Как шаг лопастей связан с воздушной скоростью и эффективностью на винте с постоянной скоростью?

Я пытаюсь понять, что PHAK ( Справочник пилотов по авиационным знаниям от FAA ) утверждает для винтов с постоянной скоростью.

Во-первых, почему при увеличении воздушной скорости при фиксированных оборотах шаг лопастей будет увеличиваться и, наоборот, уменьшаться, если воздушная скорость падает? Это потому, что он хочет поддерживать этот низкий угол атаки (2-4 градуса по PHAK) с относительным потоком воздуха? Если бы его угол атаки увеличился, например, угол наклона лопасти не изменился при снижении воздушной скорости, увеличилось бы сопротивление, что привело бы к падению числа оборотов в минуту? А если воздушная скорость слишком высока, а угол атаки слишком низок, то сопротивления недостаточно, чтобы замедлить лопасти?

На взлете вам нужна максимальная тяга/мощность. Установив лопасти на низкий шаг, вы получите максимальное число оборотов в минуту, потому что лопасти меньше закусывают воздух. Это также удерживает угол атаки лопасти на низком уровне, что, в свою очередь, снижает сопротивление и позволяет увеличивать число оборотов в минуту? Кроме того, является ли максимальная тяга в этом случае результатом того, что лопасти создают большую подъемную силу из-за их высоких скоростей от более высоких оборотов в минуту (по сравнению с тягой от перемещения больших кусков воздуха)?

Почему низкие обороты предпочтительнее в подъемах/круизе? Если увеличить шаг лопастей на этих режимах полета, получится меньший УА по отношению к ветру, что, как я понимаю, пока снижает лобовое сопротивление? Но тогда разве лезвие, поглощающее большие порции воздуха, не требует большей мощности для поддержания таких оборотов? Является ли более эффективным дать мощность лопастям для перемещения больших объемов воздуха, чем работать с меньшими углами лопастей и более высокими оборотами?

И, наконец, что касается угла атаки лопасти и относительного ветра, будет ли лопасть создавать большую подъемную силу, если бы у нее был более высокий угол атаки, но за счет дополнительного сопротивления лопасти, которое, в свою очередь, требует большей мощности двигателя? Является ли это сопротивление вызванным сопротивлением, потому что это аэродинамический профиль?

Добро пожаловать на сайт Aviation.SE! У нас есть несколько вопросов, которые могут помочь, особенно этот и этот . И тур может быть полезен, если вы впервые на сайте.
Спасибо! Первый немного помог разобраться. Но знаете ли вы, почему с точки зрения физики мы можем передать воздуху меньше энергии и при этом получить такое же ускорение вперед? Теоретически кажется, что для того, чтобы X-сила работала против сопротивления, вам нужно X-количество энергии. Как вы можете обосновать с энергетической/математической точки зрения то, что лезвие с большим углом наклона потребляет меньше энергии?
Сможете ли вы поддерживать скорость на шоссе, переключая передачи на более высокие передачи и уменьшая газ? Тот же эффект дает большее вращение винта на крейсерской высоте при снижении оборотов. Если вы хотите ускориться, чтобы обогнать кого-то, вы нажимаете на газ и иногда переключаетесь на пониженную передачу. То же самое с более быстрым круизом или набором высоты - уменьшите вращение винта и увеличьте обороты.
Хорошо, так что вы говорите, что вы не можете достичь большой тяги с большими углами лопасти, но горизонтальный полет не проблема? Когда вам нужен дополнительный толчок в тяге, вам нужно больше оборотов, что приводит к более высокому потреблению энергии?
Да. Вы можете оттянуть палку (коромысло), чтобы начать подъем; регулятор винта будет работать, чтобы поддерживать одинаковые обороты двигателя, в то время как более высокий поворот не позволит вам увязнуть. Чтобы продолжить набор высоты, вы добавляете больше тяги и уменьшаете шаг винта, чтобы увеличить мощность, эффективно переключаясь на пониженную передачу и нажимая на газ, чтобы придерживаться аналогии с автомобилем.
@Flak, на мой взгляд, было бы более информативно и понятно для читателей, если бы вы разделили 10 разных вопросов в своем посте и задали их отдельно. В остальном очень интересная тема.

