Воздушный винт моделист конструктор

Обновлено: 17.05.2024

У начинающих конструкторов по-прежнему наблюдается потребность в простой и надежной теории расчета силовой установки самодельного летательного аппарата (СЛА) или аэросаней. Необходимые сведения разбросаны по различным журналам и специальным книгам. Кроме того, сравнение опубликованных методик расчета показывает, что иногда они дают несовпадающие результаты как из-за разных исходных принципов, так и из-за различных значений коэффициентов в формулах. В нашем же изложении использованы простейшие физические закономерности и статистические данные о нескольких десятках успешно летавших СЛА, что существенно повышает достоверность и практическое значение приводимых ниже формул.

Какой должна быть тяга винта, чтобы аппарат мог легко взлетать? — вот главный вопрос, который в первую очередь должен решить конструктор, приступающий к проектированию СЛА. Многие неудачи и горькие разочарования происходили только потому, что этот вопрос оставляли на потом, не придавали ему первостепенного значения.

Требуемая для взлета тяга винта F определяется только двумя параметрами: взлетным весом G и минимальным (во взлетном режиме) коэффициентом аэродинамического качества К₀:

Под взлетным весом понимается сумма весов пустого аппарата, летчика, бензина и багажа (груза), а аэродинамическое качество равно отношению подъемной силы крыла к силе лобового сопротивления.

Начинающие конструкторы обычно сильно завышают значение К₀ своего будущего аппарата по сравнению с реально достижимым, а также склонны занижать G, поэтому для успеха проекта нужно быть самокритичным и делать предельно жесткие оценки.

По литературным данным о построенных СЛА получается, что будет правильным, если при проектировании принять К₀ = 3. Особенно это верно для СЛА, имеющего простейшее «тряпичное» крыло с одинарной обшивкой.

Таким образом, легкий взлет обеспечит силовая установка, создающая тягу F = G/3. Например, при G = 210 кг необходимая тяга составляет 70 кг. Конечно, отрыв от земли может произойти и при меньшей тяге, однако скорость вертикального подъема при этом будет небольшой или вообще аппарат будет только лететь на небольшой высоте, когда действует экранный эффект. Последний немного повышает К0 , и при проектировании, например, экранолета можно принять К₀ = 4.

Что касается аэросаней, то для них роль коэффициента аэродинамического качества выполняет величина, обратная коэффициенту трения лыж о снег К_тр. Согласно В.Г.Осташову и Л.Б.Сандперу, К_тр возрастает с увеличением скорости движения и достигает значения примерно 0,2 при V = 50 км/ч (здесь учитывается и относительно небольшое воздушное сопротивление). Следовательно, для «аэросанного» коэффициента качества можно принять значение К_о = 1:0,2 = 5. Если ожидается плохое скольжение, то этот показатель следует понизить до 4.

Как получить необходимую тягу винта?

Тяга (речь пойдет о двухлопастном винте неизменяемого шага) в первую очередь зависит от следующих параметров: мощности мотора N, диаметра D и скорости вращения винта n. Теоретически эти параметры связаны соотношениями, которые легко получить из соображений физической размерности:

где ρ— плотность воздуха, k₁ и k₂— безразмерные коэффициенты тяги и мощности. Отсюда после несложных преобразований получаются следующие две формулы:

где а и b — некоторые коэффициенты.

Значения а и b были определены автором в результате статистической обработки данных о силовых установках примерно сорока СЛА. Эти данные приведены в техническом отчете о смотре-конкурсе СЛА-87 (издание Сиб.НИИ авиации, Новосибирск, 1990). Оказалось, что в среднем а = 7,5±1, b = 1,6±0,2.

Отклонения от средних значений приведены с 90-процентной вероятностью, то есть 90 процентов «обсчитанных» СЛА имели значения этих коэффициентов в пределах соответственно 6,5 — 8,5 и 1,4 — 1,8. Таким образом, тягу винта и скорость его вращения следует вычислять по формулам:

Здесь и далее сила тяги F выражена в кг, мощность мотора N — в л.с., диаметр винта D — в м, скорость вращения винта n — в тыс. об/мин.

Из формулы (1) видно, что тяга винта определяется произведением мощности мотора на диаметр винта. Следовательно, нужную тягу можно в принципе получить и от маломощного мотора, если использовать винт большого диаметра и при этом, согласно формуле (2), понизить/обороты винта.

Расчет силовой установки выполняют в зависимости оттого, чем располагает конструктор для создания своего аппарата. Обычно исходят из того, какой имеется мотор — мотоциклетный, лодочный, от снегохода, мотопомпы, «пускача» дизеля, бензопилы и, в лучшем случае, специальный авиадвигатель для СЛА. Поэтому вначале необходимо выяснить, подойдет ли имеющийся для проектируемого аппарата?

Пусть, например, есть мотор с фактической (или паспортной, если он новый) мощностью N = 10 л.с., а требуемая тяга винта составляет 70 кг. Спрашивается, какими должны быть диаметр винта и скорость его вращения, чтобы получилась нужная тяга? Диаметр винта находим из формулы (1):

а скорость вращения — по формуле (2):

Таким образом, данный мотор потребует использования очень большого (по меркам СЛА или любительских аэросаней) винта, который к тому же должен вращаться с весьма небольшой скоростью, что, в свою очередь, приведет к необходимости сложного многоступенчатого редуктора, так как обороты коленчатого вала мотора обычно составляют 5—6 тыс. об/мин. В результате получится громоздкая и утяжеленная силовая установка, поэтому от такого мотора лучше отказаться.

Можно при проектировании исходить и из габаритных соображений. Например, пусть по проектным габаритам силовой установки диаметр винта не должен превышать 1,5 м. Требуемая тяга винта составляет 70 кг. Какими при этом должны быть мощность и скорость вращения винта? Из формулы (1) N = 19 л.с., а по формуле (2) п = 2,172 тыс. об/мин.

Подходящими для этого варианта моторами могут быть некоторые лодочные («Привет-22», «Москва-25» и др.) и мотоциклетные («ИЖ-Юпитер» и др.), при этом должен быть использован редуктор, обеспечивающий расчетные обороты винта.

Изготовление редуктора в любительских условиях — дело сложное и не вполне надежное, поэтому нужно стремиться использовать редуктор заводского производства. Например, в мотоциклетном моторе уже имеется подходящий редуктор — в виде цепной или зубчатой передачи от коленчатого вала к муфте сцепления. Пусть, например, имеется новый мотор «ИЖ-Ю-5» с N = 24 л.с., а его редуктор n = 2,3 тыс. об/мин. Требуемая тяга по-прежнему составляет 70 кг. Из формул (1) и (2) находим, что данные мотор и редуктор обеспечат тягу F = 82 кг (которая даже существенно больше требуемой, что всегда полезно) при диаметре винта D = 1,52 м.

Следует отметить, что если имеется очень мощный мотор, а диаметр винта невелик, например, D = 1 м, то при этом невозможно получить очень большую тягу. Объясняется это ограничением линейной скорости конца лопасти, которая не должна превышать 220 м/с — при большей скорости проявляется звуковой барьер и КПД винта падает. Следовательно, скорость его вращения должна быть ограничена условием n

Например, при D = 1 м скорость вращения винта не должна превышать 4,4 тыс. об/мин. При этих значениях D и n потребляемая винтом от мотора мощность составит 21 л.с., а тяга будет около 57 кг.

Может случиться так, что имеющиеся мотор и редуктор могут дать тягу, меньшую потребной всего на 10—15 процентов. В таком случае можно все же получить нужную тягу, если заменить 2-лопастный винт 4-лопастным. Теория показывает, что такая замена (при прежних N и n) приводит к увеличению тяги на 15 процентов и к уменьшению диаметра винта на те же 15 процентов.

Наконец, для повышения тяги можно использовать схему «винт в кольце», но при этом надо учитывать, что конусообразное кольцо вокруг винта сделает силовую установку более громоздкой и немного утяжелит ее. Подробнее о схеме «винт в кольце» можно узнать в книге В.Г.Осташова и Л.Б.Сандлера «Глиссирующие снегоходы-амфибии», Новосибирск, 1991.

Упрощенный расчет винта заключается в нахождении только установочных углов φ (R) сечений лопасти в зависимости от их удаления (R) от оси вращения винта. Сила тяги, диаметр винта и скорость его вращения должны быть определены предварительно. Винт целесообразно рассчитывать для режима взлетной скорости СЛА, которая находится по формуле:

где G — взлетный вес, кг; ρ = 1,25 кг/м 3 — нормальная плотность воздуха; С_у= 1,4 — средний для СЛА коэффициент подъемной силы крыла во взлетном режиме; S — площадь крыла, м 2 . Например, при весе G = 210 кг и площади S=15 м 2 получаем скорость V = 46 км/ч.

В случае аэросанного винта в качестве расчетной V следует использовать «крейсерскую» скорость движения аэросаней.

Схема, поясняющая определение углов α, β и φ: П.вр. — плоскость вращения винта; W — вектор линейной скорости вращательного движения лопасти в данном сечении; V — вектор поступательной скорости винта (скорость полета СЛА); U — вектор скорости набегающего на данное сечение потока воздуха; В и Т — ширина и толщина заготовки для изготовления винта.

Профили сечений лопасти винта принимаются, как обычно, плосковыпуклыми (плоская сторона — рабочая, выпуклая— тыльная). Тогда установочным углом φ (R) будет угол между плоской стороной лопасти в данном ее сечении и плоскостью вращения винта. Из рисунка видно, что установочный угол больше угла атаки α на угол β, определяемый по формуле:

Здесь V выражена в м/с, n — в тыс. об/мин, R — в м.

