Характеристики силовой установки

К ним относятся: - характеристики по тяге,

- характеристики по мощности

- коэффициент полезного действия(К.П.Д.) винта.  

Характеристика по тяге- это зависимость тяги винта от скорости полета при заданном числе оборотов на заданной высоте (см.4.5 «Аэродинамические силылопасти и винта», рис.4.7 ).

Характеристика винта по мощности выражает зависимость тяговой(или располагаемой) мощности от скорости полета.

Воздушный винт, вращаемый двигателем, развивает тягу и преодолевает лобовое сопротивление самолета, самолет движется. Работа, производимая силой тяги воздушного винта за 1 с при движении самолета, называется тяговой или полезной мощностью и является полезной работой воздушного винта.

Тяговая мощность воздушного винта определяется по формуле:

где Р – тяга, развиваемая воздушным винтом;

V – скорость самолета.

-При работе воздушного винта, когда самолет не движется, т.е. скорость V=0, развивается максимальная тяга, но тяговая мощность при этом равна нулю, так как скорость движения равна нулю. Винт не совершает полезной работы.

-С увеличением скорости полета до некоторой расчетной величины тяговая мощность увеличивается и достигает максимального значения, а затем начинает уменьшаться (см. рис.4.9).

Рис.4.9 Изменение располагаемой мощности

в зависимости от скорости полета

Таким образом, тяговая мощность характеризует полезную работу винта.

Полезная мощность винта   меньше эффективной мощности двигателя , затрачиваемой на вращение винта. Это объясняется тем, что эффективная мощность затрачивается на преодоление сил сопротивления лопастей винта, а также на преодоление потерь, обусловленных трением, сжимаемо­стью и податливостью воздуха.

Потери мощности от сжимаемости воздуха имеют особое зна­чение, так как лопасти работают при скоростях, больших скоро­сти полета. Потери мощности от податливости воздуха склады­ваются из потерь на отбрасывание воздуха вдоль оси винта и потерь на закручивание струи за винтом.

Мощность, затрачиваемая на вращение винта, определяется по формуле:

,

где  - безразмерный коэффициент мощности.

Из формулы видно, что потребная мощность для вращения воздушного винта зависит от коэффициента мощности, скорости и высоты полета, оборотов и диаметра воздушного винта.

-С увеличением скорости полета уменьшаются углы атаки элементов лопасти винта, количество отбрасываемого назад воздуха и его скорость. Поэтому уменьшается и потребная мощность на вращение воздушного винта.

-С увеличением высоты полета плотность воздуха уменьшается, поэтому потребная на вращение мощность также уменьшается.

Увеличение оборотов двигателя вызывает увеличение сил сопротивления лопастей воздушного винта, поэтому потребная мощность на вращение воздушного винта увеличивается.

Коэффициент полезного действия винта является важной характеристикой силовой установки, показывающей, какая часть мощности двигателя, идущая на вращение винта, преобразуется в тяговую мощность т.е. в полезную работу.

Как отмечено выше, полезная секундная работа или полезная тяговая мощность винта n_b будет меньше мощности двигателя N_e, затраченной на вращение воздушного винта.

Отношение полезной (тяговой) мощности к эффективной мощности двигателя называется коэффициентом полезного действия (К.П.Д)воздушного винта :

где: N_в – тяговая мощность винта;

Nе – эффективная мощность двигателя.

Подставив в формулу вместо тяги Р ее выражение из формулы, а вместо эффективной мощности , равное ей значение потребной мощности , получим:

,

или

,

где: α и β –  аэродинамические коэффициенты тяги и мощности соответственно;

 - относительная поступь винта: = .

Величина КПД воздушного винта зависит от тех же факторов, что и тяговая мощность воздушного винта.

КПД всегда меньше единицы и достигает у лучших воздушных винтов величины 0,8...0,9. Это означает, что 80—90% мощно­сти двигателя преобразуется в энергию движения самолета. Остальную часть мощности двигателя составляют потери энер­гии. Особенно они возрастают при развитии волнового кризиса на лопастях винта.

С целью увеличения к.п.д. используют скоростные профили лопастей, уменьшают скорости обте­кания лопастей, применяя винты малого диаметра с большим числом лопастей и редукторы, понижающие частоту вращения винта.

Степень редукции подбирается таким образом, чтобы на номинальном режиме концы лопастей обтекались дозвуковым потоком воздуха.

Таким образом, от К.П.Д. винта зависит эффективность использования силовой установки. Для повышения К.П.Д. добиваются соответствия винта и двигателя на всех скоростях и высотах полета.

При этом для поддержания оптимального режима работы двигателя и винта необходимо обеспечить постоянство расчетных оборотов винта в полете. Для этого на современных винтах устанавливают поворотные лопасти, углы установки которых автоматически изменяются в полете.

Такие винты называются винтами изменяемого шага (ВИШ) в отличие от винтов фиксированного шага (ВФШ), у которых лопасти неподвижно закреплены во втулке.

Винты изменяемого шага

Для устранения недостатков воздушных винтов неизменяемого и фиксированного шага применяется воздушный винт изменяемого шага (ВИШ).     Основоположником теории ВИШ является Ветчинкин. К ВИШ предъявляются следующие требования:

- ВИШ должен устанавливать на всех режимах полета наивыгоднейшие углы атаки лопастей;

- снимать с двигателя номинальную мощность на всем рабочем диапазоне скоростей и высот;

- сохранять максимальное значение коэффициента полезного действия на возможно большем диапазоне скоростей.

