Технические параметры и устройство винта самолета

Винт самолета (пропеллер) представляет собой агрегат, приводимый в действие двигателем. За счет вращения возникает тяговая сила, заставляющая летательный аппарат двигаться. Винтовые самолеты обладают как преимуществами, так и недостатками. Они гораздо экономичнее реактивных аналогов, однако при этом у них имеется ряд конструктивных ограничений.

Зачем самолету винт?

Винт самолета превращает крутящий момент двигателя в тяговую силу. Совмещение двигателя с пропеллером называется винтомоторной установкой. Винт включает лопасти, которые вращаются, захватывая воздух и выталкивая его назад.

Воздушные винты делятся на тянущие и толкающие. Толкающие пропеллеры редко используются при создании самолетов. Винтовые изделия также применяются для создания вертолетов, винтокрылов, винтопланов и автожиров. Для поднятия их в воздух применяются несущие и рулевые изделия.

Важно отметить винтопланы, которые объединяют свойства самолета и вертолета благодаря поворотным двигателям. Лопасти винтоплана могут изменять крутящий момент на тягу или подъемную силу.

Технические параметры и устройство винта самолета

Пропеллер — это соединение ступицы и лопастей, количество которых может варьироваться от 2 до 8. Изготавливается из высокопрочных материалов, часто используется термообработанный алюминиевый сплав. Скорость вращения воздушного пропеллера может достигать 1200 оборотов в минуту, поэтому для его производства применяются материалы максимальной прочности.

Основные технические характеристики изделия включают:

• угол установки лопастей;
• шаг;
• угол атаки;
• поступь.

При работе пропеллера возникает эффект разворачивания. Причины его появления — реактивный и гироскопический момент винта, а также закручивание струи воздуха. Чтобы противостоять этому эффекту, винтовые самолеты делаются асимметричными.

Тяга воздушных винтов может быть изменена путем изменения оборотов двигателя или шага винта. Изменение шага позволяет изменить тягу, не меняя оборотов двигателя. Однако увеличение оборотов двигателя и ускорение вращения пропеллера являются наиболее быстрым способом увеличения тяги.

Воздушные винты имеют КПД около 85%, который означает отношение полезной мощности к мощности двигателя. Но, несмотря на это, они обладают недостатками, такими как повышенный уровень шума и эффект запирания — когда тяга винта перестает увеличиваться после определенных оборотов двигателя, несмотря на увеличение мощности.

Виды самолетных винтов

Обычно при создании винтовых самолетов используются только варианты с тянущими пропеллерами. Иногда можно встретить самолеты с толкающими пропеллерами, которые располагаются в задней части самолета. Однако следует учесть, что КПД тянущего винта выше, чем у толкающего.

Несущий вид не используется на самолетах, за исключением гибридов, которые называются винтопланами. Лопасти винтов несущих конвертопланов длиннее, примерно такие же, как лопасти вертолета.

Винты самолета должны быть прочными и надежными для обеспечения безопасности полетов. Для этого используются винтовые устройства с регулируемым шагом лопастей, что позволяет изменять их положение и осуществлять флюгирование в случае отказа двигателя для уменьшения лобового сопротивления.

Современный самолет может иметь до 4 винтовых двигателей, а средняя скорость таких самолетов составляет 500 км/ч. Ту-95 является самым быстрым турбовинтовым самолетом.

Преимущества и недостатки

Высокий уровень полезного действия и экономически эффективный расход топлива — главные преимущества винтовых самолетов. Однако, существуют и недостатки использования таких установок:

1. низкую скорость судна;
2. высокую шумность;
3. ограничения эксплуатационного характера.

Ввиду небольших скоростей винтовых самолетов, их применение ограничено. Турбовинтовые самолеты редко используются в пассажирской авиации, в основном они применяются для перевозки грузов.

Как пулемет стреляет через винт самолета?

Первые истребители военной авиации работали на винтовых двигателях. Конструкторам столкнулись с проблемой вращающегося пропеллера, который мешал наведению огня на цели, находившиеся впереди. Одним из первых решений этой проблемы было установление на лопасти металлических уголков, которые защищали винтовое изделие и экипаж самолета от попадания пуль.

Нидерландский авиаконструктор изобрел более совершенное решение, которое полностью решает проблему. Он использовал синхронизатор стрельбы, который позволяет стрелять только в нужный момент, когда лопасти винта не мешают выстрелу. Специальный синхронизатор определяет момент вылета пули, что позволяет вести огонь прямо через лопасти винта несущегося самолета. Скорострельность при этом уменьшается.

Современные истребители оснащены реактивными двигателями, поэтому синхронизаторы не нужны. У гражданских и военных самолетов с винтовыми двигателями нет пулеметов, поэтому эта проблема не относится к ним.

Отличия винта от пропеллера

В авиации воздушные винты и пропеллеры имеют одинаковое значение, но винтовые изделия применяются и в других областях. Лопастные изделия используются при производстве:

• кораблей;
• ветряных мельниц;
• турбин;
• гидроэлектростанций.

Пропеллеры – это винтовые детали, используемые только в авиации для создания самолетов. Нельзя назвать пропеллером лопасть винта вертолета. Знание основных отличий позволяет легко классифицировать такие изделия.

Перспективные разработки

Разработки авиаконструкторов направлены на устранение недостатков винтовых самолетов. Наиболее перспективные проекты включают:

• турбовентиляторный двигатель;
• саблевидные лопасти;
• разработка сверхзвуковых воздушных изделий.

Разработка двигателя с турбовентилятором была успешно завершена, что позволило создать высококачественные двигатели. В настоящее время многие авиалинии используют их на пассажирских самолетах благодаря их повышенной экономичности, что является важным фактором для перевозки пассажиров.

Для избежания эффекта запирания крутящий момент двигателя распределяется между двумя винтовыми изделиями на одной оси. Это позволяет достичь более высокой скорости во время полета. Ту-95 является самолетом, который наиболее успешно использует этот метод. Кроме того, для решения проблемы реактивных моментов на вертолетах также применяются соосные лопасти несущих винтов.

В настоящее время продолжается разработка улучшенных винтовых двигателей, однако они не могут конкурировать с турбовентиляторными или реактивными вариантами. Тем не менее, винтовые суда обладают некоторыми особенностями, которые позволяют использовать их для узкоспециализированных задач.

Штурмовики двухбалочной схемы с толкающим винтом БШ-МВ и Ш-218. СССР

При проектировании одномоторных штурмовиков в конце 30-х и начале 40-х годов, конструкторы столкнулись с проблемой обеспечения достаточно хорошего обзора вперед-вниз, используя традиционную схему компоновки. Для улучшения обзора пилота, одним из решений стала двухбалочная схема с фюзеляжем-гондолой, где мотор с толкающим винтом размещался в задней части.

Проект бронированного штурмовика БШ-МВ АМ-38 разработали А.А. Архангельский, Г.М. Можаровский и И.В. Веневидов в конце 1940 года. Идея создания самолета принадлежит Можаровскому и Веневидову — конструкторам завода № 32, авторам целого ряда разработок, связанных с вооружением: стрелковых турелей, прицелов, бомбардировочного вооружения, комбинированных стрелково-пушечных установок для штурмовиков с оружием, стреляющим под углом вниз от оси самолета, КАБВ (комбинированное артиллерийско-бомбардировочное вооружение). Для этого они экспериментировали со своими установками КАБВ на самолетах СБ 2М-103А, Як-2 2М-103 и пришли к выводу, что нужен специальный самолет-штурмовик, основу наступательного вооружения которого составит их комбинированная стрелково-пушечная установка. К проектированию штурмовика БШ-МВ привлекли конструктора А.А. Архангельского и возложили на него руководство работами. Здесь проблема обзора решалась достаточно успешно (был обеспечен угол обзора вперед-вниз около 15°), но возникали трудности другого рода, связанные с безопасным покиданием самолета лётчиком в полёте и обеспечением огневой защиты задней полусферы. Эксплуатация самолета с размещенным в хвосте винтом также вызывала сомнения. До начала ВОВ был построен макет самолёта.

