Раскрутка винта

[Wad]

Читая форумы, несколько раз сталкивался с вопросами, связанными с запуском остановленного в воздухе двигателя. Многих интересует, какова должна быть скорость полета, достаточная для того, чтобы винт остановленного мотора начал вращаться от набегающего потока. Попробуем ответить на этот вопрос.

Немного теории:

Попытка авиаинженеров разработать методику аналитического расчета параметров воздушного винта столкнулась с непреодолимыми трудностями, однако вскоре выход был найден. По результатам многочисленных практических экспериментов было обнаружено, что характеристики винтов, выполненных в различном масштабе, но работающих в одинаковых аэродинамических условиях, идентичны. Это позволило без существенных затрат продуть в аэродинамических трубах многочисленные масштабные модели различных винтов и использовать полученные результаты для расчета работы полноразмерных объектов.

Аэродинамические условия работы воздушного винта определяются скоростью набегания потока воздуха на лопасть винта и углом, под которым расположена лопасть относительно этого потока (углом атаки). Поскольку винт во время полета одновременно и вращается и перемещается вперед вместе с самолетом, то угол атаки и скорость потока, набегающего на лопасть зависят от скорости полета самолета, оборотов мотора и диаметра винта, поэтому характеристики винтов строят относительного некоторого параметра, в который входят все эти три величины. В качестве такого параметра обычно используют относительную поступь винта - это расстояние, на которое перемещается винт по направлению полета самолета за один оборот, отнесенное к диаметру винта. Иногда относительную поступь называют «коэффициентом скорости» - это одно и то же.

Аэродинамические характеристики воздушного винта однозначно определяются зависимостями коэффициентов тяги α, мощности β и полезного действия η от относительной поступи λ. Эти четыре параметра связаны друг с другом, поэтому зная любые три из них всегда можно расчитать четвертый. Еще в 1910 году инженер Александр Эйфель, автор проекта одноименной башни, предложил изображать эти характеристики в виде серии зависимостей β от λ, построенных для однотипных винтов с разным шагом, а точки с одинаковыми КПД соединять линиями, как на географических картах. Такими трехмерными диаграммами оказалось очень удобно пользоваться и они получили повсеместное распространение. Пример диаграммы подобного рода – характеристики серии английских двулопастных винтов постоянного шага (см. рисунок).

[Wad]

В этой теме (Обсуждение работы винтомоторной группы в РоФ) было показано, что характеристики винта, указанного в отчете по испытаниям самолета Fokker D.VII, соответствуют винту английского типа с относительным шагом h = 0.7 (линия h=0,7 на диаграмме, показанной выше). По результатам испытаний, Fokker D.VII, оснащенный винтом Wolf диаметром 2,8 м с номинальным шагом 1,89 м, развил в горизонтальном полете у земли максимальную скорость 188 км/ч при 1565 об/мин. Этим условиям соответствует коэффициент скорости λ = 0,72. Из характеристики винта h=0,7 на диаграмме видно, что если продолжать увеличивать скорость полета, например, пикированием, и одновременно поддерживать число оборотов мотора постоянным, прикрывая сектор газа, то при некоторой скорости, соответствующей приблизительно λ = 1, коэффициент потребной мощности мотора β станет равен 0, при этом мотор будет развивать только такую мощность, которая необходима для преодоления силы трения прокрутки мотора на данных оборотах. Если скорость увеличить еще больше, то винт начнет развивать отрицательный крутящий момент и передавать свою мощность мотору, раскручивая его сверх максимальных оборотов даже при полном закрытии сектора газа, что приведет к поломке двигателя.

Характеристики винтов, соответствующие отрицательным коэффициентам, возникающим при раскрутке винта, также снимаются во время испытаний моделей винтов в аэродинамической трубе. Поскольку эти графики интересны прежде всего с точки зрения воздействия винта на мотор, то вместо коэффициента мощности обычно используется производный коэффициент крутящего момента χ', а для того, чтобы не продолжать графики до бесконечного значения λ, соответствующему остановленному винту, их строят относительно параметра 1/ λ, при этом остановленный винт будет соответствовать 1/λ = 0. Иногда характеристики винтов положительной области значений объединяют с отрицательной, разделительной границей принимают значение λ = 1, для которого значения коэффициентов совпадают.

