Рис.1 Воздушный винт для аэросаней:

 

 

ВИНТ - ОСНОВА СКОРОСТИ

 

     Основные геометрические характеристики винта (рис. 1) - диаметр или радиус, средняя хорда лопасти и средний угол установки сечений, определяемый шагом винта. Средней хордой лопасти называется ширина того сечения лопасти, которое располагается на расстоянии 0,75 r. Угол между хордой этого сечения и плоскостью вращения характеризуется шагом винта H и определяется по формуле: H=2πr*tqϕ

где r —радиус винта,

ϕ— средний угол установки сечения.

 

          Сечение  лопастей   принято   обозначать   величиной   относительного   радиуса,   на   котором   они   расположены.   Для этого длину лопасти разбивают на 10 равных отрезков. Относительные радиусы будут: r = 0,1; 0,2; 0,3 и т. д. Само сечение (дужка)  может иметь различные профили  (рис. 2).

Рис. 2. Сечение лопастей винта

 

Тонкие симметричные профили ставят на концевые части лопастей, работающих на больших оборотах и имеющих высокие окружные скорости. Несимметричные используются для меньших окружных скоростей. Их располагают ближе к втулке — в комлевой части.

Удобны в изготовлении плоско-выпуклые профили, нижний контур  которых образует прямая линия   (рис. 3).

 

Рис. 3. Основные координаты плоско-выпуклого винта РАФ-6.

 

 

        Основными геометрическими характеристиками профилей являются величина  хорды  b,  толщина  профиля C. Относительной  толщиной  профиля   называется   отношение   ; где С — толщина профиля, b — хорда.

По относительной толщине профили разделяются на толстые (с = 0,21 - 0,15), средние (с = 0,12—0,10) и тонкие (с<0,10).

Пользуясь указанными на рисунке 3 данными, можно построить сечения с любыми значениями b и с по формулам:

 

ТЯГА

         Тяга винта тем сильнее, чем больше воздуха отбрасывается назад. Количество проходящего воздуха зависит от диаметра винта и величины энергии, переданной винтом воздушному потоку, то есть от мощности.

Но мощность расходуется не только на создание тяги, но и на преодоление трения лопастей о воздух, теряется из-за неравномерного распределения скоростей в плоскости винта, перетекания воздуха около концов лопастей. Эти сопротивления возрастают с увеличением окружных скоростей и учитываются относительным коэффициентом полезного действия винта (η).

Простейшая формула для определения тяги винта будет:

где: η- к.п.д. винта,

        ∆ — относительная плотность воздуха, равная единице при нормальных, так называемых стандартных условиях, то есть при температуре воздуха t = +35° и давлении атмосферного воздуха 760 мм,

        D —диаметр  винта   (в м),

        N — мощность, подводимая к винту   (в л. с).

или 

 

      Значение относительного коэффициента полезного действия η зависит от многих факторов: типа и толщины профилей, углов их атаки и ширины сечений, окружной скорости концов лопастей и, наконец, от тщательности выполнения и отделки поверхности лопастей, которая должна быть совершенно гладкой — полированной. Наиболее существенное влияние на η оказывает окружная скорость концов лопастей, которая вычисляется по формуле:

где n_в =число оборотов винта в минуту.

Зависимость относительного к. п. д. винта при работе его па месте от окружной скорости концов лопастей показана на графике (рис. 4).

Рис. 4. Влияние окружной скорости винта на к.п.д.

 

       Преобразовав предыдущую  формулу,   нетрудно  определить диаметр:

 

       Для получения большей тяги при заданном двигателе всегда выгодно увеличивать диаметр и уменьшать обороты. Но необходимо, чтобы лопасти не выступали за пределы внешних кромок лыж.

Если обороты винта и коленчатого вала не совпадают, то передаточное отношение редуктора определяется по формуле:

где п_в — число оборотов винта в минуту,

n_двиг —число оборотов коленчатого вала двигателя в минуту.

      При подсчете величины тяги для винта с редуктором необходимо учитывать некоторое понижение мощности, подводимой к винту, из-за потерь в передаче. Для шестеренчатого редуктора расчетную мощность двигателя необходимо уменьшить  на  3-5%,  для  цепной  и  клиноременной  передач — на 4-8%

 

 

ШИРИНА ЛОПАСТИ

Средняя хорда лопасти  b_0,75   определяется  по  формуле:

где

К — число лопастей воздушного винта,

Су —средний коэффициент подъемной силы, определяемый по рисунку 5, в зависимости от окружной скорости винта W_k

Вычислив среднюю хорду лопасти b_0,75, необходимо определить ее относительную ширину:

 

Рис. 5. Определение среднего коэффициента подъемной силы.

        Для деревянных винтов эта величина должна быть в пределах от 0,08 до 0,12. Широкие лопасти с b_0,75>0,12 требуют большого переходного участка от втулки к рабочей части лопасти (к перу). При этом значительная часть длины лопасти будет выключена из работы. Делать резкий переход по втулке недопустимо — уменьшится прочность.

       Если окажется, что относительная ширина лопасти не укладывается в рекомендуемые пределы, значит, параметры винта выбраны не совсем удачно. В этом случае можно изменить ширину лопасти за счет изменения окружной скорости либо увеличить количество лопастей винта.

