Воздушный винт, пропеллер

Возду́шный винт (пропе́ллер) (англ. propeller < лат. propellere — «гнать вперед»^[1]) — лопастной движитель, создающий при вращении тягу за счет отбрасывания воздуха назад с некоторой дополнительной скоростью^[2], приводимый во вращение двигателем и преобразующий крутящий момент двигателя в силу тяги.

Воздушные винты, выполняющие (помимо функций движителя) дополнительные, либо иные функции, имеют специальные названия: ротор, маршевый винт, несущий винт (винтокрылых летательных аппаратов), рулевой винт, фенестрон, импеллер, вентилятор, ветрогенератор, винтовентилятор.

Воздушный винт применяют в качестве движителя для летательных аппаратов (самолетов, автожиров, цикложиров (циклокоптеров) и вертолетов с поршневыми и турбовинтовыми двигателями), а также в том же качестве для экранопланов, аэросаней, аэроглиссеров и судов на воздушной подушке.
У автожиров и вертолетов воздушный винт применяют также в качестве несущего винта, а у вертолетов еще и в качестве рулевого винта.

Воздушный винт, работающий в качестве движителя, в сочетании с двигателем образуют винтомоторную установку (ВМУ), входящую в состав силовой установки.

Лопасти винта, вращаясь, захватывают воздух и отбрасывают его в направлении, противоположном движению. Перед винтом создается зона пониженного давления, за винтом — повышенного.

• В зависимости от способа использования воздушные винты делят на тянущие и толкающие (первые расположены впереди двигателя, вторые — позади)
• В зависимости от наличия возможности изменения шага лопастей воздушный винт подразделяют на винты фиксированного и изменяемого шага

Определяющими являются диаметр и шаг винта. Шаг винта соответствует воображаемому расстоянию, на которое передвинется винт, ввинчиваясь в несжимаемую среду за один оборот. Существуют винты с возможностью изменения шага как на земле, так и в полете. Последние получили распространение в конце 1930-х годов и применяют практически на всех самолетах (кроме некоторых сверхлегких) и вертолетах. В первом случае изменение шага используют, чтобы создать большую тягу в широком диапазоне скоростей при мало изменяющихся (или неизменных) оборотах двигателя, соответствующих его максимальной мощности, во втором — из-за невозможности быстрого изменения оборотов несущего винта.

Вращение лопастей воздушного винта приводит к разворачивающему эффекту, воздействующему на летательный аппарат, причины которого в следующем:

• Реактивный момент винта. Любой воздушный винт, вращаясь в одну сторону, стремится накренить самолет или развернуть вертолет в противоположную сторону. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Именно из-за этого возникает асимметрия при поперечном управлении самолетом. Например, самолет с винтом левого вращения совершает развороты, перевороты и бочки вправо гораздо легче и быстрее, чем влево. Этот же реактивный момент является одной из причин неуправляемого разворота самолета вбок в начале разбега
• Закручивание струи винта. Воздушный винт закручивает воздушный поток, что также вызывает несимметричную обдувку плоскостей и хвостового оперения справа и слева, различную подъемную силу крыла справа и слева и разницу в обдуве управляющих поверхностей. Несимметричность потока хорошо видна на авиационных хим.работах при наблюдении за движением распыляемого вещества
• Гироскопический момент винта. Любое быстро вращающееся тело имеет гироскопический момент (эффект волчка), заключающийся в стремлении к сохранению своего положения в пространстве. Если принудительно наклонить ось вращения гироскопа в какую-либо сторону, например, вверх или вниз, то она не просто будет противодействовать этому отклонению, а будет уходить в направлении, перпендикулярном произведенному воздействию, то есть в данном случае вправо или влево. Так, при изменении в установившемся полете угла тангажа самолет будет стремиться самостоятельно поменять курс, а при начале разворота возникает стремление самолета к самостоятельному изменению угла тангажа
• Момент, вызванный несимметричным обтеканием винта. В полете ось винта отклонена от направления набегающего потока на угол атаки. Это приводит к тому, что опускающаяся лопасть обтекается под большим углом атаки, чем поднимающаяся. Правая часть воздушного винта будет создавать большую тягу, чем левая. Таким образом, будет создаваться момент рыскания влево. Наибольшую величину этот момент будет иметь на максимальном режиме работы двигателя и максимальном угле атаки

