Проектирование воздушного винта

Воздушный винт завоевал репутацию незаменимого движителя для быстроходных плавсредств, эксплуатируемых на мелководных и заросших акваториях, а также для аэросаней-амфибий, которым приходится работать на снегу, на льду и на воде. И у нас и за рубежом накоплен уже немалый опыт применения воздушных винтов на скоростных малых судах и амфибиях. Так, с 1964 г. в нашей стране серийно выпускаются и эксплуатируются аэросани-амфибии (рис. 1) КБ им. А. Н. Туполева. В США несколько десятков тысяч аэролодок, как их называют американцы, эксплуатируются во Флориде.

Проблема создания быстроходной мелкосидящей моторной лодки с воздушным винтом продолжает интересовать и наших судостроителей-любителей. Наиболее доступна для них мощность 20—30 л. с. Поэтому рассмотрим основные вопросы проектирования воздушного движителя с расчетом именно на такую мощность.

Тщательное определение геометрических размеров воздушного винта позволит полностью использовать мощность двигателя и получить тягу, близкую к максимальной при имеющейся мощности. При этом особую важность будет иметь правильный выбор диаметра винта, от которого во многом зависит не только КПД движителя, но и уровень шума, прямо обусловленный величиной окружных скоростей.

Исследованиями зависимости тяги от скорости хода установлено, что для реализации возможностей воздушного винта при мощности 25 л. с. необходимо иметь его диаметр — около 2 м. Чтобы обеспечить наименьшие энергетические затраты, воздух должен отбрасываться назад струей с большей площадью сечения; в нашем конкретном случае площадь, ометаемая винтом, составит около 3 м². Уменьшение диаметра винта до 1 м для снижения уровня шума уменьшит площадь, ометаемую винтом, в 4 раза, а это, несмотря на увеличение скорости в струе, вызовет падение тяги на швартовах па 37%. К сожалению, компенсировать это снижение тяги не удается ни шагом, ни числом лопастей, ни их шириной.

С увеличением скорости движения проигрыш в тяге от уменьшения диаметра снижается; таким образом, увеличение скоростей позволяет применять винты меньшего диаметра. Для винтов диаметром 1 и 2 м, обеспечивающих максимальную тягу на швартовах, на скорости 90 км/ч величины тяги становятся равными. Увеличение диаметра до 2,5 м, увеличивая тягу на швартовах, дает лишь незначительный прирост тяги па скоростях более 50 км/ч. В общем случае каждому диапазону эксплуатационных скоростей (при определенной мощности двигателя) соответствует свой оптимальный диаметр винта. С увеличением мощности при неизменной скорости оптимальный по КПД диаметр увеличивается.

Как следует из приведенного па рис. 2 графика, тяга воздушного винта диаметром 1 м больше тяги водяного гребного винта (штатного) подвесного мотора «Нептун-23» или «Привет-22» при скоростях свыше 55 км/ч, а воздушного винта диаметром 2 м — уже при скоростях свыше 30—35 км/ч. Расчеты показывают, что на скорости 50 км/ч километровый расход топлива двигателя с воздушным винтом диаметром 2 м будет на 20—25% меньше, чем наиболее экономичного подвесного мотора «Прнвет-22».

Последовательность выбора элементов воздушного винта по приводимым графикам такова. Диаметр винта определяется с зависимости от необходимой тяги на швартовах при заданной мощности на валу винта. Если эксплуатация мотолодки предполагается в населенных районах пли районах, где существуют ограничения по шуму, приемлемый (на сегодня) уровень шумов будет соответствовать окружной скорости — 160—180 м/с. Определив, исходя из этой условной нормы и диаметра винта, максимальное число его оборотов, установим передаточное отношение от вала двигателя к валу винта.

Для диаметра 2 м допустимое по уровню шума число оборотов будет около 1500 об/мин (для диаметра 1 м — около 3000 об/мин); таким образом передаточное отношение при числе оборотов двигателя 4500 об/мин составит около 3 (для диаметра 1 м — около 1,5).

При помощи графика на рис. 3 вы сможете определить величину тяги воздушного винта, если уже выбраны диаметр винта и мощность двигателя. Для нашего примера выбран двигатель самой доступной мощности — 25 л. с., а диаметр винта — 2 м. Для этого конкретного случая величина тяги равна 110 кг.

Отсутствие надежных редукторов является, пожалуй, самым серьезным препятствием, которое предстоит преодолеть. Как правило, цепные и ременные передачи, изготовленные любителями в кустарных условиях, оказываются ненадежными и имеют низкий КПД. Вынужденная же установка винта прямо на вал двигателя приводит к необходимости уменьшения диаметра и, следовательно, снижению эффективности движителя.

Для определения ширины лопасти и шага следует воспользоваться приводимой номограммой рис. 4. На горизонтальной правой шкале из точки, соответствующей мощности на валу винта, проводим вертикаль до пересечения с кривой, соответствующей ранее найденному диаметру винта. От точки пересечения проводим горизонтальную прямую до пересечения с вертикалью, проведенной из точки, лежащей на левой шкале числа оборотов. Полученное значение определяет величину покрытия проектируемого винта (покрытием авиастроители называют отношение суммы ширин лопастей к диаметру).

Для двухлопастных винтов покрытие равно отношению ширины лопасти к радиусу винта R. Над значениями покрытий указаны значения оптимальных шагов винта. Для нашего примера получены: покрытие σ=0,165 и относительный шаг (отношение шага к диаметру) h=0,52. Для винта диаметром 1 м σ=0,50 м и h=0,65. Винт диаметром 2 м должен быть 2-лопастным с шириной лопасти, составляющей 16,5% R. так как величина покрытия невелика; винт диаметром 1 м может быть 6-лопастным с шириной лопасти 50:3=16,6% R или 4-лопастным с шириной лопастей 50:2=25% R. Увеличение числа лопастей даст дополнительное уменьшение уровня шума.

С достаточной степенью точности можно считать, что шаг винта не зависит от числа лопастей. Приводим геометрические размеры деревянной лопасти шириной 16,5% R. Все размеры на чертеже рис. 5 даны в процентах радиуса. Например, сечение D составляет 16,4% R, расположено на 60% R. Хорда сечения разбивается на 10 равных частей, т. е. по 1,64% R; носок разбивается через 0,82% R. Ординаты профиля в миллиметрах определяются умножением радиуса ка соответствующее каждой ординате значение в процентах, т. е. на 1,278; 1,690; 2,046 ... 0,548.

Если необходимо построить лопасть большей относительной ширины, все относительные размеры необходимо изменить соответственно новой ширине. Например: для лопасти шириной 25% хорды и толщины сечений нужно увеличить в отношении 25:16,5=1,52, т. е. в полтора раза.

На схеме рис. 6 приведено построение установочных углов сечений по найденному ранее шагу воздушного винта.

Предлагаемый приближенный метод при минимальной трудоемкости расчетных работ дает хорошие результаты. Полученные расхождения при сравнении расчетных данных и результатов натурных испытаний составляют по мощности — до 3%, по тяге — 5—7%.