Курсовая работа по проектированию. Расчёт взлётной массы и компоновки вертолёта Подъемная сила воздушного винта в кг

ФИЗИКА НЕСУЩЕГО ВИНТА

Великолепная машина - вертолет! Замечательные качества делают ее незаменимой в тысячах случаев. Только вертолет способен вертикально взлетать и садиться, неподвижно висеть в воздухе, двигаться боком и даже хвостом вперед.

Отнуда такие замечательные возможности? Какова физика его полета7 Попытаемся кратко ответить на эти вопросы.

Винт вертолета создает подъемную силу. Лопасти винта - это те же нрылья. Установленные под определенным углом к горизонту, они в потоке набегающего воздуха ведут себя подобно крылу: под нижней плоскостью лопастей возникает давление, над ней - разрежение. Чем больше эта разница, тем больше подъемная сила. Когда подъемная сила превышает вес вертолета, он взлетает, если же дело происходит наоборот - вертолет снижается.

Если на самолетном крыле подъемная сила возникает лишь при движении самолета, то на «крыле» вертолета она появляется и тогда, когда вертолет стоит на месте: «крыло»-то движется. В этом главное.

Но вот вертолет набрал высоту. Теперь ему надо лететь вперед. Как это сделать? Винт-то создает тягу только вверх! Заглянем в этот момент в кабину пилота. Он отклонил ручку управления от себя. Вертолет слегка накренился на нос и полетел вперед. Почему?

Ручка управления связана с остроумным устройством - автоматом переноса. Этот механизм, чрезвычайно удобный для управления вертолетом, был изобретен еще в студенческие годы академиком Б. Н. Юрьевым. Устройство его довольно сложно, а назначение таково: дать возможность летчику по желанию изменять угол наклона лопастей к горизонту.

Нетрудно понять, что во время горизонтального полета вертолета наждая из его лопастей движется относительно окружающего воздуха с разной скоростью. Та лопасть, которая идет вперед, движется навстречу потоку воздуха, а поворачивающаяся назад - по потоку. Поэтому скорость лопасти, а вместе с ней и подъемная сила будут выше тогда, когда лопасть движется вперед. Винт будет стремиться перевернуть вертолет набок.

Чтобы этого не произошло, нонструнторы соединили лопасти с осью подвижно, на шарнирах. Тогда идущая вперед лопасть с большей подъемной силой начала взмывать, взмахивать. Но это движение уже не передавалось на вертолет, он летел спокойно. Благодаря маховому движению лопасти ее подъемная сила на протяжении оборота оставалась постоянной.

Однако это не решало задачи движения вперед. Ведь нужно изменить направление силы тяги винта, заставить вертолет перемещаться по горизонтали. Это позволил сделать автомат перекоса. Он непрерывно изменяет угол установки каждой лопасти винта, так что наибольшая подъемная сила возникает приблизительно в заднем секторе его вращения. Равнодействующая сила тяги несущего винта наклоняется, и вертолет, также наклоняясь, начинает двигаться вперед.

Далеко не сразу был создан такой надежный и удобный аппарат управления вертолетом. Не сразу возникло и устройство для управления направлением полета.

Вы, конечно, знаете, что у вертолета нет руля поворотов. Да он и не нужен винтокрылой машине. Его заменяет маленький воздушный винт, установленный на хвосте. Попробовал бы пилот выключить его - вертолет повернулся бы и сам. Да так повернулся, что стал бы вращаться все быстрей в сторону, противоположную вращению несущего винта. Это следствие реактивного момента, возникающего при вращении несущего винта. Рулевой винт не позволяет хвосту вертолета развернуться под влиянием реактивного момента, уравновешивает его. А если надо, летчик усилит или ослабит тягу рулевого винта. Тогда вертолет повернется в нужном направлении.

Иногда совсем обходятся без рулевого винта, устанавливая на вертолетах два несущих винта, вращающихся навстречу друг другу. Реантивные моменты в этом случае, понятно, уничтожаются.

Так летает «воздушный вездеход» и неутомимый труженик - вертолет.

