К сожалению, опыт изготовления воздушных винтов на любительских конструкциях за редким исключением не заслуживает повторения. И пожалуй, основная причина неудач в несогласованности параметров воздушного винта с характеристиками двигателя. Чаще всего самодеятельные конструкторы создают слишком «тяжелые» в аэродинамическом отношении винты, в результате чего двигатель не развивает полной мощности и тяга оказывается недостаточной.
Предлагаемый метод определения геометрических параметров воздушных винтов позволяет максимально упростить задачу подбора их размеров, обеспечивающих при сравнительно высоком КПД возможность наиболее полно использовать мощность двигателя.
Рис. 1. График взаимозависимости между диаметорм винта, мощностью и тягой.
При проектировании воздушных винтов следует иметь в виду, что тяга винта при правильно выбранных шаге и сечениях лопасти зависит от его диаметра и мощности на его валу (см. рис. 1). Максимально допустимый диаметр определяется по рисунку 2. Он ограничивается, кроме конструктивных соображений (с увеличением диаметра увеличиваются габариты машины), глазным образом окружной скоростью конца лопасти: для винтов с деревянными лопастями кривая А, для металлических кривая Б.
Превышение окружной скорости сверх рекомендуемой вызывает волновое сопротивление из-за сжимаемости воздуха, резко снижающее КПД винта и существенно уменьшающее запас прочности вследствие возрастающих центробежных сил.
Рис. 2. График взаимозависимости между диаметорм винта и частотой его вращения.
По рисунку 2 для выбранного диаметра винта можно определить максимально допустимую частоту его вращения. Например, если двигатель развивает максимальную мощность при 4500 об/мин, то необходимо или выбрать диаметр воздушного винта 1 м, или, если тяга винта с Ø1 м недостаточна, установить винт большего диаметра и понижающий редуктор. При установке редуктора следует учитывать его коэффициент полезного действия: мощность, подводимая к винту, уменьшается на величину потерь в передаче. Значения же КПД таковы: шестеренчатая одноступенчатая передача с прямозубыми шестернями (цилиндрическими) равна 0,99; с прямозубыми коническими шестернями 0,98. Следует заметить, что КПД шестеренчатой передачи падает при снижении точности ее изготовления и сборки, доходя до 0,94 и даже до 0,9.
КПД клиноременной передачи в пределах 0,95—0,97; цепной 0,94—0,98. Если КПД передачи с учетом трения в подшипниках равняется 0,9—0,8, то тяга составит (соответственно) 0,94—0,86 от тяги, определенной по рисунку 1. С увеличением скорости движения машины тяговое усилие воздушного винта падает. В зависимости от диаметра тяга по скорости изменяется различно. На рисунке 3 показано изменение тяги по скорости воздушных винтов с фиксированным шагом № 1 с Ø1 м и № 2 с Ø2м, при постоянной мощности 17,5 л. с. На графике видны преимущества по тяге воздушного винта с Ø2 м, вплоть до скорости 83 км/ч, а при КПД передачи 0,8 до скорости 72 км/ч. На скорости больше указанной преимущество имеет винт с Ø1 м. При встречном ветре 10 м/с (36 км/ч) преимущество винта с Ø2м сохраняется до скорости движения, меньшей на величину скорости ветра, то есть до 36 км/ч.
Рис. 3. Тяга по скорости для мощности 17,5 л.с. (винты диаметорм 1 и 2 метра)
Рассмотренный пример дает наглядное представление о взаимозависимости диаметра винта, поступательной скорости транспортного средства (при постоянной мощности) и развиваемой им тяги. Для воздушных винтов аэросаней и глиссеров, имеющих небольшие скорости движения, расчет рекомендуется производить для условий работы винта на месте, то есть для V=0.
Следующим этапом при проектировании является определение ширины лопастей, их числа, профиля сечения лопасти и угла ее установки (шага). Указанные параметры должны быть увязаны с выбранным диаметром, частотой вращения винта и мощностью на его валу. На практике редко встречается необходимость применять сложные по аэродинамической компоновке винты с большой воздушной нагрузкой на сечения лопасти, то есть сечения с большой кривизной и щелевые сечения. Подавляющее большинство винтов, оптимальных для заданных требований, будут иметь узкие лопасти и «стандартные» крыльевые профили.
Рис. 4. Определение возможных геометрических размеров винта по оборотам и мощности двигателя.
