Кпд воздушного винта: Коэффициент полезного действия воздушного винта

КПД воздушного винта при заданной тяге Калькулятор

✖Тяга на корону или опоры — это сила, которая перемещает самолет по воздуху. Тяга используется для преодоления сопротивления самолета и веса ракеты.ⓘ Упор на коронку или абатменты [F]		Атомная единица силыАттоньютонСантиньютонДеканьютонДециньютондинаэксаньютонFemtonewtonГиганьютонГрамм-силаГраве-силагектоньютонДжоуль / СантиметрДжоуль на метрКилограмм-силаКилоньютонКилопруд Килофунт-силаКип-силаМеганьютонМикроньютонMilligrave — силаМиллиньютонНаноньютонНьютонУнция-силаPetanewtonPiconewtonпрудФунт-фут в квадратную секундуПаундалФунт-силастенТераньютонТон-сила (Long)Тон-сила (метрическая система)Тон-сила (короткий)Йоттаньютон	+10% -10%
✖Скорость воздушного судна вперед — скорость, с которой движется самолет.ⓘ Скорость движения самолета вперед [ci]		Сантиметр в часСантиметр в минутуСантиметр в секундуКосмическая скорость прежде всегоКосмическая скорость СекундаКосмическая скорость третьяСкорость ЗемлиФут в часФут в минутуФут в секундуКилометры / часКилометр в минутуКилометры / секМорской узелУзел (Великобритания)МахаМаха (стандарт СИ)Метр в часМетр в минутуметр в секундумили / часмили / минутумили / секМиллиметр в деньМиллиметр / часМиллиметр в минутуМиллиметр / секМорская миля в деньМорская миля в часСкорость звука в чистой водеСкорость звука в морской воде (20 ° C и 10 метров глубиной)Двор / часДвор / минутуДвор / сек	+10% -10%
✖Мощность на валу — это механическая мощность, передаваемая от одного вращающегося элемента транспортного средства, корабля и всех типов механизмов к другому. ⓘ Мощность вала [Sp]		Attojoule / SecondАттоваттТормозная мощность (л.с.)БТЕ (IT) / часБТЕ (IT) / минБТЕ (IT) / секБТЕ (й) / часБТЕ (й) / минБТЕ (й) / секКалорийность (ИТ) / часКалорийность (ИТ) / минутуКалорийность (ИТ) / секКалорийность (й) / часКалорийность (й) / минутуКалорийность (й) / секCentijoule / сексантиваттCHU в часДекаджоуль / секДекаваттдециджоуль / секДециваттЭрг в часЭрг / секЭксаджоуль / секэкса-ваттFemtojoule / секФемтоваттФут-фунт-сила в часФут-фунт-сила в минутуФут-фунт-сила в секундуГДж / секГигаваттгектоджоуль / секГектоваттЛошадиные силыЛс (550 фут * фунт-сила / с)Лс (котел)Лс (электрический)Лошадиная сила (метрическая)Лс (вода)Джоуль / часДжоуль в минутуДжоуль в секундуКилокалорий (IT) / часКилокалорий (IT) / минутуКилокалорий (IT) / секКилокалорий (й) / часКилокалорий (й) / минутуКилокалорий (й) / секКилоджоулей / часКилоджоуль в минутуКилоджоуль в секундукиловольт-амперкиловаттМБХМБТЕ (ИТ) в часМегаджоуль в секундуМегаваттМикроджоуль / секМикроваттMillijoule / секМилливаттMMBHMMBtu (IT) в часNanojoule / секНановаттНьютон-метр / секПетаджоуль / секпетаваттPferdestarkePicojoule / секПиковаттПланка питанияФунт-фут в часФунт-фут в минутуФунт-фут в секундуТераджоуль / секТераваттТон (холодильная техника)вольт-амперВольт Ампер РеактивныйВаттЙоктоваттYottawattZeptowattЗеттаватт	+10% -10%

✖Эффективность воздушного винта определяется как произведенная мощность (мощность воздушного винта), деленная на прилагаемую мощность (мощность двигателя). ⓘ КПД воздушного винта при заданной тяге [η]

⎘ копия

👎

Формула

сбросить

👍

КПД воздушного винта при заданной тяге Решение

ШАГ 0: Сводка предварительного расчета

ШАГ 1. Преобразование входов в базовый блок

Упор на коронку или абатменты: 48.11 Ньютон —> 48.11 Ньютон Конверсия не требуется
Скорость движения самолета вперед: 124 метр в секунду —> 124 метр в секунду Конверсия не требуется
Мощность вала: 130 киловатт —> 130000 Ватт (Проверьте преобразование здесь)

ШАГ 2: Оцените формулу

ШАГ 3: Преобразуйте результат в единицу вывода

0. 2)/(2*Соотношение топлива и воздуха*Теплотворная способность топлива)

Движущая сила при заданной скорости самолета

Идти Пропульсивная эффективность = (2*Скорость движения самолета вперед)/(Скорость струи самолета+Скорость движения самолета вперед)

Общая эффективность с учетом удельного расхода топлива

Идти Общая эффективность = Скорость полета/(Удельный расход топлива по тяге*Теплотворная способность топлива)

Общий КПД двигательной системы

Идти Общий КПД от вала A до X = Тепловая эффективность*Эффективность передачи*Пропульсивная эффективность

КПД воздушного винта при заданной тяге

Идти КПД винта = (Упор на коронку или абатменты*Скорость движения самолета вперед)/Мощность вала

Тепловой КПД турбореактивного двигателя

Идти Тепловая эффективность = Движущая сила/(Расход топлива*Теплотворная способность топлива)

Тепловой КПД гребных двигателей

Идти Тепловая эффективность = Сломать силу/(Расход топлива*Теплотворная способность топлива)

Пропульсивный КПД с учетом коэффициента эффективной скорости

Идти Пропульсивная эффективность = (2*Коэффициент эффективной скорости)/(1+Коэффициент эффективной скорости)

КПД передачи с учетом выходной и входной мощности передачи

Идти Эффективность передачи = Выход передачи/Вход передачи

Пропульсивная эффективность

Идти Пропульсивная эффективность = Сила тяги/Движущая сила

Эффективность винта

Идти КПД винта = Сила тяги/Мощность вала

КПД воздушного винта при заданной тяге формула

КПД винта = (Упор на коронку или абатменты*Скорость движения самолета вперед)/Мощность вала

η = (F*c_i)/S_p

Что такое эффективность пропеллера?

Эффективность воздушного винта определяется как произведенная мощность (мощность воздушного винта), деленная на прилагаемую мощность (мощность двигателя).

Share

Copied!

Воздушный винт

04.12.2020

Воздушный винт (пропеллер) — лопастной агрегат работающий в воздушной среде, приводимый во вращение двигателем и являющийся движителем, преобразующим мощность (крутящий момент) двигателя в действующую движущую силу тяги.
Воздушные винты, выполняющие (помимо функций движителя), дополнительные, либо иные функции, имеют специальные названия: ротор, маршевый винт, несущий винт (винтокрылых летательных аппаратов), рулевой винт, фенестрон, импеллер, вентилятор, ветрогенератор, винтовентилятор.

Воздушный винт применяется в качестве движителя для летательных аппаратов (самолётов, автожиров, цикложиров (циклокоптеров) и вертолётов с поршневыми и турбовинтовыми двигателями), а также в том же качестве — для экранопланов, аэросаней, аэроглиссеров и судов на воздушной подушке.
У автожиров и вертолётов воздушный винт применяется также в качестве несущего винта, а у вертолётов ещё и в качестве рулевого винта.

Воздушный винт, работающий в качестве движителя, в сочетании с двигателем образуют винтомоторную установку (ВМУ) — входящую в состав силовой установки.

Технические параметры

Лопасти винта, вращаясь, захватывают воздух и отбрасывают его в направлении, противоположном движению. Перед винтом создаётся зона пониженного давления, за винтом — повышенного.

• В зависимости от способа использования воздушные винты делятся на тянущие и толкающие.
• В зависимости от наличия возможности изменения шага лопастей воздушный винт подразделяются на винты фиксированного и изменяемого шага.

Определяющими являются диаметр и шаг винта. Шаг винта соответствует воображаемому расстоянию, на которое передвинется винт, ввинчиваясь в несжимаемую среду за один оборот. Существуют винты с возможностью изменения шага как на земле, так и в полёте. Последние получили распространение в конце 1930-х годов и применяются практически на всех самолётах (кроме некоторых сверхлёгких) и вертолётах. В первом случае изменение шага используют, чтобы создать большую тягу в широком диапазоне скоростей при мало изменяющихся (или неизменных) оборотах двигателя, соответствующих его максимальной мощности, во втором — из-за невозможности быстрого изменения оборотов несущего винта.