Ответы (4)

Воздушный винт имеет оптимальный угол атаки, при котором отношение тяги к сопротивлению самое высокое. Регулируемый винт может поддерживать этот оптимальный угол атаки в широком диапазоне скоростей, тем самым снижая расход топлива. Это все, что он делает.

У винтов с неподвижным крылом есть дилемма: при взлете им требуется максимальная тяга, а в высокоскоростном полете двигатель необходимо будет сбросить, чтобы предотвратить превышение скорости. Максимальная мощность двигателя не может быть использована на каждой воздушной скорости.

почему при увеличении воздушной скорости при фиксированных оборотах шаг лопастей будет увеличиваться?

Для поддержания оптимального угла атаки лезвия. Увеличение воздушной скорости вызывает уменьшение угла атаки лопасти при постоянном шаге.

На взлете вам нужна максимальная тяга/мощность.

Вам нужна максимальная тяга. Это достигается за счет максимально возможного вращения гребного винта (не превышающего законцовку Маха) с максимальным шагом лопасти, при котором лопасть не останавливается. Уменьшение шага лопастей для увеличения числа оборотов не приводит к увеличению тяги: мощность = тяга * число оборотов в минуту.

Если увеличить шаг лопасти на этих режимах полета, то получится меньший УА по отношению к ветру.

Нет большего AoA. Больше тяги и больше крутящего момента на оси винта.

Является ли более эффективным дать мощность лопастям для перемещения больших объемов воздуха?

Двигатель работает наиболее экономично при RPW, где создается максимальный крутящий момент, система управления частотой вращения винта с постоянной скоростью должна поддерживать это число оборотов в минуту.

будет ли лопасть создавать большую подъемную силу, если у нее будет более высокий угол атаки, но за счет дополнительного сопротивления лопасти, которое, в свою очередь, требует большей мощности двигателя? Является ли это сопротивление вызванным сопротивлением, потому что это аэродинамический профиль?

Да и да :)

Итак, когда вы увеличиваете воздушную скорость, вы хотите увеличить шаг, чтобы сохранить оптимальный угол атаки? Почему уменьшение шага для увеличения угла атаки не увеличивает тягу? В наборе высоты/крейсерском полете вам нужна меньшая тяга, поэтому вы не работаете на высоких оборотах? Что вы подразумеваете под оборотами, при которых генерируется максимальный крутящий момент? Крутящий момент не пропорционален мощности двигателя?
@Flak, это больше свойства двигателя, чем свойства винта. Обороты ограничивают мощность, поэтому вам нужны более высокие обороты для большей мощности, но это вызывает больший износ двигателя, поэтому вам нужны более низкие обороты, когда вам не нужна такая большая мощность. Поршневые двигатели начинают терять крутящий момент после некоторого числа оборотов в минуту, поскольку заряду требуется более длинная часть хода, чтобы прогореть, оставляя меньшую часть для расширения, которое выполняет фактическую работу, поэтому есть обороты, при которых крутящий момент самый высокий, и там двигатель наиболее эффективен. Турбины будут иметь аналогичный эффект, поскольку лопасти турбины имеют фиксированный шаг, но обычно более ограничены износом.
@Flak, для эффективности гребного винта, если вы поддерживаете высокие обороты при низкой мощности, лопасти летят со слишком малым шагом и создают относительно слишком большое паразитное сопротивление для подъемной силы, поэтому вы хотите уменьшить обороты при уменьшении мощности. Но если вы попытаетесь придать слишком большую мощность на низких оборотах, шаг лопастей поднимется слишком высоко, и лопасти будут работать со слишком большим шагом, создавая слишком большое индуктивное сопротивление или даже остановку. Таким образом, для винта оптимальное число оборотов также пропорционально мощности.
Итак, в круизе вы устанавливаете обороты в зависимости от того, какой вы хотите, чтобы ваша мощность была как для поддержания скорости, так и для эффективности, уравновешивая индуцированное паразитным сопротивлением. Это делается правильным AoA на лезвиях, которые имеют предпочтительный наиболее эффективный AoA, верно? И разве крутящий момент и мощность не синонимы? Просто потому, что у вас больше мощности, это не обязательно означает больший крутящий момент? И лопасти, вращающиеся медленно из-за высокого угла атаки и низких оборотов на взлете, не могут создать достаточную тягу, потому что, несмотря на их высокий угол атаки, у них не так много скорости, верно?
Также. Для винтов фиксированного шага. Ваша максимальная скорость ограничена, потому что угол атаки лопасти станет неэффективным при слишком высокой скорости движения вперед, когда относительный ветер изменит направление? Значит, он может обеспечить достаточно высокую тягу, чтобы преодолеть сопротивление?
@Flak Power состоит как из крутящего момента, так и из числа оборотов в минуту. Например, в спецификациях автомобильных двигателей указывается максимальная мощность (@max RPM) и максимальный крутящий момент при более низких оборотах. В областях с более высокими оборотами крутящий момент уменьшается, но крутящий момент * число оборотов увеличивается из-за увеличения числа оборотов.
Да, винты с фиксированным шагом перестают обеспечивать тягу, когда локальный угол атаки достигает нуля. Винт с постоянной скоростью постоянно регулирует шаг.
@Koyovis Поэтому глупо иметь высокую лопасть AoA на взлете? Потому что вы используете такой большой крутящий момент из-за более высокого угла атаки и малой скорости вращения? А так как у вас относительно медленный ветер, высокий угол атаки не дает такой большой подъемной силы?
Только иметь слишком большой шаг лопастей было бы глупо. Высокий угол атаки приводит к высокой тяге и высокому требуемому крутящему моменту, и двигатель может раскручивать его до предела максимальной мощности. Попробуйте превзойти это, потребовав большего угла атаки лопасти, а требуемый крутящий момент слишком велик для двигателя, и число оборотов уменьшается => уменьшается тяга.
@Flak, имейте в виду, что винт с постоянной скоростью означает, что вы выбираете желаемое число оборотов в минуту, а регулятор выбирает угол атаки, при котором двигатель может раскрутить его до этого числа оборотов в минуту. На взлете вам нужна мощность, поэтому вам нужно установить высокие обороты, но угол атаки все равно получается умеренным, потому что двигатель выдает большую мощность. А затем угол тангажа увеличивается по мере ускорения, чтобы компенсировать относительный ветер, но угол атаки остается примерно таким же.

Важно помнить, что система управления воздушным винтом не знает, каков угол наклона лопастей (за исключением систем в режиме БЕТА, что является совершенно другой темой). Это регулятор грузоподъемности, который просто перемещает лопасти грубее, тоньше или удерживает их в статике исключительно в зависимости от частоты вращения двигателя, а установка скорости с помощью рычага винта просто увеличивает или уменьшает предварительную нагрузку на пружину, которая имеет тенденцию удерживать грузики.

Губернатор просто знает: скорость слишком высокая, грузики смещаются, направляет давление, чтобы лопасти двигались более грубо; скорость слишком низкая, маховики приближаются, направляет давление, чтобы лопасти двигались более плавно. Насколько грубо или насколько хорошо, губернатор не знает и не заботится.

Конкретный угол наклона лопасти и угол атаки зависят от крутящего момента, развиваемого двигателем, и настройки скорости. В любой момент времени будет некоторый оптимальный угол атаки, но, поскольку мы не можем контролировать это конкретно, нас интересует только число оборотов в минуту, и пусть угол лопасти позаботится о себе сам.

Поскольку общее количество л.с. зависит от давления во впускном коллекторе и числа оборотов в минуту, я могу использовать диапазон различных скоростей двигателя и открытия дроссельной заслонки, чтобы получить одинаковое количество л.с. Будет настройка скорости/MP, которая примерно соответствует углам лопасти, которые оптимальны, скажем, для 85% мощности, и это будет рекомендуемая настройка мощности для подъема мощности 85% (обычно что-то вроде 25 дюймов и 2500 об / мин, скажем). , Но я могу использовать более низкие обороты в минуту и ​​более высокий MP, чтобы получить ту же мощность, если я хочу, например, 2400 об / мин и 26 дюймов, все еще производя 85% мощности (здесь я просто вытаскиваю цифры из моей головы для иллюстративных целей).

