Что такое тяга двигателя вертолета

4.3. Мощность

Представим снова элементарную работу в виде

Удельная величина, равная отношению работы совершенной за время dt к этому времени, называется мощностью:

Другими словами, мощность, развиваемая некоторой силой, равна скорости, с которой эта сила производит работу. Можно сказать и так: средняя за единицу времени мощность численно равна работе совершенной за единицу времени. Если мощность за выбранную единицу времени практически не меняется, то слово «средняя» можно опустить: мощность численно равна работе за единицу времени.

Как видно из определения, мощность равна скалярному произведению силы на скорость перемещения её точки приложения, поэтому работа силы за время от t1 до t2 может быть вычислена следующим образом:

Средняя мощность за этот же промежуток времени равна

За единицу мощности принимается такая мощность, при которой в единицу времени совершается единица работы.

В системе СИ единицей измерения мощности является ватт (Вт):

Внесистемная единица мощности — лошадиная сила (л.с.) — равна 736 Вт. В быту часто используют единицу энергии — 1 кВт•ч = 103 Вт•3600 с=3.6 МДж.

Пример. Вертолет массой m = 3 m висит в воздухе. Определить мощность, развиваемую мотором вертолета, если диаметр ротора равен d = 8 м. При расчете принять, что ротор отбрасывает вниз цилиндрическую струю воздуха диаметром, равным диаметру ротора. Плотность воздуха 1.29 кг/м3.

При решении этой задачи надо применить все известные нам законы динамики. Поскольку это — не одно- и не двухходовая задача, попробуем сначала найти вид окончательного выражения, пользуясь анализом размерности (см. тему 1.3). Искомая мощность зависит от: 1) веса вертолета mg; 2) диаметра винта d, 3) плотности воздуха , то есть искомая формула должна иметь вид

Размерность мощности будет [N] = [ML2T–3]. Составляем равенство размерностей в обеих частях искомой формулы:

Решая систему уравнений

то есть искомая мощность двигателя вертолета будет

где C — некий числовой коэффициент.

Решим теперь эту же задачу точно. Пусть — скорость струи воздуха, отбрасываемой винтом. За время частицы воздуха проходят расстояние . Иными словами, за время винт вертолета придает скорость всем частицам воздуха, находящимся в цилиндре с площадью основания и высотой . Масса воздуха в этом объеме равна

а его кинетическая энергия дается выражением

Поскольку мотор передает воздуху кинетическую энергию , то такова и совершаемая им работа. Поэтому развиваемая мотором мощность (без учета потерь мощности во всех трансмиссиях на пути от двигателя до винта) равна

В этом выражении нам надо еще найти скорость струи воздуха, отбрасываемой винтом. Импульс , передаваемый частицам воздуха за время , равен

Из второго закона Ньютона следует, что средняя сила, действующая на отбрасываемый вниз воздух равна . По третьему закону Ньютона такая же сила действует на вертолет со стороны воздуха. Эта сила компенсирует вес вертолета:

Отсюда получаем уравнение

позволяющее найти скорость струи воздуха:

Подставляя найденную скорость в выражение для мощности двигателя вертолета, получаем окончательный результат:

Мы видим, что выражение для мощности действительно оказалось таким, каким ожидалось на основе анализа размерностей. Подставляя числовые данные, находим

Рис.4.5. Мощность в природе и технике

Воздушный винт

Возду́шный винт (пропе́ллер) — лопастной агрегат работающий в воздушной среде, приводимый во вращение двигателем и являющийся движителем, преобразующим мощность (крутящий момент) двигателя в действующую движущую силу тяги.
Воздушные винты, выполняющие (помимо функций движителя), дополнительные, либо иные функции, имеют специальные названия: ротор, маршевый винт, несущий винт (винтокрылых летательных аппаратов), рулевой винт, фенестрон, импеллер, вентилятор, ветрогенератор, винтовентилятор.

Воздушный винт применяется в качестве движителя для летательных аппаратов (самолётов, автожиров, цикложиров (циклокоптеров) и вертолётов с поршневыми и турбовинтовыми двигателями), а также в том же качестве — для экранопланов, аэросаней, аэроглиссеров и судов на воздушной подушке.
У автожиров и вертолётов воздушный винт применяется также в качестве несущего винта, а у вертолётов ещё и в качестве рулевого винта.

