Створення тяги повітряним гвинтом

КЗ Зіньківська станція юних техніків

Самоосвітня робота на тему:

“Створення тяги повітряним гвинтом,,

Автор Тоцький Вячеслав Петрович



Багато легенд, міфів, казок, в яких відображена споконвічна мрія людини про оволодіння повітряним простором береже культурна спадщина багатьох народів світу. Не стали винятком і українці. Так, наприклад, зі старовинних літописів, щоденників та записів ми взнаємо про талановитих винахідників- самоучок, вихідців з народу, які намагалися злетіти, використовуючи зроблені ними крила.

Перші роботи по створенню аеропланів, як тоді називали літаки, відносяться до ХІХ століття.

На сьогодні літак - найпоширеніший літальний апарат важчий за повітря. Тому й стає зрозумілим прагнення тисяч і тисяч хлопчаків запустити свою власну модель літака у безмежний повітряний простір.

Однією з тем занять гуртка авіамоделізму при побудові кордових моделей літаків є тема «Як створюється тяга повітряним гвинтом». Дана тема розрахована на одне заняття.

Ïï мета: познайомити гуртківців з основними характеристиками використовуваних гвинтів, їхньою роботою та видами.

Основними завданнями проведення заняття по даній темі є надання гуртківцям основних понять про гвинти різних видів, вивчення їх можливостей.

Призначення повітряного гвинта

Призначення повітряного гвинта створення тяги, яка необхідна для поступального руху літака. Часто повітряний гвинт називають рушієм, так як завдяки йому літак рухається.

Різноманітні характеристики гвинта

Повітряний гвинт складається із лопастей та ступиці і кріпиться на носик колінчатого валу двигуна або на валу редуктора з допомогою втулки. Випукл сторона лопасті називається спинкою, а протилежна робочою сторонов Діаметр кола, який описується краєм лопасті, є діаметром гвинта, а площа цього кола диском гвинта. Радіусом будь-якого перерізу повітряного гвинта називають відстань від цього перерізу до вісі обертання гвинта (Додаток 1).

Перерізи лопастей гвинта мають таку ж форму, як і профілі крил. Ширина лопасті в кожному перерізі називається хордою. Кут між хордою лопасті та площиною обертання гвинта має назву кута встановлення.

До числа характеристик, які корисно знати, відносять також шаг гвинта, під яким розуміється відстань, яку проходить гвинт за один повний оберт, при умові, що він рухався б не у повітрі, а вкручувався у тверду нарізку. Але в дійсності повітряний гвинт проходить дещо менший шлях, враховуючи менший опір повітря, і цей шлях називається поступом гвинта. Поступ гвинта можна визначити і як шлях, який проходить літак за один оберт гвинта. Різницю між шагом гвинта та його поступом називають ковзанням.

Робота повітряного гвинта

Робота повітряного гвинта значно складніша, ніж крила, так як він не лише рухається в якому-небудь напрямку, але одночасно й обертається, тобто має поступальну і окружну швидкості, додавши які, отримаємо рівнодіючу швидкість.

Кут між напрямом рівнодіючої швидкості та хордою лопасті називається кутом атаки.

Яким же чином повітряний гвинт створює силу тяги, яка забезпечує поступальний рух літака. Для відповіді на це запитання найкраще порівняти роботу гвинта і крила. Як обумовлювалося вище, перірз лопасті гвинта має таку ж форму, як і профіль крила. Тому при напливі повітря на поставлені під деяким кутом атаки лопасті гвинта виникає аеродинамічна сила, така ж як і у крила. Її поява зумовлюється слідуючим.

Напливаючий на лопасть гвинта потік повітря обтікає її несеметрично, внаслідок чого над спинкою лопасті виникає зона пониженого тиску, а за робочою стороною підвищеного. Внаслідок перепаду тиску і з'являється аеродинамічна сила, яку можна розкласти на дві: силу тяги (яка має ту ж природу, що й підйомна сила крила), яка примушує літак рухатися вперед, і силу опору повітря обертам гвинта. Сила тяги гвинта в основному залежить від швидкості польоту та кута атаки лопасті.

Кут атаки лопасті не є сталим, а може змінюватися в залежності від зміни швидкості польоту. Так, при збільшенні швидкості рівнодіюча швидкостей буде наближуватися до хорди крила, а при зменшенні - віддалятися. А отже, можна зробити слідуючий важливий висновок: при незмінному куті встановлення лопасті її кут атаки буде тим менший, чим більша поступальна швидкість літака, і тим більший, чим менша швидкість літака.

Наслідком цього висновку є те, що гвинт буде мати найбільший кут атаки при роботі на місці, тобто коли поступальна швидкість літака дорівнює нулю. Тепер розглянемо окружну швидкість. Як відомо, окружна швидкість будь- якого перерізу лопасті залежить від двох факторів:

•                 від відстані, на якій цей переріз знаходиться від осі оберту гвинта, тобто чим далі цей переріз від осі, тим швидкість його буде швидша, тому що за один оберт гвинта йому доведеться пройти більшу відстань по колу;
•                 від числа обертів гвинта за одиницю часу (наприклад за секунду), адже чим швидше обертається гвинт, тим більший шлях проходить переріз лопасті. Так, наприклад, якщо гвинт почне обертатися швидше у три рази, то у три рази більший шлях пройде і переріз лопасті.

Відповідно, якщо кут встановлення для всіх перерізів лопасті зробити однаковим, то вони будуть працювати під різними кутами атаки, тому що їхні окружні швидкості різні. Це невигідно, оскільки лише при одному якомусь куті атаки можна отримати найбільше значення тяги, а на інших кутах атаки вона буде менша, тобто не всі перерізи лопасті створять максимальну тягу. Для зняття з лопасті повітряного гвинта максимальної тяги її закручують, поступово змінюючи кути встановлення по розмаху, з таким розрахунком, щоб при обертанні гвинта кут атаки в усіх розрізах лопасті був однаковим найвигіднішим.

Гвинти постійного та перемінного шага

Повітряні гвинти, які мають в усіх перерізах однакові кути встановлення (постійний шаг), називаються гвинтами постійного, або фіксованого, шага.

Повітряні гвинти, у яких кути встановлення змінюються по розмаху лопасті, називаються гвинтами перемінного шага. Для визначення кута встановлення таких гвинтів беруть кут, який знаходиться на відстані 0,75 повного радіусу гвинта від осі оберту.

Коефіцієнт корисної дії повітряного гвинта

Для оцінки роботи повітряного гвинта введений коефіцієнт корисної дії (скорочено ККД гвинта), який є часткою від ділення потужності, використаної гвинтом для руху літака, на потужність, придану йому на валу двигуна. Коефіцієнт корисної дії завжди буде меншим одиниці, так як корисна потужність гвинта завжди менша потужності, приданої йому двигуном. Це пояснюється тим, що частина потужності використовується не за призначенням: на подолання тертя лопасті об повітря, на закручування відкидаючого струменю повітря і т.д. У сучасних повітряних гвинтів коефіцієнт корисної дії у середньому коливається від 0,7 до 0,82.

Поняття — легкий та важкий гвинт

Поняття — легкий та важкий гвинт не мають нічого спільного із вагою гвинта. Щоб більш точно передати зміст даного поняття, розглянемо роботу повітряного гвинта постійного шага на найбільш характерних режимах польоту.

Наприклад, на літаку встановлений повітряний гвинт малого шага, який має кут встановлення 20 градусів. Внаслідок малого шага лопастей повітря чинить меншу протидію обертам гвинта, аніж гвинту з більшим шагом. Це дозволяє двигуну розвивати на повному газу більші оберти, а відповідно, і більшу потужність, адже при повністю відкритому дроселі потужність двигуна залежить від числа обертів, тобто від кількості циклів за одиницю часу. Повітряний гвинт з невеликим кутом встановлення, а отже і з малим шагом, називається легким гвинтом, тому що він легший для двигуна, ніж гвинт з великим шагом.

Легкий гвинт вигідний на невеликих швидкостях польоту, коли необхідно використовувати потужність двигуна повністю. Наприклад, при перенавантаженого літака або при обмежених розмірах зльотної смуги. Крім того, легкий гвинт забезпечує більш швидкий набір висоти і сприяє підвищенню потолка літака.

Але легкий гвинт невигідний при польотах на великих швидкостях внаслідок того, що не дозволяє зняти повністю потужність двигуна через гвинта (надмірне збільшення обертів), для запобігання чому розкрутку доводиться прикривати дросель, тобто зменшувати потужність двигуна до такої, при якій він буде давати нормальне число обертів.

Для того, щоб на більшій швидкості повітряний гвинт міг зняти повну потужність, не розкручувався і працював з дійсно високим коефіцієнтом корисної дії, необхідно, щоб він мав більший кут встановлення лопасті (більший шаг), тобто був важким.

Отже, для злетних режимів потрібні гвинти малого шага (легкі), а для швидкісних - великого шага).

Повітряні гвинти змінного шага

Основний недолік гвинтів змінного шага в тому, що вони створюють максимальну тягу лише на певному режимі польоту, тобто при найвигіднішому куті атаки лопасті. Це дуже великий недолік, оскільки для отримання високих льотних якостей літака необхідно, щоб значення тяги та потужності, які розвиває гвинт, не залежало від режиму польоту.

Щоб заставити працювати повітряний гвинт з оптимальним коефіцієнтом корисної дії на будь-якому режимі польоту, необхідно його лопасті повертати таким чином, щоб вони забезпечували створення максимальної тяги незалежно від режиму польоту, що й вдалося досягти створенням гвинта змінного шага.

Висновок: таким чином, гвинт змінного шага є найбільш досконалим з числа усіх розглянутих гвинтів, так як крім збільшення коефіцієнту корисної дії, він дозволяє також знімати з двигуна найбільшу потужність на будь-якому режимі польоту.

Список використаної літератури:

1. Болотников В.Ф. Элементарный курс аэродинамики самолета, Москва, 1950.
2. Ширманов П.М. Курс аэродинамики, Оборонгиз, Москва, 1949.
3. Пышнов В.С. Аэродинамика самолета, Москва, 1943.
4. Ермаков А.М. Простейшие авиамодели, М.: Просвещение, 1984.
5. Костенко В.И., Столяров Ю.С. Мир модели. М.: ДОСААФ, 1989.
6. Рожков В.С. Авиамодельный кружок, М.: Просто 1986.
7. Техническое моделирование и конструирование /Под ред. В.В.Колотилова. – М.: Просвещение, 1983.