По приведенному графику (рис. 4) можно определить геометрические параметры винта, согласующиеся с характеристиками двигателя. В зависимости от диаметра винта и мощности на его валу определяется частота вращения, соответствующая выбранной относительной ширине лопасти В (в процентах от радиуса винта). На этом же графике находится и шаг винта, отнесенный к его диаметру H/D (относительный шаг), оптимальный для выбранной ширины лопасти.
Можно задаться частотой вращения, мощностью, диаметром и определить относительную ширину лопасти и соответствующий ей шаг. Первым способом определяем параметры винта № 2, вторым параметры винта № 1.
Определить геометрические размеры винтов при следующих исходных данных: мощность на валу винта 17,5 л. с., частота вращения вала двигателя 4500 об/мин, диаметр винта №1 1 м, винта № 2 2 м. По рисунку 4 определяем: для Ø1 м B = 12,5% (62,5 мм); h =0,45 (Н = 0,45 м); для Ø2м В = 10% (100 мм); h = 0,40 (Н = 0,8 м). Для винта № 2 взята минимальная допустимая ширина 10%.
Зная шаг винта, определяем углы установки сечений лопасти. Для этой цели находим величину, в 2,5 раза меньшую шага винта:
Из схемы, приведенной на рисунке 5, видно построение углов установки сечений лопасти.
Рис. 5. Пример постороения углов установки сечений лопасти винта постоянного шага.
Для винта № 2 по допустимой окружной скорости определена максимальная частота вращения, равная 2250 об/мин, которая соответствует минимальному передаточному отношению. Но при этой частоте ширина лопасти получается около 4%. Из условий прочности ширину лопасти менее 10% применять нельзя. Тогда по графику (рис. 4) определяем для Ø2 м В = 10% и 17,5 л. с., частоту вращения вала винта 1530 об/мин. Передаточное отношение понижающей передачи при этом должно быть: 4500: 1520 = 2,95.
Рис. 6. Геометрические размеры лопасти двухлопастного винта (в процентах от радиуса) при ширине лопасти 16,5%
На рисунке 6 приведены геометрические размеры лопасти двухлопастного винта в процентах от радиуса при ширине лопасти 16,5%. Для нашего примера ширина лопасти равна 12,5% и 10%. Следовательно, все размеры сечений будут составлять:
от размеров на чертеже.
В случае, если по графику (рис. 4) определена ширина лопасти более 16,5%, то можно или пропорционально увеличить все размеры двухлопастного винта до необходимой величины, или увеличить число лопастей так, чтобы суммарная ширина их, отнесенная к диаметру, равнялась найденной относительной ширине.
На рисунке 7 приведена характеристика двигателя «ИЖ-Планета-3» и его дроссельная характеристика с одним из рассмотренных винтов. При установке на этот двигатель двухлопастного винта без редуктора с Ø1,2 м, шагом 0,48 м и шириной лопасти В =100 мм (пунктирная кривая) двигатель мог бы развить только 2900 об/мин и мощность 12 л. с. Тяга винта при этом составила бы 40 кг вместо 54 кг винта № 1, правильно подобранного к двигателю. Тщательное определение ширины лопасти и углов установки сечений позволит использовать полную мощность двигателя и получить тягу, близкую к максимально возможной.
Воробьев Ю., Махоткин Г. По материалам журнала «Моделист-Конструктор»
Расчет винта условно можно разделить на три последовательных этапа.
Целью первого этапа расчета является определение предполагаемых радиуса, тяги и КПД винта.
Исходными данными первого этапа являются:
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
При Э 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.
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 Sом 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
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
Целью третьего этапа является проверка воздушного винта на прочность. Этот этап расчета сводится к определению нагрузок, действующих в различных сечениях лопастей, и сравнению их с допустимыми с учетом геометрии и материала, из которого изготовлены лопасти.
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:
После вычислений величин Pин 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»
Хочу понять как определить силу тяги винта. Помогите пожалуйста сосчитать на примере:
винт помогите взять какой-нибудь диаметром около 0,7м
* на данный момент просто хочу научиться считать силу тяги винта. нашел формулы, но все равно требуется помощь
Я люблю строить самокруты!
Хочу понять как определить силу тяги винта. Помогите пожалуйста сосчитать на примере: двигатель Agromotor 160 F крутящий момент (Нм) = 10,8/2500
винт помогите взять какой-нибудь диаметром около 0,7м
Undertaken
Я люблю строить самолеты!