Воздушный винт, работающий в качестве движителя, в сочетании с двигателем образуют винтомоторную установку (ВМУ) — входящую в состав силовой установки.

Содержание

  • 1 Технические параметры
    • 1.1 КПД
    • 1.2 Положительные и отрицательные стороны
  • 2 История
  • 3 Перспективные разработки
  • 4 См. также
  • 5 Литература
  • 6 Примечания

Технические параметры [ править | править код ]

Лопасти винта, вращаясь, захватывают воздух и отбрасывают его в направлении, противоположном движению. Перед винтом создаётся зона пониженного давления, за винтом — повышенного.

  • В зависимости от способа использования воздушные винты делятся на тянущие и толкающие.
  • В зависимости от наличия возможности изменения шага лопастей воздушный винт подразделяются на винты фиксированного и изменяемого шага.

Определяющими являются диаметр и шаг винта. Шаг винта соответствует воображаемому расстоянию, на которое передвинется винт, ввинчиваясь в несжимаемую среду за один оборот. Существуют винты с возможностью изменения шага как на земле, так и в полёте. Последние получили распространение в конце 1930-х годов и применяются практически на всех самолётах (кроме некоторых сверхлёгких) и вертолётах. В первом случае изменение шага используют, чтобы создать большую тягу в широком диапазоне скоростей при мало изменяющихся (или неизменных) оборотах двигателя, соответствующих его максимальной мощности, во втором — из-за невозможности быстрого изменения оборотов несущего винта.

Читать еще:  Что такое двигатель fam

Вращение лопастей воздушного винта приводит к разворачивающему эффекту, воздействующему на летательный аппарат, причины которого в следующем:

  • Реактивный момент винта. Любой воздушный винт, вращаясь в одну сторону, стремится накренить самолет или развернуть вертолёт в противоположную сторону. Именно из-за этого возникает асимметрия при поперечном управлении самолётом. Например, самолет с винтом левого вращения совершает развороты, перевороты и бочки вправо гораздо легче и быстрее, чем влево. Этот же реактивныймомент является одной из причин неуправляемого разворота самолета вбок в начале разбега.
  • Закручивание струи винта. Воздушный винт закручивает воздушный поток, что также вызывает несимметричную обдувку плоскостей и хвостового оперения справа и слева, различную подъёмную силу крыла справа и слева и разницу в обдуве управляющих поверхностей. Несимметричность потока хорошо видна на авиационных хим.работах при наблюдении за движением распыляемого вещества.
  • Гироскопический момент винта. Любое быстро вращающееся тело имеет гироскопическиймомент (эффект волчка), заключающийся в стремлении к сохранению своего положения в пространстве. Если принудительно наклонить ось вращения гироскопа в какую-либо сторону, например, вверх или вниз, то она не просто будет противодействовать этому отклонению, а будет уходить в направлении, перпендикулярном произведённому воздействию, то есть в данном случае вправо или влево. Так, при изменении в установившемся полёте угла тангажа самолёт будет стремиться самостоятельно поменять курс, а при начале разворота возникает стремление самолёта к самостоятельному изменению угла тангажа.
  • Момент, вызванный несимметричным обтеканием винта. В полёте ось винта отклонена от направления набегающего потока на угол атаки. Это приводит к тому, что опускающаяся лопасть обтекается под большим углом атаки, чем поднимающаяся. Правая часть воздушного винта будет создавать большую тягу, чем левая. Таким образом, будет создаваться момент рыскания влево. Наибольшую величину этот момент будет иметь на максимальном режиме работы двигателя и максимальном угле атаки.

Все четыре причины разворота — реактивный момент, действие струи, гироскопический момент и несимметричное обтекание винта, всегда действуют в одну сторону: при винте левого вращения разворачивают самолет вправо, а при винте правого вращения — влево. Этот эффект проявляется особенно сильно на мощных одномоторных самолётах при взлёте, когда самолёт движется с небольшой поступательной скоростью и эффективность работы воздушных рулей низкая. С ростом скорости разворачивающий момент ослабевает ввиду резкого увеличения эффективности действия рулей.