Вращение лопастей воздушного винта приводит к разворачивающему эффекту, воздействующему на летательный аппарат, причины которого в следующем:

• Реактивный момент винта. Любой воздушный винт, вращаясь в одну сторону, стремится накренить самолет или развернуть вертолёт в противоположную сторону. Именно из-за этого возникает асимметрия при поперечном управлении самолётом. Например, самолет с винтом левого вращения совершает развороты, перевороты и бочки вправо гораздо легче и быстрее, чем влево. Этот же реактивный момент является одной из причин неуправляемого разворота самолета вбок в начале разбега.
• Закручивание струи винта. Воздушный винт закручивает воздушный поток, что также вызывает несимметричную обдувку плоскостей и хвостового оперения справа и слева, различную подъёмную силу крыла справа и слева и разницу в обдуве управляющих поверхностей. Несимметричность потока хорошо видна на авиационных хим.работах при наблюдении за движением распыляемого вещества.
• Гироскопический момент винта. Любое быстро вращающееся тело имеет гироскопический момент (эффект волчка), заключающийся в стремлении к сохранению своего положения в пространстве. Если принудительно наклонить ось вращения гироскопа в какую-либо сторону, например, вверх или вниз, то она не просто будет противодействовать этому отклонению, а будет уходить в направлении, перпендикулярном произведённому воздействию, то есть в данном случае вправо или влево. Так, при изменении в установившемся полёте угла тангажа самолёт будет стремиться самостоятельно поменять курс, а при начале разворота возникает стремление самолёта к самостоятельному изменению угла тангажа.
• Момент, вызванный несимметричным обтеканием винта. В полёте ось винта отклонена от направления набегающего потока на угол атаки. Это приводит к тому, что опускающаяся лопасть обтекается под большим углом атаки, чем поднимающаяся. Правая часть воздушного винта будет создавать большую тягу, чем левая. Таким образом, будет создаваться момент рыскания влево. Наибольшую величину этот момент будет иметь на максимальном режиме работы двигателя и максимальном угле атаки.

Все четыре причины разворота — реактивный момент, действие струи, гироскопический момент и несимметричное обтекание винта, всегда действуют в одну сторону: при винте левого вращения разворачивают самолет вправо, а при винте правого вращения — влево. Этот эффект проявляется особенно сильно на мощных одномоторных самолётах при взлёте, когда самолёт движется с небольшой поступательной скоростью и эффективность работы воздушных рулей низкая. С ростом скорости разворачивающий момент ослабевает ввиду резкого увеличения эффективности действия рулей.

Для компенсации разворачивающего момента все самолёты делают несимметричными – как минимум, отклоняют руль направления от центральной строительной оси самолёта.

Кроме гироскопического эффекта двух из этих трёх недостатков лишены соосные воздушные винты.

Реактивный и гироскопический момент также присущ всем турбореактивным двигателям и учитывается в конструкции самолёта. Для компенсации реактивного момента винта вертолёта приходится применять рулевой винт, предотвращающий вращение фюзеляжа, либо использовать несколько несущих винтов (обычно два).

КПД

Коэффициентом полезного действия (КПД) воздушного винта называют отношение полезной мощности, затрачиваемой на преодоление сопротивления движению летательного аппарата, к мощности двигателя. Чем ближе КПД к 1, тем эффективнее расходуется мощность двигателя, и тем большую скорость или грузоподъёмность может развить при той же энерговооружённости.

Положительные и отрицательные стороны

КПД современных воздушных винтов достигает 82—86%, что делает их очень привлекательными для авиаконструкторов. Самолёты с турбовинтовыми силовыми установками значительно экономичнее, чем самолёты с реактивными двигателями. Однако воздушный винт имеет и некоторые ограничения, как конструктивного, так и эксплуатационного характера. Часть этих ограничений описана ниже.

• «Эффект запирания». Этот эффект возникает либо при увеличении диаметра воздушного винта, либо при увеличении скорости вращения, и выражается в отсутствии роста тяги с увеличением мощности, передаваемой на винт. Эффект связан с появлением на лопастях винта участков с околозвуковым и сверхзвуковым течением воздуха (т. н. волновой кризис).
  Это явление накладывает существенные ограничения на технические характеристики самолётов с винтомоторной силовой установкой. В частности, современные самолёты с воздушными винтами, как правило, не могут развить скорость более 650—700 км/ч. Самый быстрый винтовой самолёт — бомбардировщик Ту-95 — имеет максимальную скорость 920 км/ч, где проблема эффекта запирания была решена применением двух соосных винтов с допустимыми размерами лопастей, вращающихся в противоположных направлениях.

• Повышенная шумность. Шумность современных самолётов в настоящее время регламентируется нормами ICAO. Воздушный винт классической конструкции в эти нормы не вписывается. Новые типы воздушных винтов с саблевидными лопастями создают меньший шум, но такие лопасти очень сложны и дороги в производстве.

История

Идея воздушного винта происходит от архимедова винта.

Известен чертёж Леонардо Да Винчи с изображением прообраза вертолёта с несущим винтом. Винт всё ещё выглядит как архимедов.

