Наша сеть партнеров Banwar
Надежін Микита
Теорія повітряного гвинта: від перших пропелерів до ефективних агрегатів майбутнього.
ПЛАН:
Вступ.
Основний зміст:
1.1. Повітряний гвинт.
1.2.Техніческіе вимоги до моделі літака класу F1B.
3.Описание конструкції повітряного гвинта.
1.4. Опис моделі літака.
Висновок.
Список літератури, програмне забезпечення.
Додатки.
Вступ
Повітряний гвинт, пропелер, рушій, в якому радіально розташовані профільовані лопаті, обертаючись, відкидають повітря і тим самим створюють силу тяги ( «Пропелер» - студентська багатотиражка в Московському авіаційному інституті). Повітряний гвинт складається з однієї, двох або більше лопатей, з'єднаних один з одним маточиною. Основна частина гвинта - лопаті, так як тільки вони створюють тягу.
Ідею повітряного гвинта запропонував в 1475 році Леонардо да Вінчі, і застосував його для створення тяги вперше в 1754 році В.М. Ломоносов в моделі приладу для метеорологічних досліджень.
М.В. Ломоносов
На літаку А.Ф. Можайського використовувалися повітряні гвинти. Брати Райт використовували штовхає гвинт.
Ще до початку проектування першого літака, А.Ф. Можайським були виготовлені кілька моделей літака, у яких рушієм був повітряний гвинт, що приводиться в обертання гумовим джгутом. В Америці брати Райт також спочатку виготовляли моделі літака, і тільки потім був спроектований перший літаючий літак.
З початку 20 століття в усьому світі молоді люди почали проектувати і будувати моделі літаків і проводити змагання. У нашій країні перші змагання зі словом настанови Н.Є. Жуковський в1926году. Авіамодельний спорт став культивуватися Міжнародної авіаційної федерацією FAI, розроблений кодекс FAI, проводяться Всеросійські і міжнародні змагання.
За правилами змагань всі моделі учасників повинні відповідати певним вимогам і, щоб перемогти на змаганнях, треба виготовити модель літаючу краще за всіх. Для цього необхідно збільшити висоту зльоту моделі, але зробити це складно, так як запас енергії на моделі обмежений вагою гумомотор, який перевіряється під час проведення змагань. Залишається тільки збільшувати коефіцієнт використання енергії гуми, а це механізація в польоті повітряного гвинта зі зміни геометричних характеристик. Крутний момент гумомотор змінний і має нелінійну характеристику. А крутний момент необхідний для приводу повітряного гвинта пропорційний діаметру гвинта в п'ятого ступеня. Для реалізації наявного крутного моменту і збільшення ККД повітряного гвинта треба в польоті змінювати діаметр і крок. В існуючих конструкціях змінюють крок гвинта, так як це конструктивно простіше, але це тягне за собою збільшення швидкості польоту, а значить і шкідливого опору крила. Виграш виходить невеликий. Збільшення діаметра гвинта з одночасним збільшенням кроку дозволяє використовувати повітряний гвинт більш якісно. Виграш виходить більше.
Завдання: проектування механізмів, що дозволяють збільшити ККД, зменшити витрату палива для вироблення різних видів енергії, що призводять до зниження шкідливих викидів в атмосферу.
Тема даної роботи дуже актуальна для розуміння розвитку сучасної техніки. Робота по збільшенню ККД повітряного гвинта робить можливим надалі проектування більш складних механізмів, спрямованих на збільшення ККД інших виробів, які споживають теплову та електричну енергію та пов'язаних з поліпшенням екології навколишнього простору. У сучасному світі це дуже важливо так як застосування механізмів, що збільшують ККД на машинах, генераторах веде до зменшення витрати палива, а отже викидів продуктів згорання в атмосферу і поліпшення стану екології навколишнього середовища і здоров'я людини.
Мета даної роботи: проектування механізму збільшує ККД використання механічної енергії повітряним гвинтом резіномоторной моделі літака.