Для компенсации разворачивающего момента все самолёты делают несимметричными – как минимум, отклоняют руль направления от центральной строительной оси самолёта.

Кроме гироскопического эффекта двух из этих трёх недостатков лишены соосные воздушные винты.

Реактивный и гироскопический момент также присущ всем турбореактивным двигателям и учитывается в конструкции самолёта. Для компенсации реактивного момента винта вертолёта приходится применять рулевой винт, предотвращающий вращение фюзеляжа, либо использовать несколько несущих винтов (обычно два).

КПД [ править | править код ]

Коэффициентом полезного действия (КПД) воздушного винта называют отношение полезной мощности, затрачиваемой на преодоление сопротивления движению летательного аппарата, к мощности двигателя. Чем ближе КПД к 1, тем эффективнее расходуется мощность двигателя, и тем большую скорость или грузоподъёмность может развить при той же энерговооружённости.

Положительные и отрицательные стороны [ править | править код ]

КПД современных воздушных винтов достигает 82—86%, что делает их очень привлекательными для авиаконструкторов. Самолёты с турбовинтовыми силовыми установками значительно экономичнее, чем самолёты с реактивными двигателями. Однако воздушный винт имеет и некоторые ограничения, как конструктивного, так и эксплуатационного характера. Часть этих ограничений описана ниже.

  • «Эффект запирания». Этот эффект возникает либо при увеличении диаметра воздушного винта, либо при увеличении скорости вращения, и выражается в отсутствии роста тяги с увеличением мощности, передаваемой на винт. Эффект связан с появлением на лопастях винта участков с околозвуковым и сверхзвуковым течением воздуха (т. н. волновой кризис).
    Это явление накладывает существенные ограничения на технические характеристики самолётов с винтомоторной силовой установкой. В частности, современные самолёты с воздушными винтами, как правило, не могут развить скорость более 650—700 км/ч. Самый быстрый винтовой самолёт — бомбардировщик Ту-95 — имеет максимальную скорость 920 км/ч, где проблема эффекта запирания была решена применением двух соосных винтов с допустимыми размерами лопастей, вращающихся в противоположных направлениях.
  • Повышенная шумность. Шумность современных самолётов в настоящее время регламентируется нормами ICAO. Воздушный винт классической конструкции в эти нормы не вписывается. Новые типы воздушных винтов с саблевидными лопастями создают меньший шум, но такие лопасти очень сложны и дороги в производстве.
Читать еще:  Вибрации двигателя на схеме

История [ править | править код ]

Идея воздушного винта происходит от архимедова винта.

Известен чертёж Леонардо Да Винчи с изображением прообраза вертолёта с несущим винтом. Винт всё ещё выглядит как архимедов.

Что такое тяга двигателя вертолета

Известны реактивные вертолеты с приводом несущего винта от расположенных на концах несущих лопастей прямоточных двигателей, известны вертолеты с компрессионным приводом, когда сжатый воздух или отработанные газы от газотурбинного двигателя прокачиваются через лопасти винта и выбрасываются через сопла на задней кромке лопастей, известны вертолеты с дожиганием горючего в соплах лопастей, куда подается сжатый воздух.

Как правило, все эти вертолеты экономически не эффективны, т.к. прокачка воздуха через лопасти связана с большими потерями на сопротивление в самих лопастях и во втулке винта, кроме того, уплотнения для подачи воздуха и горючего от неподвижной оси винта к подвижной втулке несущего винта создают значительное сопротивление вращению винта и, кроме потери мощности винта, создают дополнительный момент вращения, передаваемый вертолету.

Известен мини-вертолет, созданный группой Б.Я. Жеребцова, Ю.С. Брагинского и Ю.Л. Старинина, оснащенный двухлопастным винтом и миниатюрными прямоточными, пульсирующими двигателями, установленными на концах лопастей. Длина двигателей не превышала 25 см.

Мини-вертолет имел следующие недостатки:

1) высокий расход топлива;

2) уменьшение тяги двигателей при раскручивании винта до 45% к номиналу;

3) ухудшенное качество винта в режиме авторотации;

4) сильный шум от двигателей.

