Руководство пилота по аэронавтике » Глава 6. Системы самолета » Силовая установка » Воздушный винт

Воздушный винт

Propeller

Воздушный винт – вращающееся крыло обладающее аэродинамическим сопротивлением, срывом потока и другими аэродинамическими свойствами, характерные для любого крыла. Он обеспечивает необходимую силу тяги, чтобы тянуть самолет через воздух или отталкивать самолет от воздуха. Энергия двигателя используется, чтобы вращать винт, который в свою очередь производит продольное осевое давление, по тому же принципу, по которому крыло генерирует подъемную силу. Величина произведенного осевого давления зависит от формы крыла, угла атаки лопасти пропеллера и частоты оборотов двигателя. Сама лопасть имеет крутку вдоль продольной оси, таким образом угол наклона лопасти (угол атаки или угол установки лопасти) изменяется от втулки к кончику лопасти. Наибольший угол установки или шаг винта около втулки, в то время как самый маленький угол на кончике. [Рисунок 6-6]

Крутка лопастей винта позволяет создавать одинаковую тягу по всей длине лопасти. Так как лопасть совершает вращательное движение, то линейная скорость движения части лопасти у основания меньше, чем скорость движения законцовки, поскольку в один момент времени законцовка проходит большее расстояние, чем часть лопасти около втулки. [Рисунок 6-7], поэтому угол наклона лопасти уменьшается от втулки к законцовке. Лопасть винта, имеющее фиксированый угол установки вдоль лопасти (без крутки) не столь эффективна тем же самым углом падения, потому что, поскольку скорость полёта увеличивается в полете, у части около втулки был бы отрицательный угол нападения, в то время как конец лопасти будет остановлен.

Рисунок 6-6. Изменение угла наклона лопасти винта от втулки до законцовки.

Малые самолеты оборудованы одним из двух типов винтов – с изменяемым и фиксированным шагом.

Рисунок 6-7. Соотношение расстояний, проходимых различными частями лопасти.

The propeller is a rotating airfoil, subject to induced drag, stalls, and other aerodynamic principles that apply to any airfoil. It provides the necessary thrust to pull, or in some cases push, the aircraft through the air. The engine power is used to rotate the propeller, which in turn generates thrust very similar to the manner in which a wing produces lift. The amount of thrust produced depends on the shape of the airfoil, the angle of attack of the propeller blade, and the revolutions per minute (rpm) of the engine. The propeller itself is twisted so the blade angle changes from hub to tip. The greatest angle of incidence, or the highest pitch, is at the hub while the smallest angle of incidence or smallest pitch is at the tip. [Figure 6-6]

The reason for the twist is to produce uniform lift from the hub to the tip. As the blade rotates, there is a difference in the actual speed of the various portions of the blade. The tip of the blade travels faster than the part near the hub, because the tip travels a greater distance than the hub in the same length of time. [Figure 6-7] Changing the angle of incidence (pitch) from the hub to the tip to correspond with the speed produces uniform lift throughout the length of the blade. A propeller blade designed with the same angle of incidence throughout its entire length would be inefficient because as airspeed increases in flight, the portion near the hub would have a negative angle of attack while the blade tip would be stalled.

Figure 6-6. Changes in propeller blade angle from hub to tip.

Small aircraft are equipped with either one of two types of propellers. One is the fixed pitch, and the other is the adjustable pitch.

Figure 6-7. Relationship of travel distance and speed of various portions of propeller blade.

Винт с фиксированным шагом

Fixed-Pitch Propeller

Винт у которого угол наклона лопасти (шаг винта) невозможно изменить называется винтом с фиксированным шагом (ВФШ). Шаг такого винта устанавливается изотовителем и его невозможно изменить. Винт фиксированного шага достигает максимальной эффективности только при определенной комбинации скорости полёта и частоты вращения двигателя, и она не идеальна ни для полета в крейсерском режиме, ни для набора высоты. Винт с фиксированным шагом используется, когда необходимо добиться мылого веса конструкции, простоты и низкой цены.

