Въздушен винт

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Направо към: навигация, търсене
Четиримоторен самолет амфибия
Транспортен съд на въздушна възглавница

Въздушният винт, наричан още въздушно витло е основен двигателен агрегат за транспортни средства, движещи се в резултат на взаимодействието с въздушната среда. Популярни наименования са и широко разпространеното и използвано от неспециалисти название перка и чуждицата пропелер. Привежда се в движение от двигател и посредством винта се преобразува въртящия момент на двигателя в тяга. Въздушният винт е използван още в зората на създаване на моторното задвижване в летателните апарати, но намира приложение и в транспортните средства движещи се по земната и водната повърхност. Такива са аерошейни, аероглисери, съдове на въздушна възглавница и др. Въздушният винт до края на Втората световна война е основен двигателен елемент на самолетите, докато развитието на реактивната авиация променя начина за задвижване на летателните апарати. Новите конструкции турбовитлови двигатели отново налагат въздушния винт от ново поколение в тежките товарни самолети. В хеликоптерите, независимо от подмяната на двигателите (от бутални двигатели с вътрешно горене към газотурбинни), въздушният винт остава основния носещ винт, както за създаване на подемна сила, така и за придвижване в различни посоки.

Ветрогенератори край Калиакра
Аерошейна Татра в технически музей на Татра, Чехска република
Витломоторно задвижване на дирижабъл

Въздушни винтове с много добри аеродинамични качества се произвеждат като силови агрегати във ветрогенераторите, превръщайки кинетичната енергия на въздушните маси в механична енергия за производство на електрическа енергия.

Аналог на въздушният винт е гребният винт, двигателен елемент работещ във водна среда и използван за движение на транспортни средства по вода.

Теория[редактиране | edit source]

Същността на действието на въздушния винт е, че при въртенето му в резултат на характерния му профил, даден обем въздух се изтласква в направление противоположно на движението на транспортното средство. Въртенето на лопатите на винта създава зона на повишено налягане зад винта и зона на понижено налягане пред него. От това и като се отчете, че профилът на винта е плоско-изпъкнал, подобно профила на крилата на самолет, то в резултат на въртенето се създава подемна сила насочена в посоката на движение.

Теорията на въздушния винт и експериментирането с нови видове, брой на лопати и управление на ъгъла на атака и други, занимава повече от 100 години учените по аеродинамика. Теорията продължава да се развива особено с напредъка в областта на аеродинамиката, теоретичната механика, нови конструкционни материали и науката за съпротивление на материалите. Основните трудности при разработката и използването на въздушните винтове за постигане по-високи скорости са ограничения наложени от аеродинамически и от технически характер.

Изисквания[редактиране | edit source]

Към въздушния винт се предявяват следните изисквания:

-аеродинамични - като двигателен агрегат да създава възможно по-голяма тяга при разчетните експлоатационни условия за транспортното средство и най-ефективно използване на характеристиките на двигателя.
-технологически - да бъде прост за изработване, контрол, експлоатация и ремонт.
-якостни - да притежава достатъчно якост и коравина при експлоатация. Да не се деформира или да променя геометричните си параметри при натоварване и вибрации, с което да се променят аеродинамичните му характеристики.[1]

Видове въздушни винтове[редактиране | edit source]

Airbus A400M Grizzly
Стратегически ракетоносец Ту-95МС (б.н. 23) на авиабазd Eнгелс
Лек любителски автожир
  • Класификация по начина на създаване на тягата:
- теглещ въздушен винт — когато винтът е поставен по посоката на движение в предната част на фюзелажа или атакуващия ръб на крилата;
- тласкащ въздушен винт — когато е поставен в средата или края на фюзелажа или изходящия ръб на крилата в посока обратна на движението на транспортното средство.
  • Класификация по брой на лопатите:
-еднолопатен;
-двулопатен;
-трилопатен;
-четирилопатен;
-многолопатен.
  • Класификация по вида на управление на стъпката (ъгъла на атака) на въздушните винтове:
-с фиксирана стъпка — наричан още еднорежимен винт;
-с променлива стъпка регулируема преди полет;
-с променлива стъпка и реверс — винт управляем по време на полет.
  • Класификация по вида на използвания материал:
-дървени винтове изработени по технология от многослоен дървен материал. Евтина конструкция, обикновено с фиксирана стъпка. Понастоящем се използват в леки и свърхлеки конструкции самолети, матоделтаплани, мотопланери, аерошейни и други транспортни средства движещи се по земна и водна повърхност.
-метални — поставят се на скоростни, леки или тежкотонажни самолети с различно предназначение. Изработват се в различен брой на лопатите и са с механизъм за промяна стъпката и реверса по време на експлоатация.
-композитни материали — намалено тегло, висока якост, износоустойчивост и компактни механизми за управление на стъпката и реверса. Изработват се както за класически въздушни винтове, така и за новите модели понякога наричани пропфан