Расчет по приводимой методике предполагает также знание предельного угла атаки, выше которого происходит срыв потока на некотором участке лопасти и винт перестает хорошо работать. Величина этого угла зависит от используемого профиля сечений. Согласно упомянутой книге Осташова и Сандлера, можно рекомендовать профиль RAF-6, у которого предельный угол атаки около 18°.

Профиль RAF-6. Координаты реального профиля находят по формулам: у = ̅у • с; х = ̅х • b, где b — хорда профиля (ширина лопасти), с — максимальная толщина профиля в данном сечении лопасти.

Винт изготавливают из прямоугольного деревянного (ель, береза и др.) бруса длиной D, толщиной Т и шириной В. При этом ширина (хорда) лопасти B(R) в каком-либо ее сечении будет равна B/cos φ (R). Для упрощения расчета можно принять B(R) = В = const, так как установочные углы φ (R) сравнительно невелики (8—30°) и поэтому cos φ (R) = 1. Отношение максимальной толщины профиля (с) к его хорде, то есть с/В принимается в пределах 8—30 процентов с плавным увеличением от 8 на конце лопасти до 30 процентов у ступицы винта.

Чтобы найти угол φ в каком-либо сечении, необходимо по отдельности вычислить углы α и β и затем их сложить. Угол атаки α (R) можно найти из условия постоянства удельной тяги ρ по размаху лопасти на расчетном ее участке:

где C_y(R)=4,8 [α(R)+0,0175] — коэффициент «подъемной силы» (то есть тяги данного сечения), связанный с углом атаки α(R), выраженным в радианах, а U 2 (R)=10 4 n 2 R 2 +V 2 , м 2 /с 2 — квадрат скорости потока воздуха, набегающего на данное сечение лопасти (для наблюдателя, как бы вращающегося вместе с винтом). Понятие «удельная тяга» аналогично «нагрузке на крыло» и показывает, сколько килограммов тяги приходится на единицу площади расчетного участка лопасти. Удельная тяга в данном случае — то же самое, что и давление воздуха, и условие (4) тогда означает, что перепады давления по размаху лопасти отсутствуют и что теоретически должно повышать КПД винта.

С учетом этого из (4) получаем следующее уравнение для вычисления углов атаки:

Здесь ρ выражено в кг/м 2 , n — в тыс.об/мин, R — в м/с.

Из-за существования предельного угла атаки условие (4) нельзя выполнить на всей лопасти, но можно на половине ее размаха — от конца, где R=D/2, до сечения, где R=D/4. Следовательно, расчетный участок лопасти будет иметь длину ΔR=D/4 и площадь ΔR•B=DB/4. Тогда удельная тяга 2-лопастного винта найдется по формуле:

Рассмотрим конкретный пример: определить установочные углы сечений винта диаметром D = 1,5 м, который при n = 2,3 тыс. об/мин, В = 0,12 м, V = 15 м/с и предельном угле атаки в 1 8° должен создавать тягу F = 78 кг.

Вначале по формуле (6) получаем удельную тягу ρ = 867 кг/м.

С учетом данных значений ρ, n и V формулы (3) и (5) приводим к удобному для вычислений виду:

Углы α, β и φ = α + β вычисляем для следующих значений R: 0,75 (конец лопасти); 0,7; 0,6; 0,5; 0,4; -0,375 (конец расчетного участка). Результаты записываем в таблицу:

R, м	0,75	0,7	0,6	0,5	0,4	0,375
α, град.	4,45	5,25	7,5	11,2	17,8	20,4
β, град.	4,90	5,30	6,2	7,4	9,2	9,8
φ, град.	9,35	10,6	13,7	18,6	27,0	30,2

Как видно, предельный угол атаки 18° достигается на конце расчетного участка, примерно при R = 0,4 м. Если бы этого не произошло, то пришлось бы повторить расчеты при другом значении ширины лопасти В, изменяя ее в соответствующую сторону по сравнению с первоначально принятым значением 0,12 м.

Определение установочных углов на оставшемся участке лопасти от R = 0,4 м до R = 0,1D = 0,15 м проводим по формуле:

и для R=0,3; 0,2 и 0,15 м получаем соответственно следующие значения угла φ, град: 30,0; 35,8 и 41,2.

Следует отметить, что на втором участке нет особой необходимости в получении больших установочных углов, так как требуемая тяга уже обеспечена на первом расчетном участке. Поэтому, исходя из удобства изготовления винта, можно при R = 0,4…0,15 м принять φ(R) в пределах 27—30°. Это существенно уменьшит толщину Т заготовки (деревянного бруса), так как Т = В tgφ_max. Например, при угле φ_max = 30° имеем толщину Т = 12 tg30°= 6,9 см, зато при φ_max= 41,2° будем иметь Т = 10,5 см.