В июле 1754 года Михаил Ломоносов провёл демонстрацию аэродромической модели. На ней лопасти уже уплощены, что приближает их к современному виду. Предполагается, что Ломоносов использовал образ китайской детской игрушки — бамбукового вертолётика.

Перспективные разработки

Авиаконструкторы идут на определённые технические ухищрения, чтобы такой эффективный движитель, как воздушный винт, нашёл место на самолётах будущего.

• Преодоление эффекта запирания. На самом мощном в мире турбовинтовом двигателе НК-12 крутящий момент силовой установки делится между двумя соосными воздушными винтами, вращающимися в разные стороны.

• Применение саблевидных лопастей. Многолопастный воздушный винт с тонкими саблевидными лопастями позволяет затянуть волновой кризис, и тем самым увеличить максимальную скорость полёта. Такое техническое решение реализовано, например, на самолёте АН-70.

• Разработка сверхзвуковых воздушных винтов. Эти разработки ведутся уже много лет, но никак не приведут к реальным техническим воплощениям. Лопасть сверхзвукового воздушного винта имеет крайне сложную форму, что затрудняет её прочностной расчёт. Кроме того, экспериментальные сверхзвуковые винты оказались очень шумными.

• Импеллер. Заключение воздушного винта в аэродинамическое кольцо. Весьма перспективное направление, поскольку позволяет снизить концевое обтекание лопастей, снизить шумность, и повысить безопасность (защищая людей от увечий). Однако вес самого кольца служит ограничивающим фактором для широкого распространения такого конструкторского решения в авиации. Зато на аэросанях, аэроглиссерах, судах на воздушной подушке и дирижаблях импеллер можно увидеть достаточно часто.

• Вентилятор. Так же, как импеллер, заключён в кольцо, но кроме того, имеет входной и иногда выходной направляющий аппарат. Направляющий аппарат представляет собой систему неподвижных лопастей (статор), позволяющих регулировать поток воздуха, попадающий на ротор вентилятора, и тем самым поднять его эффективность. Очень широко применяется в современных авиационных двигателях.

---

• Вокзальная улица (Фрязино)
• Джавид, Саджид
• 9 × 23 мм
• Мастодонзавр
• Энвайронментальная криминология
• Rasamsonia emersonii
• Иисус Христос
• Большеглазые акулы
• Цумбуш, Каспар фон
• Дуэль (фильм, 1971, Гонконг)

Введение, EPI Inc.

Последнее обновление: 01 января 2020 г.

ПРИМЕЧАНИЕ. Все наши продукты, конструкции и услуги являются УСТОЙЧИВЫМИ, ОРГАНИЧЕСКИМИ, БЕЗГЛЮТЕНОВЫМИ, НЕ СОДЕРЖАТ ГМО и не будут расстраивать чьи-либо драгоценные ЧУВСТВА или деликатные ЧУВСТВА

Работа воздушного винта в полете включает в себя несколько сложных аспектов.

Высокопроизводительные пропеллеры, доступные в наши дни являются результатом большого количества инженерных работ, разработок, испытаний и, к сожалению, нескольких ошибок.

Выбор соответствующего воздушного винта для нового самолета не должен осуществляться без учета нескольких факторов, характеризующих производительность пропеллера.

В следующих разделах этой страницы представлено несколько основных сведений, которые помогут лучше понять характеристики гребного винта.

ПРЕДПОСЫЛКИ

Винт предназначен для преобразования мощности двигателя, подаваемой на гребной винт вращающимся валом, в квазилинейную силу тяги, и делать это максимально эффективно во всем подходящем диапазоне скоростей транспортного средства. Пропеллер создает тягу, разгоняя большую массу воздуха с более низкой скоростью (перед диском пропеллера примерно скорость течения скорость транспортного средства) до более высокой скорости за гребным диском

Лопасть винта представляет собой сложный завихряющийся аэродинамический профиль. При постоянных оборотах винта и истинной скорости корабля относительная скорость воздух (и, следовательно, угол атаки аэродинамического профиля ) изменяется в зависимости от расстояния вдоль лопасти от центра вращения воздушного винта.

Таким образом, чтобы обеспечить идеальный угол атаки по всему лезвию, лезвие имеет «поворот», который изменяет угол наклона лопасти от низкого (у основания) до высокого (у кончика) с использованием различных алгоритмов распределения, полученных в результате обширных экспериментов и разработок.

Номинальный угол наклона лопасти (β) обычно представляет собой угол, измеренный на 75% радиального расстояния от центра вращения до наконечник пропеллера.

