книги из ГПНТБ / Лигум Т.И. Некоторые особенности аэродинамики турбовинтового самолета [учебное пособие]

1000 км/час значительно выше, чем у турбореактивного двигателя. Удельный расход топлива (расход на \ л. с. в час) у турбовинтово­ го двигателе в этом же диапазоне скоростей в 2—3 раза меньше (рис. 2). Для современного турбовинтового двигателя удельный

Область наивыгоднейшего применения самолетов с турбовинто­ выми двигателями составляет от 500 до 900 км/час. При этом дости­ гается максимальная экономичность и, как следствие, наибольшая дальность полета.

Крейсерская высота полета турбовинтовых самолетов может изменяться в сравнительно широких пределах: от 5000—6000 м до 10000—11000 м. Однако чем больше будет высота полета, тем мень­ ше расход топлива и выше дальность полета.

§ 1. РАБОТА ВОЗДУШНОГО ВИНТА И СОЗДАНИЕ ТЯГИ

Ввиду того, что обороты турбовинтового двигателя достигают 8000—15000 об/мин, а число оборотов воздушного винта не должно превышать 800—1200 об/мин, применяются понизи­

даваемая мощность, принятый закон регулирования двигателя,— значительно отличают условия работы воздушного винта на тур­ бовинтовом самолете от условий работы винта на самолете с поршневым двигателем.

Современные винты обычно имеют переменный шаг вдоль лопа­ сти. Это объясняется тем, что винт с переменным шагом аэродина­ мически выгоднее винта с постоянным шагом. При постоянном шаге сечения лопасти набегают на ' воздух под разными углами атаки. Переменный же шаг позволяет конструировать винт так, чтобы все сечения лопасти набегали на воздух примерно под одина­ ковым углом атаки, который при определенной скорости полета будет наивыгоднейшим.

За шаг винта условно считают шаг сечения, отстоящего от оси винта на расстоянии г =0,75R (где R — радиус винта) или на рас­ стоянии 1600 мм. В этом же условном сечении рассматриваются характерные углы установки лопастей.

Для винта АВ-68И, установленного на самолете Ил-18, услов­ ное сечение находится на расстоянии 1600 мм от оси винта.

Сила тяги, развиваемая при вращении винтом, создается вслед­ ствие того, что лопасти винта отбрасывают воздух с некоторой

5

скоростью. Для получения определенной силы тяги можно малую массу воздуха отбрасывать с большой скоростью, имея малый диаметр винта и большое число оборотов, или большую массу воздуха отбрасывать с малой скоростью большим диаметром винта и малым числом оборотов.

Принцип работы лопасти винта такой же, как и крыла, он основан на создании аэродинамической силы при обтекании воздушным потоком. Физическая картина возникновения аэроди­ намических сил на лопастях винта та же, что и.на крыле: они являются результатом несимметричного обтекания лопастей воз­

духом. Отличие заключается только в форме движения: крыло совер­ шает поступательное движение, а лопасть — вращательно-поступа­ тельное. Для профиля лопасти ха­ рактерны следующие элементы, по­ казанные на рис. 3.

Для определения тяги, созда­ ваемой воздушным винтом, рас­ смотрим работу элемента лопасти на земле и в полете (рис. 4). Этот элемент можно рассматривать как маленькое крыло, движущееся со скоростью W при угле атаки а. На­ помним, что углом атаки лопасти называется угол, составляемый хордой элемента лопасти и напра­ влением результирующей скорости, т. е. направлением движения ло­ пасти относительно воздуха. Так

как направление результирующей скорости в каждом отдельном случае зависит от поступательной и окружной скорости, то и угол атаки зависит от соотношения их величин.

На выбранном элементе лопасти, так же как и на крыле, при

набегании воздушного потока действует сила AR. Равнодействую­ щая сила AR может быть разложена на подъемную силу АУ, дейст­ вующую под прямым углом к скорости, и лобовое сопротивление AQ, направленное по скорости W, но действующее в обратную сто­ рону. В применении к винту нас интересует, прежде всего, тяга элемента лопасти АР и сопротивление вращению элемента AQ. Сила тяги элемента лопасти АР представляет собой проекцию силы AR на направление, параллельное оси винта, а сила сопротивления AQ — проекцию на плоскость вращения рассматриваемого элемен­ та лопасти. Если сложить все элементарные силы тяги, то получим общую силу тяги, создаваемую воздушным винтом Р. А все элемен­ тарные силы сопротивления вращению при сложении дадут общую силу сопротивления лопасти вращению — Q. Эту силу принято на­ зывать тормозящей.

Итак, мы рассмотрели работу винта в полете с некоторой ско­

6

ростью V, окружной скоростью U при определенном угле установ­ ки лопасти ср. Сила тяги Р при прочих равных условиях будет опре­ деляться углом наклона полной аэродинамической силы R, которая зависит от угла установки ф, оборотов (окружной скорости U), скорости полета V.

У ТВД принят следующий закон регулирования: обороты от режима 0,2 N или близкого к нему до режима номинальной и взлет­

ной мощности остаются постоянными. В этом диапазоне режимов с изменением мощности двигателя изменяется угол установки ло-

сопротивление элемента лопасти; ДУ Эл — подъемная сила элемента лопасти.

пастей винта. До режима 0,2 N с изменением мощности происхо­ дит увеличение или уменьшение оборотов при неизменном угле установки лопастей винта.

Управление турбовинтовым двигателем осуществляется одним

рычагом — сектором подачи топлива в двигатель. Независимого управления положением лопастей винта нет, и изменение углов

установки лопастей на рабочих режимах производит регулятор постоянных оборотов. Поэтому экипаж ни в полете, ни на земле непосредственно управлять изменением установочных углов не может.

Рабочий диапазон углов отклонения винтов ТВД гораздо боль­ ше, чем у винтов поршневых двигателей, у которых угол минималь­

7

При работе винта на земле, когда поступательная скорость отсутствует, сила тяги зависит от числа оборотов, угла установки и плотности воздуха. Если подача топлива соответствует режиму малого газа, то обороты будут меньше номинальных расчетных, а угол установки — вследствие небольшой подводимой мощности от турбины — минимальным, т. е. равным фо.

Например, для двигателя АИ-20, устанавливаемого на самолеты Ил-18, обороты малого газа составляют 10300 об/мин, а окружная

Т1=180русек

Рис. 5. Работа винта при различных подачах топлива на земле: 1) Положе­ ние лопастей на запуске после выхода двигателя на малый газ. 2) Увеличение окружной скорости при возросшей подаче топлива. 3) Увеличение угла установки лопасти за счет возросшей подачи топлива ф > 0°. 4) Положение лопасти при максимальной подаче топлива, угол ф достиг максимального значения. 5) При резком уменьшении подачи топлива угол установки уменьшается до угла проме­ жуточного упора и винт начинает работать как фиксированный. 6) При дальней­ шем снижении режима начинают падать обороты при положении лопастей винта

на промежуточном упоре, винт становится тяжелым для данного режима.

При этом тяга винта составит от 100 до 120 кг.

Увеличение подачи топлива вызовет рост мощности на турбине, и обороты при неизменном угле установки постепенно возрастут до расчетных (для АИ-20—12300 об/мин). При этом окружная ско­ рость U будет:

и = 3,14' 1230° ' 1,6 = 180 м/сек, 30-11,45

а тяга винта за счет возросших оборотов увеличится до 150—200 кг. При этом подводимый к винту от турбины двигателя момент урав­ новешивается моментом от сил сопротивления вращению при по­ ложении лопастей винта на угле ф0.

8