Общий вид изменения коэффициента полезного действия для различных углов установки лопастей винта и всех его возможных режимов работы представлен на рисунке:

[Wad]

К сожалению, мне не встречались характеристики винтов английского типа для диапазона отрицательных тяг и мощностей, вполне возможно что их и не испытывали в этом режиме. Однако мы можем подобрать какой-нибудь другой винт, обеспечивающий параметры горизонтального полета, аналогичные тем, что были приведены в отчете по испытаниям Фоккера и для которого характеристики в диапазоне отрицательных тяг известны. В 1938 году американцы провели крупномасштабные исследования работы винтов, в том числе и в области отрицательных тяг, результаты которых были обобщены в отчетах NACA № 640 и 641. Ближе всего к английским винтам по конструкции подходит американский металлический двулопастный винт 5868-R6 с профилем лопасти R.A.F-6 – таким же, как и у английского деревянного винта. Напомню, что в теме Обсуждение работы винтомоторной группв в РоФ по результатам испытаний самолета Fokker D.VII мы определили, что во время полета вблизи земли его винт работал с коэффициентами λ = 0,72 и β = 0.036. Отметим эти значения на характеристиках винта 5868-R6 (см. рисунок):

[Wad]

Точка пересечения этих значений лежит между кривой «15 град» и «20 град», приблизительно на уровне 18 градусов. Это означает, что винт 5868-R6 с углом установки лопастей 18 град и таким же диаметром, как и у немецкого винта, будучи установленным на самолет Fokker D.VII, обеспечит ему точно такую же максимальную скорость и обороты мотора, что и «родной» пропеллер. Винт Wolf имел номинальный шаг 1,89 м, что соответствует углу установки лопасти 17 град, таким образом винт Wolf и 5868-R6 имеют довольно близкие характеристики.

По данным испытаний самолета, во время работы мотора на месте коэффициент мощности β винта Wolf был равен 0,048. Если мысленно построить кривую, проходящую между кривыми «15 град» и «20 град» на уровне 18 град, то значение коэффициента мощности для λ = 0 (работа винта на месте) будет около 0,05, что еще раз подтверждает то, что винты Wolf и 5868-R6 по своим характеристикам практически идентичны, несмотря на разный материал изготовления и способ крепления лопастей ко втулке.

Перейдем к характеристикам отрицательных тяг и мощностей винта 5868-R6 (см. рисунок):

На этой диаграмме показаны изменение производного коэффициента отрицательной тяги (верхний график) и производного коэффициента отрицательного крутящего момента (нижний график) относительно коэффициента 1/λ (на диаграмме показан как n*D/V) для винтов с различным установочным углом лопасти. Нас интересует производный коэффициент крутящего момента остановленного винта, для которого 1/λ = 0. Угол установки лопасти, как мы определили выше, равен 18 град. На нижнем графике мысленно строим кривую, проходящую между линий «15 град и 20 град» на уровне 18 град и продолжаем ее до пересечения с вертикальной осью координат (1/λ = 0). Значение производного коэффициента крутящего момента для остановленного винта с углом установки лопастей 18 град равно 0,0033 (отмечено красной стрелкой).

[Wad]

Производный коэффициент крутящего момента χ’ (американцы его обозначают как Qc) по определению равен:

χ’ = M/(ρ*V^2*D^3) где:

M – крутящий момент (кгм)

ρ – массовая плотность воздуха (кг*сек^2*м^-4)

D – диаметр винта (м)

V – скорость полета (м/с)

отсюда:

M = χ’* ρ*V^2*D^3

Расчитываем крутящий момент M для диапазона интересующих скоростей и высот. Для примера – график изменения крутящего момента, развиваемого остановленным винтом самолета Fokker D.VII под воздействием набегающего потока воздуха на высоте 1000 м:

[ROSS_DiFiS]

спасибо! а левый столбец - крутящий момент М (кгм) - это какая именно величина (для более простого понимания)?

[MEHT]

То есть математика продливает жизнь?
Пока в воздухе будешь решать эти формулы об землю шмякнешься

[ROSS_DiFiS]

То есть математика продливает жизнь?
Пока в воздухе будешь решать эти формулы об землю шмякнешься

с вопросами, связанными с запуском остановленного в воздухе двигателя. Многих интересует, какова должна быть скорость полета, достаточная для того, чтобы винт остановленного мотора начал вращаться от набегающего потока.