Значення роботи: На прикладі проектування простого механізму розглядаються питання проектування більш складних механізмів, які можна ефективно використовувати в майбутньому при розробці нової авіаційної техніки.
1. Повітряний гвинт
У спокійному повітрі літак може летіти горизонтально або з набором висоти тільки тоді, коли у нього є рушій. Таким рушієм може бути повітряний гвинт або реактивний двигун. Повітряний гвинт повинен приводитися в обертання механічним двигуном. І в тому і в іншому випадку тяга створюється за рахунок того, що деяка маса повітря або вихлопних газів відкидається в сторону, протилежну руху.
Рис.4. Схема сил, що діють на повітряний гвинт.
При своєму русі лопать повітряного гвинта описує в просторі кручені лінію. У своєму поперечному перерізі вона має форму крильевих профілів. У правильно спроектованому гвинті всі перетину лопаті зустрічають потік під деяким найвигіднішим кутом. При цьому на лопаті розвивається сила, аналогічна аеродинамічній силі на крилі. Ця сила, будучи розкладеної на дві складові (в площині гвинта і перпендикулярну площині) дають тягу і опір ращению даного елемента лопаті. Підсумувавши сили, що діють на всі елементи лопатей, отримують тягу, що розвивається гвинтом, і момент, реквізит для обертання гвинта (Малюнок 4). Залежно від величини споживаної потужності застосовуються повітряні гвинти з різним числом лопатей - двох, трьох і чотирьох лопатеві, а також співвісні гвинти, що обертаються в протилежних напрямках для зменшення втрат потужності на закручування відкидаємо струменя повітря. Такі гвинти застосовують на літаках Ту-95, Ан-22, Ту-114. На Ту-95 встановлені 4 двигуни НК-12 конструкції Миколи Кузнєцова (Малюнок 5). Кінці лопатей у цих гвинтів обертаються з надзвуковою швидкістю, створюючи сильний шум (Натівське назву літака Ту-95 - «Ведмідь», прийнятий на озброєння в 1956 році і ВПС Росії використовують цей літак до цього дня). У авіамодельному спорті для отримання високих результатів на змаганнях використовують і однолопастний гвинти. Коефіцієнт корисної дії гвинта залежить від величини покриття гвинта
(Де - число лопатей, - максимальна ширина лопаті), чим менше величина покриття гвинта, тим більш високий ККД гвинта можна отримати. Безмежного зменшення покриття перешкоджає міцність лопаті. Багатолопатеву гвинти не вигідні, так як вони знижують ККД.
Рис.5. Літак ТУ-95 з співвісним гвинтом.
Перші повітряні гвинти мали фіксований в польоті крок, який визначається постійним кутом установки лопатей гвинта. Для збереження досить високого ККД у всьому діапазоні швидкостей польоту і потужностей двигуна, а так само для флюгування і зміни вектора тяги при посадці застосовуються гвинти змінюваного кроку (ВІШ). У таких гвинтах лопаті повертаються у втулці щодо поздовжньої осі механічним, гідравлічним або електричним механізмом.
Для збільшення тяги і ККД при малій поступальної швидкості і великої потужності повітряний гвинт поміщають в профільоване кільце, в якому швидкість струменя в площині обертання більше, ніж у ізольованого гвинта, і саме кільце внаслідок циркуляції швидкості створює додаткову тягу.
Лопаті повітряного гвинта виготовляють з дерева, дюралюмінію. Стали, магнію, композиційних матеріалів. При швидкостях польоту 600-800 км / год ККД повітряного гвинта досягає 0,8-0,9. При великих швидкостях під впливом стисливості повітря КПД падає. Тому повітряний гвинт вигідний на дозвукових швидкостях польоту літака.
Ідею повітряного гвинта запропонував в 1475 році Леонардо да Вінчі (Малюнок 1), а застосував його для створення тяги вперше в 1754 році М.В. Ломоносов в моделі приладу для метеорологічних досліджень (Малюнок 2). До середини XIX століття на пароплавах застосовувалися гребні гвинти, аналогічні повітряному гвинті. У XX столітті повітряні гвинти стали застосовуватися на дирижаблях, літаках, аеросани, вертольотах, апаратах на повітряній подушці і ін.
