна ширина лопаті), що менше величина покриття гвинта, то вищий ККД гвинта можна отримати. Безмежному зменшенню покриття перешкоджає міцність лопаті. Багатолопатеві гвинти не вигідні, оскільки вони знижують ККД.
Рис.5. Літак ТУ-95 із співвісним гвинтом.
Перші повітряні гвинти мали фіксований у польоті крок, який визначається постійним кутом установки лопатей гвинта. Для збереження досить високого ККД у всьому діапазоні швидкостей польоту і потужностей двигуна, а також для флюгування та зміни вектора тяги при посадці застосовуються гвинти кроку, що змінюється (ВІШ). У таких гвинтах лопаті повертаються у втулці щодо поздовжньої осі механічним, гідравлічним або електричним механізмом.
Для збільшення тяги і ККД при малій поступальній швидкості і великої потужності повітряний гвинт поміщають у профільоване кільце, в якому швидкість струменя в площині обертання більше, ніж у ізольованого гвинта, і кільце саме внаслідок циркуляції швидкості створює додаткову тягу.
Лопаті повітряного гвинта виготовляють із дерева, дюралюмінію. Сталі магнію, композиційні матеріали. При швидкостях польоту 600-800 км/год. ККД повітряного гвинта досягає 0,8-0,9. При високих швидкостях під впливом стисливості повітря ККД падає. Тому повітряний гвинт вигідний на дозвукових швидкостях літака.
Ідею повітряного гвинта запропонував в 1475 Леонардо да Вінчі (Малюнок 1), а застосував його для створення тяги вперше в 1754 М.В. Ломоносів у моделі приладу для метеорологічних досліджень (Малюнок 2). На середину ХІХ століття на пароплавах застосовувалися гребні гвинти, аналогічні повітряному гвинту. У XX столітті повітряні гвинти стали застосовуватись на дирижаблях, літаках, аеросанях, вертольотах, апаратах на повітряній подушці та ін.
Мал. 1. Вертоліт. Ідея, запропонована Леонардо да Вінчі. Модель за ескізом Леонардо да Вінчі.
Рис.2. Модель приладу М.В. Ломоносова для метеорологічних досліджень.
Методи аеродинамічного розрахунку та проектування повітряних гвинтів засновані на теоретичних та експериментальних дослідженнях. У 1892-1910 роках російський інженер-дослідник, винахідник С.К. Джевецький розробив теорію ізольованого елемента лопаті, а 1910-1911 роках російські вчені Б.Н. Юр'єв та Г.Х. Сабінін розвинули цю теорію. У 1912-1915 роках Н.Є. Жуковський створив вихрову теорію, що дає наочне фізичне уявлення про роботу гвинта та інших лопаткових пристроїв та встановлює математичний зв'язок між силами, швидкостями та геометричними параметрами в таких машинах. Надалі розвитку цієї теорії значна роль належить В.П. Ветчинкіну. 1956 року радянським ученим Г.І. Майкопаровим вихрова теорія повітряного гвинта була поширена на гвинт вертольота, що несе.
Н.Є. Жуковський
В даний час для створення великогабаритних магістральних літаків були потрібні рухові установки більшої потужності і дуже економічні. Одним із варіантів таких двигунів стали турбовентиляторні двигуни. Вони мають велику тягу і хорошу економічність. На всіх зарубіжних літаках встановлюються такі двигуни.
Розвиток ідеї Леонардо да Вінчі втілилося у створенні газотурбінних двигунів з осьовим компресором. Лопатки осьового компресора створюють за свого руху підвищення тиску повітря. Кожен ступінь підвищує тиск на певну величину і в кінці стиснене компресором повітря потрапляє в камеру згоряння, де до нього підводиться тепло у вигляді палива, що згорає. Після чого гарячий газ надходить на турбіну, яка може бути і осьовою та радіальною. Турбіна в свою чергу крутить компресор, а гази, що втратили частину енергії, потрапляють у сопло і створюють реактивну тягу.
Лопатки компресора, це частина лопаті повітряного гвинта. Таких лопаток у кожному ступені може бути кілька десятків. Між ступенями знаходиться нерухомий спрямовуючий апарат, який складається з таких же лопаток, тільки встановлених під певним кутом до повітряного закрученого потоку. Закрутка відбувається за рахунок руху лопаток компресора по колу. Кількість щаблів компресора може бути більше ніж 15.
