Редактирование: Инженеринг винта-ликбез


аэродинамический метод расчёта по Книжникову ВВ

Главные хар-ки описывающая возможности открытых тяговых многолопастных винтов на статике

 Сумах-профиль, D-диаметр, H- шаг, Sл-рабочая площадь одной лопасти от 0.3 до 1.0 радиуса, n- кол-во лопастей

для  винтов авиамодельной размерности----первые значения для толщины 9-11%, вторые для 14-16%

1) с вогнуто-выпуклым профилем Сумах=1.4-1.8

2) плосковыпуклым профилем  Сумах=1.1-1.3

3) несимметричным двояковыпуклым Сумах=0.9-1.0

4) симметричный Сумах=0.7-0.8

Тождество относительного шага  прямо пропорционально углу атаки на стопе и коэф.подъёмной силы!
По аэродинамической теории хорошо считаются тяговые винты с относительно малым шагом и большим диаметром!
Если принять, что текущий Су эквивалентен углу атаки лопасти на стопе,а угол от относительного шага Кв,то тогда для винта Су=Сумах Кв=Сумах (Н/D) !

Одна лопасть винта рассматривается как набор элементов крыла с рабочей площадью Sл в набегающем окружном потоке с различными углами атаки  по формуле подъёмной силы из аэродинамики F=0.5p Cy S vокр2 =0.5p (Сумах H/D) S (2Пи Rтек f)2------

Берётся интеграл тяги по радиусу F=0.5p (3.14)2 (Сумах H/D) Sл D2 f2 Кy=(4.9p)H D Sл Cyмах f2 Kу=
6(Кинт Ккрут Кзап (n)0.5) H D Sл Cyмах f2 ,

 где Ку = Кинт Ккрут Кзап (n)0.5 = 0.75 х 0.95 х 0.85 (n)0.5 = 0.62 (n)0.5
  
1) Кинт средний  0.7--0.8 интегральный коэффициент центра распределения силы тяги по лопасти от радиуса ----центр давления зависит от формы лопасти -----для эллипса в 0.75R,  трапеции 0.7, плавника 0.73R,  прямоугольной 0.8R
 
2) Ккрут средний коэф.крутки 0.9--0.98 лопастей или квадрат косинуса угла установки лопасти на сечении 0.7-0.8R,
зависит от относительного шага----например при H/D=1  0.9, при H/D=0.8  0.95, H/D=0.6  0.97, H/D=0.4  0.98
 
3) Кзап средний коэф.заполнения   винтом   учитывающий затенение центральной части потока комли и кока 0.75--0.9

4) коэффициент кол-ва лопастей (n)0.5

 Fст = 6 (гтв) f2 , где геометрическая тяжесть конкретного винта
 (гтв) =0.6 (n)0.5 Сумax  D  H  Sл  ----  0.6 для авиамоделей

динамическая тяжесть это произведение плотности среды на геометрическую тяжесть----поэтому конкретный винт в воздухе крутить легко,а в воде в 800 раз тяжелее!

режим винта статический или на стопе

например имеем три разных пропеллера и одинаковую мото-установку ---бк 1804-2400, напряжение 7.8в,полный газ!

1) двухлопастный  6х4,форма лопасти-трапеция, где профиль вогнутовыпуклый Су=1.5, диаметр 150мм=0.15м, шаг 100мм=0.1м, рабочая площадь одной лопасти 6.6см2=0.00066м2---тогда геом.тяжесть винта гтв=0.6х1.41х1.5х0.15х0.1х0.00066=0.0000125м2=1250см4

2) трехлопастной 5х5,форма лопасти-плавник, где профиль плосковыпуклый Су=1.3, диаметр 125мм=0.125м, шаг 125мм=0.125м, рабочая площадь одной лопасти 6.2см2=0.00062м2---тогда геом.тяжесть винта гтв=0.6х1.73х1.3х0.125х0.125х0.00062 =0.0000125м2=1250см4

3) четырехлопастной 5х4,форма лопасти-плавник, где профиль сильно вогнутовыпуклый Су=1.65, диаметр 125мм=0.125м, шаг 100мм=0.1м, рабочая площадь одной лопасти 5см2=0.0005м2---тогда геом.тяжесть винта гтв=0.6х2х1.65х0.125х0.1х0.0005=0.0000125м2=1250см4

тоесть геометрическая тяжесть этих винтов одинаковая и на стенде получены --тяга 6х0.0000125х190х190=2.8Н=280г, частота под нагрузкой 11400об/мин=190Гц, сила тока 9а,мощность потребления 70вт,но самым скоростным винтом в полёте будет трёхлопастной с шагом 5 дюйм!



 
 истинная поступь для многолопастного винта на стопе --- h=2(Sл Cyмах (n)0.5 H/D)0.5
 
 осевая скорость потока в сечении плоскости винта ---- Vo=h f

 мощность потока на стопе ----- Pпот=Fст Vo =3.6 H D Sл Cyмах  h f3 (n)0.5

 кпд  идеальный винта на стопе ---- КПДвнут=100% х2 h /( H + h)

так как эквивалентно КПДв=0.43 ( (n)0.5 Сумах / Кв)0.5-----то видно очень важное свойство удержание высокой эффективности скоростных винтов с Кв=Н/D больше единицы типа импеллеров, то  это применение многолопастности (четыре и более штук) и соответственно вогнуто выпуклого профиля!!!


для двс расчет момента сопротивления на валу  удобно проверить следующим способом---M=Fh/(6.28 КПДвнут)
момент сопротивления это тяга на стопе в ньютонах умножить на поступь в метрах и делить на  два пи  и  на кпд по тяге идеального винта

для большинства двухлопастных винтов с плосковыпуклым профилем и трапецевидной формой геомет.тяжесть упрощенно

 гтв(м4) =  D(м)  H(м)  Sл(м2)

расчёт рабочей площади одной лопасти  винта удобно как  Sл=(0.033-0.05) Cyмах D H--- 1/20 для слоуфлаер и 1/30 для скоростных винтов


подбор габаритов винта

Оптимизация винта для ла является важной задачей для авиаконструктора----правильно подобрать винтомоторную группу или вмг под самолёт , но не всегда под наличием нужный двигатель при условии что винт можно  сделать самому или заказать недорого на стороне . Расчёт ометаемой площади винта под оптимальный  крейсер  Vкр=1.3Vпл для полноразмерной авиации 

 Sомет= (Сумах Sкр)/(АКмах Кв)

далее переводим площадь винта в диаметр и получаем оптимальный квадратный винт, где диаметр=геометрическому шагу или Кв=1 !
Например для сла с типичным плосковыпуклым профилем с относительной толщиной 14% при РЕ=1 500 000 получаем 1.4х12м2 /12=1.4м2 переводим ометаемую площадь винта в диаметр=1.34м и шаг 1.34м ! далее начинаются ньюансы----
если нет подходящего двигателя с редуктором нужной моментной характеристикой---
то при увеличении диаметра и значит ометаемой площади и уменьшении шага получаем более высокую тяговооруженость, но меньший диапозон скоростей---что характерно для прогулочных сла при полётах по кругу с высокой скороподъёмностью  и наоборот,
при меньшем диаметре и большом шаге получаем скоростной самолёт с низкой тяговооруженностью и большим диапозоном скоростей ----главное чтобы крылышки не сложились при вираже на большой скорости---надо учитывать сопромат и реальные перегрузки ла!

практические расчёты готовых двухлопастных винтов на стопе 

для проверки инженеринга применено математическое тождество аэродинамической теории винтов в статике

 уравнение №1 скоростной хар-ки----осевая скорость потока в плоскости винта  Vo = h f 

 уравнение №2 тяговой хар-ки----сила тяги винта  Fст = 6 (гтв) f2 

 уравнение №3 мощностной хар-ки--- мощность потока  Pст = 6 (гтв) h f3


тяга винта в режиме горизонтального полёта примерно одна вторая от стенда


аэродинамическое качество лопасти

Лопасть винта рассматривается как набор элементов крыла с рабочей плошадью S в набегающем потоке с различными углами атаки  по классической  формуле подъёмной силы из аэродинамики F=0.5p Cy Sл vокр2 =0.5p (H/D) Sл (3.14 D f)2=
=3.14x 0.5p Sл ( H f )  (3.14 D f )=1.6p Sл vосев vокр---формула показывающая, что аэродинамическая сила лопасти состоит из наведённой реактивной составляющей отбрасывания потока перпендикулярно площади со скоростью vосев (Ньютон) и
наведённой силой перепада давлений от набегающего потока вдоль площади со скоростью vокр (Бернулли)-----тогда 
для крыла F=1.6p ( b L ) vосев vнаб= (b vвер) (L vпот)1.6p, где множитель1 подъёмной силы это произведение ширины крыла или САХ на вертикальную проекцию скоса потока от половины угла атаки вниз как скорость vверт -----угол скоса потока в два раза меньше угла атаки  обычно для самолёта атака=6гр и угол скоса 3гр, тогда Кскос=соtg3гр=20 ед,
множитель2  произведения  размаха крыла на скорость набегающего потока как vнабег и термодинамический множ.3=1.6,
а корень из соотношения  множ2 к множит1----(1.6 L vнаб)/(b vвер))0.5=(1.6(L/b)(vнаб/vвер))0.5=1.25(Куд Кскос)0.5  это  теоритическое обоснование  тождества идеального крыла без профильного сопротивления  и сил трения о поверхность 

АКмах=1.25(Куд Кскос)0.5=для суперпланера1.25(25х64)0.5=1.25х40=50!!! 

 АКмах=1.25(Куд Кскос)0.5 ---для большой авиации

Тогда, чем больше удлинение крыла или лопасти и больше коэф. скоса, то есть меньше оптимальный угол  атаки, тем выше АКмах! По этому принципу построены рекордные планера с ламинизированными профилями на крыльях  и лопасти вертолётов.