        Наибольшее распространение получили винты, имеющие одинаковую ширину пера лопасти почти по всей длине. Если по расчету b_0,75 получается около 0,08, целесообразно сохранить величину хорды b сечения r_0,75 и несколько расширить лопасть к втулке. Это повысит ее общую жесткость и прочность.

 

 

ТОЛЩИНА СЕЧЕНИЯ ЛОПАСТИ

Относительная толщина с профилей лопасти должна быть: у ступицы —0,18-0,2, в сечении на r0,75 —0,1—0,13 и па концах лопастей— 0,07-0,1.

Большие относительные толщины  целесообразно  применять на тихоходных винтах с Wk= 180 м/сек. На рисунке 6 показано типовое распределение относительных толщин по длине лопасти.

 

Рис. 6. Типовое распределение относительных толщин по длине лопасти.  Рис. 7. Расчет углов установленных сечений лопасти. Рис. 8. Изменение тяги винта в зависимости от скорости движения.

 

 

 

УГЛЫ УСТАНОВКИ СЕЧЕНИЙ

Средний   угол   установки   сечения,   расположенного   на   радиусе r= 0,75  (в градусах), определяется по формуле:

Углы установки остальных сечении рассчитываются, как указано на рисунке 7. Для любого сечения угол ϕ_n находится по формуле:

Обычно достаточно определить углы установки на r = 0,2; 0,5; 0,75 и 0,9. После расчета углов необходимо построить график крутки лопасти и проверить, все ли углы точно легли на плавную кривую.

 

ИЗМЕРЕНИЕ ТЯГИ  ВИНТА  ПО  СКОРОСТИ

          Для винтов фиксированного шага при увеличении скорости поступательного движения изменяется истинный угол по отношению к набегающему потоку воздуха. Эти углы уменьшаются, и винт облегчается, при этом его тяга падает, а обороты коленчатого вала двигателя увеличиваются. Во избежание раскрутки двигателя его необходимо дросселировать. Для каждого винта фиксированного шага имеется такая скорость, при которой винт, работая на максимальных оборотах, перестает тянуть и, более того, с превышением этой скорости начинает давать обратную тягу, то есть  начинает тормозить движение. Скорость нулевой тяги может быть высчитана по формуле:

Зная величину тяги при работе винта на месте и скорость нулевой тяги, можно построить график изменения тяги по скорости при максимальных оборотах коленчатого вала двигателя (рис. 8).

 

 

ПРИМЕР РАСЧЕТА ВИНТА

Прежде чем приступить к расчету винта, необходимо определить основные параметры будущих аэросаней: тип, мощность и обороты коленчатого вала двигателя, колея машины и ходовой вес 1.

Задаемся условиями расчета:

1. Аэросани двухместные.
2. Ходовой вес G_x = 440 кг  (вес взят на основании статистических данных по аэросаням подобного типа).
3. Колея — 1600 мм.
4. Тип двигателя — К-750М.
5. Мощность — 27,5 л. с.
6. Обороты коленчатого вала двигателя при максимальной мощности N_макс : n_двиг = 4600 об/мин.
7. Коэффициент качества к = 0,24.

Зная вес аэросаней Gx и коэффициент к, определяем по формуле   качества к =величину тягового усилия винта, необходимую для аэросаней данного веса.

            Т = G_x*к = 440 * 0,24 = 105 кг.

 

 

ПОДБОР ДИАМЕТРА ВИНТА

      Из  условий  ограничения  окружной   скорости   концов  лопастей, допустимых  для деревянных винтов   (W_k— 270  м/сек), определяем диаметр винта по формуле:

Определяем  тяговое   усилие   для   винта    полученного   диаметра:

Из конструктивных соображений, с учетом требований техники безопасности, определяем наибольший диаметр винта, который можно использовать на машине  данного типа.   Он будет:

D - (1,6 + 0,25) — 0,05 = 1.8 м,

где 1,6 — колея аэросаней в м,

0,25 — ширина лыжи в м,

0,05 — перекрытие  диаметра   винта   наружными   кромками лыж.

Для   получения    наилучшего    кпд    принимаем    окружную скорость концов лопастей WK = 200 м/сек. (рис. 9). Определяем обороты винта при его диаметре 1,8 м:

то есть в передачу двигатель — винт должен быть введен редуктор. Его передаточное отношение 

I=2300/4600=0,464

 

Проверяем, какое тяговое усилие можно получить с такого винта с учетом потерь мощности в редукторе 4%. Снижение мощности за счет редуктора:

Np=17*0.96=26 л.с.

Тяга винта:

то есть тяги вполне достаточно. Определяем  ширину  лопасти   для  данного  винта  в   0,75R;

b_0,75 =(106*110)/(2*0.55*1.8*200²)=0.148 м

или (в %) 

b_0,75 =(0,148*100)/1,8=8,2%

 

 

Угол установки сечения на r_0,75.

Определяем   углы   установки  сечений  по  лопасти,  взяв  за основу крутку лопасти по рисунку 7:

 

ϕ_0,2=(7.55*275)/(100)=20.5⁰

ϕ_0,5=(7.55*150)/100=11.3⁰

ϕ_0,9=(7.55*8.3)/100=6.2⁰

По полученным данным расчета выполняем чертеж винта и его сечений в натуральную величину.

  Источник журнал моделист конструктор

 

Похожие материалы:

       

• Воздушный винт 200x100
• Таблица подбора винта
• Винты воздушные 200х200