Я люблю строить самокруты!
Undertaken
Я люблю строить самолеты!
Я строю вертолеты!
Ненавижу Солидворкс!
DesertEagle
Гость
Тяга будет около 12 кг. Но не все так просто. С обычным двухлопастным винтом диаметром 70 см на таких оборотах не снять такую мощность с двигателя. Дело в том, что лопасти винта подобны крылу самолета и эффективно работают только в узком диапазоне углов атаки. При превышении происходит срыв потока. Даже при 4 лопастном винте, шаг винта получается слишком большим. Озвученный выше вариант где-то с 16 лопастями, видимо, наиболее близок в реальности.
По моим замерам, для тяги в диапазоне 25-45 кг, наиболее точный расчет тяги дает программа PropSelector, которую можно скачать здесь: http://www.hoppenbrouwer-home.nl/ikarus/software/propselector.htm. В ней нужно указать диаметр винта, скорость полета (для зависания 0 км/час) и обороты винта, а потом подбирать шаг, чтобы потребляемая винтом мощность стала равна мощности, выдаваемой двигателем. Точность расчета будет в пределах 2-3 кг (проверено на десятке сделанных винтов диаметром от 80 см до 135 см и мощности от 5 л.с. до 15 л.с.), что является неплохим результатом, учитывая простоту программки.
Для начала, нужно выяснить мощность двигателя. В характеристиках првиеденного двигателя указан момент M=10.8 Н*м на оборотах n=2500 об/мин. Отсюда можем найти мощность на этих оборотах по формуле: P=M*2*3.14*n/60=2826 Вт = 2.826 кВт. Или 2.826*1.36=3.843 л.с..
Уже сейчас можно сказать, что с такой мощности можно снять около 11-15 кг, так как известно, что с типичными по размеру винтами на мощностях до 10 л.с., с каждой лошадиной силы снимается примерно 3-4 кг тяги. Проблема возникает, во-первых, с тем, что этим цифрам на сайте (10.8 Нм/2500) верить нельзя, потому что все эти маркировки китайских клонов хонд пошли с тех времен, когда сама хонда писала на своих двигателях такие мощности (5.5 л.с. для GX160, 6.5 л.с. для GX200, 13 л.с. для GX390 и т.д.), но со сноской мелким шрифтом, что эта мощность получена в лабораторных условия со снятым глушителем и модицицированным двигателем. А так как в реальности никто эти двигатели после покупки в магазине, естественно, не эксплуатирует со снятым глушителем и подобранными топливными жиклерами большего диаметра, чем стоит штатный, то реальная мощность всех этих двигателей оказалась значительно меньше. Так, по моим замерам, 15-сильный движок на 3600 об/мин выдает только 11 л.с., а 6.5 л.с. в реальности имеет только 5.5 л.с.
Позже хонда отказалась от этой порочной практики завышения мощности своих двигателей и стала маркировать просто как модель, допустим, GX200. Но китайские клоны продолжают указывать на двигателе прежнюю завышенную мощность.
Так вот, если мы введем в PropSelector диаметр 0.7 м и обороты 2500 об/мин и попытаемся подобрать шаг, чтобы мощность стала 3.843 л.с.. (которую на самом деле этот движок на этих оборотах не разовьет по описанным выше причинам, реальная будет немного меньше). То окажется, что в программе поле тяги подсветится красным. Это означает, что лопасти работают в режиме срыва, слишком большой угол атаки на лопастях (больше 15-18 градусов). Надо либо увеличить количество лопастей, либо увеличить обороты с помощью повышающего редуктора, либо изменить диаметр винта.
Могу сказать, что вот этот двигатель с заявленной мощность 7 л.с. в реальности с винтом диаметром 95 см и шагом 25-30 см без форсировки выдает статическую тягу 24-26 кг на оборотах около 3700 об/мин. А если снять ограничитель оборотов и раскрутить до 4800-5000 об/мин, то примерно 28 кг. Если же на 5000 об/мин поставить редуктор под винт диаметром 125 см, то тяга получается около 35 кг.
У начинающих конструкторов по-прежнему наблюдается потребность в простой и надежной теории расчета силовой установки самодельного летательного аппарата (СЛА) или аэросаней. Необходимые сведения разбросаны по различным журналам и специальным книгам. Кроме того, сравнение опубликованных методик расчета показывает, что иногда они дают несовпадающие результаты как из-за разных исходных принципов, так и из-за различных значений коэффициентов в формулах. В нашем же изложении использованы простейшие физические закономерности и статистические данные о нескольких десятках успешно летавших СЛА, что существенно повышает достоверность и практическое значение приводимых ниже формул.
