К ВИНТУ — С КАЛЬКУЛЯТОРОМ

Самодельные аппараты с воздушными винтами в качестве движителя — авиамодели, аэросани, аэроглиссеры, микросамолеты — всегда привлекали внимание конструкторов-любителей. Но перед ними обычно вставала проблема выбора геометрии и профилировки пропеллера. В отношении моделей трудностей не возникает: их описания и чертежи приводятся во многих специальных изданиях. При проектировании же, например, аэросаней и микросамолетов дело усложняется: строят их с самыми разными двигателями, и подобрать характеристики пропеллера под них можно не всегда. Тем более что из-за небольшой мощности используемых моторов повышаются требования к эффективности воздушных винтов.

Между тем предлагаемые в массовых изданиях методы приближенных расчетов не позволяют обеспечить необходимую точность и эффективность. Методы же расчетов, рекомендуемые в специальной литературе, довольно сложны. Поэтому чаще всего конструкторы вынуждены эмпирически находить приемлемые варианты винтов, пользуясь самым неэффективным способом проб и ошибок.

Широкое распространение программируемых микрокалькуляторов типа «БЗ-34» и «МК-54» позволяет решить задачу проектирования воздушных винтов на более высоком уровне. Предлагаемая нами программа позволяет рассчитать несколько вариантов винтов в течение дня.

Программа составлена по методике, описанной в книге А. П. Мельникова и В. В. Свечникова «Теория и расчет лопастей винта» (ч. I, Ленинградская военно-воздушная инженерная академия, 1947 г.). В отличие от пропеллеров с постоянной тягой по размаху лопасти, рекомендуемых в книге Б. А. Киселева «Модели воздушного боя» (М., Изд-во ДОСААФ СССР, 1981 г.), поданной методике рассчитываются винты с переменной тягой по длине лопасти и с эллиптическим распределением циркуляции. Они, как и эллиптические крылья, имеют меньшее индуктивное сопротивление, и их характеристики на небольших скоростях полета близки к оптимуму.

Программа состоит из двух частей. В первой части рассчитывается средняя циркуляция, осевой КПД и некоторые вспомогательные величины. Во второй — геометрия винта при эллиптическом распределении циркуляции, его полный КПД, тяга и мощность.

Расчетные формулы первой части программы следующие:

где:

а — вспомогательная величина; Г — средняя циркуляция по лопасти; N — мощность двигателя, Вт; n — коэффициент мощности; R — радиус винта, м; R0 — радиус начала рабочей части лопасти, м; V0 — коэффициент скорости; ηa — осевой КПД винта (в первом приближении необходимо задаться ηa = 0,6—0,8); μ — обратное аэродинамическое качество профиля лопасти (в первом приближении μ = 0,03—0,05); v = R0/R — относительный радиус втулки винта; ρ — плотность воздуха, кг/м3; ω — угловая скорость винта, рад/сек.

ПРОГРАММА. ЧАСТЬ 1

При остановках по командам 12, 20, 25 необходимо записать величины a, n, V0 соответственно. После выполнения всей программы надо выписать из регистров С и Д среднюю циркуляцию Г и осевой КПД ηa.

Расчетные формулы второй части программы:

где:

bi — ширина лопасти, м; Гi — циркуляция в сечении; Сy — коэффициент подъемной силы профиля; i — номер сечения; к — число лопастей; m — число сечений (обычно 5—10); n’i — производная от коэффициента мощности; — радиус места расположения сечения i, м; ri — относительный радиус места расположения сечения i; Δr — приращение относительного радиуса; F — тяга винта, н; f’i — производная от коэффициента тяги; V1i, wi, ui — коэффициенты осевой, относительной и окружной скоростей; βi — угол потока в сечении i.

ПРОГРАММА. ЧАСТЬ 2

При остановках по командам 33, 41, 49 необходимо выписать величины ri, βi, Cybi. Первое и последнее значения Cybi, должны быть равны нулю. После этого вычисляется и выводится на индикатор для контроля коэффициент мощности винта п, который обычно отличается от вычисленного в первой части программы не более чем на 5%. Это свидетельствует о примерном равенстве мощностей винта и двигателя. При большем отличии следует искать ошибку в расчетах или увеличить число m.

Из регистра А следует выписать полный КПД (η), содержимое регистра В домножить на а, что дает тягу винта F. При необходимости повторных вычислений можно восстановить значение i = m в регистре 0 и очистить регистры С и Д.

Профилирование лопасти выполняется в следующем порядке. Выбирается распределение относительных толщин профилей (обычно оно выбирается линейным: с = 0,18—0,2 у комля и с = 0,07—0,1 на конце).

По графикам зависимостей коэффициента подъемной силы и обратного аэродинамического качества от относительной толщины выбранного профиля и угла атаки выбираются Су, α, μ. (В качестве наиболее подходящих профилей для самодельных воздушных винтов конструкторам-любителям можно было бы предложить хорошо зарекомендовавшие себя на практике профили РАФ-6 и Кларк-Y, геометрические характеристики которых приведены на рисунках.

Определяются ширина лопасти

и угол установки сечения βyi = βі+α. Для получения Сyb = 0 можно рекомендовать переход к симметричному профилю и α = 0 в начальном сечении (r = v) и скруглению (b = 0) на конце лопасти.

По значениям ri определяются радиусы установки сечений Ri = R • ri.

Прорисовывается лопасть винта для определения формы в плане. При получении неплавной формы необходимо изменить α. Сy и b некоторых сечений. Достаточно плавной получается лопасть при α = const для всех сечений.

По действительным значениям μ можно провести проверочный расчет, записывая каждый раз после останова по команде 49 значение μ в регистре 6.

При проектировании винта не следует выбирать значение Сy близким к максимальному, лучше иметь достаточный запас по углу атаки до срыва потока. Для мощности двигателя 8—35 л. с. можно принимать угол атаки, равный 0,5-2,5°.

При больших значениях Сy также уменьшается ширина лопасти воздушного винта, что повышает требования к точности его изготовления. Это особенно важно для периферийных участков лопасти, где ширина наименьшая, а потребляемая мощность и тяга максимальны. Для любительского изготовления максимальная ширина лопасти не должна быть меньше 80 мм.

При увеличении диаметра винта повышается его КПД. Однако по условиям прочности и аэродинамики окружная скорость конца лопасти не должна превышать 240 м/с. Для уменьшения изгибающих напряжений от центробежных сил центры тяжести сечений лопасти должны лежать на одной прямой.

А. ЯХНИЦКИЙ, В. КРИТИНИН