Анализ этих недостатков показывает, что низкая тяга двигателей объясняется тем, что двигатели имеют малую длину и выхлопные газы не разгоняются в коротком сопле до скоростей 300-400 мсек, поэтому возрастает частота пульсаций в пульсирующих двигателях в 2-3 раза, а это приводит к повышению расхода горючего тоже в 2-3 раза. Далее двигатели располагаются на концах лопастей, где скорость набегающего потока воздуха на двигатели — максимальна, поэтому при раскрутке винта тяга двигателей падает до 45%, чтобы избавиться от последнего недостатка, необходимо, чтобы воздух засасывался в двигатель в зоне оси несущего винта, желательно сверху вниз, в этом случае входящий в двигатель воздух не имеет импульса и поэтому тяга двигателя не будет зависеть от скорости вращения винта.

Таким образом можно сделать реактивный вертолет в несколько (2,5×2,5×2,5×2,5×1,55=19,8) раз более эффективным, чем прототип, т.е. время полета ранцевого вертолета возрастет с 20 мин. до 5 часов, с тем же запасом горючего.

Целью предлагаемого изобретения является реактивный вертолет с меньшим расходом топлива, с тягой двигателей, не уменьшающейся от скорости вращения винта, улучшение авторотационных свойств винта.

Достигается она тем, что двигатель реактивный, например пульсирующий или мини-ТРД, рис 1, 2, п. 4, помещается во внутрь лопастей с проходом воздуха, газовой смеси, выхлопных газов от оси несущего винта к периферии с выходом выхлопных газов через выхлопные сопла, расположенные в задних кромках лопастей п. 8.

Для увеличения мощности вертолета реактивные двигатели (ТРД), п. 5, рис. 1, 2, устанавливаются на втулку несущего винта с выходом реактивной струи в сторону задней кромки лопасти несущего винта п. 9.

На рис. 1 и 2 приведены чертежи предлагаемого реактивного вертолета.

Краткое описание чертежей

На рис. 1 и 2 изображена фронтальная проекция узла несущего винта и вид сверху предлагаемого реактивного вертолета без автомата перекоса, без системы подачи горючего, без системы энергообеспечения.

Ось п. 1 рис. 1 реактивного вертолета соединена неподвижно с корпусом п.10 вертолета, на ось с помощью подшипниковой пары п.6 установлена свободно-вращающаяся втулка п. 2, в верхней части которой укреплены оси п. 11 на подшипниковых парах п. 7 колебания лопастей несущего винта п. 3, внутри лопастей установлены реактивные двигатели (ПуВРД или ТРД) п. 4. Для увеличения мощности реактивного вертолета реактивные двигатели п. 5 устанавливаются на втулку п. 2 несущего винта, рис. 1, 2.

Работает вертолет следующим образом:

Горючее поступает через систему питания в камеры сгорания двигателей, расположенных в лопастях несущего винта, продукты сгорания ускоряются в сопле двигателя п. 4, рис.(1 и 2), поворачиваются на 90° в сторону задней кромки лопасти и выходят, разгоняя лопасти несущего винта. Т.к. воздух в лопастные двигатели заходит со стороны оси несущего винта, тяга двигателей не уменьшается при раскрутке несущего винта. Для увеличения мощности вертолета реактивные двигатели п. 5 (рис. 1, 2) устанавливаются на свободно вращающуюся втулку п. 2 несущего винта п. 3 (рис. 1, 2) перпендикулярно втулке п. 2, рис. 1, с выходом выхлопных газов в сторону, противоположную направлению вращения несущего винта, как показано на рис. 2, п. 9, при этом входной диффузор двигателя может быть как параллелен выхлопному соплу, так и перпендикулярен, чтобы также избавиться от снижения тяги реактивных двигателей при раскрутке несущего винта.

Читать еще:  Аккумулятор запуск двигателя зимой

Реактивный привод несущего винта вертолета

Главное отличие реактивного двигателя от поршневого состоит в том, что в реактивном двигателе энергия сгораемого топлива расходуется на создание силы тяги непосредственно, за счет отбрасывания назад с большой скоростью воздуха и продуктов сгорания, тогда как в поршневом двигателе энергия сгораемого топлива расходуется на вращение воздушного винта, который создает при этом необходимую для движения тягу.

Исходя из этого, можно заключить, что самым простым способом вращения несущего винта вертолета при помощи реактивных двигателей оказывается установка этих двигателей на концах лопастей самого несущего винта.

Следовательно, тяга каждого двигателя должна быть равна 38,2 кг. Реактивный двигатель с такой тягой будет весить совсем немного, примерно 10 кг. Вес всех трех двигателей составит 30 кг.

У одновинтового вертолета с рулевым винтом весом 1500 кг вес двигателя составит около 300 кг, а вес трансмиссии — около 100 кг.

При сравнении вертолета с реактивным двигателем с вертолетом, имеющим поршневой двигатель, разница в весе их составит для данного примера 370 кг. За счет этой разницы может быть увеличен запас топлива. В результате этого дальность вертолета с реактивным двигателем, несмотря на большие расходы топлива, может быть такой же, как и вертолета с поршневым двигателем. Применяя вертолет с реактивным двигателем на малые расстояния, за счет неполной заправки топлива можно значительно увеличить его грузоподъемность.

Реактивный привод несущего винта имеет много преимуществ по сравнению с приводом от поршневого двигателя. При установке реактивных двигателей на концах лопастей совершенно не требуются трансмиссии, т. е. редукторы, валы л т. д. Для такого вертолета рулевой винт нужен только для обеспечения путевого управления, так как отсутствует реактивный момент от винта на фюзеляж, ибо привод винта находится на самом винте; в этом случае рулевой винт будет потреблять меньше мощности, так как диаметр его будет малым. Вес вертолета в целом будет значительно меньше. Так, в случае применения вместо поршневого двигателя прямоточных реактивных двигателей вес вертолета, обладающего той же грузоподъемностью, станет примерно на 30°/о меньше.

Однако наряду с этим реактивному приводу свойственен ряд недостатков. Основной из них заключается в том, что реактивные двигатели имеют малый коэффициент полезного действия, что приводит к большому расходу топлива. Кроме того, реактивный привод трудно осуществить, так как

надо одновременна удовлетворить целому ряду противоречивых требований.

Если на конце лопасти несущего винта установлен реактивный двигатель, то изменение установочного угла лопасти приводит к изменению направления силы тяги двигателя. Так, например, при увеличении установочного угла тяга двигателя уже не будет лежать в плоскости вращения, а составит с ней некоторый угол а, благодаря чему тяга даст две составляющих: в плоскости вращения, которая будет создавать крутящий момент, и вдоль оси вращения винта, которая непосредственно пойдет на увеличение подъемной силы лопасти и увеличит угол взмаха.

Величина этих составляющих тяги в течение одного оборота будет все время изменяться, что вызовет появление значительной вибрации вертолета. Для того чтобы устранить этот недостаток, необходимо крепить двигатель на штанге или трубе, вокруг которой располагать подвижную лопасть таким образом, чтобы изменение угла атаки лопасти происходило вокруг этой штанги или трубы без отклонения оси двигателя.

Труба может служить магистралью для подвода топлива к реактивному двигателю.

Трудность установки двигателя на концах лопастей несущего винта заключается также в том, что реактивный двигатель работает с высоким эффектом только при больших окружных скоростях лопастей, так как в этом случае создается достаточный скоростной напор на входе в диффузор двигателя. Но, с другой стороны, большие окружные скорости приводят к тому, что на профиле лопасти возникает срыв обтекания, что снижает коэффициент полезного действия винта.

Однако это еще далеко не все трудности. Каким бы легким ни был реактивный двигатель, он является сосредоточенной нагрузкой на конце лопасти и в значительной мере увеличивает центробежную силу, стремящуюся разорвать лопасть. Следовательно, по сравнению с несущим винтом, имеющим привод от поршневого двигателя, прочность лопастей несущего винта с реактивными двигателями должна быть повышенной. Кроме того, разнос масс лопастей от оси вращения создает большой момент инерции винта, а сила сопротивления двигателя, находящегося на большом удалении от оси, создает большой момент сопротивления. Все это, вместе взятое, ухудшает способность несущего винта к самовращению при переходе на безмоторный полет в случае отказа реактивных двигателей.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector