Сделай сам, 1995 № 04 - [3]

К моему удивлению и удовлетворению, предложение было принято, мы тут же (не отходя от кассы), разобрали винт, я, состругивая лишнюю древесину, постарался придать лопастям профиль, близкий к необходимому, сбалансировали, выставили угол атаки, и свершилось чудо. Сани поехали.

Для пояснения принципа работы воздушного винта, работающего в качестве двигателя (в отличие от самолетного, где винт является движителем), рассмотрим рис. 2.

Рис. 2

Плоскость АА' установлена под углом φ к плоскости вращения Y, называемом углом установки лопасти. Ось X — ось вращения воздушного винта. На плоскость винта АА' набегает (дует) воздушный поток (ветер) V под углом α. Воздушный поток отражается плоскостью в направлении V' под углом α' = α (угол отражения равен углу падения). В результате отражения воздушного потока возникает реактивная сила F. Составляющая этой силы F' направлена вдоль оси вращения X, вторая — F' направлена по плоскости вращения Y. Вот эта сила и является той, которая создает вращающий момент. Под действием силы F' плоскость АА' начинает двигаться вправо, встречая при этом сопротивление воздуха V", которое создает противодействующую силу Р. Эта сила пропорциональна линейной скорости плоскости АА' и площади проекции S плоскости АА' на плоскость ВВ', расположенной перпендикулярно плоскости вращения Y, и параллельно продольной оси винта (на чертеже это точка пересечения О осей X и Y). После набора определенного числа оборотов сила F' будет равна силе Р, и винт будет вращаться с постоянной скоростью при данной скорости ветра V. Наступит динамическое равновесие. При изменении скорости воздушного потока V изменится и величина силы F'. Это приведет к изменению скорости вращения воздушного винта. Сильнее ветер — быстрее вращение.

Мы рассмотрели поведение лопасти воздушного винта на холостом ходу, без нагрузки. Стоит только передать вращение винта генератору, как появится момент сопротивления моменту вращения. Число оборотов винта упадет до нового равновесия.

Из рис. 2 видно, что возникающая бесполезная сила F'' гораздо больше нужной нам силы F'. Кажется, стоит увеличить угол установки Y, как это показано на рис. 3, и полезная сила F', а значит, и крутящий момент увеличатся. Да, это так и есть. На рис. 3 это отчетливо видно.

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∙R² = 4S_л/π∙D²

д) Покрытие винта — ΔS_ε = К∙(4S_л/π∙D²).

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.