вот

[Wad]

Какой крутящий момент нужен для того, чтобы запустить двигатель?

Обратимся к первоисточникам.

Маркс в своей книге "The airplane engine" на странице 427 приводит результаты измерений крутящего момента, необходимого для запуска пяти различных авиационных двигателей при температуре окружающей среды 24 град Цельсия:

[Wad]

Если перевести все эти басурманские размерности в человеческий вид, то получается следующая таблица (для информативности я добавил в таблицу объем мотора и степень сжатия):

[Wad]

Очевидно, что при прочих равных условиях, крутящий момент, необходимый для запуска двигателя будет зависить от объема мотора и степени сжатия. Мне не удалось найти сведений по степени сжатия шестицилиндрового Liberty - это довольно редкий двигатель, который был выпущен к концу войны в количестве шести штук и еще десять построили по окончании военных действий. Однако судя по тому, что максимальный крутящий момент, необходимый для его запуска даже немного превышает крутящий момент, необходимый для запуска двенадцатицилиндрового Liberty, можно с большой уверенностью предположить, что это был двигатель с высокой степенью сжатия. Если построить зависимость среднего крутящего момента, необходимого для запуска мотора с открытым дросселем, от его объема, исключив пересжатые двигатели (Liberty 6 и B.M.W.) то получится следующий график:

[Wad]

Двигатель Mercedes, которым был оснащен Fokker D.VII, имел объем 14,8 литра - по графику зависимости крутящего момента от объема мотора находим, что крутящий момент, необходимый для его запуска равен 13 кгм. По графику зависимости крутящего момента от скорости полета (см. выше) находим, что потребная скорость для запуска остановленного в воздухе мотора на высоте 1000 м. равна 160 км/ч.


Доклад закончил, разрешите получить замечания!

[ROSS_DiFiS]

Спасибо. Пошел проверять на правктике в РоФ
(тока судя по графику скорость вроде не 160, а 145?)

[Wad]

Да, конечно 145. Поторопился.

[SMERSH]

Wad, так не честно, после баллистики хотел винтами заняться, а ты... Карбюраторы еще не закончил и в винты "ломанулся"
Щас "везде" отметишься, а другим чего делать?
Шучу конечно и буду почитывать

[Wad]

А винты я обещал посчитать еще до карбюраторов!

Добавил крутящий момент для высоты 5 000 м. для наглядности:

[ROSS_DiFiS]

так это получется на 5000 метров расчет истинной скорости. Судя по всему - так как в полете мы видим только приборную, то по идее пилоту высота для скорости роли не играет.

[U053]

Только вот пикировал я на Д7ф,а пропеллер крутиться не начал.Потом элероны-тю-тю.Остановил двигатель на 4км и вниз.У-у.

[Wad]

так это получется на 5000 метров расчет истинной скорости. Судя по всему - так как в полете мы видим только приборную, то по идее пилоту высота для скорости роли не играет.

Отчего же приборную? Анемометр истинную показывает!

[Евгений055]

Читая форумы, несколько раз сталкивался с вопросами, связанными с запуском остановленного в воздухе двигателя. Многих интересует, какова должна быть скорость полета, достаточная для того, чтобы винт остановленного мотора начал вращаться от набегающего потока. Попробуем ответить на этот вопрос.

Не сдержался и захотел вставить "свои пять копеек".

Изначально некорректная постановка вопроса. Останов двигателя в полете наверно в 99% случаев происходит на таких скоростях, на которых винт УЖЕ авторотирует. Т.е. чтобы возник вопрос о раскрутке винта остановленного мотора, кроме останова двигателя должна еще произойти и потеря скорости примерно этак до 40-50 км/час.

Правильная постановка вопроса - Какова зависимость оборотов авторотирующего винта (в случае остановки двигателя) от скорости полёта???

Результаты будут значительно отличаться.

Во-первых: Для раскрутки уже остановленного винта, необходимо преодолеть статический инерционный момент внтомоторной группы. Простой отказ двигателя и последующий перевод самолёта на планирование с наивыгодейшей скоростью (именно так и должен поступать лётчик) подразумевает сохранение оборотов остановленного двигателя не ниже га-ран-ти-ро-ва-ных 35-45%. Т.е. преодолевать этот момент инерции уже не надо.

Во-вторых: Остановленный винт создает меньший крутящий момент, чем вращающийся, ввиду того, что лопасти винта работают на далеко закретических углах атаки. Для остановленного винта они порядка 70°. А для вращающего винта - вполне себе рабочий диапазон -10° -20° .

В-третьих: Можно обратится к РЛЭ самолётов и посмотреть на разделы "запуск двигателя в полете". В РЛЭ Ил-14 точно есть такой раздел с указанием оборотов авторотирующего винта остановленного двигателя.

При отказе двигателя самолёта Ан-2, лётчик должен выполнять снижение на скорости 140-150 км/ч. Винт при этом авторотирует на оборотах 40-50% от максимальных и продолжает авторотировать вплоть до самой посадки.

В полете, в рабочем диапазоне скоростей не авторотируют только зафлюгированные винты.

[Евгений055]

Для примера – график изменения крутящего момента, развиваемого остановленным винтом самолета Fokker D.VII под воздействием набегающего потока воздуха на высоте 1000 м:

График хороший, но хорош он только именно для вопросов раскрутки винта.
Принимая во внимания, что винт никогда и не должен останавливаться в полете, график, исходя из которого можно определить с какими оборотами должен вращаться винт остановленного двигателя, будет выглядить примерно так:

[SMERSH]

Не сдержался и захотел вставить "свои пять копеек".

Тогда и я свои "пять копеек"

Изначально некорректная постановка вопроса. Останов двигателя в полете наверно в 99% случаев происходит на таких скоростях, на которых винт УЖЕ авторотирует.

Не корректно. В случае отказа двигателя с ВФШ (винтом фиксированного шага) на первом этапе происходит уменьшение nоб, но винт находится еще в области положительных тяг. Как долго ВФШ будет находится в области положительных тяг зависит от многих факторов и "инерционности" самого винта, и запаса по тяге на конкретной скорости (высоте/режиме) останова двигателя, и от силы торможения на валу ВФШ (компрессия/клин). Но, говорить о том, что винт на этой скорости УЖЕ авторотирует - не корректо.

ВФШ скорее всего перейдет в режим авторотации через некоторое время после остановки двигателя. А вот как долго он будет авторотировать и что при этом произойдет со скоростью полета самолета есть вопрос весьма интересный.

Т.е. чтобы возник вопрос о раскрутке винта остановленного мотора, кроме останова двигателя должна еще произойти и потеря скорости примерно этак до 40-50 км/час.

Вот так вот "с кандачка" называть цифры скоростей тоже не правильно. Wad привел конкретные цифры, для конкретных ВМГ и они выше 40-50 км/ч.
И совсем не факт, что если по расчетам, получается необходимая скорость для создания достаточной "авторотирующей" силы на валу, для раскрутки порядка 150 км/ч, что на например 100 км/ч конкретный ВФШ будет вращаться с необходимой для запуска частотой вращения.

Правильная постановка вопроса - Какова зависимость оборотов авторотирующего винта (в случае остановки двигателя) от скорости полёта???

Это просто другой вопрос для другой темы

Во-вторых: Остановленный винт создает меньший крутящий момент, чем вращающийся, ввиду того, что лопасти винта работают на далеко закретических углах атаки. Для остановленного винта они порядка 70°. А для вращающего винта - вполне себе рабочий диапазон -10° -20° .

Не путаете ВИШ снабженный автоматом РШВ (РПО) и обычный ВФШ?

При отказе двигателя самолёта Ан-2, лётчик должен выполнять снижение на скорости 140-150 км/ч. Винт при этом авторотирует на оборотах 40-50% от максимальных и продолжает авторотировать вплоть до самой посадки.

Таки путаете. При отказе двигателя на Ан-2, РПО "утащит" винт на упор малого шага, на котором конечно скорость вращения авторотации (и отрицательная тяга) выше, чем если бы винт оставался на том шаге, на котором произошол отказ двигателя...

В полете, в рабочем диапазоне скоростей не авторотируют только зафлюгированные винты.