Какой должна быть тяга винта, чтобы аппарат мог легко взлетать? — вот главный вопрос, который в первую очередь должен решить конструктор, приступающий к проектированию СЛА. Многие неудачи и горькие разочарования происходили только потому, что этот вопрос оставляли на потом, не придавали ему первостепенного значения.
Требуемая для взлета тяга винта F определяется только двумя параметрами: взлетным весом G и минимальным (во взлетном режиме) коэффициентом аэродинамического качества К0:
Под взлетным весом понимается сумма весов пустого аппарата, летчика, бензина и багажа (груза), а аэродинамическое качество равно отношению подъемной силы крыла к силе лобового сопротивления.
Начинающие конструкторы обычно сильно завышают значение К0 своего будущего аппарата по сравнению с реально достижимым, а также склонны занижать G, поэтому для успеха проекта нужно быть самокритичным и делать предельно жесткие оценки.
По литературным данным о построенных СЛА получается, что будет правильным, если при проектировании принять К0 = 3. Особенно это верно для СЛА, имеющего простейшее «тряпичное» крыло с одинарной обшивкой.
Что касается аэросаней, то для них роль коэффициента аэродинамического качества выполняет величина, обратная коэффициенту трения лыж о снег Ктр. Согласно В.Г.Осташову и Л.Б.Сандперу, Ктр возрастает с увеличением скорости движения и достигает значения примерно 0,2 при V = 50 км/ч (здесь учитывается и относительно небольшое воздушное сопротивление). Следовательно, для «аэросанного» коэффициента качества можно принять значение Ко = 1:0,2 = 5. Если ожидается плохое скольжение, то этот показатель следует понизить до 4.
Как получить необходимую тягу винта?
Тяга (речь пойдет о двухлопастном винте неизменяемого шага) в первую очередь зависит от следующих параметров: мощности мотора N, диаметра D и скорости вращения винта n. Теоретически эти параметры связаны соотношениями, которые легко получить из соображений физической размерности:
где ρ— плотность воздуха, k1 и k2— безразмерные коэффициенты тяги и мощности. Отсюда после несложных преобразований получаются следующие две формулы:
где а и b — некоторые коэффициенты.
Значения а и b были определены автором в результате статистической обработки данных о силовых установках примерно сорока СЛА. Эти данные приведены в техническом отчете о смотре-конкурсе СЛА-87 (издание Сиб.НИИ авиации, Новосибирск, 1990). Оказалось, что в среднем а = 7,5±1, b = 1,6±0,2.
Отклонения от средних значений приведены с 90-процентной вероятностью, то есть 90 процентов «обсчитанных» СЛА имели значения этих коэффициентов в пределах соответственно 6,5 — 8,5 и 1,4 — 1,8. Таким образом, тягу винта и скорость его вращения следует вычислять по формулам:
Здесь и далее сила тяги F выражена в кг, мощность мотора N — в л.с., диаметр винта D — в м, скорость вращения винта n — в тыс. об/мин.
Из формулы (1) видно, что тяга винта определяется произведением мощности мотора на диаметр винта. Следовательно, нужную тягу можно в принципе получить и от маломощного мотора, если использовать винт большого диаметра и при этом, согласно формуле (2), понизить/обороты винта.
Расчет силовой установки выполняют в зависимости оттого, чем располагает конструктор для создания своего аппарата. Обычно исходят из того, какой имеется мотор — мотоциклетный, лодочный, от снегохода, мотопомпы, «пускача» дизеля, бензопилы и, в лучшем случае, специальный авиадвигатель для СЛА. Поэтому вначале необходимо выяснить, подойдет ли имеющийся для проектируемого аппарата?
Пусть, например, есть мотор с фактической (или паспортной, если он новый) мощностью N = 10 л.с., а требуемая тяга винта составляет 70 кг. Спрашивается, какими должны быть диаметр винта и скорость его вращения, чтобы получилась нужная тяга? Диаметр винта находим из формулы (1):
а скорость вращения — по формуле (2):
Таким образом, данный мотор потребует использования очень большого (по меркам СЛА или любительских аэросаней) винта, который к тому же должен вращаться с весьма небольшой скоростью, что, в свою очередь, приведет к необходимости сложного многоступенчатого редуктора, так как обороты коленчатого вала мотора обычно составляют 5—6 тыс. об/мин. В результате получится громоздкая и утяжеленная силовая установка, поэтому от такого мотора лучше отказаться.