Есть два типа ВФШ: для взлета и крейсерский. Выбор типа определяется целью использования. У ВФШ подъема угол установки небольшой, следовательно и сопротивление воздуха, создаваемое лопастью меньше. Снижение сопротивление увеличивает КПД двигателя, что улучшает взлетные характеристики самолета, но ухудшает рабочие характеристики во время крейсерского полета.

У крейсерского ВФШ угол установки больше, поэтому сопротивление воздуха на лопасти выше. Увеличенное сопротивление приводит к уменьшению частоты вращения двигателя, что ухудшает КПД двигателя при взлете и наборе высоты, но увеличивает эффективность во время крейсерского полета.

Винт обычно устанавливается на вале, который может быть непосредственным продолжением коленвала двигателя. В этом случае частота оборотов двигателя будет совпадат с частотой вращения винта. На некоторых самолетах вал винта свзян с коленвалом двигател через передаточный механизм. В этом случае частота вращения коленвала двигателя отличается от частоты вращения винта .

В случае винта с фиксированным шагом тахометр отражает непосредственную частоту вращения вала двигателя. [Рисунок 6-8] Обычно, тахометр откалиброван в сотнях оборотов в минуту и показывает частоту вращения винта и двигателя. Тахометр имеет цветную маркировку, зеленая дуга обозначает нормальный диапазон для длительной работы двигателя. У некоторых тахометров есть дополнительные маркировки, отражающие ограничения работы винта и/или двигателя. Вы должны обратиться к руководтству производителя, для уточнения всех нюансов цветной маркировки тахометра.

Рисунок 6-8. Обозначение частоты вращения на тахометре.

Частота вращения двигателя регулируется дросселем, который управляет количеством смеси топлива и воздуха, которое попадет в двигатель. При постоянной высоте, чем больше показания тахометра, тем выше выходная мощность двигателя.

Когда высота полета увеличивается, тахометр может показывать неправильную выходную мощность двигателя. Например при, 2,300 оборотов в минуту на высоте 5,000 футов двигатель производит меньше мощности, чем при тех же 2,300 оборотов в минуту но на высоте уровня моря, потому что выходная мощность зависит от плотности окружающего воздуха. С ростом высоты, плотность воздуха уменьшается, что влечет снижение выходной мощности двигателя. При изменении высоты для поддержания постоянной частоты вращения двигателя необходимо изменить положение дросселя. При увеличении высоты необходимо сильнее открыть заслонку дросселя, чтобы обеспечить постоянство оборотов двигателя.

A propeller with fixed blade angles is a fixed-pitch propeller. The pitch of this propeller is set by the manufacturer and cannot be changed. Since a fixed-pitch propeller achieves the best efficiency only at a given combination of airspeed and rpm, the pitch setting is ideal for neither cruise nor climb. Thus, the aircraft suffers a bit in each performance category. The fixed-pitch propeller is used when low weight, simplicity, and low cost are needed.

There are two types of fixed-pitch propellers: climb and cruise. Whether the airplane has a climb or cruise propeller installed depends upon its intended use. The climb propeller has a lower pitch, therefore less drag. Less drag results in higher rpm and more horsepower capability, which increases performance during takeoffs and climbs, but decreases performance during cruising flight.

The cruise propeller has a higher pitch, therefore more drag. More drag results in lower rpm and less horsepower capability, which decreases performance during takeoffs and climbs, but increases efficiency during cruising flight.

The propeller is usually mounted on a shaft, which may be an extension of the engine crankshaft. In this case, the rpm of the propeller would be the same as the crankshaft rpm. On some engines, the propeller is mounted on a shaft geared to the engine crankshaft. In this type, the rpm of the propeller is different than that of the engine.

In a fixed-pitch propeller, the tachometer is the indicator of engine power. [Figure 6-8] A tachometer is calibrated in hundreds of rpm and gives a direct indication of the engine and propeller rpm. The instrument is color coded, with a green arc denoting the maximum continuous operating rpm. Some tachometers have additional markings to reflect engine and/or propeller limitations. The manufacturer’s recommendations should be used as a reference to clarify any misunderstanding of tachometer markings.