Вертолет - это винтокрылая машина, в которой подъемную силу и силу тяги создает винт. Несущий винт служит для поддержания и перемещения вертолета в воздухе. При вращении в горизонтальной плоскости несущий винт создает тягу(Т) направленную вверх, выполняет роль подъёмной силы(Y). Когда тяга несущего винта будет больше веса вертолета(G), вертолет без разбега оторвется от земли и начнет вертикальный набор высоты. При равенстве веса вертолета и тяги несущего винта вертолет будет неподвижно висеть в воздухе. Для вертикального снижения достаточно тягу несущего винта сделать несколько меньше веса вертолета. Поступательное движение вертолета(P) обеспечивается наклоном плоскости вращения несущего винта при помощи системы управления винтом. Наклон плоскости вращения винта вызывает соответствующий наклон полной аэродинамической силы, при этом ее вертикальная составляющая будет удерживать вертолет в воздухе, а горизонтальная — вызывать поступательное перемещение вертолета в соответствующем направлении.

Рис 1. Схема распределения сил

Конструкция вертолета

Фюзеляж является основной частью конструкции вертолета, служащей для соединения в одно целое всех его частей, а также для размещения экипажа, пассажиров, грузов, оборудования. Он имеет хвостовую и концевую балки для размещения хвостового винта вне зоны вращения несущего винта,и крыла (на некоторых вертолетах крыло устанавливается с целью увеличения максимальной скорости полета за счет частичной разгрузки несущего винта (МИ-24)).Силовая установка(двигатели) является источником механической энергии для приведения во вращение несущего и рулевого винтов. Она включает в себя двигатели и системы, обеспечивающие их работу (топливную, масляную, систему охлаждения, систему запуска двигателей и др.). Несущий винт(НВ) служит для поддержания и перемещения вертолета в воздухе, и состоит из лопастей и втулки несущего винта. Рулевой винт служит для уравновешивания реактивного момента, возникающего при вращении несущего винта, и для путевого управления вертолетом. Сила тяги рулевого винта создает момент относительно центра тяжести вертолета, уравновешивающий реактивный момент несущего винта. Для разворота вертолёта достаточно изменить величину тяги рулевого винта. Рулевой винт так же состоит из лопастей и втулки. Управление несущим винтом производится при помощи специального устройства, называемого автоматом перекоса. Управление рулевым винтом производится от педалей. Взлетно-посадочные устройства служат опорой вертолета при стоянке и обеспечивают перемещение вертолета по земле, взлет и посадку. Для смягчения толчков и ударов они снабжены амортизаторами. Взлетно-посадочные устройства могут выполняться в виде колесного шасси, поплавков и лыж

Рис.2 Основные части вертолета:

1 — фюзеляж; 2 — авиадвигатели; 3 — несущий винт (несущая система); 4 — трансмиссия; 5 — хвостовой винт; 6 — концевая балка; 7 — стабилизатор; 8 — хвостовая балка; 9 — шасси

Принцип создания подъемной силы винтом и система управления винтом

При вертикальном полете п олная аэродинамическая сила несущего винта выразится как произведение массы воздуха, протекающего через поверхность, сметаемую несущим винтом за одну секунду, на скорость уходящей струи:

где πD 2 /4 - площадь поверхности, ометаемой несущим винтом; V— скорость полета в м/сек; ρ — плотность воздуха; u — скорость уходящей струи в м/сек.

По сути сила тяги винта равна силе реакции при ускорении воздушного потока

Для того чтобы вертолет двигался поступательно, нужен перекос плоскости вращения винта, причем изменение плоскости вращения достигается не наклоном втулки несущего винта (хотя визуальный эффект может быть именно такой), а изменением положения лопасти в разных частях квандрантов описываемой окружности.

Лопасти несущего винта, описывая полный круг вокруг оси при его вращении, обтекаются встречным потоком воздуха по-разному. Полный круг - это360º . Тогда примем заднее положение лопасти за0º и далее через каждые90º полный оборот. Так вот лопасть в интервале от0º до180º - это лопастьнаступающая , а от180º до 360º -отступающая . Принцип такого названия, я думаю, понятен. Наступающая лопасть движется навстречу набегающему потоку воздуха, и суммарная скорость ее движения относительно этого потока возрастает потому что сам поток, в свою очередь, движется ей навстречу. Ведь вертолет летит вперед. Соответственно растет и подъемная сила.

