Почему существует так много разных форм пропеллеров?

Лучший дизайн зависит от вашей цели. Это меняется в зависимости от условий эксплуатации:

Лучшее соотношение мощность/тяга

Для малонагруженных гребных винтов это будут минимальные индуцированные потери. Это пропеллеры на самолетах с приводом от человека, ветряных мельницах или моторных планерах. Минимальные индуцированные потери достигаются за счет эллиптического распределения циркуляции по диску гребного винта, и типичным следствием этого является небольшая хорда вблизи концов и небольшое количество лопастей гребного винта. Если вы хотите изучить это подробнее, я рекомендую поиграть с XRotor от Марка Дрелы (и, возможно, прочитать это ). Марк использовал его для проектирования MLE (ниже фото НАСА EC87-0014-8) и винта Dedalus.

Максимальная тяга на высокой скорости

Высоконагруженные пропеллеры, которые можно найти на больших турбовинтовых самолетах, менее обеспокоены индуктивными потерями, но должны создавать как можно большую тягу при ограниченной площади винта. Диаметр ограничен для ограничения скорости наконечника, и наконечники обычно имеют умеренную сверхзвуковую скорость. Чтобы ограничить пики всасывания на лопастях, местный коэффициент подъемной силы должен быть низким, что достигается за счет увеличения хорды и количества лопастей. Все чаще в настоящее время также используется стреловидность наконечника, но это увеличивает крутильные нагрузки на лопасти и приводит к короблению в процессе эксплуатации. Крайний пример — опора Р-27 на ТРД Д-27 транспортного Ан-70 (ниже, фото Марины Лысцевой).

Судовые гребные винты

Они работают в среде, которая в 800 раз плотнее воздуха, и главная задача – избежать кавитации . Это опять же означает ограничение пиков всасывания и приводит к очень высоким хордам лопаток. Чтобы ограничить осадку, корабельные гребные винты должны иметь чрезвычайно малый диаметр.

Подводные винты

Для подводных лодок добавить к проектным целям минимальное шумовое излучение. Минимальная осадка не имеет значения, поэтому лопасти винта менее короткие. Их стреловидность распределяет прорезь по следу рулей во времени, что значительно помогает снизить шум.

Причудливые формы винтов некоторых моделей самолетов больше связаны с маркетингом или ненаучными верованиями вуду некоторых любителей. Как правило, прямая форма работает лучше всего.

Несколько дополнительных моментов для самолетов с поршневыми двигателями:

Размер и количество лопастей винта в основном зависят от выходной мощности двигателя. Гигантский винт на крошечном двигателе не годится, потому что он потребляет слишком много энергии только для того, чтобы вращать его. И наоборот, небольшой винт на большом двигателе будет тратить большую часть мощности двигателя, так как винт превысит скорость до того, как двигатель достигнет максимальной производительности.

Соответствие размера винта двигателю — одна из задач для дизайнеров. Как упоминалось в предыдущем ответе, это зависит от того, для чего будет использоваться самолет.

Кроме того, большинство пропеллеров на самом деле не двигают самолет, «толкая» воздух позади. Если бы это было так, то не имело бы никакого смысла располагать их на передней кромке крыла или на носу - их нужно было бы размещать сзади на чистом воздухе. Пропеллер на самом деле представляет собой аэродинамическое крыло, создающее подъемную силу по тому же принципу, что и крыло. На «верхней» стороне винта создается отрицательное давление, поэтому винт «тянет» самолет вперед.