Приведенная методика расчета винта не является единственно возможной. Например, часто расчет установочных углов ведут из условия постоянства шага винта Н:

Интересно сравнить, насколько будут отличаться рассчитанные по этой — «шаговой» методике установочные углы от тех значений, что были найдены выше. В примере, который мы рассматривали, V = 15 м/с или 54 км/ч, n = 2300 об/мин и для шага винта по этим формулам Н = 0,704 м, соответственно которому получаются следующие значения установочных углов:

R, м	0,75	0,7	0,6	0,5	0,4	0,375
φ, град	8,5	9,1	10,6	12,6	15,6	16,6

Из сравнения с предыдущей таблицей видно, что хорошее совпадение значений φ наблюдается при больших R, то есть у конца лопасти. При уменьшении R возникает существенное различие — по «шаговой» методике крутка лопасти получается меньшей, чем по «тяговой» методике (под круткой понимается изменение φ по мере изменения R).

Конечно, правильность расчета винта в итоге могут показать только его тяговые испытания. «Тяговая» методика расчета обладает преимуществом ввиду физической ясности ее основ, в частности, ясным пониманием роли ширины лопасти В: при ее изменении изменяется и удельная тяга, соответственно другими будут углы атаки и установочные углы. В «шаговой» же методике ширина лопасти никак не влияет на установочные углы.

В заключение следует отметить, что единственный построенный по расчету винт только в редких случаях может дать нужный результат. Поэтому следует изготовить несколько винтов, отличающихся установочными углами, и затем в ходе испытаний выбрать из них наилучший.

ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕРЕВЯННЫХ ВОЗДУШНЫХ ВИНТОВ. Аэросани, аэроглиссеры, всевозможные аппараты на воздушной подушке, экранопланы, микросамолеты и микроавтожиры, различные вентиляторные установки и другие машины не могут действовать без воздушного винта (пропеллера). Поэтому каждый энтузиаст технического творчества, задумавший построить одну из перечисленных машин, должен научиться изготовлять хорошие воздушные винты.

А поскольку в любительских условиях их проще всего делать из дерева, речь пойдет только о деревянных пропеллерах.

Однако следует учесть, что по деревянному (если он окажется удачным) можно изготовить совершенно аналогичные винты из стеклопластика (методом формования в матрицу) или металла (отливкой). Наибольшее распространение благодаря своей доступности получили двухлопастные винты из целого куска древесины (рис. 1).

Рис. 1. Двухлопастные деревянные винты из целого куска дерева:

1 — лопасть, 2 — ступица, 3 — фланец передний, 4 — гайки шпилек ступицы, 5 — корончатая гайка носка вала, 6 — вал, 7 — фланец задний, 8 — шпильки.

Трех- и четырехлопасткые воздушные винты сложнее в изготовлении.

ВЫБОР МАТЕРИАЛА

Винты, предназначенные для двигателей большей мощности (порядка 15—30 л. с.), также можно изготовлять из монолитных брусков твердой породы, но требования к качеству древесины в этом случае повышаются. При выборе заготовки следует обращать внимание на расположение годичных колец в толще бруска (оно хорошо просматривается по торцу, рис. 2-А), отдавая предпочтение брускам с горизонтальным или наклонным расположением слоев, выпиленным из той части ствола, которая ближе к коре. Естественно, что заготовка не должна иметь сучков, кривослоя и других пороков.

Рис. 2. Заготовки воздушного винта:

А — из целого куска дерева: 1 — заболонная часть ствола, 2 — расположение заготовки;

Б — заготовка, склеенная из нескольких дощечек в прямоугольный пакет: 1 — красное дерево или красный бук; 2 — береза или клен.

Если подходящего по качеству монолитного бруска найти не удалось придется склеить заготовку из нескольких более тонких дощечек, толщиной 12—15 мм каждая. Такой способ изготовления винтов был широко распространен на заре развития авиации, и его можно назвать «классическим». По соображениям прочности рекомендуется применять дощечки из древесины разных пород (например, береза и красное дерево, береза и красный бук, береза и ясень), имеющие взаимно пересекающиеся слои (рис. 2-Б). Винты, изготовленные из клееных заготовок, после окончательной обработки имеют очень красивый внешний вид.

Некоторые опытные специалисты клеят заготовки из .многослойной авиафанеры марки БС-1, толщиной 10—12 мм, собирая из нее пакет нужных размеров. Однако рекомендовать этот способ широкому кругу любителей мы не можем: слои шпона, расположенные поперек винта, при обработке могут образовать трудноустранимые неровности и ухудшить качество изделия. Концы лопастей винтов, изготовленных из фанеры, получаются весьма хрупкими. Кроме того, у высокооборотного винта в корне лопастей действует очень большая центробежная сила, доходящая в некоторых случаях до тонны и более, а в фанере поперечные слои на разрыв не работают. Поэтому фанеру можно применять только после расчета площади корневого сечения лопасти (1 см 2 фанеры выдерживает на разрыв около 100 кг, а 1 см 2 сосны — 320 кг.) Винты приходится утолщать, а это ухудшает аэродинамическое качество.