Рис.3 Изменение скоростей набегающего потока при вращении винта для вертолета МИ-1 (средние скорости полета).

У отступающей лопасти картина противоположная. От скорости набегающего потока отнимается скорость, с которой эта лопасть как бы от него «убегает». В итоге имеем подъемную силу меньше. Получается серьезная разница сил на правой и левой стороне винта и отсюда явныйпереворачивающий момент . При таком положении вещей вертолет при попытке движения вперед будет иметь тенденцию к переворачиванию. Такие вещи имели место при первом опыте создания винтокрылых аппаратов.

Чтобы этого не происходило, конструктора применили одну хитрость. Дело в том, что лопасти несущего винта закреплены вовтулке (это такой массивный узел, насаженный на выходной вал), но не жестко. Они с ней соединены с помощью специальных шарниров (или устройств, им подобных). Шарниры бывают трех видов:горизонтальные, вертикальные и осевые.

Теперь посмотрим что же будет происходить с лопастью, которая подвешена к оси вращения на шарнирах. Итак, наша лопасть вращается с постоянной скоростью без каких-либо управляющих воздействий извне .

Рис. 4 Силы, действующие на лопасть, подвешенную ко втулке винта на шарнирах.

От0º до90º скорость обтекания лопасти растет, значит растет и подъемная сила. Но! Теперь лопасть подвешена на горизонтальном шарнире. В результате избыточной подъемной силы она, поворачиваясь в горизонтальном шарнире, начинает подниматься вверх (специалисты говорят «делаетвзмах »). Одновременно из-за увеличения лобового сопротивления (ведь скорость обтекания возросла) лопасть отклоняется назад, отставая от вращения оси винта. Для этого как раз и служит вертикальный шар-нир.

Однако при взмахе получается, что воздух относительно лопасти приобретает еще и некоторое движение вниз и, таким образом, угол атаки относительно набегающего потока уменьшается. То есть рост избыточной подъемной силы замедляется. На это замедление оказывает свое дополнительно влияние отсутствие управляющего воздействия. Это значит, что тяга автомата перекоса, присоединенная к лопасти, сохраняет свое положение неизменным, и лопасть, взмахивая, вынуждена поворачиваться в своем осевом шарнире, удерживаемая тягой и, тем самым, уменьшая свой установочный угол или угол атаки по отношению к набегающему потоку. (Картина происходящего на рисунке. ЗдесьУ - это подъемная сила,Х - сила сопротивления,Vy - вертикальное движение воздуха,α - угол атаки.)

Рис.5 Картина изменения скорости и угла атаки набегающего потока при вращении лопасти несущего винта.

До точки90º избыточная подъемная сила будет продолжать расти, однако из-за вышесказанного со все большим замедлением. После90º эта сила будет уменьшаться, но из-за ее присутствия лопасть будет продолжать двигаться вверх, правда все медленнее. Максимальную высоту взмаха она достигнет уже несколько перевалив за точку180º . Это происходит потому, что лопасть имеет определенный вес, и на нее действуют еще исилы инерции .

При дальнейшем вращении лопасть становится отступающей, и на нее действуют все те же процессы, но уже в обратном направлении. Величина подъемной силы падает и центробежная сила вместе с силой веса начинают опускать ее вниз. Однако при этом растут углы атаки для набегающего потока (теперь уже воздух движется вверх по отношению к лопасти), и растет установочный угол лопасти из-за неподвижности тягавтомата перекоса вертолета . Все происходящее поддерживает подъемную силу отступающей лопасти на необходимом уровне. Лопасть продолжает опускаться и минимальной высоты взмаха достигает уже где-то после точки0º , опять же из-за сил инерции.