Якщо всю енергію, отриману в результаті палива, що згоріло, спрацьовувати на турбіні, то на валу двигуна вийде надлишок потужності, який можна використовувати для приводу повітряного гвинта. Вийде турбогвинтовий двигун, і тяга створюватиметься повітряним гвинтом. Тяга за рахунок вихлопних газів буде мінімальною.
Наступним етапом розвитку стали двоконтурні двигуни. У цих двигунах частина повітря проходить через компресор (зовні), зазвичай це відбувається після перших двох ступенів компресора. Такий двигун називається турбовентиляторним. Тяга двигуна створюється за рахунок вентилятора (перші два ступені компресора) та реактивного струменя вихлопних газів. В даному випадку вентилятор, а це по суті повітряний гвинт, знаходиться в профільованому корпусі.
Наступний етап розвитку це турбогвинтовентиляторний двигун (НК-93). Чому почали виготовляти такі двигуни? Та тому, що ККД гвинта на дозвукових швидкостях польоту може наближатися до 0.9, а ККД реактивного струменя набагато менше. Турбовинтовентиляторний двигун у майбутньому - найперспективніший двигун для літаків, що літають на дозвукових швидкостях.
Двоконтурний турбореактивний двигун.
1985 року ОКБ імені М.Д. Кузнєцова почалося вивчення концепції гвинтовентиляторного двигуна високого ступеня двоконтурності. Було визначено, що закапотений двигун із співвісними гвинтами забезпечить на 7% більшу тягу, ніж незакопотований ТВВС із одноступеневим вентилятором.
У 1990 КБ приступило до проектування такого двигуна, що отримав позначення НК-93. Він призначався насамперед для літаків ІЛ-96М, Ту-204П, Ту-214, але зацікавленість у новому двигуні виявило і Міністерство оборони (планується встановлення його на військово-транспортному Ту-330).
Літак ІЛ-76 ЛЛ із двигуном НК-93.
Двигун НК-93.
НК-93 виконаний за тривальної схемою з двигуном закопотованого дворядного гвинтовентилятора протилежного обертання СВ-92 через редуктор. Редуктор планетарний із 7 сателітами. Перший ступінь гвинтовентилятора 8-лопатевий, другий (на неї припадає 60% потужності) - 10-лопатевий. Всі лопаті шаблеподібні з кутом стріловидності 300 на перших 5 двигунах виготовляли з магнієвого сплаву. Тепер їх виготовляють із вуглепластику.
Схема двигуна НК-93.
Технічні характеристики нового двигуна у світі аналогів не мають. За параметрами термодинамічного циклу НК-93 близький до двигунів, що нині розробляються за кордоном, але має кращу економічність (на 5%). Літні випробування проводяться літаком ІЛ-76ЛЛ. Родзинкою цієї гвинтомоторної установки є планетарний редуктор та гвинтовентилятор. Кут установки лопат може змінюватися в межах 110 0 при роботі двигуна. Подібний редуктор застосовується в двигунах НК-12 літаком Ту-95 і подібний редуктор використовується в установках перекачування газу на магістральних газопроводах (НК-38). Тож досвід у нас є.
На заняттях в авіамодельній лабораторії Костромського обласного центру дитячої (юнацької) технічної творчості розглядаються питання теорії польоту літаків та літаючих моделей. З метою покращення льотних характеристик гумомоторних моделей, а також покращення результатів виступу на змаганнях було розглянуто роботу гвинтомоторної установки. Розглянувши характеристики резиномотора, енергія якого визначає висоту зльоту моделі, з'ясовано, що момент гуми, що крутить, на валу гвинта має нелінійну характеристику. Максимальний момент, що крутить, перевищує середній момент в 5-6 разів. Крутний момент, необхідний для обертання гвинта, дорівнює
де
Аеродинамічний коефіцієнт
Щільність повітря
Діаметр гвинта
Оберти гвинта в секунду
З теорії відомо, що для того, щоб ККД гвинта був досить високим, необхідно необмежено збільшувати діаметр гвинта. Як відомо, конструктивно цю умову виконати не можна. Але, знаючи це бачимо один із можливих способів збільшення тривалості польоту гумомоторної моделі. Було ухвалено рішення компенсувати зміну крутного моменту зміною діаметра гвинта. Конструктивно змінювати діаметр гвинта на величину, пропорційну зміні моменту, що крутить, досить складно, тому введено ще й зміну кроку гвинта. Вийшов гвинт змінного діаметра і кроку (ВІДШ). У великій авіації зміна діаметра повітряного гвинта не застосовується через складність конструкції і великі швидкості на кінцях лопатей, порівнянних зі швидкістю звуку, що зменшують ККД гвинта.