Figure 6-8. Engine rpm is indicated on the tachometer.

The rpm is regulated by the throttle, which controls the fuel/air flow to the engine. At a given altitude, the higher the tachometer reading, the higher the power output of the engine.

When operating altitude increases, the tachometer may not show correct power output of the engine. For example, 2,300 rpm at 5,000 feet produces less horsepower than 2,300 rpm at sea level because power output depends on air density. Air density decreases as altitude increases and a decrease in air density (higher density altitude) decreases the power output of the engine. As altitude changes, the position of the throttle must be changed to maintain the same rpm. As altitude is increased, the throttle must be opened further to indicate the same rpm as at a lower altitude.

Винт изменяемого шага

Adjustable-Pitch Propeller

Винт изменяемого шага (ВИШ) был предшественником винта с постоянным числом оборотов. Такой винт имеет лопасти угол установки которых можно было регулировать, но только на земле и с выключенным двигателем. Они также называются винтами, регулируемыми на земле. В 1930-х годах авиационные изобретатели начали разработку автоматических механизмов для изменения шага винта в полете, которые иногда относится к современному термину винта постоянного числа оборота, угол лопастей которого регулируются в полете.

Первые системы регулируемого шага винта позволяли устанавливать пропеллер только в двух положениях: затяжеленное (лопасти установлены на большой угол) и облегченное (лопасти установлены на малый угол). Современные системы изменения шага винта позволяют регулировать угол установки в рамках определенного диапазона.

Винт постоянного числа оборотов – это винт изменяемого шага, угол установки лопастей которого изменяется автоматически специальным регулятором таким образом, чтобы поддерживать постоянную частоту вращения винта вне зависимости от давления воздуха. Это наиболее распространенный тип ВИШ. Главное преимущество винта постоянно числа оборотов в том, что он преобразует большой процент выходной мощности двигателя (мощность на валу) в тяговую мощность в широком диапазоне комбинаций скоростей полета и частоты вращения двигателя. Винт постоянного числа оборотов (ВПО) более эффективен чем другие винты, потому что он позволяет подобрать наиболее эффективную частоту вращения двигателя для конкретных условий полета.

У самолета с ВПО есть два средства управления: дроссель и контроллер шага винта. Дроссель управляет выходной мощностью двигателя, а контроллер угла установки лопастей регулирует частоту вращения винта. Эта частота вращения и отображается на тахометре.

Как только выбрана определнная частота вращения, регулятор автоматически устанавливает угол наклона лопасти по мере необходимости, чтобы поддержать заданную частоту вращения. Например, после установки желаемой частоты вращения во время крейсерского полета, увеличение скорости полёта или снижение нагрузки на винт заставит изменить угол установки лопсатей таким образом, чтобы поддержать заданную частоту вращения. Сокращение скорости полёта или увеличение нагрузки на винт приведет к уменьшению угла наклона лопасти.

Диапазон постояного числа оборотов, обуславливется максимальным и минимальным шагом винта и определяет максимальный и минимальный угл установки лопастей для поддержания постоянства оборотов. Пока угол наклона лопасти винта находится в пределах диапазона, будет поддерживаться постоянна частота вращения. Если лопасти винта достигнут своего минимального или максимального угла установки, то частота вращения будет увеличиваться или уменьшаться в соответствии с изменениями в нагрузке на лопасти и скорости полёта. Например, как только определенная частота была задана, и скорость самолета уменьшается, то при достижении предельного угла установки лопасти дальнейшее уменьшение скорости приведет к снижению частоты вращения винта, и винт будет работать так же как и ВФШ. То же самое верно и для случая с увеличением скорости самолета, когда самолет, оборудованный ВПО набирает скорость. Поскольку самолет ускоряется, угол установки лопасти винта увеличивается, чтобы поддержать заданную частоту вращения винта вплоть до тех пор, пока не будет достигнут предельный максимальный угол установки. Как только это произойдет, угол умтановки лопасти больше не может увеличиваться и это повлечет увеличение частоты вращения двигателя.