Таким образом, лопасти вертолета при вращении несущего винта как бы «машут » или еще говорят «порхают». Однако это порхание вы, так сказать, невооруженным взглядом вряд ли заметите. Подъем лопастей вверх (как и отклонение их назад в вертикальном шарнире) очень незначительны. Дело в том, что на лопасти оказывает очень сильное стабилизирующее воздействие центробежная сила. Подъемная сила, например, больше веса лопасти в10 раз , а центробежная - в100 раз . Именно центробежная сила превращает на первый взгляд «мягкую» гнущуюся в неподвижном положении лопасть в жесткий, прочный и отлично работающий элемент несущего винта вертолета вертолета.

Однако несмотря на свою незначительность вертикальное отклонение лопастей присутствует, и несущий винт при вращении описывает конус, правда очень пологий. Основание этого конуса и естьплоскость вращения винта (см рис1.)

Для придания вертолету поступательного движения нужно эту плоскость наклонить, дабы появилась горизонтальная составляющая полной аэродинамической силы, то есть горизонтальная тяга винта. Иначе говоря, нужно наклонить весь воображаемый конус вращения винта. Если вертолету нужно двигаться вперед, значит конус должен быть наклонен вперед.

Исходя из описания движения лопасти при вращении винта, это означает, что лопасть в положении180º должна опуститься, а в положении0º (360º) должна подняться. То есть в точке180º подъемная сила должна уменьшиться, а в точке0º(360º) увеличиться. А это в свою очередь можно сделать уменьшив установочный угол лопасти в точке180º и увеличив его в точке0º (360º) . Аналогичные вещи должны происходить при движении вертолета в других направлениях. Только при этом, естественно, аналогичные изменения положения лопастей будут происходить в других угловых точках.

Понятно, что в промежуточных углах поворота винта между указанными точками установочные углы лопасти должны занимать промежуточные положения, то есть угол установки лопасти меняется при ее движении по кругу постепенно,циклично .Он так и называется циклический угол установки лопасти (циклический шаг винта ). Я выделяю это название потому, что существует еще иобщий шаг винта (общий угол установки лопастей). Он изменяется одновременно на всех лопастях на одинаковую величину. Обычно это делается для увеличения общей подъемной силы несущего винта.

Такие действия выполняетавтомат перекоса вертолета . Он изменяет угол установки лопастей несущего винта (шаг винта), вращая их в осевых шарнирах посредством присоединенных к ним тяг. Обычно всегда присутствуют два канала управления: по тангажу и по крену, а также канал изменения общего шага несущего винта.

Тангаж означает угловое положение летательного аппарата относительно его поперечной оси (нос вверх-вниз), акрен , соответственно, относительно его продольной оси (наклон влево-вправо).

Конструктивноавтомат перекоса вертолета выполнен достаточно сложно, но пояснить его устройство вполне можно на примере аналогичного узла модели вертолета. Модельный автомат, конечно, устроен попроще своего старшего собрата, но принцип абсолютно тот же.

Рис. 6 Автомат перекоса модели вертолета

Это двухлопастной вертолет. Управление угловым положением каждой лопасти осуществляется через тяги6 . Эти тяги соединены с так называемой внутренней тарелкой2 (из белого металла). Она вращается вместе с винтом и в установившемся режиме параллельна плоскости вращения винта. Но она может менять свое угловое положение (наклон), так как закреплена на оси винта через шаровую опору3 . При изменении своего наклона (углового положения) она воздействует на тяги6 , которые, в свою очередь, воздействуют на лопасти, поворачивая их в осевых шарнирах и меняя, тем самым, циклический шаг винта.

Внутренняя тарелка одновременно является внутренней обоймой подшипника, внешняя обойма которого - этовнешняя тарелка винта1 . Она не вращается, но может менять свой наклон (угловое положение) под воздействием управления по каналу тангажа4 и по каналу крена5 . Меняя свой наклон под воздействием управления внешняя тарелка меняет наклон внутренней тарелки и в итоге наклон плоскости вращения несущего винта. В итоге вертолет летит в нужном направлении.

Общий шаг винта меняется перемещением по оси винта внутренней тарелки2 при помощи механизма7 . В этом случае угол установки меняется сразу на обеих лопастях.

Для более лучшего понимания помещаю еще несколько иллюстраций втулки винта с автоматом перекоса.

Рис. 7 Втулка винта с автоматом перекоса (схема).

Рис. 8 Поворот лопасти в вертикальном шарнире втулки несущего винта.

Рис. 9 Втулка несущего винта вертолета МИ-8

Введение

Проектирование вертолета представляет собой сложный, развивающийся во времени процесс, разделяющийся на взаимосвязанные проектные стадии и этапы. Создаваемый летательный аппарат должен удовлетворять техническим требованиям и соответствовать технико-экономическим характеристикам, указанным в техническом задании на проектирование. Техническое задание содержит исходное описание вертолета и его летно-технические характеристики, обеспечивающие высокую экономическую эффективность и конкурентоспособность, проектируемой машины, а именно: грузоподъемность, скорость полета, дальность, статический и динамический потолок, ресурс, долговечность и стоимость.

Техническое задание уточняется на стадии предпроектных исследований, в ходе которых выполняются патентный поиск, анализ существующих технических решений, научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы. Основной задачей пред проектных исследований является поиск и экспериментальная проверка новых принципов функционирования проектируемого объекта и его элементов.

На стадии эскизного проектирования выбирается аэродинамическая схема, формируется облик вертолета и выполняется расчет основных параметров, обеспечивающих достижение заданных летно-технических характеристик. К таким параметрам относятся: масса вертолета, мощность двигательной установки, размеры несущего и рулевого винтов, масса топлива, масса приборного и специального оборудования. Результаты расчетов используются при разработке компоновочной схемы вертолета и составлении центровочной ведомости для определения положения центра масс.

Конструирование отдельных агрегатов и узлов вертолета с учетом выбранных технических решений выполняется на стадии разработки технического проекта. При этом параметры спроектированных агрегатов должны удовлетворять значениям, соответствующим эскизному проекту. Часть параметров может быть уточнена с целью оптимизации конструкции. При техническом проектировании выполняется аэродинамические прочностные и кинематические расчеты узлов, выбор конструкционных материалов и конструктивных схем.

На стадии рабочего проекта выполняется оформление рабочих и сборочных чертежей вертолета, спецификаций, комплектовочных ведомостей и другой технической документации в соответствии с принятыми стандартами

В данной работе представлена методика расчета параметров вертолета на стадии эскизного проектирования, которая используется для выполнения курсового проекта по дисциплине "Проектирование вертолетов".

Расчет взлетной массы вертолета первого приближения

где - масса полезного груза, кг;

Масса экипажа, кг.

Дальность полета

Расчет параметров несущего винта вертолета

2.1 Радиус R, м, несущего винта вертолёта одновинтовой схемы рассчитывается по формуле:

где - взлетная масса вертолета, кг;

g - ускорение свободного падения, равное 9.81 м/с2;

p - удельная нагрузка на площадь, ометаемую несущим винтом,

Значение удельной нагрузки p на ометаемую винтом площадь выбирается по рекомендациям, представленным в работе /1/: где p=280

Принимаем радиус несущего винта равным R=7.9

Угловая скорость, с-1, вращения несущего винта ограничена величиной окружной скорости R концов лопастей, которая зависит от взлетной массы вертолета и составили R=232 м/с.

2.2 Относительные плотности воздуха на статическом и динамическом потолках

2.3 Расчет экономической скорости у земли и на динамическом потолке

Определяется относительная площадь эквивалентной вредной пластинки:

Где Sэ=2.5

Рассчитывается значение экономической скорости у земли Vз, км/час:

Рассчитывается значение экономической скорости на динамическом потолке Vдин, км/час:

где I = 1,09…1,10 - коэффициент индукции.

2.4 Рассчитываются относительные значения максимальной и экономической на динамическом потолке скоростей горизонтального полета:

где Vmax=250 км/час и Vдин =182.298 км/час - скорости полета;

R=232 м/с - окружная скорость лопастей.