Можна збільшити ККД повітряного гвинта шляхом зменшення покриття гвинта. Це означає зробити гвинт однолопатевим. Такі гвинти зараз застосовуються на швидкісних кордових моделях. Результати дуже позитивні. Швидкість зростає на 10-15 км/година, але там інші умови роботи. Двигун працює на постійних оборотах та постійної максимальної потужності. На резиномоторних моделях енергія резиномотора змінна і лінійна. При використанні однолопатевого гвинта зі змінним діаметром і кроком виникають складності з противагою лопаті гвинта. Тому прийнято рішення для збільшення ККД повітряного гвинта гумомоторної моделі літака використовувати гвинт дволопатевий зі змінним діаметром і кроком (ВІДШ).
2. Технічні вимоги до моделі літака класуF1 B
На конкурс представлено резиномоторну модель літака за класифікацією ФАІ - F1B, виготовлену Надійним Микитою під керівництвом Смирнова Віктора Борисовича.
З цією моделлю Надій Нікита в 2013 році на Першості Росії з авіаційного моделювання став чемпіоном.
Гумомоторна модель - це модель літального апарату, яка рухається двигуном з гуми; підйомна сила моделі виникає за рахунок аеродинамічних сил, що впливають на несучі поверхні моделі.
Технічні характеристики резиномоторних моделей повинні відповідати вимогам FAI:
площа несучої поверхні - 17-19 дм 2
мінімальна вага моделі без резиномотора - 200 г
максимальна вага змазаного гумомотора – 30 г.
Кожен учасник змагань має право на 7 залікових польотів тривалістю не більше 3 хвилин кожен. Запуск моделі повинен бути здійснений в обмежений час, оголошений заздалегідь. Сума часу всіх залікових польотів кожного учасника використовується остаточного розподілу місць серед учасників.
За час польоту модель може відлітати від місця старту на відстань до 2,5-3 км. Для пошуку моделі на неї встановлюється радіопередавач вагою 4 г з живленням на кілька діб. У учасника змагань є радіоприймач із спрямованою антеною для виявлення моделі.
Зліт моделі здійснюється за рахунок енергії резиномотора, яка обертає повітряний гвинт. Зміна моменту, що крутить, резиномотора при його розкручуванні відбувається нерівномірно і максимальне його значення перевищує середнє значення в 4-5 разів. Тож у початковий момент зльоту моделі повітряний гвинт працює на нерозрахункових режимах, тобто. йде прослизання гвинта у повітряному потоці. Для того щоб аеродинамічно завантажити повітряний гвинт і використовувати енергію резиномотора в повному обсязі, необхідно збільшувати діаметр гвинта і кут установки лопатей гвинта в початковий період зльоту. Це добре показано у книзі А.А.Болонкіна «Теорія польоту літаючих моделей»
3. Опис конструкції повітряного гвинта
Особливістю даної моделі є повітряний гвинт (Додатка №4,5,6), який під час зльоту моделі змінює діаметр та крок. Механізм гвинта при зміні моменту, що крутить, гумомотора дозволяє змінювати діаметр гвинта і кут установки лопатей. Це дозволяє суттєво збільшити ККД гвинта і, отже, висоту зльоту моделі, і відповідно збільшуються тривалість польоту та результат на змаганнях.
