Воздушный винт

ВОЗДУШНЫЙ ВИНТ, лопастный движитель, преобразующий мощность двигателя в тягу винта ЛА, необходимую для преодоления сопротивления при движении. Устанавливается на самолётах, автожирах, винтокрылах, дирижаблях и других типах ЛА, а также на аппаратах на воздушной подушке, аэросанях и др. В России созданы воздушные винты диаметром D = 0,5-6,2 м с числом лопастей k = 2-14. Воздушный винт (рис. 1) состоит из лопастей и втулки. Втулка служит для крепления лопастей и передачи крутящего момента от вала двигателя. Основная рабочая часть воздушного винта - лопасть, имеющая вдоль размаха различные профили в поперечном сечении и крутку (переменные углы установки сечений лопасти к плоскости вращения). В полёте воздух набегает на каждое элементарное сечение лопасти, расположенное на текущем радиусе r, под некоторым углом атаки со скоростью, получаемой в результате сложения поступательной скорости ЛА, окружной скорости вращения лопастей и вызванной работой самого воздушного винта дополнительной (индуктивной) скорости потока. При этом на элементе лопасти шириной Δr возникают подъёмная сила и сила аэродинамического сопротивления, которые в сумме образуют равнодействующую аэродинамическую силу. Эффективность воздушного винта в качестве движителя определяется полётным кпд, который для современных ЛA при полёте с крейсерской скоростью составляет 0,85-0,9.

По способу установки лопастей воздушные винты подразделяются на винты неизменяемого (ВНШ), фиксированного (ВФШ) и изменяемого (ВИШ) шага. Шаг воздушного винта определяется углом установки лопасти к плоскости вращения винта на условном радиусе 0,75R, где R - радиус воздушного винта. ВНШ имеют обычно две лопасти, которые не поворачиваются вокруг своих осей. Лопасти ВФШ могут быть установлены под необходимым углом перед полётом, но во время работы они не поворачиваются. ВНШ и ВФШ устанавливаются на лёгких и сверхлёгких ЛА. Угол установки лопастей ВИШ можно изменять в полёте. Это необходимо для обеспечения эффективной работы воздушного винта, поскольку на взлёте и при полёте с крейсерской скоростью шаг лопастей должен быть разным. ВИШ могут быть флюгерными или флюгерно-реверсивными. При остановке двигателя в полёте лопасти флюгерного воздушного винта могут устанавливаться по направлению потока для уменьшения сопротивления воздушного винта. Флюгернореверсивный воздушный винт может создавать силу торможения (отрицательную тягу), обеспечивающую сокращение длины пробега при посадке и маневрирование самолёта на земле.

По конструкции (рис. 2) воздушные винты подразделяются на одиночные, соосные, двухрядные, воздушные винты в кольце и винтовентиляторы. Одиночный воздушный винт имеет один ряд лопастей (рис. 2 а). Соосный воздушный винт состоит из двух одиночных, расположенных один за другим на соосных валах, вращающихся в противоположных направлениях (рис. 2б). У двухрядного воздушного винта, в отличие от соосного, одиночные винты вращаются в одном направлении. Воздушный винт в кольце имеет профилированное кольцо для создания дополнительной тяги, эффективен на скоростях до 200 км/ч (рис. 2 в). Винтовентиляторы отличаются большим числом широких тонких саблевидных лопастей (рис. 2г), у которых неблагоприятное влияние сжимаемости воздуха, как и на стреловидных крыльях, наблюдается при больших скоростях полёта. Это позволяет при скорости 800 км/ч и более сохранить высокий кпд, обеспечить экономию топлива (по сравнению с турбореактивными двухконтурными двигателями) и низкий уровень шума.

В зависимости от размещения на ЛА различают тянущие и толкающие воздушные винты. Тянущий воздушный винт расположен перед двигателем в передней части фюзеляжа ЛА или гондолы двигателя, является основным движителем винтовых самолётов. Толкающий ВВ размещён за двигателем в хвостовой части фюзеляжа ЛА или гондолы двигателя и находится в возмущённом потоке, но при этом снижается уровень шума в кабине ЛА.

Методы аэродинамического расчёта и проектирования воздушных винтов основаны на обширных теоретических и экспериментальных исследованиях. В 1892-1910 годах С. К. Джевецкий разработал теорию изолированного элемента лопасти, а в 1910-11 годах российские учёные Б. Н. Юрьев и Г. Х. Сабинин развили эту теорию. В 1912-15 годах Н. Е. Жуковский создал вихревую теорию, дающую точное физическое представление о работе воздушного винта. Исследования по аэродинамике и прочности воздушного винта проводятся также в ЦАГИ. Большой вклад в разработку теории, методов расчёта и проектирование воздушных винтов внесли С. Ш. Бас-Дубов, Б. П. Бляхман, В. П. Ветчинкин, К. И. Жданов, Г. М. Заславский, М. В. Келдыш и др.

Лит.: Юрьев Б.Н. Воздушные винты. М.; Л., 1933; Жуковский Н. Е. Вихревая теория гребного винта // Жуковский Н. Е. Полн. собр. сочинений М.; Л., 1937. Т. 6; Ветчинкин В. П., Поляков Н. Н. Теория и расчет воздушного гребного винта. М., 1940; Александров В. Л. Воздушные винты. М., 1951; Франкль Ф. И. Избранные труды по газовой динамике. М., 1973; ЦАГИ. Основные этапы научной деятельности, 1918-1968 годы М., 1976.