На самолете, оборудованном ВПО, выходной мощностью управляет дроссель, а показания давления во впускном коллекторе отображаются на соответствующем приборе. Датчик измеряет абсолютное давление смеси топлива/воздуха во впускном коллекторе, или, что вернее, абсолютное давление во впускном коллекторе (manifold absolute pressure, MAP). При фиксированной частоте вращения и фиксированной высоте количество произведенной двигателем мощности пропорционально потоку топливовоздушной смеси, поставляемой в камеры сгорания. Если заслонка дросселя открыавается, то поток смеси увеличивается, что приводит к увеличению абсолютного давления во впускном коллекторе. Когда двигатель остановлен, датчик давления указывает на давление окружающего воздуха (то есть, 29.92 дюймов ртутного столба (29.92 "Hg)). Когда двигатель будет запущен, давления во впускном коллекторе упадет (например в режиме малого газа, 12 "Hg). Отказ двигателя или потеря мощности отобразятся на приборе датчика давления MAP как увеличение давления во всасывающем коллекторе до значения, соответствующего атмосферному давлению на той высоте, где произошла неисправность. [Рисунок 6-9]

Рисунок 6-9. Выходная мощность двигателя отображается на приборе датчика давления во впускном коллекторе.

Датчик давления во впускном коллекторе имеет цветовую маркировку диапазонов работы двигателя. Зеленой дугой на приборе маркирован нормальный рабочий диапазон, а красная риска указывает на максимальный предел давления во впускном коллекторе.

Для каждого значения частоты вращения двигателя существует определенное значение давления, которое не должно быть превышено. Если давление во впускном коллекторе превышает максимальное установленной для заданной частоты вращения, то давление внутри цилиндра также будет выше нормы что может привести ускоренному износу цилиндров. Если это это часто повторяется, износ цилиндров может привести в конечном счете к отказу двигателя. Как правило значение давление во всасывающем коллекторе (в дюймах) должно быть меньше чем значение оборотов в минуту.

Пилот может избежать условий, которые приводят к износу цилиндров, имея информацию о частоте вращения, особенно при увеличении давления во впускном коллекторе. Соблюдайте рекомендации производителя по режимам работы двигателя, чтобы поддерживать надлежащие отношение между давлением во впускно коллекторе и частотой вращения двигателя.

При необходимости одновременного изменения и давление в коллекторе и частоты вращения, избежать увеличенной нагрузки на двигатель можно, действия по следующему порядку:

  • Когда необходимо уменьшить выходную мощность двигателя необходимо убавить давление во впускном коллекторе прежде чем частоту вращения двигателя. При снижении частоты вращения двигателя, давление в коллекторе автоматически вырастет и без его понижения может превысить лимит, установленный производителем.
  • Когда необходимо увеличить частоту вращения, то порядок действий обратный - сначала необходимо выставить частоту вращения, а затем давление во впускном коллекторе.
  • Чтобы предотвратить повреждение звездообразных двигателей, минимизируйте время работы двигателя при максимальных оборотах и максимальном давлении во впускном коллекторе а также максимальных оборотах и низком давлении во впускном коллекторе.

Соблюдайте рекомендации производителя для предотвращения сильного износа и повреждений высокоэффективных двигателей внутреннего сгорания.

The adjustable-pitch propeller was the forerunner of the constant-speed propeller. It is a propeller with blades whose pitch can be adjusted on the ground with the engine not running, but which cannot be adjusted in flight. It is also referred to as a ground adjustable propeller. By the 1930s, pioneer aviation inventors were laying the ground work for automatic pitch-change mechanisms, which is why the term sometimes refers to modern constant-speed propellers that are adjustable in flight.

The first adjustable-pitch propeller systems provided only two pitch settings: low and high. Today, most adjustable-pitch propeller systems are capable of a range of pitch settings.

A constant-speed propeller is a controllable-pitch propeller whose pitch is automatically varied in flight by a governor maintaining constant rpm despite varying air loads. It is the most common type of adjustable-pitch propeller. The main advantage of a constant-speed propeller is that it converts a high percentage of brake horsepower (BHP) into thrust horsepower (THP) over a wide range of rpm and airspeed combinations. A constant-speed propeller is more efficient than other propellers because it allows selection of the most efficient engine rpm for the given conditions.