Можно при проектировании исходить и из габаритных соображений. Например, пусть по проектным габаритам силовой установки диаметр винта не должен превышать 1,5 м. Требуемая тяга винта составляет 70 кг. Какими при этом должны быть мощность и скорость вращения винта? Из формулы (1) N = 19 л.с., а по формуле (2) п = 2,172 тыс. об/мин.
Подходящими для этого варианта моторами могут быть некоторые лодочные («Привет-22», «Москва-25» и др.) и мотоциклетные («ИЖ-Юпитер» и др.), при этом должен быть использован редуктор, обеспечивающий расчетные обороты винта.
Изготовление редуктора в любительских условиях — дело сложное и не вполне надежное, поэтому нужно стремиться использовать редуктор заводского производства. Например, в мотоциклетном моторе уже имеется подходящий редуктор — в виде цепной или зубчатой передачи от коленчатого вала к муфте сцепления. Пусть, например, имеется новый мотор «ИЖ-Ю-5» с N = 24 л.с., а его редуктор n = 2,3 тыс. об/мин. Требуемая тяга по-прежнему составляет 70 кг. Из формул (1) и (2) находим, что данные мотор и редуктор обеспечат тягу F = 82 кг (которая даже существенно больше требуемой, что всегда полезно) при диаметре винта D = 1,52 м.
В случае аэросанного винта в качестве расчетной V следует использовать «крейсерскую» скорость движения аэросаней.
Схема, поясняющая определение углов α, β и φ: П.вр. — плоскость вращения винта; W — вектор линейной скорости вращательного движения лопасти в данном сечении; V — вектор поступательной скорости винта (скорость полета СЛА); U — вектор скорости набегающего на данное сечение потока воздуха; В и Т — ширина и толщина заготовки для изготовления винта.
Профили сечений лопасти винта принимаются, как обычно, плосковыпуклыми (плоская сторона — рабочая, выпуклая— тыльная). Тогда установочным углом φ (R) будет угол между плоской стороной лопасти в данном ее сечении и плоскостью вращения винта. Из рисунка видно, что установочный угол больше угла атаки α на угол β, определяемый по формуле:
Здесь V выражена в м/с, n — в тыс. об/мин, R — в м.
Расчет по приводимой методике предполагает также знание предельного угла атаки, выше которого происходит срыв потока на некотором участке лопасти и винт перестает хорошо работать. Величина этого угла зависит от используемого профиля сечений. Согласно упомянутой книге Осташова и Сандлера, можно рекомендовать профиль RAF-6, у которого предельный угол атаки около 18°.
Профиль RAF-6. Координаты реального профиля находят по формулам: у = ̅у • с; х = ̅х • b, где b — хорда профиля (ширина лопасти), с — максимальная толщина профиля в данном сечении лопасти.
Винт изготавливают из прямоугольного деревянного (ель, береза и др.) бруса длиной D, толщиной Т и шириной В. При этом ширина (хорда) лопасти B(R) в каком-либо ее сечении будет равна B/cos φ (R). Для упрощения расчета можно принять B(R) = В = const, так как установочные углы φ (R) сравнительно невелики (8—30°) и поэтому cos φ (R) = 1. Отношение максимальной толщины профиля (с) к его хорде, то есть с/В принимается в пределах 8—30 процентов с плавным увеличением от 8 на конце лопасти до 30 процентов у ступицы винта.
Чтобы найти угол φ в каком-либо сечении, необходимо по отдельности вычислить углы α и β и затем их сложить. Угол атаки α (R) можно найти из условия постоянства удельной тяги ρ по размаху лопасти на расчетном ее участке:
С учетом этого из (4) получаем следующее уравнение для вычисления углов атаки:
Из-за существования предельного угла атаки условие (4) нельзя выполнить на всей лопасти, но можно на половине ее размаха — от конца, где R=D/2, до сечения, где R=D/4. Следовательно, расчетный участок лопасти будет иметь длину ΔR=D/4 и площадь ΔR•B=DB/4. Тогда удельная тяга 2-лопастного винта найдется по формуле:
Рассмотрим конкретный пример: определить установочные углы сечений винта диаметром D = 1,5 м, который при n = 2,3 тыс. об/мин, В = 0,12 м, V = 15 м/с и предельном угле атаки в 1 8° должен создавать тягу F = 78 кг.