Рис. 1. Гелікоптер. Ідея, запропонована Леонардо да Вінчі. Модель за ескізом Леонардо да Вінчі.
Рис.2. Модель приладу М.В. Ломоносова для метеорологічних досліджень.
Методи аеродинамічного розрахунку і проектування повітряних гвинтів засновані на теоретичних і експериментальних дослідженнях. У 1892-1910 роках російський інженер-дослідник, винахідник С.К. Джевецький розробив теорію ізольованого елемента лопаті, а в 1910-1911 роках російські вчені Б.Н. Юр'єв і Г.Х. Сабінін розвинули цю теорію. У 1912-1915 роках Н.Є. Жуковський створив вихрову теорію, що дає наочне фізичне уявлення про роботу гвинта і інших лопаткових пристроїв і встановлює математичний зв'язок між силами, швидкостями і геометричними параметрами в такого роду машинах. В подальшому розвитку цієї теорії значна роль належить В.П. Ветчінкін. У 1956 році радянським вченим Г.І. Майкопаровим вихрова теорія повітряного гвинта була поширена на несучий гвинт вертольота.
Н.Є. Жуковський
В даний час для створення великогабаритних магістральних літаків потрібні були рухові установки більшої потужності і дуже економічні. Одним з варіантів таких двигунів стали турбовентиляторні двигуни. Вони володіють великою тягою і хорошою економічністю. На всіх зарубіжних літаках встановлюються саме такі двигуни.
Розвиток ідеї Леонардо да Вінчі втілилося у створенні газотурбінних двигунів з осьовим компресором. Лопатки осьового компресора створюють при своєму русі підвищення тиску повітря. Кожна ступінь підвищує тиск на певну величину і в кінці стислий компресором повітря потрапляє в камеру згоряння, де до нього підводиться тепло у вигляді згорає пального. Після чого гарячий газ надходить на турбіну, яка може бути і осьової і радіальної. Турбіна в свою чергу крутить компресор, а що втратили частину енергії гази потрапляють в сопло і створюють реактивну тягу.
Лопатки компресора, це частина лопаті повітряного гвинта. Таких лопаток в кожному ступені може бути кілька десятків. Між ступенями знаходиться нерухомий спрямляющій апарат, який складається з таких же лопаток, тільки встановлених під певним кутом до закрученим повітряному потоку. Закручування відбувається за рахунок руху лопаток компресора по колу. Кількість ступенів компресора може бути більше 15.
Якщо всю енергію, отриману в результаті згорілого палива, спрацьовувати на турбіні, то на валу двигуна вийде надлишок потужності, який можна використовувати для приводу повітряного гвинта. Вийде турбогвинтовий двигун, і тяга буде створюватися повітряним гвинтом. Тяга за рахунок вихлопних газів буде мінімальна.
Наступним етапом розвитку стали двоконтурні двигуни. У цих двигунах частина повітря проходить не через компресор (зовні), зазвичай це відбувається після перших двох ступенів компресора. Такий двигун називається турбовентиляторних. Тяга двигуна створюється за рахунок вентилятора (перші два ступені компресора) і реактивного струменя вихлопних газів. В даному випадку вентилятор, а це по суті - повітряний гвинт, знаходиться в профільованого корпусі.
Наступний етап розвитку це турбогвинтовентиляторний двигун (НК-93). Чому стали виготовляти такі двигуни? Та тому, що ККД гвинта на дозвукових швидкостях польоту може наближатися до 0.9, а ККД реактивного струменя набагато менше. Турбогвинтовентиляторний двигун в майбутньому - найперспективніший двигун для літаків, що літають на дозвукових швидкостях.
Двоконтурний турбореактивний двигун.
