Авіація Опубліковано: Теги:

Повітряний гвинт: принцип роботи та особливості

Повітряний гвинт з’явився в момент зародження авіації, ще коли брати Райт запускали свого Флаєра. Проте в певний момент інженери почали задумуватись: як зробити гвинт, щоб він давав більше тяги, а також як зробити гвинт ефективним. Наприклад, скільки повинно бути лопатень, яка має бути їх довжина, кут нахилу. Можливо, більш ефективним повинен бути гвинт ззаду, що штовхатиме літак? Сьогодні розкажу про роль повітряного гвинта, його основні характеристики та ефективність в тих чи інших умовах польоту.

Отож, далі поговоримо про історію створення пропелера, принцип роботи, крок гвинта та обмеження повітряних гвинтів.

Що таке повітряний гвинт або пропелер?

Простою мовою, повітряний гвинт є двома або більше аеродинамічних профілів (крил), що обертаються та встановлені для “виштовхування” повітряної маси.

Гвинт знаходиться на передній або задній частині літака і приводиться в рух за допомогою двигуна.

На більшості моделей Cessna 172, зазвичай встановлюють дволопатевий повітряний гвинт

Історія винайдення пропелера

Вважається, що перший гвинт з’явився за часів Архімеда: його використовували для перекачування води з глибоких водойм.

Однак винахідника саме повітряного гвинта визначити непросто. Його розвиток відбувався поступово, за участі багатьох інженерів. Виділяють Леонардо да Вінчі, адже у його нотатках, створених у 1487 році, було креслення повітряного гвинта, схожого з сучасними пропелерами.

У 20 столітті повітряні гвинти стали широко використовуватися в авіації, і активно розвиватись та досліджуватись уже на борту літаків.

Принцип роботи гвинта

Beechcraft Baron

Оскільки лопаті повітряного гвинта мають аеродинамічний профіль, в процесі його обертів працюють ті ж закони, що і для крила літака. Проте в цьому випадку підіймальна сила, що виникає, штовхає літак вперед, а не підіймає догори, як у випадку з крилом.

Крок гвинта

З гвинтом ситуація дещо складніше, аніж з крилом. Адже це крило, що окрім руху уперед, ще обертається і немовби вкручується. Тільки якщо болт вкручується в гайку, то гвинт — в повітря.

Якщо доповнити аналогію з гайкою та болтом, в будівництві існує поняття “крок болта”. В аеродинаміці повітряного гвинта також воно є.

Крок гвинта (pitch) — уявна відстань (при “вкручуванні”), на яку гвинт пересувається за одного обороту.

Перші двигуни мали фіксований крок гвинта, що не змінювався протягом польоту. Основним недоліком гвинта з фіксованим кроком є те, що максимальна ефективність виникає лише за певної швидкості.

Повітряний гвинт фіксованого (малого) кроку дає гарні злітні характеристики та скоропідйомність, проте максимальна швидкість буде відносно невисокою.

При збільшенні кроку гвинта можна збільшити максимальну швидкість, проте це працюватиме на великих швидкостях, оскільки існуватиме ризик вийти на критичний кут атаки гвинта.

За часів другої світової з’явились перші двокрокові гвинти. Згодом почали з’являтись гвинти змінного кроку, які дозволяли пропелерам працювати на близькій до максимальної ефективності.

Флюгерний режим

Розвиток механізму змінного кроку гвинта дозволив обійти ще одну проблему — виникнення зайвого опору при відмові двигуна польоті. Таким чином з’явився флюгерний режим: гвинт розташовується паралельно потоку і створює мінімум зайвих обертів та як наслідок опору в польоті, наприклад, при відмові двигунів.

Реверсивний режим

Окрім звичайного існує реверсивний режим роботи гвинта, що забезпечує сповільнення та реверсивний рух літака. Реверсивна тяга утворюється, коли лопаті пропелера повертаються за межі мінімального кроку на зворотній аверсивному куту.

Якщо сильно спростити, для літака крок гвинта є певним аналогом коробки автомобілів. Кожному кроку гвинта відповідає та чи інша ефективність роботи при однакових обертах.

Крутка гвинта

Крутка гвинта

Якщо зробити гвинт із двох площин, повернутих в різні сторони та спробувати його розкрутити, швидкість на краях буде вищою, аніж в основі. І якщо вона буде низькою в основі, основа гвинта може увійти у звалювання на певних ділянках. А це зайва турбулентність та потенційна втрата тяги та ефективності гвинта. Тому застосовують так звану крутку гвинта.

Вплив обертання гвинта на літак

Обертовий момент від гвинта

В процесі роботи гвинта, виникає повертальний момент, і літак прагне обертатися в протилежний бік гвинта, як наслідок виникає поява крену.

Обмеження повітряних гвинтів

Повітряний гвинт є доволі ефективним, проте не за будь-яких умов польоту.

Обмеження роботи повітряного гвинта включають швидкість звуку, максимальну швидкість, потужність двигуна, лобовий опір, рівень шуму та умови довкілля. Наприклад, такі фактори як лобовий опір, близькість до переходу на надзвукову швидкість окремими частинами гвинта впливають на ефективність та безпеку роботи гвинта.

Швидкість звуку

При наближенні до швидкості звуку гвинт може зіткнутися з проблемою утворення ударної хвилі та втратою ефективності. Це обмеження обумовлено аеродинамічних факторів і вимагає особливого проєктування гвинта для роботи при високих швидкостях.

Тому насамперед гвинти найбільш ефективні за відносно низьких швидкостей та висот.

Низька швидкість польоту

Продовжимо тему швидкості звуку. Коли літак наближається до звукової швидкості, пропелер стає надзвуковим, починаючи з кінців і рухаючись усередину. Опір, який виникає на лопатях гвинта, стрімко зростає, а тяга від них відповідно зменшується. Додаємо до цього навантаження на пропелер. Основний швидкісний діапазон застосування гвинтів обмежений швидкостями 370-400 вузлів.

Висновок

Враховуючи обмежену область застосування, повітряний гвинт використовують в близькомагістральних рейсах. Що стосується далеких маршрутів, повітряний гвинт програє турбореактивному та турбовентиляторному двигунам.

ATR 72 – турбогвинтовий середньомагістральний пасажирський літак, який активно експлуатувала авіакомпанія Windrose на своїх рейсах по Україні

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *