ПОСЛУШНЫЙ ВИНТ

Многие читатели, строящие аэросани и глиссеры с воздушными винтами, в своих письмах в редакцию просят рассказать, как устроены винты изменяемого шага и какими преимуществами они обладают. Выполняя эту просьбу, публикуем материал, подготовленный консультантом общественного КБ «М-К» по снегоходной технике И. Н. Ювенальевым.

Тяговое усилие, развиваемое любым винтом, зависит от его диаметра, скорости вращения, угла атаки лопастей по отношению к плоскости вращения и от профиля поперечного сечения лопасти, создающего подъемную силу. Вот пример.

Поместим в воздушный поток иод некоторым углом атаки плоскую пластинку (рис. 1А). Набегающий поток давит на ее нижнюю поверхность с силой Р1. Одновременно на верхней поверхности из-за несимметричности обтекания воздушный поток завихряется, возникает разрежение, создающее силу Р2. Эти силы направлены в одну сторону, действуют перпендикулярно плоскости пластины и приложены в ее геометрическом центре. Они могут быть заменены одной — равнодействующей силой Р. Если же последнюю разложить на вертикальную и горизонтальную составляющие, то получим соответственно подъемную силу Т (или тягу) и силу сопротивления воздуха X.

Величина интересующей нас силы Т зависит от угла атаки и скорости, с которой пластина движется в потоке.

Если рассматривать соотношение сил Т и X в зависимости от угла атаки при постоянной скорости, то окажется, что сопротивление постепенно увеличивается и достигает максимума при вертикальном положении пластины. Сила же тяги сначала растет (до наивыгоднейшего для данной скорости движения угла атаки), а затем резко уменьшается. Следовательно, для каждой скорости может быть только одни наивыгоднейший угол атаки.

Рис. 1. Силы, действующие на прямую пластинку и аэродинамический профиль при движении в воздушном потоке:

V — скорость набегающего потока, X — сила сопротивления воздуха, а — угол атаки, Р1 — сила давления, Р2 — сила разрежения, Р — равнодействующая, Т — сила тяги, нлн подъемная сила, I₂ — длина верхней части профиля, I₁ — длина нижней части.

Рис. 2. Типы воздушных винтов:

А — деревянный блочный, Б — металлический блочный, В — винт с установкой лопастей на месте с контровочной гайкой, Г — винт с разрезной втулкой и стяжными хомутами.

1 — втулка, 2 — лопасть, 3 — контргайка, 4 — стяжной хомут, 5 — болт с гайкой.

Рис. 3. Схема воздушного винта изменяемого шага с механическим управлением:

1 — промежуточная качалка, 2 — ось, 3 — скользящая муфта, 4 — тяга управления, 5 — рычаг лопасти, 6 — гайка крепления втулки, 7 — втулка винта, 8 — противовес, 9 — лопасть, 10 — шарнир тяги, 11 — приводной вал, 12 — рычаг управления изменением шага винта в кабине водителя, 13 — фиксатор рычага управления, 14 — зубчатый сектор, 15 — тяга.

А — ход муфты, Б — ход рычагов лопасти, В — ход промежуточной качалки, Г — ручка в положении малого шага, Д — ручка в положении большого шага, Е — ручка в положении реверса.

Если пластина не плоская, а выполнена в виде аэродинамического профиля (см. рис. 1Б), то в зависимости от его формы величина подъемной силы при прочих равных условиях значительно возрастает. Аэродинамический профиль более выгоден, чем прямая пластина. Скорость обтекания его верхнего и нижнего обводов различны, а следовательно, неоднозначно и давление. Поэтому такой профиль даже при нулевом угле атаки создает подъемную силу. В то же время сопротивление его меньше, чем у прямой пластины такой I толщины.

Важным параметром, определяющие назначение воздушного винта, является величина его шага (Н). Шаг определяется по углу атаки поперечного сечения лопасти, расположенного на 0,75 радиуса винта. Выражается Н расстоянием, которое проходит винт за один полный оборот. Винт образно можна сравнить с гайкой, наворачиваемой на болт. Расстояние, которое гайка проходит по резьбе за один полный оборот есть шаг. Он определяется по формуле:

Н = 1,5 ПR tgα,

где: R — радиус винта, α — угол атаки (установки) профиля.

Но болт и гайка — твердые тела. Воздушный же винт вращается в сжимаемой среде, имеющей малую плотность. При этом он проскальзывает продвигается вперед на значительно меньшее расстояние, чем его расчетный шаг.

Чем больше нагрузка на винт, больше величина скольжения и больше фактический шаг винта. Фактический шаг определяет нагрузку на приводной двигатель и влияет на экономичность.

Применение винтов изменяемого шага позволяет получить наибольший коэффициент полезного действия (КПД), а следовательно, и наибольшую тягу. Правда, только на одном, соответствующем этому шагу, расчетном режиме. Конструкторы аэросаней чаще всего изготавливают воздушные винты блочными, выполненными из цельного или склеенного деревянного бруса (рис. 2). Подобный винт можно сделать и из металла.

На практике в зависимости от дорожных условий желательно варьировать величину шага. При движении с места надо получить максимальную тягу (шаг винта при этом должен быть малым), а с увеличением скорости шаг надо увеличивать.