У 1985 році ОКБ імені Н.Д. Кузнєцова почалося вивчення концепції вінтовентіляторниє двигуна високого ступеня двоконтурності. Було визначено, що закапотірованний двигун з співісними гвинтами забезпечить на 7% більшу тягу, ніж незакопотірованний ТВВД з одноступінчастим вентилятором.
У 1990 році КБ приступило до проектування такого двигуна, який отримав позначення НК-93. Він призначався насамперед для літаків ІЛ-96М, Ту-204П, Ту-214, але зацікавленість в новому двигуні проявило і Міністерство оборони (планується установка його на військово-транспортному Ту-330).
Літак ІЛ-76 ЛЛ з двигуном НК-93.
Двигун НК-93.
НК-93 виконаний по трехвальной схемою з двигуном закопотірованного дворядного вінтовентілятора протилежного обертання СВ-92 через редуктор. Редуктор планетарний з 7 сателітами. Перший ступінь вінтовентілятора 8-лопатева, друга (на неї припадає 60% потужності) - 10-лопатева. Всі лопаті шаблевидні з кутом стреловидности 300 на перших 5 двигунах виготовляли з магнієвого сплаву. Тепер їх виготовляють з вуглепластика.
Схема двигуна НК-93.
Технічні характеристики нового двигуна в світі аналогів не мають. За параметрами термодинамічної циклу НК-93 близький до нині розробляються за кордоном двигунів, але має кращу економічність (на 5%). Льотні випробування проводяться на літаку ІЛ-76ЛЛ. Родзинкою цієї гвинтокорилої установки є планетарний редуктор і вінтовентілятор. Кут установки лопатей може змінюватися в межах 1100 при роботі двигуна. Подібний редуктор застосовується в двигунах НК-12 на літаку Ту-95 і подібний редуктор використовується в установках перекачування газу на магістральних газопроводах (НК-38). Так що досвід у нас є.
На заняттях в авіамодельної лабораторії Костромського обласного центру дитячого (юнацького) технічної творчості розглядаються питання теорії польоту літаків і літаючих моделей. З метою поліпшення льотних характеристик резіномоторних моделей, а також поліпшення результатів виступу на змаганнях була розглянута робота гвинтокорилої установки. Розглянувши характеристики гумомотор, енергія якого визначає висоту зльоту моделі, з'ясовано, що крутний момент гуми на валу гвинта має нелінійну характеристику. Максимальний крутний момент перевищує середній момент в 5-6 разів. Крутний момент, необхідний для обертання гвинта дорівнює
де
- аеродинамічний коефіцієнт
- щільність повітря
- діаметр гвинта
- обороти гвинта в секунду
З теорії відомо, що для того, щоб ККД гвинта був досить високим, необхідно необмежено збільшувати діаметр гвинта. Як відомо, конструктивно ця умова виконати не можна. Але, знаючи це бачимо один з можливих способів збільшення тривалості польоту резіномоторной моделі. Було прийнято рішення компенсувати зміну крутного моменту зміною діаметра гвинта. Конструктивно змінювати діаметр гвинта на величину, пропорційну зміні крутного моменту досить складно, тому введено ще і зміна кроку гвинта. Вийшов гвинт змінюваного діаметра і кроку (ВІДШ). У великій авіації зміна діаметра повітряного гвинта не застосовується через складність конструкції і великих швидкостей на кінцях лопатей, порівнянних зі швидкістю звуку, що зменшують ККД гвинта.
Можна збільшити ККД повітряного гвинта шляхом зменшення покриття гвинта. Це означає, зробити гвинт однолопастний. Такі гвинти зараз застосовуються на швидкісних кордових моделях. Результати дуже позитивні. Швидкість зростає на 10-15 км / год, але там інші умови роботи. Двигун працює на постійних оборотах і постійної максимальної потужності. На резіномоторних моделях енергія гумомотор змінна і не лінійна. При використанні однолопастний гвинта із змінним діаметром і кроком виникають складнощі з противагою лопаті гвинта. Тому прийнято рішення для збільшення ККД повітряного гвинта резіномоторной моделі літака використовувати гвинт дволопатеве із змінним діаметром і кроком (ВІДШ).
