| |
ему дополнительную, индуктивную скорость w. В результате истинная скорость Wн,.
обтекания элемента и истинный угол атаки ({{?}}н на рис. 4) отличаются от
идеальных. Вычисление w и {{?}}н являются основной задачей теории винта.
В 1910—1911 Г. X. Сабинин и Б. Н. Юрьев развили теорию Джевецкого, включив в
неё, в частности, некоторые положения теории идеального пропеллера. Расчёты В.
в. по полученным ими формулам вполне удовлетворительно согласовывались с
экспериментальными результатами. В 1912 Н. Е. Жуковский предложил вихревую
теорию, дающую точное физическое представление о работе винта, и практически
все расчёты В. в. стали проводиться на основе этой теории.
Согласно теории Жуковского, винт заменяется системой присоединённых и свободных
вихрей (рис. 5). При этом лопасти заменятся вихрями присоединёнными, которые
переходят в вихрь свободный (рис. 6), идущий вдоль оси винта, а с задней кромка
лопасти сходят свободные вихри, образующие в общем случае винтовую вихревую
пелену. При допущении, что {{?}} < < V и свободные вихри имеют форму винтовых
линий (малы возмущения), Жуковский получил простые формулы для скорости {{?}},
вызываемой цилиндрическим слоем винтовых вихрей (то есть для осреднённой по
окружности {{?}}), дающие непосредственную связь {{?}} с циркуляцией скорости
вокруг сечения лопасти. Гипотеза плоских сечений при безотрывном обтекании
лопасти была подтверждена экспериментально совпадением распределений давления
по сечениям лопасти вращающегося В. в. и крыльев с теми же профилями сечений.
Оказалось, однако, что вращение влияет на распространение срыва потока по
поверхности лопасти и в особенности на разрежение в области отрыва.
Начинающаяся на конце лопасти область отрыва потока подобна вращающейся трубе,
разрежение в ней управляется центробежной силой и на внутренней части лопасти
намного больше, чем на крыле.
При {{?}} < 1 истинная индуктивная скорость близка к средней, и полученные в
вихревой теории формулы дают хорошие результаты при расчёте и проектировании В.
в. Однако при {{?}} > 1 отличие истинной {{?}} от средней становится заметным,
и расчёт В. в. с истинной {{?}} становится аналогичным расчёту крыла конечного
размаха (см. Крыла теория). При расчёте тяжело нагруженных В. в. (с большим
отношением мощности к сметаемой винтом поверхности) необходимо учитывать
деформацию вихрей.
Вследствие того, что к окружной скорости В. в. добавляется поступательная
скорость летательного аппарата, влияние сжимаемости воздуха сказывается прежде
всего на В. в. (приводит к уменьшению коэффициента полезного действия). При
дозвуковых окружной скорости конца лопасти, поступательной скорости самолёта и
дозвуковой скорости W влияние сжимаемости воздуха на {{?}} слабое и сказывается
лишь на обтекании лопасти. В случае же дозвуковой скорости летательной аппарат
и сверхзвуковой скорости W на конце лопасти (когда необходим учёт сжимаемости
среды) теория В. в., основанная на схеме присоединённых (несущих) вихрей,
становится практически неприменимой, к нужен переход к схеме несущей
поверхности. Такой переход необходим и при дозвуковой скорости конца лопасти,
если её ширина достаточно велика. Полученные в СССР экспериментальным путём
аэродинамические характеристики В. в. и поправки, обусловленные сжимаемостью
воздуха, широко применялись при выборе диаметров и числа лопастей В. в. и
вместе с выбором формы лопастей (в особенности профилей их сечений) дали
возможность улучшить лётные характеристики отечественных самолетов, в том числе
участвовавших в Великой Отечественной войне.
В течение первого периода освоения больших дозвуковых скоростей основной
задачей проектирования В. в. считали создание винтов большого диаметра (до 6 м)
с высоким коэффициентом полезного действия (~85%) при максимальной скорости
полёта. Характеристики профилей при больших околозвуковых скоростях полота
впервые были получены экспериментально на винтах с так называемыми
дренированными лопастями, причём один из профилей имел свойства
сверхкритического профиля (1949). Для второго периода (с 60х гг.) характерно
дополнительное требование — увеличенная тяга В. в. при взлёте. С этой целью
были разработаны лопасти с профилями увеличенной кривизны. Дальнейшее развитие
В. в. связывают с разработкой винтов с большим числом широких тонких
саблевидных лопастей (рис. 3). С увеличением числа и ширины лопастей большое
значение приобретает обтекание их комлевых частей, где существенен эффект
решётки профилей. Средством уменьшения волнового сопротивления может быть выбор
формы кока. Расчеты и эксперименты показывают, что на скоростях полёта,
соответствующих Маха числу полёта M{{?}} < = 0,9, эти В. в. обеспечат
значительную экономию топлива по сравнению с турбореактивными двигателями и
турбореактивными двухконтурными двигателями (до 20—30%), будут менее шумными,
что особенно существенно в связи с постоянным ужесточением Норм шума.
В СССР большой вклад в разработку теории, методов расчёта и проектирование В. в.
внесли С. Ш. Бас-Дубов, Б. П. Бляхман, В. П. Ветчинкин, К. И. Жданов, Г. М.
Заславский, В. В. Келдыш, А. Н. Кишалов, Г. И. Кузьмин, А. М. Лепилкин, Г. И.
Майкапар, И. В. Остославский, Н. Н. Поляков, Д. В. Халезов.
Лит.: Жуковский Н. Е., Вихревая теория гребного винта, Полн. собр. соч., т. 6,
М., 1937; Юрьев Б. Н., Воздушные винты, М., 1933; Александров В. Л., Воздушные
винты, М., 1961; Франкль Ф. И., Избр. труды по газовой динамике, М., 1973;
Теория несущего винта, М., 1973; ЦАГИ — Основные этапы научной деятельности
1918—1968 гг., М., 1976.
Г. И. Майкапар, Ю. Л. Сухоросов.
Рис. 1. Схемы воздушных винтов.
Рис. 2. Воздушный винт: 1 — втулка; 2 — обтекатель; 3 — механизм изменения
шага; 4 — лопасть; 5 — нагревательный элемент противообледенительной системы.
Рис. 3. Модель винта нового типа (винтовентилятора) с лопастями из
|
|