1. Требования к подбору винта
Назначение воздушного винта заключается в создании тяги за счет работы авиационного мотора.
Правильно подобранный винт должен обеспечивать наиболее эффективное (с наименьшими потерями) использование мощности мотора, или, иными словами, винт должен обладать высоким коэффициентом полезного действия (к.п.д.). Максимальный к.п.д. лучших современных винтов доходит до 0,87—0,88, т. е. в полезную мощности винта преобразуется 87—88% мощности мотора, затраченной на вращение винта.
Если винт подбирается для режима полного таза (Vmax, взлет, набор высоты), то, кроме высокого к.п.д., винт должен удовлетворять еще одному требованию, а именно - обеспечить получение номинальных (или взлетных) оборотов мотора, что необходимо для снятия полной мощности мотора.
2. Влияние винта на работу мотора
Известно, что мощность мотора регулируется дроссельной заслонкой, управляемой при помощи рычага газa. Однако мощность мотора зависит не только от степени открытия дросселя карбюратора, но и от того, какое сопротивление вращению оказывает потребитель мощности на валу мотора, т. е. винт. Если винт «тяжелый», т. е. оказывает очень большое сопротивление вращению, то, несмотря на дачу полного газа, мотор не разовьет номинальных оборотов и, следовательно, не удастся получить номинальную мощность. Иначе говоря, можно изменять обороты и мощность не только дросселированием мотора, но и изменением внешней нагрузки на вал, т. е. облегчением и утяжелением винта.
Кривая, характеризующая изменение мощности мотора (при полном открытии дросселя) в зависимости от изменения числа оборотов, полученного за счет облегчения и утяжеления винта, называется внешней характеристикой мотора.
У высотного мотора, снабженного приводным центробежным нагнетателем, на высотах расчетной и выше расчетной утяжеление винта вызывает значительное падение мощности, в то время как на уровне земли происходит незначительное снижение мощности. Причина этого заключается в следующем: на высотах, близких к расчетной, дроссель нагнетателя открыт полностью, и снижение числа оборотов мотора вызывает снижение давления наддува, так как при этом замедляется вращение крыльчатки. У того же мотора на высотах, меньших расчетной, уменьшение мощности но внешней характеристике происходит значительно слабее, так как при снижении числа оборотов наддув сохраняется зa счет большего открытия дросселя нагнетателя специальным автоматическим регулятором наддува (РПД).
Сказанное можно подтвердить примером. На рис. 1 и 2 даны внешние характеристики мотора у земли и на расчетной высоте. Если утяжелением винта при работе на полном газе снизить обороты с 2 600 до 2 200 в минуту, то у земли мощность мотора уменьшится на 60 л. с. (рис. 1), а на расчетной высоте — на 205 л. с. (рис. 2). Следует, однако, отметить, что при дросселировании мотора мощность падает значительно сильнее, чем при утяжелении винта. Если у того же мотора снизить обороты с 2 600 до 2 200 в минуту за счет дросселирования (не утяжеляя и не облегчая винта), то мощность упадет на 40%, т. е. более чем на 400 л. с.
Следовательно, обороты мотора не дают точного представления о мощности мотора: при оборотах 2 200 в минуту мотор развивает с легким винтом около 620 л. с, а с тяжелым— 965 л. с. (у земли). Снижение оборотов мотора (при работе на полном газе) утяжелением винта не только приводит к падению мощности по внешней характеристике, но также может вызвать появление детонации мотора, которая приводит к перегреву, значительным перегрузкам и даже разрушению деталей мотора.
В случае возникновения детонации мотора в полете (признаки: перегрев, тряска, хлопки черного дыма из выхлопных патрубков) летчик обязан облегчить винт и сбавить газ.
Чем больше задросселирован мотор, тем меньше опасность возникновения детонации.
3. Работа лопастей винта в полете
Подобно тому как у крыла лобовое сопротивление и качество зависят от угла атаки, так и у винта сопротивление вращению («тяжесть») и коэффициент полезного действия зависят от углов атаки лопастей. Углом атаки лопасти (в каком-либо сечении) называется угол между хордой сечения и направлением его движения относительно воздуха.
Углы атаки у различных сечений лопасти неодинаковы. Углом атаки лопасти принято условно считать угол атаки сечения, отстоящего на 1/4 радиуса винта от конца лопасти. Угол наклона этого сечения, т. е. угол, образованный хордой сечения и плоскостью вращения винта, называется установочным углом лопасти.
На рис. 3 изображены названные углы. Обратите внимание: угол атаки лопасти в полете значительно меньше установочного угла, так как винт не только вращается, но и продвигается вместе с самолетом вперед, вследствие чего каждое сечение лопасти движется не по кругу, а по спиральной траектории.
Угол атаки лопасти зависит от наклона этой спирали и от установочного угла лопасти.
Увеличение скорости полета при неизменных оборотах приводит к «растягиванию» спирали и уменьшению угла атаки лопасти (рис. 4). То же получится, если при неизменной скорости полета уменьшать число оборотов винта.
Если спираль сильно растянута (например при пикировании или при полете с убранным газом), то угол атаки лопасти может стать даже отрицательным.
Зависимость угла атаки лопасти от установочного угла очень простая: увеличение установочного угла вызывает возрастание угла атаки.