При постоянных оборотах воздушного винта по мере увеличения скорости воздушного судна угол атаки, видимый лопастью воздушного винта фиксированного шага явно уменьшится. Это ограничивает максимальную эффективность винта фиксированного шага до одной воздушной скорости при заданных оборотах в минуту, как показано на рис. 1 (из ref-4:13:149)..

Этот график является репрезентативным графиком эффективности гребного винта при различных углах шага лопастей (β) и передаточном числе (скорости). Ось Y этого графика представляет собой КПД гребного винта (насколько эффективно гребной винт преобразует приложенную мощность двигателя в тягу (обсуждается позже), и ось X графика представляет собой «коэффициент опережения», который представляет собой безразмерное количественное определение параметров скорости винта, рассчитывается следующим образом:

Коэффициент опережения = истинная воздушная скорость {фут/сек} / (скорость воздушного винта {об/сек} x диаметр {фут})

Рисунок 1

Кривые Рисунок 1 показывают, что диапазон скоростей, в котором может быть достигнут хороший КПД гребного винта, очень ограничен для фиксированный угол наклона. Из этого графика также видно, что если бы шаг лопастей можно было изменять в полете, КПД воздушного винта мог бы быть весьма значительным. высокая в широком диапазоне условий эксплуатации.

На самом деле, возможность изменения шага является общей для всех высокопроизводительных гребных винтов и чаще всего реализуется с помощью гидравлического поршня. механизм в ступице гребного винта. Осевое перемещение этого поршня изменяет шаг лопастей. Механический регулятор изменяет гидравлический давление, которое прикладывается к поршню в ответ на (а) мгновенные обороты винта и (б) команду пилота.

Эта система позволяет регулятору гребного винта поддерживать обороты гребного винта на требуемом пилотом уровне (в определенных пределах) путем соответствующей регулировки нагрузка на винт (угол лопасти) в ответ либо на изменение мощности двигателя, либо на изменение условий полета самолета (или на то и другое).

Существуют и другие механизмы управления шагом, которые пытаются выполнить ту же задачу, но это наиболее распространенная система.

 

ТЯГА, МОЩНОСТЬ и КПД

Как описано выше, вращающийся винт производит тяга, , которая не является мощностью , это сила , которая применяется к планеру.

Мощность определяется как работы на единицу время , что равно сила x расстояние/время . Одна лошадиная сила определяется как 550 ft-lb работы в секунду , поэтому гребной винт производимая мощность равна тяге ( фунтов силы ), умноженной на скорость ( расстояние в единицу времени ) и соответствующую постоянную масштабирования. к используемой системе единиц (в данном случае 550).

Таким образом, используя систему единиц фунтов, л.с. и футов в секунду: тяга, производит:

Тяга = 550 * гребной винт л.с. / скорость

Это уравнение показывает, почему при постоянной мощности двигателя тяга, создаваемая гребным винтом, ДОЛЖНА уменьшаться со скоростью; — — — скорость знаменатель в приведенном выше уравнении, поэтому с увеличением скорости частное (тяга) должно уменьшаться.

Эффективность гребного винта определяется как произведенная мощность (мощность гребного винта), деленная на приложенная мощность (мощность двигателя).

КПД гребного винта = мощность гребного винта (производимая) / мощность двигателя (подаваемая) задаются вопросом, умножая «двигатель л.с.» на 550, получается число ft-lb в секунду в этом числе л.с., чтобы совпадали единицы в числителе уравнения (алгебра 8-го класса).

Общая взаимосвязь между мощностью двигателя, тягой и мощностью винта в заданном диапазоне скоростей в модели постоянной атмосферы выглядит следующим образом: показан на рис. 2 ниже. Красная линия показывает постоянную мощность двигателя на всех скоростях. Зеленая линия показывает, какая часть этого двигателя мощность преобразуется в мощность гребного винта (КПД гребного винта x мощность двигателя), а фиолетовая линия показывает, как тяга зависит от скорости и гребного винта. КПД сначала очень быстро растет с увеличением скорости (из-за очень большого наклона кривой КПД), а затем снижается по мере увеличения скорости.

Обратите внимание, что зеленая линия также является четким изображением общего диапазона КПД гребного винта при показанной удельной силовой нагрузке, поскольку мощность двигателя на этом графике является постоянной величиной.

Рисунок 2

Опять же, фиолетовая кривая показывает быстрый рост тяги из-за тот факт, что при низких скоростях полета КПД воздушного винта очень низкий. По мере увеличения воздушной скорости растет и КПД, сначала быстро, затем медленнее, вплоть до своего максимума (около 85-87%), а затем падает за пределы пика.0027 Рисунок 1 .