Конструкція механізму гвинта представлена на складальному кресленні 10.1000.5200.00 СБ ВІДШ (гвинт змінного діаметра і кроку, Додаток №3) і є корпусом, в якому на 2-х підшипниках обертається вал гвинта зі сталі ЗОХГСА. На валу встановлена маточина гвинта, а також на 2-х підшипниках, далі йде втулка, що має можливість обертатися навколо валу. На втулці встановлені шатуни, на яких підвішено лопаті гвинта, виготовлені з бальзи. Шатуни встановлені на осях, розташованих на радіусі R=11 від осі валу та під кутом до нього приблизно 6 градусів. Втулка і маточина з'єднані між собою пружним елементом (гумове кільце). У маточці є паз, що обмежує переміщення втулки щодо маточини. Це визначає робочі кути повороту втулки та величину висування шатунів. При додатку до валу гвинта крутного моменту щодо лопатей гвинта виникає сила, що провертає втулку щодо маточини, при цьому відбувається висування шатунів з маточини та їх проворот навколо поперечної осі валу за рахунок руху осей шатуна по утворює однопорожнинного гіперболоїда навколо вала. У конструкції передбачено зміну кута нахилу осей шатунів, що дозволяє регулювати діапазон зміни кроку при регулюванні моделі. (У початковому варіанті регулювання меж зміни кроку не передбачалося, креслення 10.0000.5100.00 СБ, Додаток №2). Переміщення шатунів пропорційно крутному моменту, прикладеному до валу гвинта, щодо лопатей. На втулці встановлений стандартний стопор, що стопорить лопаті гвинта в потрібному положенні після розкручування гумомотора. Зміна кроку зі збільшенням діаметра на 25 мм становить 5 0 , що у R лопаті=200мм змінює крок з 670 мм до 815 мм. Для виготовлення деталей використані малогабаритні шарикопідшипники та високоміцні матеріали Д16Т, ЗОХГСА, 65С2ВА, 12х18Н10Т та вуглепластик.
4. Опис моделі літака
Конструкція самої моделі представлена на кресленні 10.0000.5000.00СБ. (Додаток №1,7)
Поздовжній набір крила складається з двох вуглепластикових лонжеронів змінного перерізу, вуглепластикового кесона, передньої та задньої кромок з вуглепластику.
Поперечний набір складається з нервюр, виконаних з бальзи, покритих зверху та знизу вуглепластиковими накладками завтовшки 0,2 мм. На крилі застосовано профіль «Андрюків». Центр тяжкості розташований на 54% САХ.
Весь набір зібраний на епоксидній смолі. Крило обтягнуте синтетичним папером (поліестером) на емаліті. Для зручності транспортування крило має поперечний роз'єм із вузлами кріплення. Стабілізатор та кіль виконані аналогічно крилу.
Фюзеляж складається із двох частин. Передня силова частина виконана з трубки, виготовленої із СВМ (кевлар) та вуглепластикового пілону, в який встановлені програмний механізм (таймер) та передавач для пошуку моделі, спереду та ззаду вклеєні силові шпангоути з алюмінієвого сплаву Д16Т.
Хвостова частина представляє конус і складається з 2-х шарів високоміцної алюмінієвої фольги Д16Т товщиною 0,03 мм, між якими вклеєний шар вуглетканини на епоксидній смолі. На кінці хвостової частини встановлено майданчик для кріплення стабілізатора та механізм перебалансування та посадки моделі.
На моделі використовуються гумомотори з гуми FАI "Super sport", що складаються з 14 кілець перерізом 1/8 //
Застосування в даному класі моделей механізму, що дозволяє одночасно змінювати діаметр і крок гвинта в залежності від крутного моменту гумомотора, дозволило збільшити коефіцієнт корисної дії повітряного гвинта, що виразилося в додаванні висоти зльоту моделі на 10-12 метрів, тривалість польоту збільшилася на 35-40 секунд порівняно з іншими моделями, а також покращилась стабільність польотів. І як наслідок – перемога на змаганнях.
Висновок
Висновок: Принцип перетворення поступального руху на обертальний, закладене в даній конструкції, може використовуватися у випадках, коли не можна використовувати прості важільні механізми.
Практичні рекомендації: Подібний механізм можна використовувати у приводі елеронів крилатої ракети. Поступальний рух тяги всередині крила, вздовж задньої кромки перетворюється на обертальний рух елерона. Використовувати інші механізми досить складно через малу будівельну висоту профілю крила в районі розташування елерону і видалення елерону від корпусу ракети.
Таким чином, на прикладі проектування найпростішого механізму збільшення ККД можна розглянути питання щодо створення більш досконалих механізмів перетворення енергії вуглеводнів у механічну теплову та електричну енергію, що в сучасних умовах дозволить знизити рівень викиду шкідливих речовин в атмосферу та покращить стан екології навколишнього середовища та здоров'я Людини .
Список літератури, програмного забезпечення
1.А.А.Болонкін. Теорія польоту літаючих моделей, вид. ДОСААФ 1962р.
2.Э.П.Смирнов, Як спроектувати і побудувати літаючу модель літака, вид. ДОСААФ 1973р.
