Аэродинамические характеристики воздушных винтов. Тема 10

1.

ОСНОВЫ АЭРОДИНАМИКИ
ЛЕКЦИЯ № 11
Тема 10
Аэродинамические характеристики воздушных
винтов

2.

Л № 11 Аэродинамические характеристики
воздушных винтов
2
11.1 Геометрические характеристики ВВ.
11.2 Кинематические характеристики ВВ.
11.3 Аэродинамические характеристики ВВ.
11.4 Режимы работы ВВ.
11.5 Подбор воздушного винта к самолёту.
Литература:
1. Гарбузов В. М., Ермаков А. Л., Кубланов М. С., Ципенко В. Г.
Аэромеханика: Учебник для студентов вузов гражданской
авиации – М.: МГТУГА, 2000, 288 с.
2. Логвинов И. И. Аэромеханика: Учебное пособие М.
Иркутск: ИГТУ, 1998, 144 с.
3. Ништ М. И. Аэродинамика летательных аппаратов. Учебник
для ВУЗов. М.: ВВИА им. проф. Н. Е. Жуковского, 1994, 570 с.

3.

Введение в воздушные винты
Определения ВВ по уравнению сохранения энергии
Воздушный винт лопаточная машина,
преобразующая механическую работу (мощность) на
входном валу в приращение кинетической энергии
воздушного потока, создание избыточного давления
на лопастях винта и силы тяги.
В конструктивно-компоновочном смысле:
Воздушный винт - аппарат, состоящий из втулки с лопастями
крылообразной формы, закреплённой на вращающемся валу.
Предназначения ВВ:
создания силы тяги.
преодоления сил сопротивления ВС;
управления воздушным судном;
запуска двигателя в полёте и др.

4.

Осевой лопаточный аппарат
В широком смысле
Осевой лопаточный аппарат совокупность большого разнообразия
лопаточных механизмов и машин, рабочим телом которых является газ
(жидкость), а рабочим элементом несущая поверхность в виде
крылообразной лопатки.
Линейка винтокрылых лопаточных аппаратов:
- гребные винты;
- пропеллеры;
- несущие и рулевые винты;
- вентиляторы и воздуходувки;
- неподвижные контрвинты, ветряки;
- рабочие колёса ОК и ГТ;
- направляющие и сопловые аппараты ОК и ГТ соответственно и др.
Диапазон применения:
в сплошной газовой (воздушной ) среде;
в сплошной жидкой (водной и др.) средах;
в лопаточных машинах компрессорах и турбинах разных сред;
на дозвуке, трансзвуке, сведхзвуке:
от экватора до географическиж полюсов и т.п.

5.

Физика рабочего процесса ВВ
Воздушный винт ВМГ (ВВ + АД), используя мощность авиационного
двигателя, захватывает стоковую (на земле) или набегающую струю
воздуха в полёте, прогоняет её лопастями через свою плоскость, и
активно отбрасывает назад с увеличенной скоростью. В силу реакции
струи возникает реактивная сила, направленная вперёд, в сторону
движения самолёта — силы тяги воздушного винта.
Альтернативный вариант рабочего процесса создания тяги ВВ
предусматривает в качестве источника силовое воздействие на лопасти
ВВ и его активную площадь перепада избытка давления у поверхности
корыта и разрежения у поверхности спинок.
Качество рабочего процесса ВВ в многом определено:
компоновкой ВВ;
диапазоном скоростей полёта;
количеством активных плоскостей (одноосевая и соосная схемы) ;
возможностью регулирования лопастей по шагу винта (прямой тяги,
флюгирования и обратной тяги) и другим направлениям (ВИШ, ВФШ).

6.

11.1 Геометрические характеристики ВВ
Определяют форму и размеры ВВ. К ним относят:
D диаметр ВВ (окружности, описанной концевыми
сечениями лопастей при их вращении) – от 2 до 6 м;
R радиус винта: R = D/2;
Ось лопасти ВВ – прямая, вокруг которой происходит
изменение углового положения лопасти в процессе её
управления;
r радиус сечения – расстояние от оси вращения ВВ до
сечения лопасти секущей плоскостью;
r = r/R относительный радиус сечения
i число лопастей (iдозв=2 - 4; iсв.зв= 6 - 8);
форма профиля (b – хорда; с = с/b= 0,02-0,1 и f = f/b; хс );
угол установки лопасти;
Форма лопасти в плане плоскости ВВ и др.
Графическая интерпретация геометрических параметров
представлена на рисунке (см. сл. слайд).

7.