Самолёт БШ-МВ

В марте 1948 года главный конструктор ОКБ-21С.М. Алексеев предъявил эскизный проект двухместного бронированного штурмовика И-218(Ш-218). По компоновочной схеме самолет напоминал БШ-МВ — двухбалочный с толкающей установкой поршневого двигателя ВД-251 (М-251) мощностью около 2000 л.с. Х-образной схемы, с соосными винтами АВ-28 диаметром 3,6 м. Крыло было со стреловидностью 16° по передней кромке, задняя — прямая. В конструкции была применена новая сталь 30 ХГСНА (с добавкой никеля, допускала глубокий прокал).

Мотор, размещенный в ХЧФ с толкающим винтом, не нашел практического применения из-за невозможности обеспечить безопасность при посадке на больших углах атаки и наземной эксплуатации. Однако наличие хорошо отработанных катапультных сидений решало проблему безопасного покидания машины летчиком.

Самолет Ш-218

Схема штурмовика с передней кабиной обеспечивала летчику отличный обзор вперед-вниз (около 15°), а передняя часть фюзеляжа освобождала место для установки пушек, подвижных в вертикальной плоскости с углом отклонения 25° вниз, что позволяло вести прицельный огонь по наземным целям в горизонтальном полёте. Эти пушки могли быть в следующих вариантах: четыре НР-23 (4 × 150 снарядов), две Н-37 (2 × 40 снарядов) и две Н-57 (2 × 30 снарядов). В носовой части фюзеляжных балок располагались автоматические наружные ракетные установки (три реактивных орудия ОРО-132).

Ш-218 отличался от БШ-МВ наличием двух дистанционно управляемых боковых турельных установок с пулеметами БТ калибра 12,7 мм на внешних бортах балок. Это гарантировало защиту самолета, но были некоторые проблемы с его эксплуатацией.

В центроплане находились шесть бомб весом по 100 кг или несколько меньших, общий вес которых мог достигать 1500 кг. Также возможна была подвеска торпеды или бомбы весом до 1500 кг под фюзеляжем.

Для управления рулевыми поверхностями и элеронами используются отдельные системы для правой и левой половин самолета, что позволяет сохранить управляемость при повреждении одной из них.

21 июня 1948 года вышел приказ № 440с министра авиационной промышленности, согласно которому надлежало ликвидировать ОКБ при заводе № 21. Тем же приказом из плана опытных работ было исключено строительство экспериментального штурмовика Ш-218, хотя уже был построен макет самолёта.

5 ноября 1949 года на заседании Авиационно-технического комитета (АТК) ВВС по вопросу «О планах опытного строительства летательных аппаратов, поршневых и реактивных двигателей и НИР в этих областях на 1950-51 гг.»

По словам генерал-майора ИАС Н.А. Жемчужина, он отметил, что: С.М. Алексеев обратился 19 февраля 1951 года с письмом в ВВС и попросил вернуться к рассмотрению проекта. Председатель АТК ВВС Б.Н. Пономарёв считал, что строить Ш-218 нецелесообразно в связи с тем, что лётные данные его были хуже, чем у Ил-10. Отмечалось отсутствие бомб (только в перегрузочном варианте), слабое бронирование, невозможность разборки самолёта для его транспортировки. Зато по стрелково-пушечному и ракетному вооружению, а также по дальности полёта Ш-218 превосходил Ил-10.

Некоторые соображения по поводу деревянных воздушных винтов

В век аэрокосмических технологий, казалось бы, не должно остаться места одному из первых авиационных конструкционных материалов – древесине. Даже современные «слашники» в подавляющем большинстве эксплуатируют пластиковые воздушные винты, а также пластиковые, металлические или металлокомпозитные лопасти роторов вертолетов и автожиров. Но мы живем в экзотических странах – осколках бывшего СССР, по уровню образования приближающихся к европейским, а по уровню жизни находящихся в хвосте слаборазвитых стран африканского континента. Эта метаморфоза и определила «СНГовскую» специфику «слашников» – голь на выдумки хитра. Весь мировой опыт развития авиации основан на крови. Здесь каждый новый шаг – как у сапера на минном поле. Неспроста требования к авиадвигателям жестче, чем к моторам, устанавливаемым на наземном транспорте. Но реалии нашей жизни таковы, что за неимением возможности приобрести сертифицированные двигатели для СЛА многие хозяева мотодельтапланов, автожиров и самолетов устанавливают авиаконверсии автомобильных двигателей («Субару», «Судзуки» и т. п.). И зачастую успешно эксплуатируют их. Тем более, что современные авиационные версии этих двигателей по удельным параметрам лучше авиационных, устанавливаемых на легкие самолеты 30-х – 50-х годов. Если грамотно следить за конверсионной силовой установкой и аккуратно летать, наш «СНГовский» подход на данном этапе оправдан. Логична в такой ситуации и установка моноблочных деревянных двухлопастных винтов на эти СУ. Все верно. Дешевой силовой установке – дешевый и надежный, отработанный почти за 100 лет моноблочный деревянный воздушный винт.

