ПРОПЕЛЛЕР (ВАРИАНТЫ)
PROPELLER (VERSIONS)

Изобретения относятся к авиации и предназначены для самолетов и конвертопланов со скоростью полета до 1000 км/ч.
Известны воздушные винты, состоящие из ступицы и лопастей, имеющих крыльевой профиль и крутку, необходимую для получения постоянного или переменного шага винта, и в частности - для распределения шага винта по длине лопасти (см. пат. 2085442).
Такие винты хорошо работают на аэросанях, аэроботах, на аппаратах на воздушной подушке - то есть там, где относительные скорости передвижения аппаратов невелики. Но на самолетах, где относительный шаг винтов Н/D (где Н - шаг винта, D - диаметр винта) становится достаточно большим, прикомлевая часть лопасти работает неэффективно, т.к. установочный угол лопасти становится достаточно большим (45° и более), и создаваемая этой частью лопасти аэродинамическая сила не столько тянет самолет вперед, сколько противодействует вращающему моменту двигателя. Или иными словами, мощность двигателя тратится в прикомлевой области на бесполезную закрутку потока. Указанное явление усугубляется еще и тем, что по соображениям прочности прикомлевые части лопасти имеют значительную толщину и площадь сечения.
Сущность изобретения, во-первых, в том, что прикомлевые части лопастей (примерно круче угла 45°) имеют скольжение, равное нулю (угол установки профиля относительно набегающего потока), и не создают противодействия вращающему моменту двигателя.
На винтах конвертопланов, больших и сравнительно тихоходных, скольжение в корневой части (установочный угол лопасти более 70°) имеет смысл сделать отрицательным. В этом случае эта часть лопасти от набегающего потока воздуха будет работать как турбина, увеличивая крутящий момент двигателя и не создавая в то же время заметного сопротивления поступательному движению.
Реализуя этот выигрыш в крутящем моменте на конце лопасти (это естественно - там скорость больше, и именно конец лопасти создает основную тягу), где установочный угол наименьший и, следовательно, наименьшая касательная составляющая аэродинамической силы, мы получим выигрыш в тяге больший, чем создавала прикомлевая часть лопасти.
Очевидно, что диаметр такого винта будет несколько больше, чем у традиционного (при прочих равных условиях), что положительно скажется на его КПД.
Вследствие меньшего установочного угла на прикомлевой части и вследствие несколько большего диаметра такой винт будет иметь тягу на малых скоростях (взлетный режим) несколько большую, чем у винта традиционной конструкции. Это объясняется тем, что у него большая, чем у традиционной, часть лопасти будет иметь угол атаки, меньший угла срыва потока.
Вторая сущность изобретения в том, что для уменьшения вредной площади сечения прикомлевой части лопасти и для облегчения лопасти предлагается разгрузить прикомлевую часть лопасти от изгибающего момента аэродинамической силы с помощью центробежной силы самой лопасти.
Для того, чтобы компенсировать ломающий момент от передачи тяги винта, прикомлевая часть лопасти наклонена в продольном отношении вперед (по ходу полета). Как вариант - с последующим изгибом опять в поперечную плоскость и даже с отгибом назад. Последнее увеличит аэродинамическое качество лопасти.
Изгибающий момент от отогнутого назад конца лопасти будет намного меньше, чем от всей лопасти, и передается на участок с максимальной шириной лопасти и поэтому не опасен. Изгибающий момент в корне лопасти при этом по-прежнему выбирается равным нулю.
Для компенсации усилия на комле лопасти от касательной составляющей аэродинамической силы, или иначе говоря - от передачи крутящего момент двигателя, ось лопасти (если она прямая) не проходит через ось вращения винта, а сдвинута вперед по вращению (это сущность другого изобретения автора "Воздушный винт", и упоминание об этом сдвиге приведено в данном контексте лишь для того, чтобы подчеркнуть, что изменение положения оси лопасти должно быть комплексным - в продельной и поперечной плоскостях).
Если же лопасти саблевидные, то на них саблевидный конец лопасти создает в комле лопасти касательную составляющую центробежной силы, которая направлена в противоположную сторону касательной составляющей аэродинамической силы лопасти и может превысить последнюю. Поэтому у саблевидных лопастей касательная к оси лопасти в ее комле должна проходить позади оси пропеллера.
Комплексное применение продольного отгиба и поперечного сдвига лопасти позволит уменьшить сечение прикомлевой и комлевой частей лопасти примерно вдвое, т.к. они в основном режиме полета будут работать только на растяжение, а современные композитные материалы хорошо воспринимают такую нагрузку.
Для уменьшения перетока воздуха вдоль лопасти из зоны повышенного давления в зону пониженного давления на лопасти в месте перехода нулевого скольжения в положительное может иметься кольцеобразно изогнутая аэродинамическая шайба. Переход от нулевого скольжения к положительному должен происходить плавно (на 15-25% длины лопасти).
На фиг.1, 2 изображено обтекание лопасти при установочном угле 45 и 23,9° соответственно, где А - аэродинамическая сила, Т - тяга, - касательное сопротивление лопасти.
На фиг.3, 4 изображен пропеллер, где 1 - кок винта, 2 - прикомлевая часть лопасти, 3 - концевая часть лопасти, 4 - кольцеобразно изогнутая аэродинамическая шайба.
На фиг.5 изображен шаговый треугольник пропеллера, где Н - шаг, Р - радиус пропеллера.
На фиг.6 изображен примерный график распределения скольжения "Скл." по длине лопасти Р.
Рассмотрим конкретный пример работы лопасти пропеллера диаметром 4 метра и шагом 5 метров. Допустим, на сечении с установочным углом 45 создается аэродинамическая сила А, равная I (единице). Примем аэродинамическое качество сравнительно толстого в этом месте сечения равным 5. Тогда отклонение аэродинамической силы от перпендикуляра к установочному углу составит , или 33,7° к диску винта. И тогда тяга Т будет равна I=1·Sin33,7°=0,555, а сопротивление S будет равно S=1·Cos33,7°=0,832.
Примем аэродинамическое качество более тонкого сечения на 90% длины лопасти равным 10. Установочный угол в этом сечении = 23,9° (см. фиг.5). Тогда отклонение аэродинамической силы от перпендикуляра к установочному углу составит , или угол аэродинамической силы с диском винта 90°-23,9°-5,7°=60,4°.
Перенесем с уменьшением обратно пропорционально радиусу сэкономленную на сечении с установочным углом 45 силу сопротивления на сечение 90% р. Она составит , что даст прирост тяги 0,37·tg60,4°=0,651, что больше потерянной тяги 0,555. Результат достаточно условный, т.к. не учтено остаточное сопротивление профиля при нулевом скольжении (т.к. пример условный, оно неизвестно). Однако на еще более крутых установочных углах выигрыш становится более очевидным.