Главная > Разное > Аэродинамика. Избранные темы в их историческом развитии
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

Теория воздушных винтов

Последние крупные достижения в области силовых установок обычно известны как переход от воздушных винтов к реактивным двигателям.

Несколько лет назад я был в Париже во время мирных переговоров между союзниками и некоторыми восточно-европейскими странами. Одна журналистка из Венгрии подошла ко мне и захотела взять интервью. Она спросила, в чем, по моему мнению, заключается величайшее достижение авиации за последнее десятилетие. Я ответил ей: «Движение с помощью силы реакции».

Она сказала мне: «Профессор, вы можете выразить это как-то иначе? Я не могу написать в прогрессивной газете, что прогресс достигнут с помощью реакции!»

Я попытался подыскать для обозначения реактивного двигателя венгерское слово, и она отошла явно удовлетворенная.

На самом деле разграничение движения с помощью воздушного винта и движения с помощью силы реакции не совсем верное. С точки зрения общих принципов механики воздушный винт также является устройством для движения с помощью силы реакции. Однако раньше, когда были изобретены и изучались винты для подъема веса в

воздух, и позже, при приведении в движение двигателей в воде и воздухе, такого представления не существовало. Основное понятие тогда заключалось в том, лопасть гребного или воздушного винта является частью винтовой поверхности, которая проникает в жидкую среду, как обычный винт проникает в твердое тело. Рассмотрим винтовой домкрат. Винт продвигается на один винтовой шаг с каждым вращением, и если мы пренебрегаем трением, то работа, необходимая для поворота винта, равняется работе, необходимой для поднятия веса. Существовало представление, что воздушный или гребной винт аналогичен обычному винту, который проникает в жидкую среду — воду или воздух. Однако жидкость поддается, а твердое тело нет. Следовательно, продвижение воздушного винта в осевом направлении меньше, чем шаг винтовой поверхности. В то время элементарная теория воздушного винта утверждала, что если продвижение в осевом направлении равно винтовому шагу, то воздушный винт даст 100-процентную отдачу, поскольку в этом случае, без учета трения, работа, выполненная поступательным движением, тождественна работе, требуемой для поворота винта. Когда воздушный винт скользит, тяга, умноженная на поступательное движение воздушного винта, представляет полезную выполненную работу; поэтому его коэффициент полезного действия равен единице минус процент скольжения. Так утверждает элементарная интуитивная теория воздушного винта.

Человеком, который доказал, что функционирование воздушного винта основано на принципе реакции, был Ранкин. Он был очень талантливым инженером, о чем уже говорилось в главах III и IV. В относительно давние времена, когда не все инженеры понимали значение фундаментальных знаний, он был проводником исследований и обучения инженеров фундаментальным наукам. Когда кто-то говорил ему, что инженеру-практику не нужно много знать о научных теориях, он отвечал: «Пожалуй, тот, кого вы называете инженером-практиком — это человек, который увековечивает заблуждения и ошибки своих предшественников». Хотя это определение отчасти несправедливо в отношении многих хороших инженеров-практиков, но оно верно в том смысле, что инженерное образование должно не только передавать опыт от поколения к поколению, но также во все времена должно основываться на прошлых и новых достижениях фундаментальной науки.

Ранкин [2] осознавал, что важнейшим моментом в действии воздушного винта является ускорение воздушной массы, проходящей через

Рис. 66. Диаграмма, иллюстрирующая теорию количества движения винта.

круговую площадь, охватываемую лопастью винта; иногда мы называем эту круговую площадь диском воздушного винта. Предположим, что диск винта в воздушном потоке неподвижен. Воздух двигается по направлению к диску со скоростью U (рис. 66), и его скорость в конечном счете возрастает до величины, которую мы обозначим и. Другими словами, воздушный винт берет массу воздуха: сверху, если используется как вертолет; впереди, если используется для движения вперед, и, соответственно, ускоряет ее вниз или назад. Скорость изменения количества движения равна силе тяги. Если Q — масса воздуха, который проходит через воздушный винт в единицу времени, тогда произведение является скоростью изменения количества движения. С другой стороны, если мы рассматриваем воздушный винт, продвигающийся со скоростью U сквозь воздух в состоянии покоя, то работа, которая была израсходована, равна увеличению кинетической энергии воздуха: или Теперь, если мы определим коэффициент полезного действия как отношение полезной выполненной работы к общей израсходованной работе то получаем следующую формулу:

Конечно, эта величина всегда меньше 1. Мы называем ее полетный КПД. Для того, чтобы получить хороший полетный КПД, т. е. значение близкое к единице, приращение скорости и должно быть малым по сравнению со скоростью полета U. Например, если и равно U, т. е., если ускорение 100 процентов, то КПД составляет только 67 процентов. Этот расчет не включает все потери, такие, например, как потери,

возникающие из-за движения вращения, сообщаемого воздуху или трения о лопасти воздушного винта.

Принцип, согласно которому воздушный винт с повышенным КПД требует по возможности наименьшее значение для приращения скорости воздуха, проходящего через него, применяется к другим двигательным устройствам, основанным на принципе реакции. Мы часто вынуждены мириться с высокими скоростями струи по сравнению со скоростью полета, хотя мы знаем, что полетный КПД окажется невысок. Например, для ракет скорость истечения газа может быть равна 5000-6000 футам в секунду, в то время как скорость полета может быть только около 900 футов в секунду. Можно легко рассчитать насколько неэффективно использование самолета с ракетным двигателем в гражданской авиации. Простая теория Ранкина предоставляет здесь результат первостепенной важности.

Мы способны узнать величину максимальной тяги, которая может быть развита воздушным винтом заданной величины, скажем, винтом с площадью диска, равной S. Для того чтобы рассчитать это значение, мы должны предположить зависимость между течением воздушной массы Q и площадью S. Вообще считается, что средняя скорость воздуха, проходящего через площадь диска, есть среднее арифметическое значение между скоростью U далеко впереди и скоростью и далеко позади воздушного винта. Сделав подобное предположение, можно сначала доказать, что при условии одинаковой работы, расходуемой в единицу времени, максимальная тяга достигается, при т. е. если воздушный винт неподвижен, а воздух первоначально находится в состоянии покоя. В этом случае соотношение потребной мощности Р к располагаемой тяге Т задается формулой

где p — плотность воздуха. Например, эта формула применяется к зависшему вертолету, для которого естественно, что Т равна весу W. Мы помним, что подобную формулу получили первые исследователи для работы, необходимой при поддержании веса W крылом самолета (см. главу I). Численный множитель различный, и он явно не в пользу вертолета. Однако самолет не может зависать, поэтому для вертолета приемлема большая потребность в мощности.

Рис. 67. Скорость относительно элемента лопасти воздушного винта. U обозначает поступательную скорость, угловую скорость, радиус элемента.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление