Сделай сам, 1995 № 04 - страница 4
Рис. 3
И совсем, казалось бы, идеально установить угол φ = 45°. Как видно из рис. 4, в этом случае отраженный воздушный поток V' направлен в плоскости вращения, а реактивная сила F направлена в нужном нам направлении.
Рис. 4
Но! В этих случаях сразу возникают два весьма существенных «но». Первое — резко увеличивается плоскость проекции винта, следовательно, и сила противодействия P. S" >> S' >> S; Р" > Р' > Р. Второе — возникают турбулентные завихрения за плоскостью, как это показано на рис. 4, создается зона разряжения воздуха Q' и зона повышенного давления Q. Все эти явления вызывают появление дополнительных противодействующих сил, которые не только начисто «съедают» полученный полезный прирост силы F', но и ухудшают работу винта в целом. Винт начинает «месить» воздух, работать неравномерно, рывками, скорость вращения падает, момент вращения уменьшается.
Путем теоретических расчетов, экспериментальных работ и многолетней практики определено, что наилучший угол установки лопасти φ = 11°–12°, как это показано на рис. 5.
Рис. 5. Примерный профиль лопастей воздушного винта
В приведенных выше рассуждениях не учтены многие факторы: тут и влияние шероховатости поверхности винта, сопротивление трения оси вращения винта и другое.
Основные геометрические характеристики воздушного винта
Воздушный винт (ветроколесо) состоит из двух и более совершенно одинаковых лопастей, закрепленных на ступице неподвижно или подвижно относительно продольных осей лопастей. В первом случае винт может быть изготовлен из одного куска дерева или иметь возможность поворота лопастей относительно продольной оси для установки угла φ с последующим жестким креплением. Во втором случае лопасти могут изменять этот угол при помощи автоматических регуляторов для поддержания (стабилизации) оборотов на заданном уровне.
а) Диаметр винта D — диаметр окружности, описываемой концами лопастей.
б) Шаг винта Н — расстояние, пройденное винтом за один оборот при условном ввинчивании его в воздух, как в твердое тело.
Н = π∙D∙tgφ;
в) Угол установки лопасти φ был подробно рассмотрен выше.
г) Покрытие лопасти винта ΔS>л — отношение площади проекции одной лопасти на плоскость вращения к площади диска диаметром D:
ΔS>л = S>л/π∙R>2 = 4S>л/π∙D>2
д) Покрытие винта — ΔS>ε = К∙(4S>л/π∙D>2).
В приведенных формулах π = 3,14; R = 0,5∙D — радиус винта; К — количество лопастей винта.
е) Форма лопасти винта в плане. Примеры форм показаны на рис. 6/
Рис. 6.Формы лопастей воздушных винтов:
>а — прямоугольная; б — «самолетная»; в — трапецеидальная прямая; г — трапецеидальная обратная
Форма может быть прямоугольная, «самолетная», трапецеидальная прямая, трапецеидальная обратная. Наиболее простая в изготовлении — прямоугольная. Наиболее сложная «самолетная». Преимуществ «самолетная» форма не имеет, кроме лучшего эстетического восприятия. Трапецеидальная прямая крепится в ступице большим основанием. Такие лопасти механически самые прочные. Трапецеидальная обратная крепится к ступице меньшим основанием. Такие лопасти изготавливаются обычно из металла. Из дерева их делать не рекомендуется, так как механически они очень не прочны и легко лопаются при сильном ветре. Но крутящий момент у них выше. Эти лопасти применимы при числе их больше 8.
ж) Число лопастей N. Как уже упоминалось, минимальное количество N = 2; максимальное может быть N = 16. Увеличение числа лопастей увеличивает крутящий момент. Но в изготовлении такие винты, конечно, гораздо сложнее. Винту с большим числом лопастей больше подходит название «ветроколесо». Примеры на рис. 7.
Рис 7.Примерная конструкция винтов:
>а — двухлопастный; б — трехлопастный; в — восьмилопастный
Тем не менее, несмотря на сложность изготовления, выгоднее увеличивать крутящий момент не за счет увеличения покрытия лопасти ΔS>л, а за счет увеличения количества лопастей N. Увеличение обоих параметров, ΔS>л и N, приводит к увеличению покрытия винта ΔS>ε. Но в случае увеличения ΔS>л, возрастает аэродинамическое сопротивление, уменьшающее крутящий момент.