Введение

Проектирование вертолета представляет собой сложный, развивающийся во времени процесс, разделяющийся на взаимосвязанные проектные стадии и этапы. Создаваемый летательный аппарат должен удовлетворять техническим требованиям и соответствовать технико-экономическим характеристикам, указанным в техническом задании на проектирование. Техническое задание содержит исходное описание вертолета и его летно-технические характеристики, обеспечивающие высокую экономическую эффективность и конкурентоспособность, проектируемой машины, а именно: грузоподъемность, скорость полета, дальность, статический и динамический потолок, ресурс, долговечность и стоимость.

Техническое задание уточняется на стадии предпроектных исследований, в ходе которых выполняются патентный поиск, анализ существующих технических решений, научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы. Основной задачей пред проектных исследований является поиск и экспериментальная проверка новых принципов функционирования проектируемого объекта и его элементов.

На стадии эскизного проектирования выбирается аэродинамическая схема, формируется облик вертолета и выполняется расчет основных параметров, обеспечивающих достижение заданных летно-технических характеристик. К таким параметрам относятся: масса вертолета, мощность двигательной установки, размеры несущего и рулевого винтов, масса топлива, масса приборного и специального оборудования. Результаты расчетов используются при разработке компоновочной схемы вертолета и составлении центровочной ведомости для определения положения центра масс.

Конструирование отдельных агрегатов и узлов вертолета с учетом выбранных технических решений выполняется на стадии разработки технического проекта. При этом параметры спроектированных агрегатов должны удовлетворять значениям, соответствующим эскизному проекту. Часть параметров может быть уточнена с целью оптимизации конструкции. При техническом проектировании выполняется аэродинамические прочностные и кинематические расчеты узлов, выбор конструкционных материалов и конструктивных схем.

На стадии рабочего проекта выполняется оформление рабочих и сборочных чертежей вертолета, спецификаций, комплектовочных ведомостей и другой технической документации в соответствии с принятыми стандартами

В данной работе представлена методика расчета параметров вертолета на стадии эскизного проектирования, которая используется для выполнения курсового проекта по дисциплине "Проектирование вертолетов".

1. Расчет взлетной массы вертолета первого приближения

2. Расчет параметров несущего винта вертолета

2.1Радиус R , м, несущего винта вертолёта одновинтовой схемы рассчитывается по формуле:

g - ускорение свободного падения, равное 9.81 м/с 2 ;

p - удельная нагрузка на площадь, ометаемую несущим винтом,

p =3,14.

Значение удельной нагрузки p на ометаемую винтом площадь выбирается по рекомендациям, представленным в работе /1/: где p = 280

Принимаем радиус несущего винта равным R = 7.9

Угловая скорость w , с -1 , вращения несущего винта ограничена величиной окружной скорости w R концов лопастей, которая зависит от взлетной массы

2.2 Относительные плотности воздуха на статическом и динамическом потолках

2.3 Расчет экономической скорости у земли и на динамическом потолке

Определяется относительная площадь

Рассчитывается значение экономической скорости у землиV з , км/час:

где I

Рассчитывается значение экономической скорости на динамическом потолкеV дин , км/час:

где I = 1,09…1,10- коэффициент индукции.

2.4Рассчитываются относительные значения максимальной и экономической на динамическом потолкескоростей горизонтального полета:

где V max =250 км/час и V дин =182.298 км/час - скорости полета;

w R =232 м/с - окружная скорость лопастей.

2.5Расчет допускаемых отношений коэффицента тяги к заполнению несущего винта для максимальной скорости у земли и для экономической скорости на динамическом потолке:

2.6 Коэффициенты тяги несущего винта у земли и на динамическом потолке:

2.7 Расчет заполнения несущего винта:

Заполнение несущего винта s рассчитывается для случаев полета на максимальной и экономической скоростях:

В качестве расчетной величины заполнения s несущего винта принимается наибольшее значение из s Vmax и s V дин .

Целью первого этапа расчета является определение предполагаемых радиуса, тяги и КПД винта.

Исходными данными первого этапа являются:

Расчет целесообразно вести с использованием международной системы единиц СИ.

