Недостатки ВФШ и переход к ВИШ

Винт с жестко закрепленными лопастями, угол установки которых в полете не изменяется, называется винтом фиксированного шага (ВФШ). Основным недостатком такого винта является то, что он работает с достаточно высоким КПД только на одном расчетном режиме. При изменении режима полета, то есть при изменении поступи, КПД винта фиксированного шага сильно изменяется. Есть и другой недостаток у такого винта — он снимает всю мощность двигателя Ne только на одном расчетном режиме. На всех других режимах он берет от двигателя меньшую мощность. В самом деле, если винт подобран на режим Vmax, то при переходе, например, к взлетному режиму углы атаки элементов такого винта растут, вместе с этим увеличиваются силы окружного сопротивления и момент сопротивления вращению винта.

Как принято говорить, винт становится в этом случае аэродинамически тяжелым и двигатель не в состоянии вращать его с прежними оборотами. Поэтому частота вращения такого винта (значит, и двигателя) на нерасчетных режимах будет уменьшаться. Следовательно, развиваемая двигателем и передаваемая винту мощность будет уменьшаться. Этот же результат будет иметь место, если за расчетный режим будет взята, наоборот, взлетная скорость.

На режиме Vmax углы атаки всех элементов лопасти уменьшаются, в результате чего уменьшаются силы окружного сопротивления и момент сопротивления вращению винта. Как принято говорить, в этом случае винт фиксированного шага оказывается аэродинамически легким и поэтому он начнет увеличивать частоту вращения (пойдет на разгон). Из-за больших динамических нагрузок у двигателя такое увеличение частоты вращения не допускается. Поэтому в случае подбора винта на взлетную скорость при переходе на большие скорости полета приходится двигатель дросселировать, то есть уменьшать развиваемую им мощность. Таким образом, винт фиксируемого шага снимает всю мощность двигателя только на одном расчетном режиме и использует меньшую мощность на всех других режимах.

Можно кратко отметить и другие недостатки ВФШ. Они состоят в том, что характер изменения потребляемой винтом мощности значительно отличается от изменения ее у двигателя. Так, мощность, потребляемая винтом, пропорциональна кубу частоты вращения, а у двигателя (поршневого) пропорциональна частоте вращения в степени меньше единицы; мощность двигателя почти не зависит от скорости полета, а у винта при изменении скорости (поступи) сильно изменяется коэффициент потребляемой мощности р, значит, и сама мощность N; у винта с подъемом на высоту потребляемая мощность уменьшается пропорционально плотности, а у двигателя она падает быстрее.

Все эти обстоятельства затрудняют согласованную работу двигателя и винта, что приводит к значительному снижению КПД и мощности на всех режимах, кроме расчетного.
Преимуществом ВФШ является простота конструкции и относительно малая, масса. Этот винт достаточно удовлетворительно работает при сравнительно малой мощности двигателя и малом диапазоне скоростей полета. Поэтому в настоящее время эти винты устанавливаются на моторных дельтапланах с двигателями малой мощности.

Постоянство частоты вращения винта и двигателя повышает надежность и устойчивость работы двигателя вследствие постоянства его тепловых и газодинамических процессов и динамических нагрузок. С ростом мощности двигателей на мотодельтапланах и создания мускулолетов, где недопустимы потери в мощности, возникла необходимость в переходе к винтам изменяемого шага (ВИШ). На практике принято изменять углы установки лопастей так, чтобы частота вращения оставалась постоянной (rts=const) независимо от изменения скорости и высоты полета. Очень легкий автомат с электронным управлением ВИШ установлен на аппарате «Солар Челленджер». Оптимальный шаг винта зависит от солнечного излучения и параметров окружающей среды.

При постоянстве полной мощности двигателя и частоты вращения у ВИШ-автомата при неизменной высоте полета оказывается постоянным и коэффициент потребляемой винтом мощности (P=const). Поэтому его характеристикой на серийной диаграмме является линия, параллельная оси абсцисс.
Можно представить и такой винт изменяемого шага, у которого КПД менялся бы в зависимости от поступи таким образом, чтобы при любом угле установки лопасти ф он был бы наибольшим (линия О — О). Такой винт называется оптимальным.

У оптимального винта коэффициент потребляемой им мощности р зависит от поступи к. Из приведенных формул следует, что такой винт должен, помимо переменного угла установки лопастей, иметь еще или переменную частоту вращения, или переменный диаметр. Конструктивные затруднения, связанные с осуществлением переменной редукции от двигателя к винту и переменного диаметра винта изменяемого шага, до настоящего времени не позволили создать оптимальный винт.

Увеличение количества лопастей не только усложняет конструкцию винта, но и снижает его КПД. Причина — в неблагоприятном взаимном влиянии лопастей друг на друга. Идеальный винт с точки зрения аэродинамики должен иметь одну лопасть. Но, с другой стороны, увеличение количества лопастей позволяет несколько уменьшить диаметр винта. Увеличение количества лопастей на ВФШ увеличивает лобовое сопротивление аппарата при планировании с остановленным двигателем. 

Смотрите также

Летные испытания. Что это такое?
Для автора это 34 лучших, напряженных, активных года жизни. А если более объективно, то это часть процесса создания самолета, причем значительная часть, как по времени, так и по материальным затра ...

Авиационное дело 1946 года
История, как известно, многолика и многогранна. После той, красивой, что рассказана в предыдущем очерке, откроем ее мрачную и позорную страницу. А куда мы от них денемся? Как уже говорилось, в 1941 ...

Жигарев П.Ф.
Главный маршал авиации Жигарев Павел Федорович. Родился 19 ноября 1900 года в д. Бриково Тверской области. В армии с 1919 года. В 1922 году окончил кавалерийскую школу, в 1927 году - военную школу лет ...