Книга Роскама по предварительному проектированию дает значение 0,7 для самолетов «самодельной сборки» и 0,8 для авиации общего назначения. Чем объясняется эта разница в КПД гребного винта? Содержание книги Роскама фантастическое, но некоторые константы, которые он дает, могут быть немного устаревшими, как в случае с удельным расходом топлива, который был указан как 0,7 для самодельных самолетов, когда современный двигатель, такой как Rotax 912UL, имеет sfc 0,47.
По поиску в Википедии написано, что современные винты могут иметь КПД 0,9.
Эффективность пропеллера часто упоминается здесь, в Aviation SE, но не имеет хорошего объяснения. Вот так:
Пропеллер разгоняет воздух плотности который протекает через гребной диск диаметром . Это можно представить как трубку потока, проходящую через диск гребного винта. Эта трубка потока начинается с воздуха со скоростью окружающей среды и имеет большой диаметр d. . Поскольку всасывание перед гребным винтом ускоряет воздух в трубке потока, он начинает ускоряться, и трубка потока сжимается. В плоскости пропеллера мы наблюдаем скачок давления р: Здесь к потоку добавляется энергия, поэтому Бернулли не применяется мгновенно. За пропеллером воздух в трубке потока еще больше ускоряется, и труба сжимается до диаметра d когда давление внутри упало до давления окружающей среды (пунктирная линия на графике давления ниже):
Скорость воздуха впереди а скорость воздуха за винтом равна . Пропеллер производит изменение давления, которое всасывает воздух перед собой и выталкивает его наружу. Поскольку массовый расход должен быть одинаковым впереди и позади гребного винта, диаметр трубки потока больше перед гребным винтом и меньше после него. В действительности четкой границы между воздухом, проходящим через винт, и воздухом, окружающим его, нет, но для расчета тяги это упрощение работает хорошо, если воздушная скорость одинакова в поперечном сечении диска винта.
Эффективность создания тяги - это работа, совершаемая над массовым расходом через воздушный винт относительно импульсного изменения воздуха :
Чтобы избежать длительных вычислений, можно использовать диаграммы , на которых эффективность отображается по ряду параметров.
Короче говоря, можно с уверенностью предположить, что максимальный КПД гребного винта составляет 0,85 (85%) с большими медленно вращающимися гребными винтами (от 1000 до 1700 об/мин). Если распределение крутки вдоль лопасти не соответствует локальному распределению угла атаки (скажем, если винт оптимизирован для высокой скорости, но работает на малой воздушной скорости, например, при взлете), КПД может легко упасть до 0,7 (70% ). Все становится хуже, если шаг лопастей фиксирован. Ниже приведен типичный пример гребного винта с изменяемым шагом. Каждая из кривых соответствует разным настройкам шага, ось x показывает коэффициент опережения (соотношение между воздушной скоростью и окружной скоростью; здесь отклонено в 1/1 раз). ), а ось Y показывает эффективность.
График КПД винта изменяемого шага. Источник: McCormick BW Aerodynamics, Aeronautics & Flight Mechanics. Джон Вили и сыновья, Inc., 1979.
Из приведенных выше уравнений видно, что более эффективно немного ускорить большое количество воздуха, чем сильно ускорить небольшое количество воздуха. Это означает, что маленькие пропеллеры на двигателях без редуктора, вращающиеся на высоких оборотах, находятся в невыгодном положении; вот почему Роскам предполагает только 70% для них и только 80% для винтов АОН.
Насколько мне известно, 90%, которые вы назвали, были поцарапаны только некоторыми очень эффективными (медленными, большими, вращающимися в противоположных направлениях) винтами, работающими в идеальных условиях. Чтобы не рисковать, я бы выбрал для них немного меньшее число.
Это довольно низко... После серии экспериментов по планированию, проведенных с Luscombe 8E и опубликованных AIAA, был сделан вывод, что КПД винта составляет около 62%...
https://engineering.purdue.edu/~andrisan/Courses/AAE490A_S2010/Buffer/AIAA-46372-872.pdf
Другим важным фактором является конструкция гребного винта, его профиль и число оборотов в минуту. Это ограничивается материалом, из которого изготовлено лезвие.
Например, винты с постоянной скоростью обычно обеспечивают эффективность на 10% выше, чем винты с фиксированным шагом. Кроме того, деревянные винты примерно на 5% менее эффективны, чем аналогичные металлические винты, потому что металлический винт может быть изготовлен с более длинным и тонким аэродинамическим профилем.
Самый эффективный винт, который я когда-либо видел, был оценен в 92% для Mooney. В технических книгах по авиации обычно фиксированный шаг дерева оценивается примерно в 65–70% , а металла — в 70–75% , за которым следует постоянная скорость в 80–85% .
The Science of Flight, W N Hubin - 1992
Design for Flying, David Thurston - 1978
Эффективность изменяется по мере изменения скорости самолета, при прочих равных условиях (см. рисунок выше — по горизонтальной оси отложен коэффициент опережения = V/ND). D - диаметр стойки, фиксированный. N - это частота вращения двигателя, которая может варьироваться на 25% от крейсерского режима до полной мощности. V изменяется от 0 до Vne.
Таким образом, знание единственного точного числа для эффективности бесполезно для проектирования, особенно винтов с фиксированным шагом, которые достигают максимальной эффективности только при одном значении коэффициента опережения. Было бы безумием использовать значение 0,9 в проекте, а затем обнаружить, что ваш самолет не будет летать, если он не достигнет Vne перед взлетом. Самолету, особенно с малым лобовым сопротивлением, нужна максимальная мощность винта на этапе набора высоты, когда он медленный (низкий коэффициент опережения) и эффективность низкая. Используйте консервативные значения эффективности, иначе ваш самолет будет летать быстро, но не будет набирать высоту.
Питер Кемпф
Гюркан Четин