3. Шмітц Ф.В. Аеродинаміка малих швидкостей, вид. ДОСААФ 1961р.
4. Проектування виконано у програмі Компас V-11
Додаток 1.
Додаток 2.
Додаток 3.
Повітряний гвинт у кільці
Самодіяльні конструктори аеросанів, аероглісерів, літаків та інших транспортних засобів, що використовують повітряні гвинти, часто вирішують дилему отримання прийнятної тяги при малих габаритах гвинтомоторної установки. Одним із способів підвищення тяги без збільшення діаметра гвинта є збільшення кількості лопатей. Так збільшення кількості лопат з 2-х до 4-х призводить до збільшення тяги гвинта на 70-80%. Але в даному випадку зменшується ККД гвинта, тому потрібен двигун з вдвічі більшою потужністю. Одним із способів збільшення статичної тяги гвинта без підвищення потужності двигуна є застосування кільцевої насадки. При цьому статична тяга збільшується в 12 рази, що рівносильно збільшенню діаметра гвинта на 30%.
Лопаті гвинта, обертаючись, захоплюють повітря і відкидають його у напрямку, протилежному до руху. Перед гвинтом створюється зона зниженого тиску, за гвинтом – підвищеного. Обертання лопатей повітряного гвинта призводить до того, що маси повітря, що відкидаються ним, набувають окружні і радіальні напрямки і на це витрачається частина енергії підведеної до гвинта.
Комплекс повітряний гвинт - напрямна насадка має ряд специфічних переваг, пов'язаних з дією насадки:
1. Циркуляція набігаючого потоку, що виникає навколо профілю насадки, розвантажує гвинт, перекладаючи частину упору комплексу на насадку.
2. При роботі комплексу в косому потоці насадка формує поле швидкостей перед гвинтом, вирівнюючи його практично співвісно гвинту, зберігаючи величину швидкості натікання. В результаті скіс потоку, що натікає, мало впливає на гвинт.
3. Різниця тисків на стороні лопатей гвинта, що нагнітає і засмоктує, без насадки, що зумовлює корисну дію гвинта, зменшується внаслідок перетікання в кінці лопатей (як на крилі літака). Наявність насадки перешкоджає такому перетіканню, практично виключає кінцеві втрати та підвищує таким чином ККД комплексу.
Загалом ККД комплексу може на 20% перевищити ККД гвинта без насадки.
Насадка являє собою кільце, що охоплює гребний гвинт. Перерізу насадки вздовж осі гвинта надається криловий профіль, звернений опуклою поверхнею до гвинта (рис.1).
Завдяки скосу потоку повітря профіль насадки обтікається під деяким кутом атаки. В результаті виникають підйомна сила Cy та сила тяги P . Ефективність насадки залежить від режиму роботи пропульсивного комплексу. Так, при розгоні, коли гвинт створює великий наголос при низькій швидкості літака, скіс потоку на вході насадки досить великий, що призводить до розвантаження лопат. Профільний опір насадки при низькій швидкості невеликий. Однак на високих швидкостях скіс потоку зменшується, а профільний опір різко зростає. Ефективність насадки знижується.
Зазор між кінцем лопаті гвинта та насадкою становить 1-2% радіусу гвинта. При більшому зазорі ККД комплексу відповідає ККД гвинта без насадки. При меншому зазорі складно забезпечити безперешкодне обертання гвинта через вібрації та температурні деформації частин комплексу.
Насадка створює рівномірніше навантаження на двигун. Зменшуючи шкідливий вплив косого потоку на гвинт насадка знижує змінні навантаження на лопаті та вал гвинта, служить своєрідним демпфером при бічних поривах вітру. Насадка служить також захистом гвинта від пошкоджень і убезпечує експлуатацію судна.
Розрахунок насадки досить складний. Так само як і розрахунок повітряного гвинта, він часто не дає практично розрахункових результатів. Тому насадку найпростіше підбирати експериментально.
Нижче наведено параметри чотирилопатевого рушійного комплексу «гвинт у кільці» порівняно з двома та чотирма лопатевими гвинтами без насадок.
|
F (кільце) |
||||||
Гвинти можуть бути тягнуть і штовхати. Гвинти першого типу встановлюються попереду фюзеляжу та крила, гвинти другого типу - у їхній хвостовій частині. З міркувань компонування переважне використання отримали гвинти, що тягнуть. При виборі типу гвинта доводиться враховувати і те, що шматочки льоду, що відлітають, при зледеніння літака можуть пошкодити лопаті гвинта, розташованого за крилом і фюзеляжем.