An aircraft with a constant-speed propeller has two controls: the throttle and the propeller control. The throttle controls power output and the propeller control regulates engine rpm. This in turn regulates propeller rpm which is registered on the tachometer.

Once a specific rpm is selected, a governor automatically adjusts the propeller blade angle as necessary to maintain the selected rpm. For example, after setting the desired rpm during cruising flight, an increase in airspeed or decrease in propeller load will cause the propeller blade angle to increase as necessary to maintain the selected rpm. A reduction in airspeed or increase in propeller load will cause the propeller blade angle to decrease.

The propeller’s constant-speed range, defined by the high and low pitch stops, is the range of possible blade angles for a constant-speed propeller. As long as the propeller blade angle is within the constant-speed range and not against either pitch stop, a constant engine rpm will be maintained. If the propeller blades contact a pitch stop, the engine rpm will increase or decrease as appropriate, with changes in airspeed and propeller load. For example, once a specific rpm has been selected, if aircraft speed decreases enough to rotate the propeller blades until they contact the low pitch stop, any further decrease in airspeed will cause engine rpm to decrease the same way as if a fixed-pitch propeller were installed. The same holds true when an aircraft equipped with a constant-speed propeller accelerates to a faster airspeed. As the aircraft accelerates, the propeller blade angle increases to maintain the selected rpm until the high pitch stop is reached. Once this occurs, the blade angle cannot increase any further and engine rpm increases.

On aircraft equipped with a constant-speed propeller, power output is controlled by the throttle and indicated by a manifold pressure gauge. The gauge measures the absolute pressure of the fuel/air mixture inside the intake manifold and is more correctly a measure of manifold absolute pressure (MAP). At a constant rpm and altitude, the amount of power produced is directly related to the fuel/air flow being delivered to the combustion chamber. As the throttle setting is increased, more fuel and air flows to the engine and MAP increases. When the engine is not running, the manifold pressure gauge indicates ambient air pressure (i.e., 29.92 inches mercury (29.92 "Hg)). When the engine is started, the manifold pressure indication will decrease to a value less than ambient pressure (i.e., idle at 12 "Hg). Engine failure or power loss is indicated on the manifold gauge as an increase in manifold pressure to a value corresponding to the ambient air pressure at the altitude where the failure occurred. [Figure 6-9]

Figure 6-9. Engine power output is indicated on the manifold pressure gauge.

The manifold pressure gauge is color coded to indicate the engine’s operating range. The face of the manifold pressure gauge contains a green arc to show the normal operating range, and a red radial line to indicate the upper limit of manifold pressure.

For any given rpm, there is a manifold pressure that should not be exceeded. If manifold pressure is excessive for a given rpm, the pressure within the cylinders could be exceeded, placing undue stress on the cylinders. If repeated too frequently, this stress can weaken the cylinder components and eventually cause engine failure. As a general rule, manifold pressure (inches) should be less than the rpm.

A pilot can avoid conditions that overstress the cylinders by being constantly aware of the rpm, especially when increasing the manifold pressure. Conform to the manufacturer’s recommendations for power settings of a particular engine to maintain the proper relationship between manifold pressure and rpm.

When both manifold pressure and rpm need to be changed, avoid engine overstress by making power adjustments in the proper order:

  • When power settings are being decreased, reduce manifold pressure before reducing rpm. If rpm is reduced before manifold pressure, manifold pressure will automatically increase, possibly exceeding the manufacturer’s tolerances.

  • When power settings are being increased, reverse the order—increase rpm first, then manifold pressure.

  • To prevent damage to radial engines, minimize operating time at maximum rpm and manifold pressure, and avoid operation at maximum rpm and low manifold pressure.

The engine and/or airframe manufacturer’s recommendations should be followed to prevent severe wear, fatigue, and damage to high-performance reciprocating engines.


Система Orphus