Геометрические параметры
ВВ (продолжение)
.
r = 0,75
0 = r=0,75 =

8.

Характеристика лопасти винта
.
Саблевидная
Веслообразная

9.

11.2 Кинематические характеристики ВВ
Диск винта площадь круга, ометаемая
концевыми сечениями лопастей ВВ.
Кинематические
характеристики ВВ
векторные величины,
определяющие
поступательное V и
вращательное U= r
движение лопастей ВВ, а
также скалярные поступь
винта и коэффициент
скорости.
W =V +U .
α r = φr - βr .
V
α r = φ r - arctg ,
ωr
где
V 1 V D V
,
ωr 2πr nc 2πr nc D
V
λ=
nc D

10.

Коэффициент скорости
относительная поступь винта
Полная воздушная скорость в сечениях
лопасти ВВ:
W =V +U .
Угол атаки лопастей ВВ: α r = φ r -β r .
α r = φ r - β r или
V
α r = φ r - arctg .
ωr
Коэффициент скорости (поступь винта)
V
V
1 V
D V
.
Имеем :
, где λ =
nc D
ωr 2πr nc 2πr nc D

11.

Абсолютная поступь винта Ha
Поступью винта Ha расстояние, проходимое
винтом в воздухе за 1 оборот.
V
Формула абсолютной поступи винта: H a = .
nc
Преобразованная формула угла атаки сечения
лопасти ВВ:
1 D
α r = φ r - arctg
.
π 2r

12.

Заключение по кинематическим характеристикам
.

13.

11.3 Аэродинамические характеристики ВВ
Определение характеристик:
Характеристиками исследуемого объекта
называются зависимости параметров
эффективности от режимных параметров.
Проблемы:
1. Параметры эффективности ???
2. Режимные параметры ???
Решение проблемы:
Определение ВВ: ВВ лопаточная машина для
создания тяги при максимальной её эффективности
путём преобразования подводимой работы на его валу.

14.

Предполагаемые параметры эффективности и
режимные параметры ВВ
Параметры эффективности
Из определения ВВ следует:
I. Тяга ВВ Р первый параметр эффективности
ВВ!
II. ВВ, как лопаточная машина обязательно
характеризуется КПД.
Следовательно, вторым параметром
эффективности ВВ должен быть КПД ВВ!
Режимные параметры
1. В полёте на тягу ВВ оказывает скорость V .
2. Характер обтекания лопастей ВВ зависит от
окружной (переносной скорости), т. е. частоты
вращения ВВ.
Предполагаемые РП скорость полёта V и nв.

15.

Детальный анализ параметров
аэродинамических характеристик
Структура формул определения аэродинамических сил на
лопастях ВВ аналогична структуре формул для аэродинамических
сил крыла.
Отличительные особенности:
1. Крыло обтекается потоком (V ) в абсолютном движении.
2. Лопасти ВВ обтекаются относительным потоком (W) в
сложном движении.
Действительно, :
P
-P
P >0
ил
W
V = 0
Uл
W Uл
V
U
Y = cy V2S/2
>0
P = nc2 D4
V >0
V >>0

16.

Аэродинамические характеристики ВВ
Сила тяги ВВ:
где:
P = nc2 D4,
1. коэффициент тяги (аналог су), зависящий от угла
установки лопастей винта 0, коэффициента скорости ,
геометрической формы винта, количества лопастей i, чисел М и
Re .
Примечание: Коэффициент тяги определяется
экспериментально!!!
2. Мощность, затрачиваемая на вращение ВВ: N = M , где:
М = Хi - момент сил сопротивления лопастей;
- угловая скорость вращения ВВ.
3 D5,
N
=
n
Мощность N можно представить в виде:
c
где - коэффициент мощности.
Зависимости коэффициентов тяги и мощности
представлены на следующем слайде.

17.

Аэродинамические характеристики ВВ
Здесь коэффициент
скорости.
А где КПД ВВ?
Проблема!!!

18.

КПД воздушного винта
Коэффициент полезного действия винта
– отношение мощности винта РV к
мощности N, затрачиваемой на его вращение:
РV
η=
N
или
α
η = λ.
β

19.

Нормальные характеристики ВВ
Нормальные характеристики ВВ
зависимости коэффициент тяги ,
коэффициента мощности и КПД
от коэффициента скорости при
фиксированном угле 0 установки
лопастей и заданном числе Маха.
0,75
0,5
0,25
0
р

20.

11.4 Режимы работы воздушных винтов
.

21.

Режимы работы воздушного винта

22.

11.5 Подбор воздушного винта к самолёту
. Сущность –обеспечить расчётный режим ВС