На двигунах великої потужності вигідно буває встановити два гвинти, що обертаються в різні боки. Такі гвинти називають співвісними.
Застосування співвісних гвинтів дозволяє не тільки спляти велику потужність з валу двигуна, але за рахунок зменшення втрат на закручування повітряного потоку отримати трохи більший к. п. д. порівняно з одиночним гвинтом.
Крім цього, співвісні гвинти, обертаючись у різні боки, майже створюють реактивного моменту, що дуже важливо задля забезпечення поперечного рівноваги літака.
Найбільш простим типом є гвинт фіксованого кроку (ВФШ), у якого втулка та лопаті є органічно цілими. Матеріалом для виготовлення таких гвинтів найчастіше є деревина. Подібні гвинти зараз застосовують тільки на легких літаках. Так як у ВФШ настановний кут у польоті не змінюється, то подібний гвинт буде вигідним лише при польоті на обмеженому діапазоні швидкостей. В інших випадках к. п. д. гвинта невисокий.
Гвинти, у яких кут установки лопат можна змінювати в польоті, називаються гвинтами змінного кроку (ВПШ). Лопаті у таких гвинтів щодо своїх поздовжніх осей автоматично або з волі льотчика можуть повертатися, змінюючи кут установки.
Для зменшення лобового опору при відмові двигуна в польоті застосовують флюгерні гвинти змінного кроку, лопаті яких за допомогою спеціального приводу з волі льотчика встановлюються в положення найменшого опору при гвинті зупиненому. Це досягається при куті установки лопатей 83-85 °.
Широке застосування останніми роками отримали гальмівні чи реверсивні гвинти. Реверсивні гвинти - це ВПШ із пристроями, що дозволяють встановлювати лопаті таким чином, що гвинт при обертанні розвиває негативну тягу. Наявність негативної тяги дозволяє скоротити довжину післяпосадкового пробігу, збільшити кут планування, підвищити маневреність літака під час руху землі.
Зміна кута установки лопат у ВПШ може здійснюватися механічним, гідравлічним та електричним приводами.
Механічним гвинтом називається такий гвинт, у якого поворот лопат на той чи інший кут здійснюється або пілотом, або тими силами, які виникають при роботі гвинта і змінюються при зміні режиму роботи. Іноді такі гвинти називаються аеромеханічними. Вони широко використовуються на легких літаках.
У гідравлічних гвинтів кроку змінюється кут установки лопатей змінюється за допомогою гідравлічного двигуна під дією тиску масла. Тиск створюється насосом, що приводиться у обертання авіаційним двигуном. Для живлення насоса використовується масло, що йде на мастило двигуна (неавтономний гвинт), а також масло, що не входить до системи змащення двигуна (автономний гвинт).
Зміна кута установки лопат може проводитися поршневим або шестерним гідравлічним двигуном. Шестерний двигун може бути один на гвинт або по одному на кожну лопату.
У тому й іншому випадку обертальний рух гідравлічного двигуна за допомогою механічної передачі здійснює поворот лопатей.
Передача від рухомого елемента поршневого двигуна на лопату здійснюється двома способами:
поршень передає рух обоймі - траверсі або повідку, пов'язаному з ексцентрично встановленим пальцем на лопаті або склянці, в якому кріпиться лопата (рис. 114). Іноді поршень зі склянкою лопаті пов'язані з допомогою шатунів;
поршень, рухаючись поступально, пересуває палець, встановлений у гвинтовому вирізі обойми. Палець, рухаючись вирізом в обоймі, повертає її. Цей рух передається лопатям через конічну зубчасту передачу.
Гідравлічні гвинти можуть бути виконані за зворотною, прямою та подвійною схемами.
Гвинтом зворотної схеми називається гвинт, у якого лопаті повертаються на малий крок під дією моменту поперечних складових відцентрових сил лопатей Мцб, а великий крок - під дією моменту М хутро, створюваного гідравлічним механізмом (рис. 114, а). При припиненні подачі олії чи порушенні герметичності системи лопаті гвинта повертаються на мінімальний крок під впливом зазначених відцентрових сил. Як наслідок цього, в польоті відбудеться розкрутка двигуна, тобто число обертів різко підвищиться понад максимально допустимого. Пілот Повинен буде вимкнути двигун, щоб уникнути його руйнування.