В этой ситуации есть некоторые проблемы. Конверсионные двигатели изнашиваются по-разному, а условия эксплуатации неодинаковы. Поэтому моноблочный винт не всегда может «попасть в точку» с первой попытки — он может быть либо слишком легким, либо слишком тяжелым. Покупка двух моноблочных винтов не имеет смысла — лучше купить один «переставник» с пластиковыми лопастями. Однако, этот вариант не всегда работает из-за специфических моментных характеристик, и установка пяти-шестилопастных винтов может быть слишком дорогой. Поэтому для каждого случая нужен индивидуально подобранный воздушный винт. Однако, делать оснастку для пластикового винта для каждой силовой установки не всегда возможно, так как это слишком дорого.

Мысль реанимировать конструкционный материал конца 30-х – начала 40-х годов – прессованную древесину (дельтадревесину) в конструкции деревянных винтов приходила мне давно. Но уж очень трудно обрабатывать без специального станочного оборудования заготовки из дельтадревесины. Хотя механические характеристики ее весьма отменные: sизг. = 26–38 кг/мм2, sb = 22–32 кг/мм2 при плотности g = 1,3–1,4 г/см3.

Решено использовать эпоксидные смолы в качестве связующего материала и изготавливать основу лопасти из твердых пород древесины (ясень, бук) толщиной 0,65-0,75 мм, формовка производится под вакуумом. Лопасть выклеивается совместно с металлическим стаканом в заделке. Меньшая материалоемкость позволяет получить двухлопастный винт фиксированного шага по цене моноблочного двухлопастного.

Другой хитростью, упростившей процесс изготовления, была универсальная переналаживаемая матрица, которая позволяла формовать лопасти для винтов в диапазоне от 1,2 до 2,5 метра диаметром с любой круткой (т. е. винты правого либо левого вращения). В процессе вакуумной опрессовки пакета шпона и полимеризации связующего листы шпона пропитываются насквозь. Так, sизг. = 15–22 кг/мм2, sb = 16–20 кг/мм2, sсм = 620–650 кг/см2, sсреза = 150–220 кг/см2.

Даже при небольшой толщине концевых сечений, лопасть остается очень жесткой. Благодаря высоким механическим свойствам, диаметр стакана лопасти для трехлопастных винтов составляет 55 мм, что соответствует заделке комля обычного пластикового винта. В то же время, комплект деревянных лопастей стоит дешевле, чем комплект аналогичных пластиковых.

А теперь немного о преимуществах деревянных винтов перед современными пластиковыми. Особенно это касается дельталетов (где кончик винта находится от земли на высоте 0,4–0,5 м) и автожиров, выполненных по толкающей схеме. При попадании посторонних предметов (грязь, водяные брызги, мелкая галька) пластиковые лопасти очень быстро «размочаливаются» (несмотря на хваленое антиабразивное покрытие) до неремонтопригодного состояния. Деревянные же лопасти зачастую отремонтировать удается, и служат они дольше. Кроме того, для СЛА, требующих установки винтов фиксированного шага диаметром 2–2,5 м, альтернативных пластиковых просто нет.

В настоящее время разрабатывается втулка для аэромеханических винтов с диаметром 1,7-2,5 метра, а также производятся двух- и трехлопастные деревянные винты.

Это особенно актуально для разработчиков автожиров, где требуется высокая статическая тяга. В настоящее время мы проектируем лопасть для автожиров, которая будет изготовлена по уже отработанной технологии. Лонжерон – прессованный шпон (ясень), обшивка – стеклопластик.

