Розрахунок і виготовлення повітряного гвинта

Проектування повітряного гвинта

Повітряний гвинт завоював репутацію незамінного рушія для швидкохідних плавзасобів, експлуатованих на мілководних і зарослих акваторіях, а також для аеросаней-амфібій, яким доводиться працювати на снігу, на льоду і на воді. І у нас і за кордоном накопичено вже чималий досвід застосування повітряних гвинтів на швидкісних малих судах і амфібії. Так, з 1964 р в нашій країні серійно випускаються і експлуатуються аеросани-амфібії (рис. 1) КБ ім. А. Н. Туполева. У США кілька десятків тисяч аеролодок, як їх називають американці, експлуатуються у Флориді.

Мал. 1. «туполевских» аеросани-амфібії А-3 з повітряним гвинтом.

Проблема створення швидкохідної мелкосідящіх моторного човна з повітряним гвинтом продовжує цікавити і наших суднобудівників-любителів. Найбільш доступна для них потужність 20-30 л. с. Тому розглянемо основні питання проектування повітряного рушія з розрахунком саме на таку потужність.

Ретельне визначення геометричних розмірів повітряного гвинта дозволить повністю використовувати потужність двигуна і отримати тягу, близьку до максимальної при наявній потужності. При цьому особливу важливість матиме правильний вибір діаметра гвинта, від якого багато в чому залежить не тільки ККД рушія, а й рівень шуму, прямо обумовлений величиною окружних швидкостей.

Дослідженнями залежності тяги від швидкості ходу встановлено, що для реалізації можливостей повітряного гвинта при потужності 25 л. с. необхідно мати його діаметр - близько 2 м. Щоб забезпечити найменші енергетичні витрати, повітря повинне бути відкинуто назад струменем з більшою площею перетину; в нашому конкретному випадку площа, ометаєма гвинтом, складе близько 3 м². Зменшення діаметра гвинта до 1 м для зниження рівня шуму зменшить площу, ометаемую гвинтом, в 4 рази, а це, незважаючи на збільшення швидкості в струмені, викличе падіння тяги на швартовах на 37%. На жаль, компенсувати це зниження тяги не вдається ні кроком, ні числом лопатей, ні їх шириною.

Зі збільшенням швидкості руху програш в тязі від зменшення діаметра знижується; таким чином, збільшення швидкостей дозволяє застосовувати гвинти меншого діаметру. Для гвинтів діаметром 1 і 2 м, що забезпечують максимальну тягу на швартовах, на швидкості 90 км / ч величини тяги стають рівними. Збільшення діаметра до 2,5 м, збільшуючи тягу на швартовах, дає лише незначний приріст тяги на швидкостях понад 50 км / год. У загальному випадку кожному діапазону експлуатаційних швидкостей (при певній потужності двигуна) відповідає свій оптимальний діаметр гвинта. Зі збільшенням потужності при незмінній швидкості оптимальний по ККД діаметр збільшується.

Як випливає з наведеного на рис. 2 графіка, тяга повітряного гвинта діаметром 1 м більше тяги водяного гребного гвинта (штатного) підвісного мотора «Нептун-23» або «Привіт-22» при швидкостях понад 55 км / год, а повітряного гвинта діаметром 2 м - вже при швидкостях понад 30 -35 км / ч. Розрахунки показують, що на швидкості 50 км / ч кілометровий витрата палива двигуна з повітряним гвинтом діаметром 2 м буде на 20-25% менше, ніж найбільш економічного підвісного мотора «Привіт-22».

Мал. 2. Залежність тяги Р повітряних гвинтів, а також штатних гребних гвинтів (теоретично - в ідеальних умовах) підвісних моторів «Привіт-22» (крива 1) і «Нептун-23» (крива 2) від швидкості V.
3 - крива тяги повітряного гвинта з D = 2,5 м і h = 0,5; 4 - крива тяги повітряного гвинта з D = 1 м; h = 0,65; 5 - крива тяги повітряного гвинта з D = 2 м; h = 0,52.

Послідовність вибору елементів повітряного гвинта по приводиться графіками така. Діаметр гвинта визначається в залежності від необхідної тяги на швартовах при заданої потужності на валу гвинта. Якщо експлуатація моточовни передбачається в населених районах або районах, де існують обмеження по шуму, прийнятний (на сьогодні) рівень шумів буде відповідати окружної швидкості - 160-180 м / с. Визначивши, виходячи з цієї умовної норми і діаметра гвинта, максимальне число його оборотів, встановимо передавальне відношення від вала двигуна до валу гвинта.

