На жаль, досвід виготовлення повітряних гвинтів на аматорських конструкціях за рідкісним винятком не заслуговує повторення. І мабуть, основна причина невдач в неузгодженості параметрів повітряного гвинта з характеристиками двигуна. Найчастіше самодіяльні конструктори створюють занадто «важкі» в аеродинамічному відношенні гвинти, в результаті чого двигун не розвиває повної потужності і тяга виявляється недостатньою.
Пропонований метод визначення геометричних параметрів повітряних гвинтів дозволяє максимально спростити завдання підбору їх розмірів, що забезпечують при порівняно високому ККД можливість найбільш повно використовувати потужність двигуна.
Мал. 1. Графік взаємозалежності між діаметорм гвинта, потужністю і тягою.
При проектуванні повітряних гвинтів слід мати на увазі, що тяга гвинта при правильно обраних кроці і перетинах лопаті залежить від його діаметра і потужності на його валу (див. Рис. 1). Максимально допустимий діаметр визначається за рисунком 2. Він обмежується, крім конструктивних міркувань (зі збільшенням діаметра збільшуються габарити машини), очним чином окружною швидкістю кінця лопаті: для гвинтів з дерев'яними лопастями - крива А, для металевих - крива Б.
Мал. 2. Графік взаємозалежності між діаметорм гвинта і частотою його обертання.
За малюнком 2 для обраного діаметра гвинта можна визначити максимально допустиму частоту його обертання. Наприклад, якщо двигун розвиває максимальну потужність при 4500 об / хв, то необхідно або вибрати діаметр повітряного гвинта 1 м, або, якщо тяга гвинта з Ø1 м недостатня, встановити гвинт більшого діаметру і понижуючий редуктор. При установці редуктора слід враховувати його коефіцієнт корисної дії: потужність, що підводиться до гвинта, зменшується на величину втрат у передачі. Значення ж ККД такі: шестерна одноступенева передача з прямозубими шестернями (циліндричними) дорівнює 0,99; з прямозубих конічними шестернями - 0,98. Слід зауважити, що ККД шестеренчатой передачі падає при зниженні точності її виготовлення і збірки, доходячи до 0,94 і навіть до 0,9.
ККД клиноремінною передачі - в межах 0,95-0,97; ланцюгової - 0,94-0,98. Якщо ККД передачі з урахуванням тертя в підшипниках дорівнює 0,9-0,8, то тяга складе (відповідно) 0,94-0,86 від тяги, визначеної за малюнком 1. Зі збільшенням швидкості руху машини тягове зусилля повітряного гвинта падає. Залежно від діаметра тяга по швидкості змінюється по-різному. На малюнку 3 показано зміну тяги по швидкості повітряних гвинтів з фіксованим кроком № 1 з Ø1 м і № 2 з Ø2м, при постійній потужності 17,5 л. с. На графіку видно переваги по тязі повітряного гвинта з Ø2 м, аж до швидкості 83 км / год, а при ККД передачі 0,8 - до швидкості 72 км / ч. На швидкості більше зазначеної перевага має гвинт з Ø1 м. При зустрічному вітрі 10 м / с (36 км / ч) перевага гвинта з Ø2м зберігається до швидкості руху, меншою на величину швидкості вітру, тобто до 36 км / ч.
Мал. 3. Тяга по швидкості для потужності 17,5 к.с.
(Гвинти діаметорм 1 і 2 метри)
Розглянутий приклад дає наочне уявлення про взаємозалежність діаметра гвинта, поступальної швидкості транспортного засобу (при постійній потужності) і розвивається їм тяги. Для повітряних гвинтів аеросаней і глісер, що мають невеликі швидкості руху, розрахунок рекомендується проводити для умов роботи гвинта на місці, тобто для V = 0.
Наступним етапом при проектуванні є визначення ширини лопатей, їх числа, профілю перетину лопаті і кута її установки (кроку). Зазначені параметри повинні бути ув'язані з обраним діаметром, частотою обертання гвинта і потужністю на його валу. На практиці рідко зустрічається необхідність застосовувати складні за аеродинамічною компонуванні гвинти - з великою повітряної навантаженням на перетину лопаті, тобто перетину з великою кривизною і щілинні перетину. Переважна більшість гвинтів, оптимальних для заданих вимог, будуть мати вузькі лопаті і «стандартні» крильові профілі.
Мал. 4. Визначення можливих геометричних розмірів гвинта
по оборотам і потужності двигуна.
За наведеним графіком (рис. 4) можна визначити геометричні параметри гвинта, узгоджуються з характеристиками двигуна. Залежно від діаметра гвинта і потужності на його валу визначається частота обертання, відповідна обраної відносної ширині лопаті В (у відсотках від радіуса гвинта). На цьому ж графіку знаходиться і крок гвинта, віднесений до його діаметру H / D (відносний крок), оптимальний для обраної ширини лопаті.
Можна задатися частотою обертання, потужністю, діаметром і визначити відносну ширину лопаті і відповідний їй крок. Першим способом визначаємо параметри гвинта № 2, другим - параметри гвинта № 1.
Визначити геометричні розміри гвинтів при наступних вихідних даних: потужність на валу гвинта 17,5 л. с. частота обертання валу двигуна 4500 об / хв, діаметр гвинта №1 - 1 м, гвинта № 2 - 2 м. За малюнком 4 визначаємо: для Ø1 м B = 12,5% (62,5 мм); h = 0,45 (Н = 0,45 м); для Ø2м В = 10% (100 мм); h = 0,40 (Н = 0,8 м). Для гвинта № 2 взята мінімальна допустима ширина - 10%.
Знаючи крок гвинта, визначаємо кути установки перетинів лопати. Для цієї мети знаходимо величину, в 2,5 рази меншу кроку гвинта:
Ø1 м. H / 2π = 450 / 6,28
Ø2 м. H / 2π = 800 / 6,28
Зі схеми, наведеної на малюнку 5, видно побудова кутів установки перетинів лопати.
Мал. 5. Приклад постороения кутів установки перерізів
лопаті гвинта постійного кроку.
Для гвинта № 2 по допустимої окружної швидкості визначена максимальна частота обертання, що дорівнює 2250 об / хв, яка відповідає мінімальному передавальному відношенню. Але при цій частоті ширина лопаті виходить близько 4%. З умов міцності ширину лопаті менше 10% застосовувати не можна. Тоді за графіком (рис. 4) визначаємо для Ø2 м В = 10% і 17,5 л. с. частоту обертання валу гвинта 1530 об / хв. Передавальне відношення понижувальної передачі при цьому має бути 4500: 1520 = 2,95.
Мал. 6. Геометричні розміри лопаті двухлопастного гвинта
(У відсотках від радіуса) при ширині лопаті 16,5%
На малюнку 6 наведено геометричні розміри лопаті двухлопастного гвинта в процентах від радіуса при ширині лопаті 16,5%. Для нашого прикладу ширина лопаті дорівнює 12,5% і 10%. Отже, всі розміри перетинів становитимуть:
= 0,755 для гвинта № 1
= 0,605 для гвинта № 2
від розмірів на кресленні.
У разі, якщо за графіком (рис. 4) визначена ширина лопаті понад 16,5%, то можна або пропорційно збільшити всі розміри двухлопастного гвинта до необхідної величини, або збільшити число лопатей так, щоб сумарна ширина їх, віднесена до діаметру, дорівнювала знайденої відносної ширині.
Мал. 7. Зовнішня і дросельна характеристики двигуна «ІЖ - Планета 3»
з гвинтом D = 1 м, В = 62,5 мм, S 0.75 = 10 гр. 50 хв.
На малюнку 7 приведена характеристика двигуна «ІЖ-Планета-3» і його дросельна характеристика з одним з розглянутих гвинтів. При установці на цей двигун двухлопастного гвинта без редуктора з Ø1,2 м, кроком 0,48 м і шириною лопаті В = 100 мм (пунктирна крива) двигун міг би розвинути тільки 2900 об / хв і потужність 12 л. с. Тяга гвинта при цьому склала б 40 кг замість 54 кг гвинта № 1, правильно підібраного до двигуна. Ретельне визначення ширини лопаті і кутів установки перерізів дозволить використовувати повну потужність двигуна і отримати тягу, близьку до максимально можливої.