2. Технічні вимоги до моделі літака класу F 1 B
На конкурс представлено резіномоторная модель літака за класифікацією ФАІ - F1B, виготовлена Надежін Микитою під керівництвом Смирнова Віктора Борисовича.
З цією моделлю Надежін Микита в 2013 році на Першості Росії з авіаційного моделювання став чемпіоном.
Резіномоторная модель - це модель літального апарату, що приводиться в рух двигуном з гуми; підйомна сила моделі виникає за рахунок аеродинамічних сил, що впливають на несучі поверхні моделі.
Технічні характеристики резіномоторних моделей повинні відповідати вимогам FAI:
площа несучої поверхні - 17-19 дм 2
мінімальна вага моделі без гумомотор - 200 г
максимальна вага змащеного гумомотор - 30 м
Кожен учасник змагань має право на 7 залікових польотів тривалістю не більше 3-х хвилин кожен. Запуск моделі повинен бути проведений в обмежений час, оголошене заздалегідь. Сума часу всіх залікових польотів кожного учасника використовується для остаточного розподілу місць серед учасників.
За годину польоти модель может відлітаті від місця старту на відстань до 2,5-3 км. Для поиска моделі на неї встановлюється радіопередавач вагою 4 грам з харчування на кілька діб. У учасника змагань є радіоприймач з спрямованої антеною для виявлення моделі.
Зліт моделі здійснюється за рахунок енергії гумомотор, яка приводить в обертання повітряний гвинт. Зміна крутного моменту гумомотор при його розкручуванні відбувається нерівномірно і максимальне його значення перевищує середнє значення в 4-5 разів. Тому в початковий момент зльоту моделі повітряний гвинт працює на нерозрахованих режимах, тобто йде прослизання гвинта в повітряному потоці. Для того щоб аеродинамічний завантажити повітряний гвинт і використовувати наявну енергію гумомотор в повному обсязі, необхідно збільшувати діаметр гвинта і кут установки лопатей гвинта в початковий період зльоту. Це добре показано в книзі А.А.Болонкіна «Теорія польоту літаючих моделей»
3. Опис конструкції повітряного гвинта
Особливістю даної моделі є повітряний гвинт (Додатки №4,5,6), який під час зльоту моделі змінює діаметр і крок. Механізм гвинта при зміні крутного моменту гумомотор дозволяє змінювати діаметр гвинта і кут установки лопатей. Це дозволяє істотно збільшити ККД гвинта і, отже, висоту зльоту моделі, і, відповідно, збільшуються тривалість польоту і результат на змаганнях.
Конструкція механізму гвинта представлена на складальному кресленні 10.1000.5200.00 СБ ВІДШ (гвинт змінюваного діаметра і кроку, Додаток №3) і являє собою корпус, в якому на 2-х підшипниках обертається вал гвинта зі сталі ЗОХГСА. На валу встановлено втулка гвинта, також на 2-х підшипниках, далі йде втулка, що має можливість обертатися навколо вала. На втулці встановлені шатуни, на яких підвішені лопаті гвинта, виготовлені з бальзам. Шатуни встановлені на осях, розташованих на радіусі R = 11 від осі вала і під кутом до нього приблизно 6 градусів. Втулка і маточина з'єднані між собою пружним елементом (гумове кільце) .В ступиці є паз обмежує переміщення втулки щодо маточини. Це визначає робочі кути повороту втулки і величину висування шатунів. При додатку до валу гвинта крутного моменту щодо лопатей гвинта виникає сила, що провертає втулку щодо маточини, при цьому відбувається висування шатунів з маточини і їх проворот навколо поперечної осі вала за рахунок руху осей шатуна по котра утворює однополостного гиперболоида навколо вала. У конструкції передбачено зміну кута нахилу осей шатунів, що дозволяє регулювати діапазон зміни кроку при регулюванні моделі. (В початковому варіанті регулювання меж зміни кроку не передбачалася, креслення 10.0000.5100.00 СБ, Додаток №2). Переміщення шатунів пропорційно моменту, що крутить, що додається до валу гвинта, щодо лопатей. На втулці встановлений стандартний стопор, стопорить лопаті гвинта в потрібному положенні після розкрутки гумомотор. Зміна кроку при збільшенні діаметра на 25 мм становить 50, що на R лопаті = 200мм змінює крок з 670 мм до 815 мм. Для виготовлення деталей використані малогабаритні шарикопідшипники і високоміцні матеріали Д16Т, ЗОХГСА, 65С2ВА, 12х18Н10Т і вуглепластик.
4. Опис моделі літака
Конструкція самої моделі представлена на кресленні 10.0000.5000.00СБ. (Пріложеніе№1,7)
Поздовжній набір крила складається з двох вуглепластикових лонжеронів змінного перерізу, углепластикового кесона, передній і задній крайок з вуглепластика.
Поперечний набір складається з нервюр, виконаних з бальзам, покритих зверху і знизу вуглепластиковим накладками товщиною 0,2 мм. На крилі застосований профіль «Андрюк». Центр ваги розташований на 54% САХ.
Весь набір зібраний на епоксидної смолі. Крило обтягнуте синтетичної папером (поліестером) на емаль. Для зручності транспортування крило має поперечний роз'єм з вузлами кріплення. Стабілізатор і кіль виконані аналогічно крила.
Фюзеляж складається з двох частин. Передня силова частина виконана з трубки, виготовленої з СВМ (кевлар) і углепластикового пілона, в який встановлено програмний механізм (таймер) і передавач для пошуку моделі, спереду і ззаду вклеєні силові шпангоути з алюмінієвого сплаву Д16Т.
Хвостова частина являє конус і складається з 2-х шарів високоміцної алюмінієвої фольги Д16Т товщиною 0,03 мм, між якими вклеєна шар вуглетканини на епоксидної смолі. На кінці хвостової частини встановлено майданчик для кріплення стабілізатора і механізм перебалансування і посадки моделі.
На моделі використовуються гумомотор з гуми FАI "Super sport", що складаються з 14 кілець перетином 1/8 //
Застосування в даному класі моделей механізму дозволяє одночасно змінювати діаметр і крок гвинта в залежності від крутного моменту гумомотор, дозволило збільшити коефіцієнт корисної дії повітряного гвинта, що виразилося в збільшенні висоти зльоту моделі на 10-12 метрів, тривалість польоту збільшилася на 35-40 секунд по порівняно з іншими моделями, а також покращилася стабільність польотів. І як наслідок - перемога на змаганнях.
Висновок
Висновок: Принцип перетворення поступального руху в обертальний, закладене в даній конструкції, може використовуватися у випадках, коли не можна використовувати прості важелі механізми.
Практичні рекомендації: Подібний механізм можна використовувати в приводі елеронів крилатої ракети. Поступальний рух тяги всередині крила, уздовж задньої кромки перетворюється в обертальний рух елерона. Використовувати інші механізми досить складно через малу будівельної висоти профілю крила в районі розташування елерона і видалення елерона від корпусу ракети.
Таким чином, на прикладі проектування найпростішого механізму щодо збільшення ККД можна розглянути питання щодо створення більш досконалих механізмів перетворення енергії вуглеводнів в механічну теплову та електричну енергію, що в сучасних умовах дозволить знизити рівень викиду шкідливих речовин в атмосферу і поліпшить стан екології навколишнього середовища і здоров'я Людини .
Список літератури, програмного забезпечення
1.А.А.Болонкін. Теорія польоту літаючих моделей, изд. ДОСААФ 1962р.
2.Е.П.Смірнов, Як спроектувати і побудувати літаючу модель літака, изд. ДОСААФ 1973р.
3. Шмітц Ф.В. Аеродинаміка малих швидкостей, вид. ДОСААФ 1961р.
4. Проектування виконано в програмі Компас V-11
Додаток 1.
Додаток 2.
Додаток 3.