Описание воздушного винта

Механизм воздушного винта самолета представляет собой набор лопастей, которые вращаются вокруг вала двигателя, создавая тягу, необходимую для передвижения летательного аппарата в воздухе. Лопасти вина наклоняются, чтобы отбрасывать воздух назад и создавать область пониженного давления перед собой и повышенного давления позади себя. Это устройство знакомо практически всем людям на земле, поэтому нет необходимости в многочисленных наукообразных определениях. Винт состоит из лопастей, втулки, соединенной с двигателем, балансировочных грузиков, механизма изменения шага винта и обтекателя, закрывающего втулку.

Характеристики воздушных винтов

Характеристики каждого винта, установленного на летательном аппарате, перечислены ниже:

• Диаметр винта.
• Геометрический шаг — это расстояние, которое пройдет винт при врезании в теоретическую твердую поверхность за один оборот.
• Поступь – фактическое расстояние, проходимое винтом за один оборот. Очевидно, что эта величина зависит от скорости и от частоты вращения.
• Угол, под которым устанавливаются лопасти винта, определяется как угол между плоскостью и его фактическим наклоном.
• Современные лопасти обычно имеют саблеобразную форму с изгибом.
• Обычно профиль лопастей имеет форму крыла.
• Геометрическое расстояние между передней и задней кромками лопасти — средняя хорда.
• Основной параметр воздушного винта самолета — тяга, которая определяет его необходимость.

Технические параметры лопастных винтов

Наиболее весомые характеристики винтов, от которых зависит сила тяги и сам полет, конечно же, шаг винта и его диаметр. Шаг – это расстояние, на которое может переместиться винт за счет ввинчивания в воздух за один полный оборот. До 30-х годов прошлого века использовались винты с постоянным шагом вращения. Только в конце 1930-х годов практически все самолеты оснащались пропеллерами со сменным шагом вращения

Параметры винтов:

• Диаметр окружности винта – это размер, который описывают законцовки лопастей при вращении.
• Поступь винта – реальное расстояние, проходящее винтом за один оборот. Данная характеристика зависит от скорости движения и оборотов.
• Шаг пропеллера — это расстояние, которое пройдет винт за один оборот в твердой среде. В воздухе лопасти пропеллера скользят.
• Угол установки и положения лопастей винта определяется наклоном сечения лопасти к плоскости вращения. Измерение угла поворота происходит в сечении, где находится крутка лопастей, которая находится на 2/3 длины лопасти.
• Лопасти пропеллера имеют переднюю – режущую – и заднюю кромки. Сечение лопастей имеет профиль крыльевого типа. В профиле лопастей имеется хорда, которая имеет относительную кривизну и толщину. Для повышения прочности лопастей винта используют хорду, которая имеет утолщение к корню пропеллера. Хорды сечения находятся в разных плоскостях, поскольку лопасть изготовлена закрученной.
• Основной параметр гребного винта — его шаг, который зависит от угла установки лопастей. Шаг измеряется в единицах расстояния за один оборот. Чем больше шаг, тем больше объем отбрасывается лопастью, но это приводит к дополнительным нагрузкам на установку и снижению количества оборотов. Современные летательные аппараты могут изменять наклон лопастей без остановки двигателя.

Преимущества и недостатки воздушных винтов

Современные самолеты с винтовыми двигателями имеют коэффициент полезного действия в 86%, что делает их популярными в авиастроении. Также стоит отметить, что турбовинтовые самолеты экономичнее, чем реактивные. Однако, винтовые двигатели имеют некоторые ограничения в эксплуатации и конструкции.

«Эффект запирания» возникает при увеличении диаметра винта или оборотов, при этом тяга не увеличивается. Это связано с наличием сверхзвуковых или околозвуковых потоков воздуха на лопастях пропеллера. Этот эффект ограничивает скорость летательных аппаратов с винтами до 700 км/час. Ту-95 – самый быстрый летательный аппарат с винтами, развивающий скорость в 920 км/час.

Еще одним недостатком винтов выступает высокая шумность, которая регламентируется мировыми нормами ICAO. Шум от винтов не вписывается в стандарты шумности.