Если частота вращения винта задана в оборотах в минуту, то, воспользовавшись формулой

Ее необходимо перевести в радианы в секунду.

Расчетная скорость винта V выбирается в зависимости от назначения СЛА и величины

Где К-расчетное максимальное аэродинамическое качество сверхлегкого самолета; m -взлетная масса.

При Э
При значениях величины Э от 1000 до 1500 за расчетную скорость винта V о целесообразно принимать крейсерскую скорость полета V кр.

И при значениях Э более 1500 за расчетную скорость можно принять скорость, вычисленную по формуле

При выборе V о следует учитывать то обстоятельство, что при заданной мощности двигателя уменьшение расчетной скорости V ведет к уменьшению максимальной скорости полета, а ее увеличение - к ухудшению взлетных характеристик СЛА.

Исходя из условия недопущения трансзвуковых течений, скорость конца лопасти u . не должна превышать 230... 250 м/с и только в отдельных случаях, когда не предполагается установка редуктора, а винт не может снять полную мощность двигателя, допускается до 260 м/с.

Исходное значение желаемого КПД выше 0,8 для скоростных и выше 0,75 для нескоростных СЛА выбирать нецелесообразно, поскольку на практике это неосуществимо. Шаг его снижения первоначально можно принять равным 0,05 и затем уменьшать по мере приближения к действительному значению КПД.

На основании исходных данных последовательно определяются:

Если потребный радиус R окажется больше граничного R ГР, то это значит, что первоначально заданный КПД получен быть не может. Необходимо уменьшить на выбранную величину и цикл повторить, начиная с определения нового значения? .

Цикл повторяется до тех пор, пока не выполнится условие RR ГР. Если это условие выполнилось, то далее производится проверка, не превышает ли окружная скорость конца лопасти u К допустимое значение u К.ГР.

Если u К u К.ГР, то задается новое значение на величину меньше предыдущего, и цикл повторяется.

После определения значений радиуса R, тяги Р и КПД винта можно переходить ко второму этапу расчета.

Второй этап расчета воздушного винта

Исходными данными для второго этапа расчета являются:

Для проведения расчетов лопасть винта (рис. 6. 7)

Рис 6.7 Силовое воздействие потока на элементы лопасти винта

Разбивается на конечное число участков с размерами bR.. При этом считается, что на каждом выбранном участке закрутка лопасти отсутствует, а скорости и углы набегания потока по радиусу-не меняются. При уменьшении R, то есть при увеличении числа рассматриваемых участков, погрешность, вызванная принятым допущением, уменьшается. Практика показывает, что если для каждого участка принимать скорости и углы, присущие его центральному сечению, то погрешность становится несущественной при разбиве лопасти на 10 участков с R=0,1r, При этом можно считать, что первые три участка, отсчитываемые от оси винта, тяги не дают, потребляя при этом 4... 5% мощности двигателя. Таким образом, расчет целесообразно вести для семи участков с =0,3 до =1,0.

Дополнительно задаются:

Первоначально максимальную относительную ширину лопасти для деревянных винтов целесообразно задавать равной 0,08.

Закон изменения ширины лопасти и относительной толщины может быть задан в виде формулы, таблицы или чертежа винта (рис. 6. 1).

Рис 6.1 Воздушный винт фиксированного шага

Величины углов атаки выбранных сечений задаются конструктором с учетом обратного аэродинамического качества . Значения коэффициентов Су и K=1/ снимаются с графиков рис. 6.4 и 6.5 с учетом выбранного профиля и значений и .

Рис 6.4 Зависимость коэффициента подьемной силы и обратного аэродинамического качества от угла атаки и относительной толщины для профиля ВС-2

Рис 6.5 Зависимость коэффициента подьемной силы и обратного аэродинамического качества от угла атаки и относительной толщины для профиля РАФ-6

Первым шагом второго этапа расчета является определение скорости потока V в плоскости винта. Эта скорость определяется по формуле

Полученной из совместного решения уравнений тяги и расхода воздуха, проходящего через ометаемую винтом площадь.

Предполагаемые значения тяги Р, радиуса R и площади S ом берутся из первого этапа расчета.