На рисунке изображены винты с шагом, изменяемым на месте. Такие винты получили большое распространение на самодельных аэросанях. Они могут быть двух-, трех- и четырехлопастными. Втулка и лопасти делаются отдельно. Втулка из стали или дюралюминия снабжается посадочным конусом со шпоночной канавкой для установки на приводной вал двигателя и имеет гнезда под лопасти винта. Гнезда могут быть резьбовыми (рис. 2В) или с проточенными кольцевыми канавками, если втулка разъемная (рис. 2 Г). Число гнезд соответствует количеству лопастей. Лопасти изготавливаются из дерева, пластика с усиленной комлевой частью или из металла. Если они крепятся на резьбе, то комлевая часть заканчивается резьбовым хвостовиком.

Для точной установки лопастей на нужный угол атаки на их хвостовики наносят контрольные риски, а на торцевой части каждого гнезда во втулке по транспортиру градуируют шкалу углов в нужном для данного винта диапазоне, например: от 3°—5° до 25°—30°. При сборке все лопасти устанавливаются на одинаковый угол и контрятся гайками.

Имея такой винт, водитель может в зависимости от предполагаемого режима работы аэросаней заранее установить лопасти на нужный угол атаки.

Удобнее иметь винт с изменяемым во время движения шагом. Их можно разделить на два типа: двухдиапазонные, которые могут по желанию водителя устанавливаться в два предельных положения — «малый» или «большой шаг», и с принудительной установкой лопастей на нужный шаг во всем диапазоне. Изменение шага осуществляется механическим приводом. Несмотря на большое разнообразие конструкций, все они в основном сводятся к принципиальной схеме, изображенной на рисунке 3.

В этой схеме винт имеет металлическую втулку с гнездами, в которые на шарикоподшипниках устанавливаются попасти. На комлевой части каждой лопасти есть рычаг, соединенный тягой со скользящей по приводному валу муфтой. При перемещении муфта поворачивает тяги лопасти, переводя их с большого шага на малый. Продвигаясь дальше, муфта может установить лопасти в положение реверса, то есть создать винтом обратную тягу для торможения саней.

Скользящая муфта перемещается по валу специальным рычагом из кабины водителя. Для фиксации рычага в нужном положении имеется зубчатый сектор. От рычага тягой или тросом усилие передается на промежуточную качалку, которая и передвигает скользящую муфту но приводному валу. Обычно управление изменением шага одностороннее — перевод лопастей возможен только в одну сторону: с большого шага на малый и в положение реверса. На большой шаг винт переходит сам под действием аэродинамических сил и моментов, создаваемых противовесами, установленными на комлевых частях лопастей.

Оригинально выполнен винт АВ-6 на двухместных аэросанях К-36 конструкции Н. И. Камова (рис. 4). Его лопасти поворачиваются траверсой, расположенной внутри вала редуктора. На комлевых частях лопастей вместо рычагов установлены штыри с надетыми на них сухарями, входящими в прорези траверсы.

Рис. 4. Воздушный винт АВ-6:

1 — корпус втулки винта, 2, 6 — болт, 3, 7 — контровочная шайба, 4 — гайка, 5 — крышка, 8 — траверса, 9 — упорное кольцо реверса, 10 — шпонка, 11 — шплинт, 12 — гайка, 13 — шайба, 14 — противовес, 15 — болт противовеса, 16 — лопасть, 17 — балансировочный груз, 18 — глухая шайба, 19 — крепежная разрезная шайба, 20 — уплотнительная манжета, 21 — сепаратор, 22 — шарики, 23 — сухарь, 24 — стакан лопасти, 25 — контровочная втулка, 26 — стопорное кольцо, 27 — винт натяга, 28 — пята, 29 — дно стакана, 30 — шпонка противовеса.

Рис. 5. Схема управления воздушного винта АВ-6:

1 — тяга управления, 2 — рычаг, 3 — скользящая муфта, 4 — траверса, 5 — лопасть, 6 — противовес; А — положение лопасти «большой шаг», Б — «малый шаг», В — реверс.

АВ-6 — металлический, двухлопастный, толкающий, правого вращения (если смотреть в направлении движения) винт. Работает от двигателя МТ-8 мощностью 38—40 л. с. через редуктор. Частота вращения 2630 об/мин, Ø1600 мм.

По типу он — центробежно-механический, реверсивный, с фиксацией лопастей на прямой передаче 8°30′, на реверсе — 19° 30′, то есть рабочий диапазон их хода — 11°. Углы поворота лопастей замеряются на радиусе 600 мм.

Конструктивно винт состоит из стальной втулки и двух дюралюминиевых лопастей. Втулка устанавливается на фланец редуктора. Для крепления лопастей во втулке сделаны два гнезда, в которые вставлены специальные стаканы. Последние поворачиваются в сепараторах с шариками. Зазоры устраняются специальным винтом натяга. Лопасти поворачиваются траверсой, передвигающейся на шпонке внутри вала редуктора. На торцах лопастных стаканов эксцентрично расположены пальцы с надетыми на них сухарями, скользящими в прорезях траверсы.

Траверса передвигается в продольном направлении тягой, соединенной со скользящей муфтой, которая, в свои очередь, соединена тягой с рычагов управления (рис. 5). На выходящих иг втулки концах стаканов с лопастями установлены противовесы — центробежные грузы. Они располагаются под углом 20° ±1° и закреплены на шпонках.

Винт работает по прямой схеме: под действием центробежных моментов, создаваемых противовесами, лопасти автоматически устанавливаются на шаг необходимый для данного режима движения. Перевод лопастей в реверсное положение осуществляется принудительно специальным рычагом, расположенным в кабине водителя Выгодный КПД винта сохраняется во всем диапазон работ.