Следующий график (рис. 3) снова иллюстрирует этот эффект, показывая тягу, создаваемую типичным винтом с различными уровни постоянной мощности двигателя, применяемой к нему, в зависимости от воздушной скорости (от 15 до 240 миль в час) и мощности, прилагаемой к нему (от 250 до 500 л.с.).

Обратите внимание, что возрастающий наклон кривых тяги при очень низких скоростях полета является побочным продуктом того факта, что эффективность очень низка при низких скоростях полета, но увеличивается довольно быстро по мере увеличения скорости полета, как обсуждалось выше. Это станет более ясно, когда ниже мы представим дополнительную информацию об эффективности гребного винта.

Рисунок 3

Теперь немного более простой алгебры позволяет получить некоторые более полезные уравнения эффективности.

Как представлено выше Рисунок 2 :

КПД гребного винта {«eff»}= (тяга x скорость) / (двигатель л.с. x 550)

В этом уравнении уже есть константа «550» (550 ft-lb /сек в один л.с.), так что вместо того, чтобы преобразовывать воздушную скорость (обычно мили в час или узлы) в футы в секунду, я просто комбинирую коэффициенты преобразования, чтобы получить:

eff = Тяга x Скорость {KTAS или миль/ч} / (Мощность двигателя x «K»)

(где «K» — константа для учета единиц).

Если используется система единиц измерения Фунты (тяга), Лошадиные силы (мощность) и Истинная скорость полета в узлах (KTAS), тогда уравнение принимает следующий вид: следующие уравнения, если вы предпочитаете использовать MPH-Ttue Airspeed (MTAS) вместо KTAS, используйте константу 375 вместо 326. Например:

eff = (Тяга x MTAS) / (HP x 375)

У уравнения эффективности есть и другие полезные формы. Переставив члены, уравнение для тяги, создаваемой при известной воздушной скорости, мощность двигателя и КПД воздушного винта:

Тяга = ( л.с. двигателя x эфф. x 326 ) / KTAS

Чтобы найти мощность л.с., необходимую для создания известной тяги при известной воздушной скорости и КПД воздушного винта:

л.с. двигателя = ( Тяга x KTAS ) / ( 326 x eff )

Чтобы найти скорость, которая может быть достигнута при известных л.с. двигателя, КПД винта и аэродинамическом сопротивлении (тяга = сопротивление в установившемся горизонтальном полете):

KTAS = (Мощность двигателя x КПД x 326) / Сопротивление

Эти уравнения полезны при использовании карты производительности гребного винта (поясняется ниже).

Как правило, чем больше диаметр пропеллера, тем он эффективнее. Следующие три уравнения (ref-4:9:219) предоставить оценку рекомендуемых диаметров гребного винта (дюймы) в зависимости от мощности, доступной опоре. («Корень четвертой степени» — это квадратный корень квадратного корня. )

Два лезвия:      d = 22 x корень четвертой степени из (HP)
Трехлопастный:    d = 18 x корень четвертой степени из (HP)
Трехлопастный (сельскохозяйственное применение): d = 20 x корень четвертой степени из (HP)

Однако максимальный полезный диаметр винта будет ограничен скоростью наконечником винта и дорожным просветом, обеспечиваемым планером.

 

СКОРОСТЬ НАКОНЕЧНИКА ВИНТА

Как описано выше, воздушные винты с изменяемым шагом обладают высокой эффективностью в широком диапазоне скоростей полета и применяемой мощности двигателя. Однако эта производительность имеет важные ограничивающие параметры.

Каждый раз, когда самолет находится в движении (и винт, конечно, вращается), траектория кончика лопасти винта через воздух представляет собой спираль, и, следовательно, его скорость («концевая скорость») представляет собой векторную сумму скорости вращения плюс поступательная скорость или скорость кончика спирали (подробно объясняется ниже).

Максимальная скорость винтовой кромки является важным параметром при выборе гребного винта. При отсутствии конкретных данных от производителя, можно с уверенностью предположить, что (а) максимальный КПД гребного винта будет составлять от 85 до 87% (для любого гребного винта, которое может себе позволить неправительственная организация), и (b) что КПД гребного винта начинает резко снижаться, когда гребной винт работает со скоростью винтовой кромки больше, чем максимальное число Маха эффективности, которое может варьироваться примерно от 0,84 до 0,88 М. ( Число Маха – отношение удельного скорости к локальной скорости звука, поясняется ниже.)

Самые лучшие современные пропеллеры могут приближаться к 90% пиковой эффективности преобразования, но с любым пропеллером КПД падает очень быстро, так как скорость наконечника превышает оптимальное значение. Потеря эффективности происходит из-за того, что локальная скорость воздуха над поверхность лопасти винта (вблизи точки максимальной хордовой толщины аэродинамического профиля и скорости) достигнет 1 Маха и создаст ударную волну который отделяет воздушный поток от поверхности и рассеивает энергию винта.