Если в результате расчета окажется, что мощность, потребляемая винтом, отличается от располагаемой не более чем на 5... 10%, то второй этап расчета можно считать выполненным.

Если потребляемая винтом мощность отличается от располагаемой на 10... 20 %, то необходимо увеличить или уменьшить ширину лопасти, учитывая, что потребляемая мощность и тяга винта изменяются примерно пропорционально хорде лопасти. Диаметр, относительные толщины и углы установки сечений при этом остаются неизменными.

В некоторых случаях может оказаться, что потребляемая винтом мощность и его тяга более чем на 20% отличаются от предполагаемых по результатам первого этапа расчета. В этом случае по соотношению потребляемой и располагаемой мощностей

С использованием графика (рис. 6. 10) определяются значения коэффициентов k R и k P . Эти коэффициенты показывают, во сколько раз необходимо изменить предполагаемые радиус и тягу винта, являющиеся исходными для второго этапа расчета. После этого второй этап расчета повторяется.

Рис 6.10 Зависимость поправочных коэффициентов от соотношения потребляемой и располагаемой мощностей

По окончании второго этапа расчета необходимые для изготовления геометрические размеры винта (R, r, b, с и ) в удобных для его изготовления единицах сводятся в таблицу.

Третий этап расчета воздушного винта

Для определения нагрузок лопасть разбивается на отдельные элементы, как и на втором этапе расчета, начиная с сечения =0,3 с шагом 0,1 до =1.

На каждый выделенный элемент лопасти массой т на радиусе r (рис. 6. 11) действуют инерционная сила

Рис 6.11 Силовое воздействие аэродниамических сил на элемент лопасти винта

И элементарная аэродинамическая сила F. Под воздействием этих сил, от всех элементарных участков, лопасть растягивается и изгибается. В результате в материале лопасти возникают напряжения растяжения-сжатия. Наиболее нагруженными (рис. 6. 12)

Рис 6.12 Распределение напряжений в сечении лопасти винта

Оказываются волокна задней стороны лопасти, так как в этих волокнах напряжения от инерционных сил и изгибающего момента складываются. Для обеспечения заданной прочности необходимо, чтобы фактические напряжения в этих наиболее отдаленных от оси сечения лопасти участках были меньше допустимых для выбранного материала.

Значения необходимых для расчетов радиусов r, на которых расположены рассматриваемые участки лопасти, хорд b, относительных толщин и сил F берутся из таблиц второго этапа расчета. Затем для каждого участка последовательно определяются:

Коэффициент заполнения k 3 зависит от профиля, используемого для винта. Для наиболее распространенных винтовых профилей он равняется: Clark-Y- k 3 =0,73; BC-2- k 3 =0,7 и РАФ-6- k 3 = 0,74.

После вычислений величин P ин на каждом отдельном участке производится их суммирование от свободного конца лопасти до рассматриваемого сечения. Разделив суммарную силу, действующую в каждом рассматриваемом сечении, на площадь этого сечения, можно получить напряжения растяжения от инерционных сил.

Напряжения изгиба лопасти под воздействием аэродинамических сил F определяются как для консольной балки с неравномерно распределенной нагрузкой.

Как отмечалось ранее, максимальные напряжения будут в задних волокнах лопасти и определяются как сумма напряжений от инерционных и аэродинамических сил. Величина этих напряжений не должна превышать 60... 70 % от временного сопротивления материала лопасти.

Если прочность лопасти обеспечена, то расчет воздушного винта можно считать завершенным.

Если прочность лопасти не обеспечивается, то необходимо либо выбрать другой, более прочный материал, либо, увеличив относительную ширину лопасти, повторить все три этапа расчета.

Если относительная ширина лопасти превышает 0,075 для винтов, выполненных из твердых пород дерева, и 0,09 для винтов, выполненных из мягких пород дерева, то необходимость выполнения третьего этапа расчета отпадает, так как заведомо будет обеспечена необходимая прочность.

по материалам: П.И.Чумак, В.Ф Кривокрысенко "Расчет и проектирование СЛА"