Есть старая пила, которая говорит, что такие «квадратные» настройки (низкие обороты/высокий MP) плохи, но на самом деле это неправда, если не доводить до крайности. Есть преимущество в использовании более низких оборотов, таких как 2100 об/мин и 25 дюймов MP по сравнению с 2300 и 23 дюймами, чтобы получить ту же мощность, потому что двигатель больше всего выигрывает от замедления всех возвратно-поступательных частей. Меньшее трение и, следовательно, меньший нагрев и, что очень важно, скорость поршневых колец и пройденное расстояние меньше для данной настройки мощности (поршневые кольца изнашиваются в зависимости от пройденного расстояния; время). Внутреннее давление в цилиндре выше при движении по квадрату, но если температура не высока или нет детонации (возможна только в экстремальных условиях, например WOT при минимальных оборотах), это'

С точки зрения эксплуатации, основная проблема заключается в мощности и скорости вращения, а не в оптимизации угла наклона лопасти.

Взгляните на страницу 148 из «Аэродинамики для морских авиаторов» , отличной книги, находящейся в свободном доступе. https://www.faa.gov/regulations_policies/handbooks_manuals/aviation/media/00-80T-80.pdf

Эта картинка из книги показывает, как эффективность винта связана с шагом лопасти и коэффициентом опережения (который пропорционален скорости). Вверху показано, как он меняется для серии фиксированных шагов.

Нижняя часть показывает, как изменяется эффективность винта для винта с постоянной скоростью, который смещается. β чтобы поглотить мощность, исходящую от винта, в результате чего положение лопасти идеально подходит для этой конкретной скорости.

введите описание изображения здесь

Идеальная кривая эффективности для винта с постоянной скоростью может быть смещена за счет конструкции винта, при этом пиковая эффективность на графике потенциально предназначена для условий взлета, крейсерского полета и т. д.

Также обратите внимание на нижний график, как тяга изменяется в зависимости от степени опережения (он показывает скорость по горизонтальной оси, но на самом деле это степень опережения). Для взлета или посадки, когда вам нужна максимальная доступная тяга и вы готовы пожертвовать эффективностью в течение определенного периода времени, вы хотели бы использовать пропеллер с низким коэффициентом опережения. Естественно, что по мере замедления скорость опережения уменьшается, но вы можете еще уменьшить ее, увеличив число оборотов, если у вас есть двигатель, в котором число оборотов двигателя и винта не связаны напрямую (например, турбовинтовой двигатель с турбинами N1 и N2). Если вы летали на Dash-8, вы заметите, как они используют более высокие обороты для взлета и посадки и более низкие обороты при взлете и взлете. Больше тяги при посадке, больше эффективности в крейсерском режиме.

Еще одна хорошая ссылка — это буклет Макколи, в котором

Профессор фон Клиптип отвечает на ваши вопросы о

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРОПЕЛЛЕРОМ ПОСТОЯННОЙ СКОРОСТИ МАККОЛИ

ДЛЯ ДАВЛЕНИЯ БЕЗ ПРОТИВОВЕСА ДЛЯ УВЕЛИЧЕНИЯ ШАГА ВИН НА ТИПИЧНЫХ ОДНОМОТОРНЫХ САМОЛЕТАХ

Читая его, можно увидеть, как пружина/грузики/давление масла управляют поршнем, определяющим степень закручивания лопасти.

Условия работы, пониженной скорости и условия превышения скорости, описанные на страницах 10, 11, посвящены тому, как поддерживается постоянная скорость (об/мин) в условиях набора высоты и снижения.

Извините, я не вижу возможности прикрепить его, вам придется иметь дело со ссылкой. Страница 6 слева и 7 справа позволяют увидеть всю представленную диаграмму.

https://www.airtreknorth.com/uploads/4/7/2/4/4724302/von_klip_tip_cs_propeller.pdf

(лучше всего печатается в формате 8,5 x 11 при масштабировании по размеру страницы).

Как шаг лопастей связан с воздушной скоростью и эффективностью на винте с постоянной скоростью?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v