Все 4 причины разворота — реактивный момент, действие струи, гироскопический момент и несимметричное обтекание винта, всегда действуют в одну сторону, при винте левого вращения разворачивают самолет вправо, а при винте правого вращения — влево. Этот эффект проявляется особенно сильно на мощных 1-моторных самолетах при взлете, когда самолет движется с небольшой поступательной скоростью и эффективность работы воздушных рулей — низкая. С ростом скорости разворачивающий момент ослабевает, ввиду резкого увеличения эффективности действия рулей.

Для компенсации разворачивающего момента все самолеты делают несимметричными, как минимум, отклоняют руль направления от центральной строительной оси самолета.

Кроме гироскопического эффекта двух из этих 3 недостатков лишены соосные воздушные винты.

Реактивный и гироскопический момент также присущ всем турбореактивным двигателям и учитывают в конструкции самолета. Для компенсации реактивного момента винта вертолета приходится применять рулевой винт, предотвращающий вращение фюзеляжа, либо использовать несколько несущих винтов (обычно — 2).

Идея воздушного винта происходит от архимедова винта.

Известен чертеж Леонардо Да Винчи с изображением прообраза вертолета с несущим винтом. Винт все еще выглядит как архимедов.

В июле 1754 года Михаил Ломоносов провел демонстрацию аэродромической модели. На ней лопасти уже уплощены, что приближает их к современному виду. Предполагают, что Ломоносов использовал образ китайской детской игрушки — бамбукового вертолетика^[англ.].

Авиаконструкторы идут на определенные технические ухищрения, чтобы такой эффективный движитель, как воздушный винт, нашел место на самолетах будущего.

• Преодоление эффекта запирания. На самом мощном в мире турбовинтовом двигателе НК-12 крутящий момент силовой установки делится между двумя соосными воздушными винтами, вращающимися в разные стороны
• Применение саблевидных лопастей. Многолопастный воздушный винт с тонкими саблевидными лопастями позволяет затянуть волновой кризис и тем самым увеличить максимальную скорость полета. Такое техническое решение реализовано, например, на соосном винтовентиляторе СВ-27 для самолета АН-70
• Разработка сверхзвуковых воздушных винтов. Эти разработки ведутся уже много лет, но пока не привели к созданию реально работающего изделия. Наибольшая трудность создания такого изделия в том, что лопасть сверхзвукового воздушного винта имеет крайне сложную форму, что затрудняет ее прочностной расчет. Кроме того, экспериментальные сверхзвуковые винты оказались очень шумными
• Импеллер. Заключение воздушного винта в аэродинамическое кольцо. Весьма перспективное направление, поскольку позволяет снизить концевое обтекание лопастей, снизить шумность и повысить безопасность (защищая людей от увечий). Однако вес самого кольца служит ограничивающим фактором для широкого распространения такого конструкторского решения в авиации. Зато на аэросанях, аэроглиссерах, судах на воздушной подушке и дирижаблях импеллер можно увидеть достаточно часто
• Вентилятор. Так же, как импеллер, заключен в кольцо, но кроме того, имеет входной и иногда выходной направляющий аппарат. Направляющий аппарат представляет собой систему неподвижных лопастей (статор), позволяющих регулировать поток воздуха, попадающий на ротор вентилятора, и тем самым поднять его эффективность. Очень широко применяют в современных авиационных двигателях

• Кок (обтекатель)
• Гребной винт
• Соосные несущие винты
• Карлсон
• От винта!
• Мулинетка
• Импеллер