Технически и аеродинамични характеристики[редактиране | edit source]

Аеродинамичната характеристика на въздушните винтове е обвързана с общите изисквания и характеристика на задвижваното транспортно средство. Въздушният винт се изчислява и се произвежда конкретно и в зависимост от предварително зададените изисквания и параметри на цялото транспортно средство. Показатели характеризиращи работата на винта са:[1]

Основни геометрични характеристики[редактиране | edit source]

Диаметър на винта и форма на лопатите
  • Диаметър на винта D (m);
  • Радиус на винта R = D/2 (m);
Геометрична стъпка на въздушния винт
  • Геометрична стъпка на винта - разстоянието, което изминава винтът за един оборот, ако се движи във въздуха като в твърда среда H (m) ;
  • Дебелина на профила на лопатата c;
  • ъгъл на поставяне на сечение на лопатата φ = arctg(H/2πr);
  • Широчина на лопатата B;
  • Профил на лопатите на винта. Обикновено се използват крилни профили, като се предпочита плоско-изпъкналият профил;
  • Форма на лопатата в план. Има голямо значение за якостта на витлото. [1]

Кинематични характеристики[редактиране | edit source]

  • Мощност на двигателя - N (W);
  • Tяга (теглителна сила) на винта - P (N);
  • Честота на въртене на винта - n (tr/s);
  • Ъглова скорост - ω (rad/s);
  • Периферна скорост на лопатата - U = ωR (m/s);
  • Скорост на движение за винта - V (m/s);
  • Разчетна скорост на движение на винта. Приема се това да е нормалната експлоатационна скорост на движение на транспортното средство. При самолетите например това е крейсерската скорост;
  • Най-висока скороподемност.

Аеродинамични характеристики[редактиране | edit source]

  • Коефициент на тягата - α = P/(ρ.n2.D4);
  • Коефициент на мощността - β = N/(ρ.n3.D5);
  • Относителна стъпка - λ = V/(n.D);
  • КПД - η = (α/β)λ.

Особености[редактиране | edit source]

Въздушният винт с фиксирана стъпка се нарича еднорежимен, защото конструктивно е заложен режима за получаване на максимален коефициент на полезно действие (КПД) и позволява на двигателя да развие пълната си мощност. Изчислението на конструкцията е направена за точно определена разчетна скорост (Vр) и при полет на точно определена височина (Hр). Във всички останали режими работи по-неефективно. Така са обвързани въздушния винт и летателния апарат — ако самолетът трябва да развива максимална скорост, то аеродинамичните показатели на винта и неговата разчетна скорост трябва да съвпадат с тази на самолета. Когато винтът трябва да обезпечава най-добра характеристика при излитане, той се конструира така, че разчетната му скорост да е близка до нулата. Точно в този режим винтът ще развива най-голяма статична тяга. Такива аеродинамични характеристики са характерни и се залагат при изработката на въздушни винтове за глисери, аерошейни, мотоделтаплани, ултралеки самолети. [2]

Ремъчен редуктор за системата двигател-въздушен винт

Избор на диаметъра на въздушния винт[редактиране | edit source]

Диаметърът на витлото определя диаметъра на окръжността описван от краищата на въздушния винт. Изборът на диаметъра се определя от много фактори:

  • зависи от скоростта на движение на летателния апарат;
  • зависи от мощността на двигателя и може да се увеличава с увеличаването на мощността;
  • зависи от якостта на материала и тя се явява ограничаващ фактор. Причината е развиването на високи скорости на краищата на винта, при което центробежните сили може да доведат до разрушаването му;
  • високата скорост на краищата на винта, надвишаващи скоростта на звука, водят до значителен шум и намалена ефективност. Възможни са завихряния, липсата на устойчивост и генерирането на неконтролирани вибрации.
  • диаметърът се ограничава от просвета на самолета, т.е. от височината на колесника, разположението на двигателите, както и от избраната аеродинамична схема на разположението на крилата.

Тягата на въздушния винт пада с увеличаването на скоростта на летателния апарат и то в тясна зависимост от диаметъра. Колкото е по-голям диаметърът и са по-ниски оборотите на винта, толкова е по-малка тягата при по-висока скорост. Статичната тяга е по-голяма на винт с по-голям диаметър, отколкото на винт с по-малък диаметър. Противоречието - скорост — тяга — диаметър на винта, е причината скоростните самолети да ползват високооборотен винт и с по-малък диаметър.

Бавноходните самолети използват бавнооборотни винтове с по-голям диаметър. Това налага в конструкцията на двигателите за тези самолети, да се постави понижаващ редуктор. За мощните двигатели редукторите обикновено са със зъбни колела. При леките самолети и наземните транспортни средства се използват редуктори от по-евтините ремъчни предавки с трапецовидни ремъци или оразмерените за предаване на съответната мощност широки клиновидни ремъци.

Модерно развитие[редактиране | edit source]

Пропфан на Airbus A400M в Paris Air Show 2009
Антонов Ан-70

На авиационното изложение „Бурже 85“ в Париж са изложени модели на нов вид въздушен вид — турбовитловентилаторни, разработени и представени от специализирани фирми производителки. Новата конструкция със структурата и профила на лопатите трябва да намери приложение в тежкотонажните самолети, като съчетае икономичността на турбовитловите самолети и скоростта на реактивната авиация. Новите, с особена форма многолопатни въздушни винтове, са наричани саблевидни или пропфан (витловентилатор). Концепцията за това на „Дженерал Илектрик“, наречена УДФ (според източници на английски език UHB — ultra high bypass — ултра висок байпас), по едно споразумение с „Дъглас“ и „Боинг“ ще се експериментира с поставяне на двигатели с този нов тип тяга. НАСА финансира проект на лидера за производство на витла „Хамилтон Стандарт“ и на „Алисън“ за изследване на класическия тип пропфан. На изложението е предложено и конструктивно решение на такъв „саблевиден“ вид витло от съветските самолетостроители. Показаният винт е сдвоен с диаметър 4,2 m и 16 тесни лопати (по 8 на пласт). Изработен е от високоякостни композитни материали с компактен механизъм за промяна стъпката и реверса. За самолетен двигател с мощност 10 000 hp (от категорията на Антей) при скорост М = 0,7, (където М е Число на Мах) и при 960 tr/min, винтът постига много висок КПД = 0,9. [3]

Понастоящем въздушни винтове от типа на пропфан се използват в тежките транспортни самолети. Използването на такъв вид „саблевиден“ (на английски: scimitar) въздушен винт позволява на съвременните самолети да летят с над 700 km/h. Примери за успешното прилагане на този нов вид тяга са Антонов Ан-70 и др.

Недостатъци[редактиране | edit source]

Въздушният винт създава високо ниво на шум при експлоатация. Витломоторната група не може да покрие изискванията според нормите на ICAO.

Източници[редактиране | edit source]

  1. а б в Диманчев, н.с.инж. Георги, Тема 8. Избор на витло, сп. Криле, бр. 4, 1986, с. 72
  2. Кондратьев, инж. В., Движитель-воздушный винт, сп. Моделист конструктор, бр. 12, 1988, с.3-6
  3. Чамурлийски, инж. Николай, Парадът на "Руслан", сп. Криле, бр.11, 1985
Portal:Въздушен винт
Уикипедия разполага с
Портал:Авиация