В ряде случаев ребро атаки воздушного винта закрывают полоской тонкой латуни, так называемой оковкой. Она крепится к кромке мелкими шурупами, головки которых после зачистки опаиваются оловом, чтобы предотвратить самоотворачивание.

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

По чертежу воздушного винта прежде всего необходимо изготовить металлические или фанерные шаблоны — один шаблон вида сверху (рис. 3-А), один шаблон вида сбоку и двенадцать шаблонов профиля лопасти, которые будут нужны для проверки винта на стапеле.

Заготовку винта (брусок) нужно тщательно отфуговать, соблюдая размер со всех четырех сторон. Затем наносят осевые линии контуры шаблона вида сбоку (рис. 3-Б) и удаляют лишнюю древесину, сначала маленьким топором, потом рубанком и рашпилем. Следующая операция — обработка по контуру вида сверху. Наложив шаблон лопасти на заготовку (рис. 3-В) и укрепив его временно гвоздиком по центру втулки, обводят шаблон карандашом. Затем поворачивают шаблон строго на 180° и обводят вторую лопасть. Лишняя древесина удаляется на ленточной пиле, если ее нет — ручной выкружной мелкозубой пилой. Эта работа должна быть выполнена очень точно, поэтому торопиться не следует.

Рис. 3. Последовательность изготовления винта:

А — шаблоны (вид сверху и вид сбоку); Б — разметка бруска-заготовки по шаблону вида сбоку; В — разметка заготовки по шаблону вида сверху; Г — заготовка после обработки по шаблонам; Д — обработка лопастей по профилю (нижняя, плоская часть); Е — обработка верхней, выпуклой части лопасти.

Изделие приобрело очертания винта (рис. 3-Г). Теперь начинается самая ответственная часть работы — придание лопастям нужного аэродинамического профиля. При этом следует помнить, что одна сторона лопасти плоская, другая выпуклая.

Главный инструмент для придания лопастям нужного профиля — остро отточенный, хорошо присаженный топор. Это отнюдь не значит, что выполняемая работа — «топорная»: топором можно делать чудеса. Достаточно вспомнить знаменитые Кижи!

Древесину удаляют последовательно и не спеша, сначала делая мелкие короткие натесы во избежание отщепления по слою (рис. 3-Г). Полезно иметь также небольшой двухручный стружок. На рисунке показано, как можно ускорить и облегчить работу по обтесыванию профильной части лопасти, сделав несколько пропилов мелкозубой ножовкой. Выполняя эту операцию, надо быть очень осторожным и не пропилить глубже, чем требуется.

После грубой обработки лопастей винт доводится до кондиции рубанками и рашпилями с проверкой в стапеле (рис. 4-А).

Для изготовления стапеля (рис. 4) надо найти доску, равную по длине винту и достаточно толстую для того, чтобы в ней можно было сделать поперечные пропилы глубиной 20 мм для установки шаблонов. Центральный стержень стапеля изготовляется из твердого дерева, его диаметр должен соответствовать диаметру отверстия в ступице винта. Стержень вклеивается строго перпендикулярно к поверхности стапеля. Надев на него винт, определяют количество древесины, которое предстоит удалить для соответствия лопасти шаблонам профиля. Выполняя эту работу в первый раз, нужно быть очень терпеливым и осторожным. Умение приобретается не сразу.

Рис. 4. Стапель и шаблоны профилей лопасти:

А — установка шаблонов в стапель; Б — проверка обрабатываемой лопасти шаблонами и контршаблонами.

При зачистке поверхности деревянного винта следует учитывать направление волокон древесины; строгание, циклевку и ошкуривание можно вести только «по слою» во избежание задиров и образования шероховатых участков. В некоторых случаях, помимо цикли, хорошую помощь при отделке винта могут оказать стеклянные осколки.

Опытные столяры после ошкуривания натирают поверхность гладким, хорошо отполированным металлическим предметом, сильно нажимая на него. Этим они уплотняют поверхностный слой и «заглаживают» оставшиеся на нем мельчайшие царапины.

БАЛАНСИРОВКА

Изготовленный винт должен быть тщательно отбалансирован, то есть приведен в такое состояние, когда вес его лопастей совершенно одинаков. В противном случае при вращении винта возникает тряска, которая может повлечь за собой разрушение жизненно важных узлов всей машины.

На рисунке 5 изображено простейшее приспособление для балансировки винтов. Оно позволяет выполнить балансировку с точностью до 1 г — этого практически достаточно в любительских условиях.

Рис. 5. Простейшее приспособление для проверки балансировки винта — с помощью двух тщательно выровненных досок и осевого вкладыша.