Для діаметра 2 м допустимий за рівнем шуму число оборотів буде близько 1500 об / хв (для діаметра 1 м - близько 3000 об / хв); таким чином, передавальне відношення при числі обертів двигуна 4500 об / хв складе близько 3 (для діаметра 1 м - близько 1,5).

За допомогою графіка на рис. 3 ви зможете визначити величину тяги повітряного гвинта, якщо вже обрані діаметр гвинта і потужність двигуна. Для нашого прикладу обраний двигун найбільш доступною потужності - 25 л. с. а діаметр гвинта - 2 м. Для цього конкретного випадку величина тяги дорівнює 110 кг.

Мал. 3. Залежність тяги P на швартовах від потужності NB на валу гвинта і його діаметра D.

Відсутність надійних редукторів є, мабуть, найбільш серйозною перешкодою, яке належить подолати. Як правило, ланцюгові і ремінні передачі, виготовлені любителями в кустарних умовах, виявляються ненадійними і мають низький ККД. Вимушена ж установка повітряного гвинта прямо на вал двигуна призводить до необхідності зменшення діаметра і, отже, зниження ефективності рушія.

Для визначення ширини лопаті і кроку слід скористатися приводиться номограми рис. 4. На горизонтальній правої шкалою з точки, відповідної потужності на валу гвинта, проводимо вертикаль до перетину з кривою, що відповідає раніше знайденому діаметру гвинта. Від точки перетину проводимо горизонтальну пряму до перетину з вертикаллю, проведеної з точки, що лежить на лівій шкалі числа обертів. Отримане значення визначає величину покриття проектованого гвинта (покриттям авіабудівники називають відношення суми ширини лопатей до діаметру).

Мал. 4. Номограма для визначення величини покриття гвинта # 963; = # 931; b / D і відносного кроку h = H / D в залежності від потужності на валу гвинта NB і частоти обертання n.

Для дволопатеве гвинтів покриття дорівнює відношенню ширини лопаті до радіуса гвинта R. Над значеннями покриттів вказані значення оптимальних кроків гвинта. Для нашого прикладу отримані: покриття # 963; = 0,165 і відносний крок (відношення кроку до діаметру) h = 0,52. Для гвинта діаметром 1 м # 963; = 0,50 м і h = 0,65. Гвинт діаметром 2 м повинен бути 2-лопатевим з шириною лопаті, що становить 16,5% R, так як величина покриття невелика; гвинт діаметром 1 м може бути 6-лопатевим з шириною лопаті 50: 3 = 16,6% R або 4-лопатевим з шириною лопатей 50: 2 = 25% R. Збільшення числа лопатей дасть додаткове зменшення рівня шуму.

З достатнім ступенем точності можна вважати, що крок гвинта не залежить від числа лопатей. Наводимо геометричні розміри дерев'яної лопати шириною 16,5% R. Всі розміри на кресленні рис. 5 дані у відсотках радіусу. Наприклад, перетин D становить 16,4% R, розташоване на 60% R. Хорда перетину розбивається на 10 рівних частин, т. Е. По 1,64% R; носок розбивається через 0,82% R. Ординати профілю в міліметрах визначаються множенням радіуса на відповідне кожної ординате значення у відсотках, т. е. на 1,278; 1,690; 2,046. 0,548.

Мал. 5. Креслення лопаті дерев'яного гвинта шириною 16,5% R.
з = макс. товщина профілю / хорда профілю.
Всі розміри дані у відсотках від величини радіуса гвинта.

Якщо необхідно побудувати лопать більшої відносної ширини, все відносні розміри необхідно змінити відповідно нової ширині. Наприклад: для лопаті шириною 25% хорди і товщини перетинів потрібно збільшити відносно 25: 16,5 = 1,52, т. Е. В півтора рази.

На схемі рис. 6 наведено побудову настановних кутів перетинів по знайденому раніше кроку повітряного гвинта.

Мал. 6. Приклад побудови настановних кутів перетинів лопати гвинта постійного кроку.
Діаметр - 2 м; крок - 1,04 м; відносний крок - 0,52.
Наприклад, перетин D, що становить 16,4% від радіуса, побудоване за даними рис. 5, встановлюється на відстані 600 мм від осі (60%) під кутом # 966; -0 (на схемі перетин умовно розгорнуто на 90 °).

Пропонований наближений метод при мінімальній трудомісткості розрахункових робіт дає хороші результати. Отримані розбіжності при порівнянні розрахункових даних і результатів натурних випробувань складають по потужності - до 3%, по тязі - 5-7%.

«Проектування повітряного гвинта», Г. В. Махоткин, Кия 2 (78) 1979 р