Гвинтом прямої схеми називається гвинт, у якого лопаті повертаються на малий крок під дією моменту М хутро, створюваного гідравлічним механізмом, а на великий крок - під дією різниці моментів відцентрових сил противаг М пр відцентрових сил лопат М цб (рис. 114, б). При припиненні подачі олії лопаті такого гвинта встановлюються на максимальний (робочий) крок. Для гвинтів прямої схеми розкручування безпечне.
Вага таких гвинтів більша за вагу гвинтів зворотної схеми, але перевагою його є можливість отримання деякої потужності (до 70% максимальної) при припиненні подачі олії до гвинта.
Гвинтом подвійної схеми називають такий гвинт, лопаті якого малий крок встановлюють під впливом моменту М хутро створюваного гідравлічним механізмом, і відцентрових сил лопатей М цб, але в великий крок - лише з допомогою гідравлічного механізму (рис. 114, в).
Для попередження повороту лопатей гвинта подвійної схеми на малий крок при відмові системи подачі олії передбачено механізм, який називається фіксатором кроку. У разі припинення подачі олії фіксатор кроку замикає олію в порожнині великого кроку циліндрової групи гвинта, фіксуючи лопаті на тому кроці, на якому була лопата в момент аварії. Фіксатор кроку може бути встановлений і на гвинті зворотної схеми, але при двоканальному підведенні масла до гвинта.
Електричні гвинти змінного кроку.Лопаті цих гвинтів повертаються на потрібний кут за допомогою електродвигунів. На одному гвинті може бути встановлений один або кілька електродвигун (за кількістю лопатей); в останньому випадку для синхронізації повороту лопаті механічно пов'язують. У деяких гвинтів електродвигун встановлений на авіаційному двигуні і рух лопатям передається за допомогою диференціальної зубчастої передачі. Електродвигуни вибираються завжди реверсивні, тому що лопаті повинні повертатися в обидві сторони. Живлення електричним струмом двигуни отримують від загальної мережі літака. Електродвигуни, що приводять в дію лопаті гвинта, забезпечують кінцевими вимикачами, які відключають двигуни в момент, коли лопаті повернуться на граничний малий або великий крок.
Використовувана література: "Основи авіації" Автори: Г.А. Нікітін, Є.А. Баканів
Завантажити реферат: У вас немає доступу до завантаження файлів з нашого сервера.
До того як були розроблені реактивні двигуни, на всіх літаках стояли пропелери, тобто повітряні гвинти, які рухаються двигунами внутрішнього згоряння на зразок автомобільних.
Усі лопаті повітряного гвинта мають у поперечному перерізі форму, що нагадує перетин крила літака. При обертанні пропелера повітряний потік обтікає передню поверхню кожної лопаті швидше за задню. І виходить, що перед повітряним гвинтом тиск менший, ніж за ним. Так з'являється сила тяги, спрямовану вперед. А величина цієї сили тим більша, чим вища швидкість обертання повітряного гвинта.
(На зображенні зверху) Повітряний потік рухається швидше по передній поверхні лопаті пропелера, що обертається. Це зменшує тиск повітря спереду та змушує літак рухатися вперед.
Гвинтовий літак злітає у повітря завдяки силі тяги, що створюється при обертанні лопат повітряного гвинта.
Кінці обертових лопатей пропелера описують у повітрі спіраль. Кількість повітря, яке жене через себе пропелер, залежить від розміру лопатей та швидкості обертання. Додаткові лопаті та потужніші двигуни можуть збільшити корисну роботу повітряного гвинта.
Чому лопаті у повітряного гвинта мають закручену форму
Якби ці лопаті були плоскими, повітря рівномірно розподілялося б по їх поверхні, викликаючи лише опір обертанню гвинта. Але коли лопаті викривлені, то повітряний потік, що стикається з їх поверхнею, у кожній точці на поверхні лопаті набуває свого напрямку. Така форма лопаті дозволяє їй більш ефективно розсікати повітря та зберігати найвигідніше співвідношення між силою тяги та опором повітря.
Повітряні гвинти зі змінним кутом нахилу. Кут, під яким лопата встановлена у втулці несучого гвинта, називається кутом початкового конуса. На деяких літаках цей кут можна змінювати і таким чином робити максимально корисною роботу гвинта за різних польотних умов, тобто при зльоті, наборі висоти або крейсерському польоті.