Для ВИШ - да, а вот авторотация ВФШ будет сильно зависить от графиков выложенных Wad-ом, особенно, если ВФШ был изначально "заточен" под режим максимальной скорости самолета...

[Евгений055]

Если ты прочтешь еще раз внимательно мой пост, ты увидишь, что я совершенно не "придираюсь" к той работе которую сделал Wad.

Я пытаюсь обратить его внимание на то, что он упустил из виду.


--- Добавлено ---

Тогда и я свои "пять копеек"
ВФШ скорее всего перейдет в режим авторотации через некоторое время после остановки двигателя. А вот как долго он будет авторотировать и что при этом произойдет со скоростью полета самолета есть вопрос весьма интересный.

За какое время винт перейдет в режим авторотации??? Я рискну предположить, что за время, сопоставимое со временем которое требуется пилоту на распознавание отказа двигателя. Т.е. к тому моменту когда, лётчик осознает, что произошёл отказ двигателя, винт уже наверняка будет авторотировать.

[SMERSH]

Винт фиксированного шага, который только что "тянул", в следующий момент времени "перепрыгнуть" без "посторонней" помощи в режим авторотации, просто так не может и тем более "уже авторотировать" на режиме положительных тяг.
При внезапном уменьшении крутящего момента от двигателя, вплоть до нуля, если посмотреть на вторую фигуру, выложенную в данной теме, характеристика винта поедет не вправо, сразу в область отрицательных тяг, а в лево, через всю кривую положительной тяги и еще очень большой вопрос какая будет скорость у самолета, пока точка по кривой доедет в лево до границы режима положительной тяги (граница с нулевой тягой конечно). Если в момент падения тяги от ВФШ до нулевого значения по тяге, но положительного значения по крутящему моменту, скорость самолета упадет, согласно расчетов Wad-а, ниже значения 145 км/ч, необходимый для раскрутки винта отрицательный крутящий момент не разовЪется. Ждать 40-50 км/ч ждать не зачем

Тогда, когда ВМГ оснащена РПО, вполне вероятна ситуация, когда при отказе двигателя РПО (стремясь поддержать заданные обороты) будет переустанавливать лопасть в область малого шага, вплоть до упора малого шага. Это и есть та самая "помощь", которая помогает развитию отрицательной тяги и отрицательному-же крутящему моменту. Поэтому на ВМГ с ВИШ необходимо (на двухмоторниках обязательно) ставить механизм флюгирования винта, который принудительно переустановит лопасти винтов на большой шаг в положение - флюгер, что конечно же еще лучше чем не трогать шаг винта совсем.

Однако на ВФШ никаких механизмов переустановки нет и поэтому приводить в пример Ил или Ан ну совсем не корректно.

[Евгений055]

Таки путаете. При отказе двигателя на Ан-2, РПО "утащит" винт на упор малого шага, на котором конечно скорость вращения авторотации (и отрицательная тяга) выше, чем если бы винт оставался на том шаге, на котором произошол отказ двигателя...

Винт АВ-2 оборудован весовыми балансирами, которые в случае отказа двигателя "утащат" его на большой шаг, и обороты станут меньше, чем были бы на малом шаге.

У ВПШ этого механизма нет и обороты будут выше чем у ВИШ с РПО и балансирами.

--- Добавлено ---

Если в момент падения тяги от ВФШ до нулевого значения по тяге, но положительного значения по крутящему моменту, скорость самолета упадет, согласно расчетов Wad-а, ниже значения 145 км/ч, необходимый для раскрутки винта отрицательный крутящий момент не разовЪется. Ждать 40-50 км/ч ждать не зачем

Скорость самолёта просто так упасть не может. Wad говорит о ракрутки винта, а в этом случае раскручивать винт не надо, потому что он уже вращается.

Далеко ходить не надо. Возьмите в РоФ в простом редакторе SE-5, выключите двигатель и посмотрите на каких скоростях винт авторотирует и с какими оборотами. На мой взгляд на этом самолёте всё сделано почестному.

--- Добавлено ---

если посмотреть на вторую фигуру,.... Без обид.

Вот-вот посмотрите на "вторую фигуру". И, подумав, найдите на ней какова поступь (λ) невращающегося винта ( а именно от него отталкивается Wad) и какой отрицательный крутящий момент может создать такой винт.