Для достижения прямолинейного движения модели самолета необходимо приложить силу тяги. Ее создает воздушный винт, приводимый во вращение авиамодельным двигателем. Поворачиваясь, лопасти винта отталкивают поток воздуха в противоположном направлении, противоположном движению самолета. Чем больше масса и скорость воздушного потока, отталкиваемого винтом, тем сильнее тяга винта.
У воздушных винтов есть разные геометрические характеристики. Основными из них являются диаметр и шаг винта.
Диаметр винта DB — это диаметр окружности, образуемой вращением концов лопастей.
Теоретическое расстояние, пройденное винтом Н, является расстоянием, которое элемент лопасти проходит в направлении полета за один оборот винта, который движется поступательно со специфической скоростью. При этом предполагается, что винт вращается в неподатливой (твердой) среде (см. рисунок). Однако, так как винт вращается в воздухе, частицы которого скользят по поверхности винта, то на самом деле он проходит меньшее расстояние за один оборот. Это фактически пройденное расстояние называется действительным шагом или поступью винта, а разница между теоретическим (расчетным) шагом и действительным — это скольжение. Действительный шаг винта можно рассчитать с помощью формулы H=v/n,
где v — скорость модели, м/с;
n — частота вращения, с-1.
Для сравнения разных винтов введено понятие относительного шага: h=H/DB у пилотажных моделей с кордой, относительный шаг воздушных винтов составляет (0,4-0,6) DB. Чтобы получить полную мощность двигателя модели, необходимо правильно подобрать размеры винта — диаметр, шаг, ширину лопасти.
Рассмотрим упрощенный способ расчета воздушного винта для кордовой тренировочной модели с двигателем МАРЗ-2,5: скорость полета 80 км/ч (22 м/с), частота вращения винта 10 000 об/мин (166 с-1).
За 1 оборот винт пройдет расстояние Н = v/n= (22/166) м = 0,13 м, т.е. шаг винта Н — 130 мм.
Более подробно познакомиться с методами расчета воздушного винта можно в удивительной книге Станислава Жидкова «Секреты высоких скоростей кордовых моделей самолетов» начиная со 113 страницы
Если вам нужно получить простые рекомендации и советы о том, как выбрать воздушный винт для вашей модели, посмотрите здесь.
Дополнительная информация о воздушном винте.
Рис. 1. Геометрические параметры воздушного винта
Основные геометрические параметры винта — его диаметр D и шаг — Н.
Если мы предположим, что винт вращается в плотной и неупругой среде и можно описать цилиндр произвольного радиуса — r вокруг оси винта, то сечение лопасти, находящееся на поверхности этого цилиндра, будет двигаться по винтовой линии (рис. 1) с углом наклона (углом установки) — ϕ. В развертке винтовая линия будет представлена диагональю — ОВ, а сторона АВ определяет перемещение сечения лопасти за один оборот, то есть шаг винта Н. Его можно выразить следующей формулой:
Когда известны угол установки каждого сечения лопасти и радиус — r, можно найти соответствующий шаг. Если все сечения лопасти винта имеют одинаковую величину Н, то такие винты называются винтами постоянного шага. В случае винтов переменного шага в различных сечениях лопасти значения Н различны. Изменение шага по длине лопасти зависит от конструкции и формы винта. Чаще всего шаг винта к концу лопасти уменьшают.
Относительный шаг представляет собой отношение шага винта к его диаметру.
Так как лопасть винта движется в упругой среде, то за один оборот винт проходит меньшее расстояние, называемое поступью винта — На (рис. 1).
Разность между шагом винта и его поступью называется скольжением — S = H—На (рис. 1). Скольжение обычно выражается в процентах. Для таймерных моделей с компрессионными силовыми установками оно составляет 20—40% от Н.
Из сказанного следует, что лопасть фактически движется по линии ОС, а это означает, что угол атаки лопасти равен α=ϕ-ß.
Из рис. 1 хорошо видно, что чем больше скольжение S, тем больше угол атаки.
В вычислениях часто используется термин относительная поступь винта, который определяется как отношение поступи На к диаметру D.
Можно легко показать, что
где ns – количество отрытых частиц в секунду,
Д – диаметр винта,
В – скорость перемещения модели.
Тяга, создаваемая винтом, рассчитывается по формуле: Р=αρD 4 ns 2 кг, где α — коэффициент тяги винта, который зависит от формы лопасти, h и λ; ρ — плотность воздуха.
Вот формула для расчета необходимой мощности, чтобы привести в движение винт:
где ß– это коэффициент мощности винта, зависящий от тех же параметров, что и α. Коэффициент полезного действия винта определяется как отношение полезной мощности, которая равна Р*V, к мощности, требуемой для его вращения.
Рассмотрим данное отношение и получим формулу для определения коэффициента полезного действия:
Основные особенности работы винта будем устанавливать экспериментально. При проверке винта при разных значениях λ можно вычислить коэффициенты α и ß. Эти коэффициенты затем отображаются на диаграмме, которая называется характеристикой винта. Исследования проводятся для винтов с одинаковой формой лопастей, диаметром и профилем сечений, но разным относительным шагом. Получаются характеристики серии винтов, которые имеют сходные формы, но разные шаги. Характеристика представлена в виде группы кривых ß в зависимости от λ при различных значениях h (рис. 2).
Фигура 2: График, отражающий особенности серии воздушных винтов.
При известной мощности двигателя и соответствующей ей числу оборотов, а также при заданной скорости полета модели, можно определить необходимый шаг и диаметр винта.
Допустим, N = 0,25 л. с. при ns = 167 об/сек ( 10000 об/мин), а V = 11 м/сек (примерно 40 км/ч). Говорим о таймерной модели с серийным компрессионным двигателем, скорость которой на траектории редко превышает 10—12 м/сек при диаметре винта 220—240 мм. Из формулы для определения мощности двигателя вычисляем значения необходимых ß и λ;
Если величина ρ равна 1,8, а величина D равна 0,24 м, то, используя данные в формулах, можно найти значения переменных λ и ß.
При помощи координатной плоскости исследуем точку А на рисунке 3, которая соответствует значениям ß и λ. Далее, определяем относительный шаг h и к. п. д.—η.
Рис. 3. Создание дизайна винтика.
В данном случае, значение некоего числа равно 0,6, а другого числа = 0,54. Тогда шаг винта, обозначаемый символом Н, будет равен h * D = 0,6* 0,24 = 0,144 м. Для изготовления винта необходимы следующие шаблоны: для начала необходимо создать лопасть, просматриваемую сверху, на которой отмечаются пять различных срезов (см. рис. 3). С помощью этого будем знать верхний шаблон. Параллельно оси лопасти рисуют прямую линию АВ, перпендикулярно которой отмеряют отрезок
После этого происходит передвижение сечений лопасти на линию АВ, и полученные точки соединяются с вершиной О. Таким образом, мы получаем углы установки сечений. Затем ширина лопасти в первом сечении (на рисунке 4—12 мм) переносится на горизонтальную линию. Путем восстановления перпендикуляра из точки С и его пересечения с наклонной линией мы получаем точку С’. Отрезок СС’ является высотой бокового шаблона в сечении № 1. Дальнейшее построение можно увидеть на рисунке. Затем полученные точки соединяются плавной линией, и мы получаем боковой шаблон лопасти.
Форма лопасти в поперечном сечении (профиль) оказывает значительное влияние на работу винта. Максимальная толщина профиля должна находиться на 30% от передней кромки, чтобы достичь наибольшей тяги.
Форма лопасти в плане оказывает влияние на характеристики винта. Момент, созданный взаимным расположением оси продольной жесткости лопасти и точки приложения полной аэродинамической силы, приводит к скручиванию лопасти и изменению ее шага. Это может привести к увеличению или уменьшению винта.