Это явление очень легко обнаружить в высокоскоростном самолете, который имеет возможность вращать винт слишком быстро для заданного набора условия полета. Вот пример. Несколько лет назад я летал на заводском Glasair-3 на авиашоу. Я летел на высоте 13 000 футов, 2400 об/мин, в ширину. открытый дроссель. Я немного отставал от графика, поэтому в погоне за еще несколькими узлами я решил работать на максимальной мощности (2700 об / мин, WOT). Это было чем-то вроде неожиданности, когда я потерял около 15 узлов воздушной скорости. Я установил обороты обратно на 2400 и восстановил потерянные 15 узлов. Позже я сделал расчеты для подтверждения того, что потери были вызваны внезапной потерей эффективности. Это было.

На самом деле довольно просто выполнить арифметические действия, необходимые для определения скорости вращения винта при заданных оборотах в минуту и ​​истинной воздушной скорости. Первый, рассчитать компоненты скорости винтовой вершины (скорость вращения, Vr, и скорость поступательного движения, Vt).

Скорость вращения равна диаметру винта, умноженному на число оборотов в минуту, умноженному на коэффициент преобразования. Снова используя KTAS в качестве единицы скорости, скорость вращения в футах в секунду составляет:

Vr (фут/сек) = об/мин x диаметр опоры (дюймы) x 3,1416 / (12 x 60),    ИЛИ

Vr (фут/сек) = RPM x Диаметр винта (дюймы) / 229,2

Поступательная скорость — это просто TAS самолета, выраженная в футах в секунду, или:

Vt (фут/сек) = KTAS x 6076 / 3600 или  Vt = KTAS x 1,688

Используя скорость вращения и поступательного движения (конечно, в тех же единицах), вы можете легко вычислить скорость винтовой вершины:

Vht = квадратный корень (Vr² + Vt²)

Затем вычислите скорость звука (1,0 Маха). Скорость звука в воздухе зависит ТОЛЬКО от квадратного корня из абсолютной температуры, как определено следующим уравнением:

Vs = квадратный корень (k x g x R x T) 

, где k, g и R – константы (1,4, 32,17 и 53,34 для воздуха), 90 169 и T – абсолютная температура (°F + 460) окружающего воздуха.

Итак, если вы находитесь на высоте 13 000 футов в стандартный день , температура воздуха составляет 12,71 °F. Таким образом, скорость звука (в футах в секунду):

Vs1 = квадратный корень (1,4 x 32,17 x 53,34 x (460 + 12,71))
Vs1 = 49,013 x квадратный корень (472,71) = 1065,6 фута/сек.

Число Маха заданной скорости — это просто отношение этой скорости к местному значению 1 Маха, или:

M = скорость / Vs1

Собрав все вместе в конкретном примере, предположим, что вы летите на высоте 13 000 футов в стандартный день при истинной воздушной скорости 240 узлов и 84-дюймовый пропеллер вращается со скоростью 2700 об/мин. Вот как можно рассчитать число Маха наконечника винта (используя приведенные выше простые уравнения):

Vr = 2700 x 84 / 229,2 = 989,5
Vt = 240 x 1,688 = 405,1
Vht = квадратный корень (405,1² + 989,5²) = 1069,2 фута в секунду
кончиков Маха = 1069,2 / 1065,6 = 1,034

Видите, почему Glasair замедлился?

Теперь, чтобы вычислить число оборотов в минуту, при котором на вашем винте происходит известное маховое движение законцовки, выполните простую алгебру над этими четырьмя уравнениями. (Vr, Vt, Vs1 и M) для определения числа оборотов в минуту с заданным диаметром гребного винта, TAS и температурой наружного воздуха.

(Вместо того, чтобы выполнять расчеты вручную, очень удобно поместить уравнения в электронную таблицу Excel и позволить компьютер делает арифметику. Компьютер работает намного быстрее, чем вы.)

 

КАРТЫ ЭФФЕКТИВНОСТИ

Карты производительности гребного винта представляют собой трехмерные таблицы, в которых указана эффективность гребного винта при различных сочетаниях передаточного отношения и силовая нагрузка для различных высотных условий. Большинство производителей гребных винтов характеризуют характеристики каждого из своих продуктов такими карта производительности. Не бойтесь попросить у производителя гребного винта карту с указанием гребного винта, который вы рассматриваете или оцениваете.

Используя соответствующую карту, вы можете точно определить эффективность работы практически для любых условий (при условии, что данные карты 95)

, где
TAS — истинная воздушная скорость в футах в секунду;
Н — скорость винта в оборотах в секунду;
D — диаметр стойки в футах;
плотность воздуха в слагах на кубический фут (уровень моря = 0,002376)

Опять же, таблица Excel делает эти расчеты очень простыми.

 

ИНТЕРЕСНАЯ СВЯЗЬ

Должно быть очевидно, что для самолета с постоянной скоростью в эшелоне полета:

сопротивление планера = тяга винта

Хорошо известно, что:

сопротивление планера = плотность воздуха x лобовая площадь транспортного средства x коэффициент лобового сопротивления x скорость²

Подстановка компонентов ‘ сопротивление корпуса ’ (плотность, площадь, коэффициент сопротивления, скорость²) для «тяга» в уравнении пропеллера л.с. дает следующее интересное уравнение:

л.с. пропеллера = (плотность воздуха x лобовая площадь x коэффициент сопротивления x скорость²) x скорость / 550

ИЛИ

л.с. пропеллера = плотность воздуха x площадь лобовой поверхности x коэффициент аэродинамического сопротивления x скорость³ / 550

Это уравнение показывает, что необходимая мощность винта пропорциональна скорости * скорости * скорости { скорости³ }.

Подумай об этом.

Это означает, что для данного планера (или значения аэродинамического сопротивления) для увеличения скорости на заданный процент (например, на 10%, или множитель 1,10) доступная мощность винта должна увеличиться на  (1,10)³ или 1,331 (при прочих равных условиях). Или, в др. Другими словами, чтобы увеличить скорость самолета на 10%, необходимо увеличить располагаемую мощность винта на 33%.

Вот более наглядный пример:  для удвоить (в 2 раза) скорость , (при заданном значении аэродинамического сопротивления) нужно в 8 раз (2 ³ ) столько же мощности винта. ( Это заявление не принимает во внимание очень быстрое увеличение сопротивления корпуса, которое происходит при Истинная воздушная скорость приближается к 1 Маха. большая окупаемость с точки зрения увеличения скороподъемности.

<< Вернуться к: Содержание Перейти к началу страницы ↑ Следующая тема: Вибрация воздушного винта >>

Каков КПД, $μ_p$ современных винтов легких спортивных самолетов?

Эффективность пропеллера часто упоминается здесь, в Aviation SE, но не имеет хорошего объяснения. Итак:

Пропеллер разгоняет воздух плотностью $\rho$, протекающий через диск пропеллера диаметром $d_P$. Это можно представить как трубку потока, проходящую через диск гребного винта. Эта трубка потока начинается с воздуха со скоростью окружающей среды и имеет большой диаметр d$_0$. Поскольку всасывание перед гребным винтом ускоряет воздух в трубке потока, он начинает ускоряться, и трубка потока сжимается. В плоскости пропеллера мы наблюдаем скачок давления р: Здесь к потоку добавляется энергия, поэтому Бернулли не применяется мгновенно. После пропеллера воздух в трубке потока ускоряется еще больше, и труба сжимается до диаметра d$_1$, когда давление внутри падает до атмосферного давления (пунктирная линия на графике давления ниже):

Скорость воздуха впереди равна $v_0 = v_{\infty}$, а скорость воздуха позади винта равна $v_1 = v_0 + \Delta v$. Пропеллер производит изменение давления, которое всасывает воздух перед собой и выталкивает его наружу. Поскольку массовый расход должен быть одинаковым впереди и позади гребного винта, диаметр трубки потока больше перед гребным винтом и меньше после него. В действительности четкой границы между воздухом, проходящим через винт, и воздухом, окружающим его, нет, но для расчета тяги это упрощение работает хорошо, если воздушная скорость одинакова в поперечном сечении диска винта. 92}}{1 + \frac{\Delta v}{2\cdot v _{\infty}}}$$ Тем не менее, мы еще не включили потери на трение, и наш винт и гондола двигателя также не включены. Теперь мы должны дать определение тому, что такое тяга винта: это просто подъемная сила, действующая на лопасти винта в прямом направлении, или оставшаяся поступательная сила после вычета дополнительного сопротивления компонентов самолета в воздушном потоке винта. ?

Чтобы избежать длительных вычислений, можно использовать диаграммы, на которых КПД отображается по ряду параметров.

Для краткости обсуждения: обычно можно с уверенностью предположить, что максимальный КПД гребного винта составляет 0,85 (85 %) с большими медленно вращающимися гребными винтами (от 1000 до 1700 об/мин). Если распределение крутки вдоль лопасти не соответствует локальному распределению угла атаки (скажем, если винт оптимизирован для высокой скорости, но работает на малой воздушной скорости, например, при взлете), КПД может легко упасть до 0,7 (70% ).