Вначале по формуле (6) получаем удельную тягу ρ = 867 кг/м.
С учетом данных значений ρ, n и V формулы (3) и (5) приводим к удобному для вычислений виду:
R, м
0,75
0,7
0,6
0,5
0,4
0,375
α, град.
4,45
5,25
7,5
11,2
17,8
20,4
β, град.
4,90
5,30
6,2
7,4
9,2
9,8
φ, град.
9,35
10,6
13,7
18,6
27,0
30,2
Как видно, предельный угол атаки 18° достигается на конце расчетного участка, примерно при R = 0,4 м. Если бы этого не произошло, то пришлось бы повторить расчеты при другом значении ширины лопасти В, изменяя ее в соответствующую сторону по сравнению с первоначально принятым значением 0,12 м.
Определение установочных углов на оставшемся участке лопасти от R = 0,4 м до R = 0,1D = 0,15 м проводим по формуле:
и для R=0,3; 0,2 и 0,15 м получаем соответственно следующие значения угла φ, град: 30,0; 35,8 и 41,2.
Следует отметить, что на втором участке нет особой необходимости в получении больших установочных углов, так как требуемая тяга уже обеспечена на первом расчетном участке. Поэтому, исходя из удобства изготовления винта, можно при R = 0,4…0,15 м принять φ(R) в пределах 27—30°. Это существенно уменьшит толщину Т заготовки (деревянного бруса), так как Т = В tgφmax. Например, при угле φmax = 30° имеем толщину Т = 12 tg30°= 6,9 см, зато при φmax= 41,2° будем иметь Т = 10,5 см.
Приведенная методика расчета винта не является единственно возможной. Например, часто расчет установочных углов ведут из условия постоянства шага винта Н:
Интересно сравнить, насколько будут отличаться рассчитанные по этой — «шаговой» методике установочные углы от тех значений, что были найдены выше. В примере, который мы рассматривали, V = 15 м/с или 54 км/ч, n = 2300 об/мин и для шага винта по этим формулам Н = 0,704 м, соответственно которому получаются следующие значения установочных углов:
R, м
0,75
0,7
0,6
0,5
0,4
0,375
φ, град
8,5
9,1
10,6
12,6
15,6
16,6
Из сравнения с предыдущей таблицей видно, что хорошее совпадение значений φ наблюдается при больших R, то есть у конца лопасти. При уменьшении R возникает существенное различие — по «шаговой» методике крутка лопасти получается меньшей, чем по «тяговой» методике (под круткой понимается изменение φ по мере изменения R).
Конечно, правильность расчета винта в итоге могут показать только его тяговые испытания. «Тяговая» методика расчета обладает преимуществом ввиду физической ясности ее основ, в частности, ясным пониманием роли ширины лопасти В: при ее изменении изменяется и удельная тяга, соответственно другими будут углы атаки и установочные углы. В «шаговой» же методике ширина лопасти никак не влияет на установочные углы.
В заключение следует отметить, что единственный построенный по расчету винт только в редких случаях может дать нужный результат. Поэтому следует изготовить несколько винтов, отличающихся установочными углами, и затем в ходе испытаний выбрать из них наилучший.
R.. При этом считается, что на каждом выбранном участке закрутка лопасти отсутствует, а скорости и углы набегания потока по радиусу-не меняются. При уменьшении 
=0,3 до 
выбранных сечений задаются конструктором с учетом обратного аэродинамического качества 
. Значения коэффициентов Су и K=1/ 
и 
) в удобных для его изготовления единицах сводятся в таблицу.
от инерционных сил.
материала 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.
Схема, поясняющая определение углов α, β и φ: П.вр. — плоскость вращения винта; W — вектор линейной скорости вращательного движения лопасти в данном сечении; V — вектор поступательной скорости винта (скорость полета СЛА); U — вектор скорости набегающего на данное сечение потока воздуха; В и Т — ширина и толщина заготовки для изготовления винта.
Профиль RAF-6. Координаты реального профиля находят по формулам: у = ̅у • с; х = ̅х • b, где b — хорда профиля (ширина лопасти), с — максимальная толщина профиля в данном сечении лопасти.