Практика показала, что даже при очень тщательном изготовлении винта вес лопастей получается неодинаковым. Это происходит по разным причинам: иногда

вследствие разного удельного веса комлевой и верхней частей бруска, из которого изготовлен винт, или разной плотности слоев, местной узловатости и т. п.

Как быть в этом случае? Подгонять лопасти по весу, сострагивая с более тяжелой какое-то количество древесины, нельзя. Надо утяжелять более легкую лопасть, вклепывая в нее кусочки свинца (рис. 6). Балансировку можно считать законченной, когда винт будет оставаться неподвижным в любом положении лопастей относительно балансировочного приспособления.

Рис. 6. Балансировка винта путем вклепывания кусочков свинца в более легкую лопасть:

А — определение дисбаланса с помощью монет; Б — заделка кусочка свинца равного веса на равном плече (отверстие слегка раззенковать с обеих сторон); В — вид свинцового стержня после расклепки.

Рис. 7. Схема проверки винта на биение.

Не менее опасно биение винта. Схема проверки пропеллера на биение показана на рисунке 7. При вращении на оси каждая лопасть должна проходить на одинаковом расстоянии от контрольной плоскости или угла.

ОТДЕЛКА И ОКРАСКА ВИНТА

Готовый и тщательно отбалансированный винт должен быть окрашен или отлакирован для предохранения его от атмосферных воздействий, а также для защиты от горюче-смазочных материалов.

Для нанесения краски или лака лучше всего применять пульверизатор, работающий от компрессора при минимальном давлении в 3 — 4 атм. Это даст возможность получить ровное и плотное покрытие, недостижимое при кистевой окраске.

Лучшие краски — эпоксидные. Можно также применять глифталевые, нитро- и нитроглифталевые или появившиеся в последнее время алкидные покрытия. Они наносятся на предварительно загрунтованную, тщательно отшпаклеванную и ошкуренную поверхность. Обязательна междуслойная сушка, соответствующая той или иной краске.

Лучшее лаковое покрытие — так называемый «химотвердительный» паркетный лак. Он отлично держится и на чистом дереве, и на окрашенной поверхности, придавая ей нарядный вид и высокую механическую прочность.

К сожалению, проблемы с электроэнергией возникают всё чаще, и нет никакой гарантии, что тебя минует чаша сия, независимо от того, где ты проживаешь — в городе или, тем более, в сельской местности.
Чтобы обезопасить себя на случай «нештатной» ситуации, неплохо приобрести дизельную мини-электростанцию, но… не всем это удовольствие по карману — сам агрегат стоит немало, да ещё и «кормить» его нужно, а «овёс нынче дорог». Другое дело — ветроэлектрогенератор. Его можно и самому сделать, а дальше — копи энергию и пользуйся, когда понадобится. И многие рачительные хозяева дач и приусадебных участков так и поступают.

Наибольшей трудностью в любительской постройке ветроустановки является изготовление воздушного винта. Связано это со сложной теорией его расчёта. Однако, с достаточной для практического применения степенью точности этот расчёт можно произвести по упрощённой методике.

Мощность проектируемой установки рассчитывается по формуле:

где р = 1,25 кг/м3 — плотность воздуха;

F — площадь, ометаемая воздушным винтом, м 2 ;

V — скорость ветра, средняя для района за год.

Отсюда площадь, ометаемая винтом:
F= 2N/рV3,
а диаметр винта

Проектируемая установка должна рассчитываться на мощность в 1,7 раза больше мощности генератора, поэтому

Изготавливается воздушный винт из пород древесины, хорошо поддающейся обработке и не очень склонной к короблению, например из березы или лиственницы. Заготовка должна быть хорошо выстругана и высушена. Её размеры: длина — на 100 мм больше диаметра воздушного винта Dвв, ширина — 0,09 Dвв, толщина — 0,025 Dвв.

На подготовленной заготовке с двух сторон размечаются продольные и поперечные оси и наносятся поперечные линии расчётных сечений лопастей по радиусам r, — r5.

Трёхлопастный ветродвигатель:

1 —лопасть воздушного винта (3 шт.); 2—блок крепления лопастей; 3—крышка (2 шт.); 4—подшипник 204 (2 шт.); 5—вал; 6—гильза; 7—корпус подшипников опорной оси; 8—опорная ось; 9—контргайка; 10—опорная площадка; 11 —подшипник 203 (2 шт.); 12—корпус подшипников приводного вала; 13—винт М6 (12 шт.)

Технологическая оснастка включает в себя стапельную доску и шаблоны профилей.

Стапельная доска представляет собой так же, как и заготовка воздушного винта, выстроганную доску длиной больше половины его диаметра на 80 — 100 мм и размечается аналогично заготовке. На пересечении осей и в заготовке воздушного винта, и в доске стапеля сверлятся отверстия, в стапеле закрепляется шпилька диаметром 12 — 18 мм длиной 180 — 200 мм. Шаблоны профилей изготавливаются из фанеры толщиной 4 — 5 мм с размерами 0,25×0,18 Рвв. На фанерные заготовки наклеиваются профили сечений, вычерченные в соответствии с таблицей и рисунком в масштабе 1:1. После того как клей высохнет, в шаблонах вырезаются лобзиком профили (заштрихованная часть) и шаблон разрезается на две части. К нижней из них гвоздями крепятся брусочки сечением 30×15 мм, с помощью которых профили устанавливаются на стапельной доске. При этом центры профилей должны лежать на одной горизонтальной оси.

Процесс изготовления пропеллера ведётся в следующей последовательности.

После закрепления шаблонов к стапельной доске на шпильку надевается заготовка и опускается на шаблоны, верхние кромки которых покрываются краской. Далее заготовка снимается и в местах оставленных шаблонами отпечатков производится выборка древесины с помощью стамески шириной 5 — 6 мм или круглого напильника с крупной насечкой на глубину 4 — 5 мм. Затем заготовка вновь надевается на шпильки для последующего отпечатка. Этот процесс повторяется до получения «маячков» — сплошного окрашивания по линиям профилей. Верхняя часть лопасти обрабатывается аналогично, при этом контроль сечений ведётся касанием верхней части шаблонов вручную без закрепления.

Как и в предыдущем случае, кромки шаблонов покрываются краской.

Выборка древесины производится до совпадения нижней и верхней частей шаблонов.

Для перехода к изготовлению второй лопасти под заготовку подводится гайка на шпильке и закрепляется контргайкой, которая остаётся так до изготовления двух остальных лопастей. После этого заготовка поворачивается на 180° и начинается работа с заготовкой втором лопасти. Оставшуюся древесину между «маячками» осторожно снимают рубанками, обрабатывают напильником и вышкуривают. После этого пропеллер пропитывается олифой и несколько раз окрашивается.

Трёхлопастный воздушный винт:

1 —лопасть (берёза или липа, 3 шт.); 2—хомут (полоса 20×3,3 шт.); 3—шпилька (пруток d5, 3 шт.); 4—крепление хомута (болт М8, 6 шт.); 5—зажим лопасти (труба 42×3,5, 3 шт.); 6—центральная втулка (круг d50); материал деталей поз. 2—6—сталь

Размеры профилей в расчётных сечениях й изготовление лопастей трёхлопастного пропеллера аналогичны. Заготовка на каждую лопасть на 50 — 60 мм длиннее радиуса пропеллера.

При разметке поперечную ось располагают на расстоянии 25 — 30 мм от края и в месте пересечения осей сверлят отверстие под шпильку.

Далее со стороны конца лопасти с отверстием под шпильку изготавливается шип, диаметр которого равен толщине заготовки, а длина — 1,5 — 1,6 толщины заготовки.

Делать шип необходимо очень аккуратно, так как погрешности несоосности неизбежно приведут к тому, что лопасти расположатся в разных плоскостях.

Шаблон профиля:

1 —верхний участок шаблона (фанера s4); 2—профиль (вырезается); 3 — стойка (брусок 15×30); 4—нижний участок шаблона (фанера s4); 5—стапельная доска

При обработке заготовки воздушного винта могут быть сколы или излишняя выборка древесины. В этом случае дефекты зашпаклёвываются.

Шпаклёвка готовится на основе влагостойкого клея и древесных опилок. Высохшую шпаклёвку осторожно опиливают напильником и зачищают шкуркой.

В торцевой части шипа лопасти трёхлопастного воздушного винта сверлится отверстие диаметром 0,005 Dвв на глубину 3,5 толщины заготовки. В это отверстие вставляется металлическая шпилька соответствующего диаметра и заливается эпоксидным клеем. Готовые винты необходимо тщательно отбалансировать.

Аэросани, аэроглиссеры, всевозможные аппараты на воздушной подушке, экранопланы, микросамолеты и микроавтожиры, различные вентиляторные установки и другие машины не могут действовать без воздушного винта (пропеллера). Поэтому каждый энтузиаст технического творчества, задумавший построить одну из перечисленных машин, должен научиться изготовлять хорошие воздушные винты.

А поскольку в любительских условиях их проще всего делать из дерева, речь пойдет только о деревянных пропеллерах. Однако следует учесть, что по деревянному (если он окажется дачным) можно изготовить совершенно аналогичные винты из стеклопластика (методом формования в матрицу) или металла (отливкой).

Наибольшее распространение благодаря своей доступности получили двухлопастные винты из целого куска древесины (рис. 1). Трех и четырехлопастные воздушные винты сложнее в изготовлении.