Лопасти ВИШ либо управляются специальным механизмом, либо устанавливаются в нужное положение под влиянием сил, действующих на воздушный винт. В первом случае это гидравлические и электрические воздушные винты, во втором - аэродинамические.

Гидравлический винт - воздушный винт, у которого изменение угла установки лопастей производится давлением масла, подаваемого в механизм, находящийся во втулке винта.

Электрический винт - воздушный винт, у которого изменение угла установки лопастей производится электродвигателем, соединенным с лопастями механической передачей.

Аэромеханический винт - воздушный винт, у которого изменение угла установки лопастей производится автоматически - аэродинамическими и центробежными силами.

Наибольшее распространение получили гидравлические ВИШ.    Автоматическое устройство в винтах изменяемого шага предназначено для сохранения постоянными заданных оборотов воздушного винта (двигателя) путем синхронного изменения угла наклона лопастей при изменении режима полета (скорости, высоты) и называется регулятором постоянства оборотов (РПО).

Рис. 4.10 Работа воздушного винта изменяемого

шага при разных скоростях полета

РПО совместно с механизмом поворота лопастей изменяет шаг винта (угол наклона лопастей) таким образом, чтобы обороты, заданные летчиком с помощью рычага управления ВИШ, при изменении режима полета оставались неизменными (заданными).

На 4.10 показана схема работы ВИШ.

-При изменении скорости полета от взлетной до максимальной в горизонтальном полете угол установки лопастей j возрастает от своего минимального значения j_мин до максимального j_макс (большого шага). Благодаря этому углы атаки лопасти изменяются мало и сохраняются близкими к наивыгоднейшим.

-Работа ВИШ на взлете характерна тем, что на взлете используется вся мощность двигателя – развивается наибольшая тяга. Это возможно при условии, что двигатель развивает максимальные обороты, а каждая часть лопасти винта развивает наибольшую тягу, имея наименьшее сопротивление вращению. Для этого необходимо, чтобы каждый элемент лопасти воздушного винта работал на углах атаки, близких к критическому, но без срыва воздушного потока( Рис. 44.10,а). Угол атаки лопасти соответствует величине максимальной подъемной силы.

Сопротивление вращению достигает в этом случае величины, при которой мощность, расходуемая на вращение винта, и эффективная мощность двигателя сравниваются и обороты будут неизменными.

-С увеличением скорости полета угол атаки лопастей воздушного винта уменьшается (Рис. 44.10, б). Уменьшается сопротивление вращению и воздушный винт «облегчается». Обороты двигателя должны возрастать, но РПО удерживает их постоянными за счет изменения угла атаки лопастей. По мере увеличения скорости полета лопасти разворачиваются на больший угол j_ср.

-При выполнении полета на максимальной скорости ВИШ также должен обеспечивать максимальное значение тяги. При полете на максимальной скорости угол наклона лопастей имеет предельное значение φмакс (Рис. 44.11, в).

-Следовательно, при изменении скорости полета происходит изменение угла атаки лопасти. При уменьшении скорости полета угол атаки увеличивается - винт «затяжеляется», при увеличении скорости полета угол атаки уменьшается – винт «облегчается». РПО автоматически переводит лопасти винта на соответствующие углы установки.

-При увеличении высоты полета мощность двигателя уменьшается и РПО уменьшает угол наклона лопастей, чтобы облегчить работу двигателя, и наоборот. Следовательно, РПО удерживает обороты двигателя с изменением высоты полета постоянными.

-При заходе на посадку воздушный винт устанавливается на малый шаг, что соответствует оборотам взлетного режима. Это дает возможность летчику при выполнении возможных маневров на глиссаде посадки получить взлетную мощность двигателя при увеличении оборотов до максимальных.

В современной авиации ВИШ имеют следующие разновидности: флюгерные, реверсивные, соосные, туннельные (рис.4.11). 

Рис.4.11 Разновидности ВИШ

Флюгерным ( рис.4.11,б) называется ВИШ, лопасти которого могут устанавливаться в направлении полета. Сопротивление зафлюгированного винта значительно меньше, чем самовращающегося.

Флюгерные винты применяются очень широко на самолетах гражданской авиации.

Реверсивным (рис.4.11,а) считается ВИШ, лопасти которого могут устанавливаться на малые или отрицательные  и создают при этом отрицательную тягу. Применение реверсивных винтов зна­чительно сокращает длину пробега.

Соосные винты(рис.4.11,в) состоят из двух ВИШ, расположенных друг за другом, вращающихся в разные стороны вокруг общей геометрической оси. Соосный винт имеет высокий к. п. д., так как отсутствуют потери энергии на закрутку потока за винтами, уравновешиваются реактивный и гироскопический моменты.

Туннельным (рис.4.11,г) называется винт, помещенный в профилиро­ванное кольцо – туннель. Эти винты имеют более высокий к. п. д. за счет уменьшения потерь энергии на отбрасывание струи.

За счет применения винтов изменяемого шага значительно улучшаются летные характеристики самолетов и повышается их экономичность.      Вертикальная скорость при подъеме увеличивается на 20 – 30%, потолок самолета повышается на 10 – 15%, дальность и продолжительность полета увеличиваются на 15–20%, длина и время                                                                                                                разбега сокращаются на 30 – 40%, а полезная нагрузка увеличивается на 10 – 15%.

Вывод: При проектировании силовой установки летательного аппарата обращается внимание на обеспечение следующих основных показателей: малый вес, необходимые тяга и мощность, экономичность на всех режимах полета.

Занятие №10