Уменьшит ли индуктивное сопротивление соединение лопастей воздушного винта сплошным кольцом?

То, о чем вы говорите, действительно существует, они называются пропеллерами Q-Tip.

Помните, что лопасть винта — это просто аэродинамическая поверхность, как крыло, и основная аэродинамика ничем не отличается от крыла. Но вращение лопасти создает больше явлений, чем крыло, в частности, геликоидальный вихрь, который можно увидеть за винтом, вызывает всевозможные эффекты винта .

Теоретически ничто не помешало бы нам иметь крылышки на законцовках винта: преимущества были бы

1. Повышение эффективности винта за счет уменьшения индуктивного сопротивления (так же, как винглет на крыле).
2. Снижение шума
3. Сохранение дозвуковой скорости конца винта за счет уменьшения его длины.

Большая проблема заключается в аэродинамических нагрузках, и, насколько мне известно, во время испытаний было несколько довольно впечатляющих отказов, поэтому решение теперь состоит в том, чтобы придать законцовкам большую стреловидность (см. 787 например). Попробуйте найти статьи о ватной палочке Hartzell .

Поскольку морские гребные винты шире и способны выдерживать более высокие крутящие нагрузки, у современных винтовок есть законцовки. В сети можно было найти несколько фотографий.

Как указывали другие, установка кольца на опору значительно увеличит нагрузку на лопасти. Тот же эффект можно получить с хорошо подобранным кожухом.

Действительно, был самолет, в котором использовалась эта концепция , RFB FanTrainer (см. рисунок ниже). Для уменьшения веса и смачиваемой площади диаметр винта был намного меньше, чем у обычного винта, поэтому общая эффективность была не выше. Однако меньшая инерция вращения действительно производила эффект, более похожий на турбину (меньше прецессии), поэтому эта концепция использовалась для базового тренажера для будущих пилотов реактивных самолетов.

В конце концов, FanTrainer пользовался лишь ограниченным успехом и был снят с производства после того, как было построено 50 экземпляров. Конструкция была слишком легкой, чтобы удовлетворить все потребности военно-воздушных сил в отношении базового учебно-тренировочного самолета, а частный рынок в то время сокращался и был заполнен более старыми самолетами, которые одинаково хорошо обслуживали клиентов, заботящихся о цене. Однако он предлагал почти реактивные характеристики по уникально низкой цене за час полета.

В общем, если вы хотите накрыть пропеллер кожухом для повышения эффективности, вам нужно согласиться с большей площадью поверхности кожуха, что быстро добавит большего сопротивления, чем вы когда-либо могли бы сэкономить, предотвращая обтекание концов винта.

Что можно было бы спасти, замаскировав опору? Индуктивное сопротивление будет таким же, так как оно возникает из-за создания подъемной силы . Классическая теория гребных винтов с минимальными индуцированными потерями А. Беца и Л. Прандтля требует эллиптического распределения подъемной силы по диску гребного винта, чтобы подъемная сила плавно сужалась на концах. Искусственное его увеличение помогло бы только в том случае, если бы это могло уменьшить хорду лопасти на концах - поскольку на кончики приходится самое высокое динамическое давление, это действительно может привести к меньшему сопротивлению трения. Однако этот выигрыш невелик по сравнению с огромным увеличением сопротивления трения кожуха.

При высоких скоростях индуцированные потери малы, и другие факторы становятся доминирующими. Обратите внимание, что ТРДД и высоконагруженные воздушные винты рассчитаны не на минимальные индуктивные потери, а на максимальную тягу при заданном диаметре. Винт с кожухом может иметь более высокую нагрузку на диск, поэтому вы получаете ту же тягу с меньшими лопастями и более низкой скоростью вращения, что поможет повысить эффективность на высоких скоростях. Меньшие лопасти означают меньшие потери на трение винта, а более низкие скорости лопасти приводят к более высокой крейсерской скорости, прежде чем потери в Маха начнут кусаться.

Таким образом, на высокой скорости может быть полезен кожух, если он не слишком велик. Турбовентиляторные двигатели страдают от этой дилеммы. У них могла бы быть гораздо более высокая степень двухконтурности, чем сегодня, но это означало бы огромные гондолы, а увеличенное сопротивление гондолы компенсировало бы выгоды от увеличения степени двухконтурности. Активное ламинирование потока в гондоле - это путь вперед, но пока практическая реализация еще не состоялась.

Канальный вентилятор близок к тому, что вы описываете, хотя кольцо вокруг пропеллера неподвижно, а не прикреплено к пропеллеру и вращается вместе с ним.

Основным преимуществом канального вентилятора является более высокая эффективность из-за уменьшения потерь на концах лопастей гребного винта (по существу, индуцированного сопротивления), но это преимущество эффективности теряется при более высоких скоростях и / или более низкой потребности в тяге.

В «обычных» самолетах недостатки канального вентилятора перевешивают выигрыш в эффективности. Канальные вентиляторы в основном используются в дирижаблях и самолетах вертикального взлета и посадки, таких как печально известный Bell X-22 . Они также используются в большинстве реактивных моделей самолетов.

Q-Tips и канальные вентиляторы — это большие устройства для решения проблем, о которых вы думаете.

Вашу идею с кольцом было бы очень трудно реализовать по ряду причин, в первую очередь из-за веса. Металлическое кольцо по всему периметру пропеллера добавит самолету значительный вес, что, вероятно, сведет на нет любой выигрыш в эффективности, который вы получаете от стабилизации воздушного потока. Кроме того, концы винта уже испытывают несколько тысяч g при нормальных рабочих оборотах. Это приемлемо, потому что пропеллер становится все легче по мере приближения к кончикам. Но если бы вы прикрепили кольцо из металла весом в несколько десятков фунтов, силы были бы астрономическими, и ваша опора очень быстро вышла бы из строя.

Вторая проблема заключается в том, что для того, чтобы иметь эффективные пропеллеры, мы слегка поворачиваем лопасти, чтобы изменить угол, под которым они вгрызаются в воздух. Они называются пропеллерами постоянной скорости, и они уже несколько сложны. Если вы добавите вторую точку поворота к концам винтов, чтобы они могли двигаться внутри кольца, вы просто добавите кучу подшипников, смазки, веса и еще одну точку отказа.

Наконец, балансировка кольца, вероятно, будет сложной задачей. Во-первых, ваше кольцо должно быть изготовлено с очень точными допусками, что было бы довольно дорого. Малейшая зазубрина или вмятина на кольце (что часто случается с гребными винтами) приведет к тому, что оно станет неуравновешенным и, как минимум, потребует работы, а самое большее может привести к тому, что весь гребной винт расколется. Это уже незначительная проблема для реквизита, но когда вы кладете свой тяжелый диск на длинную руку из точки опоры, а затем подвергаете его невероятно высоким перегрузкам, вы просто усиливаете любые его недостатки.

Для исторической перспективы проведите небольшое исследование крыла Culver Channel Wing, произведенного в 1952-53 годах. Этот двухдвигательный (толкающий) самолет имеет два воздуховода, которые не полностью окружают винт, а являются частью крыла. Это привело к чрезвычайно коротким взлетным возможностям, потому что воздушный поток над крылом не был привязан к скорости движения вперед. Я бы даже сказал, что это был первый шаг к возможностям вертикального взлета и посадки с вертикальным взлетом и посадкой.

Эта статья Дуга Робертсона , опубликованная в 2005 году на сайте airport-data.com , содержит несколько красивых фотографий и хорошо изученную историю самолета.