ВЫБОР МАТЕРИАЛА

Винты, предназначенные для двигателей большей мощности (порядка 15—30 л. с), также можно изготовлять из монолитных брусков твердой породы, но требования к качеству древесины в этом случае повышаются. При выборе заготовки следует обращать внимание на расположение годичных колец в толще бруска (оно хорошо просматривается по торцу, рис. 2-А), отдавая предпочтение брускам с горизонтальным или наклонным расположением слоев, выпиленным из той части ствола, Которая ближе к коре. Естественно, что заготовка не должна иметь сучков, кривослоя и других пороков.

Рис. 2. Заготовки воздушного винта

Если подходящего по качеству монолитного бруска найти не удалось, придется склеить заготовку из нескольких более тонких дощечек, толщиной 12—15 мм каждая. Такой способ изготовления винтов был широко распространен на заре развития авиации, и его можно назвать «классическим». По соображениям прочности рекомендуется применять дощечки из древесины разных пород (например, береза и красное дерево, береза и красный бук, береза и ясень), имеющие взаимно пересекающиеся слои (рис. 2-Б). Винты, изготовленные из клееных заготовок, после окончательной обработки имеют очень красивый внешний вид.

Некоторые опытные специалисты клеят заготовки из многослойной авиафанеры марки БС-1, толщиной 10—12 мм, собирая из нее пакет нужных размеров. Однако рекомендовать этот способ широкому кругу любителей мы не можем: слои шпона, расположенные поперек винта, при обработке могут образовать трудно устранимые неровности и ухудшить качество изделия. Концы лопастей винтов, изготовленных из фанеры, получаются весьма хрупкими. Кроме того, у высокооборотного винта в корне лопастей действует очень большая центробежная сила, доходящая в некоторых случаях до тонны и более, а в фанере поперечные слои на разрыв не работают. Поэтому фанеру можно применять только после расчета площади корневого сечения лопасти (1 см 2 фанеры выдерживает на разрыв около 100 кг, а 1 см 2 сосны — 320 кг.) Винты приходится утолщать, а это ухудшает аэродинамическое качество.

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Рис. 3. Последовательность изготовления винта

Заготовку винта (брусок) нужно тщательно отфуговать, соблюдая размер со всех четырех сторон. Затем наносят осевые линии, контуры шаблона вида сбоку (рис. 3-Б) и удаляют лишнюю древесину, сначала маленьким топором, потом рубанком и рашпилем. Следующая операция — обработка по контуру вида сверху. Наложив шаблон лопасти на заготовку (рис. 3-В) и укрепив его временно гвоздиком по центру втулки, обводят шаблон карандашом. Затем поворачивают шаблон строго на 180° и обводят вторую лопасть. Лишняя древесина удаляется на ленточной пиле, если ее нет — ручной выкружной мелкозубой пилой. Эта работа должна быть выполнена очень точно, поэтому торопиться не следует.

Изделие, приобрело очертания винта (рис. 3-Г). Теперь начинается самая ответственная часть работы — придание лопастям нужного аэродинамического профиля. При этом следует помнить, что одна сторона лопасти плоская, другая выпуклая.

Рис.4. Стапель и шаблоны профилей лопасти

БАЛАНСИРОВКА

Рис. 5. Простейшее приспособление для проверки балансировки винта

Практика показала, что даже при очень тщательном изготовлении винта вес лопастей получается неодинаковым. Это происходит по разным причинам: иногда вследствие разного удельного веса комлевой и верхней частей бруска, из которого изготовлен винт, или разной плотности слоев, местной узловатости и т. п.

Рис. 6. Балансировка винта путем вклепывания кусочков свинца в более легкую лопасть

Рис. 7. Схема проверки винта на биение

ОТДЕЛКА И ОКРАСКА ВИНТА

Для нанесения краски или лака лучше всего применять пульверизатор, работающий от компрессора при минимальном давлении в 3—4 атм. Это даст возможность получить ровное и плотное покрытие, недостижимое при кистевой окраске.

Лучшее лаковое покрытие — так называемый «химо-твердительный» паркетный лак. Он отлично держится и на чистом дереве, и на окрашенной поверхности, придавая ей нарядный вид и высокую механическую прочность.

ВЫБОР МАТЕРИАЛА

Рис. 2. Заготовки воздушного винта

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Рис. 3. Последовательность изготовления винта

Рис.4. Стапель и шаблоны профилей лопасти

БАЛАНСИРОВКА

Рис. 5. Простейшее приспособление для проверки балансировки винта

Рис. 6. Балансировка винта путем вклепывания кусочков свинца в более легкую лопасть

Рис. 7. Схема проверки винта на биение

ОТДЕЛКА И ОКРАСКА ВИНТА

Для нанесения краски или лака лучше всего применять пульверизатор, работающий от компрессора при минимальном давлении в 3—4 атм. Это даст возможность получить ровное и плотное покрытие, недостижимое при кистевой окраске.

Читайте также: