Cánh quạt máy bay: tên, phân loại và đặc điểm

2024 Tác giả: Howard Calhoun | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2023-12-17 10:44

Cơ sở của chuyển động không khí theo nguyên tắc khí động học là sự hiện diện của lực chống lại lực cản của không khí khi bay và trọng lực. Tất cả các máy bay hiện đại, ngoại trừ tàu lượn, đều có một động cơ có công suất được biến đổi thành lực này. Cơ chế biến chuyển động quay của trục nhà máy điện thành lực đẩy là cánh quạt máy bay.

Mô tả cánh quạt

Cánh quạt máy bay là một thiết bị cơ khí có các cánh được trục động cơ quay và tạo ra lực đẩy cho máy bay chuyển động trong không khí. Bằng cách nghiêng các cánh quạt, cánh quạt đẩy không khí trở lại, tạo ra một vùng có áp suất thấp ở phía trước và áp suất cao ở phía sau. Hầu như tất cả mọi người trên trái đất ít nhất một lần trong đời đều có cơ hội nhìn thấy thiết bị này, vì vậy không cần phải có nhiều định nghĩa khoa học. Cánh quạt bao gồm các cánh quạt, một trục kết nối với động cơ thông qua một mặt bích đặc biệt, các trọng lượng cân bằng được đặt trên trục, cơ cấu thay đổi độ cao của cánh quạt và một tấm chắn bao quanh trục.

Tên khác

Tên khác của cánh quạt máy bay là gì? Trong lịch sử, có hai tên gọi chính: chân vịt thực và chân vịt. Tuy nhiên, sau đó những cái tên khác đã xuất hiện, nhấn mạnh đến tính năng thiết kế hoặc chức năng bổ sung được giao cho đơn vị này. Cụ thể:

• Fenestron. Một con vít được lắp vào một rãnh đặc biệt ở đuôi máy bay trực thăng.
• Cánh quạt. Một con vít được bao bọc trong một vòng đặc biệt.
• Propfan. Đây là các vít hình mũi tên hoặc hình kiếm thành hai hàng với đường kính giảm dần.
• Windfan. Hệ thống cung cấp điện dự phòng khẩn cấp từ luồng không khí tới.
• Rotor. Đây đôi khi được gọi là cánh quạt chính của máy bay trực thăng và một số loại khác.

Thuyết cánh quạt

Về cốt lõi của nó, bất kỳ cánh quạt máy bay nào cũng là một loại cánh có thể chuyển động được ở dạng thu nhỏ, sống theo các quy luật khí động học giống như cánh. Tức là, chuyển động trong môi trường khí quyển, các cánh quạt, do hình dạng và độ nghiêng của chúng, tạo ra một luồng không khí, là động lực của máy bay. Sức mạnh của dòng chảy này, ngoài cấu hình cụ thể, còn phụ thuộc vào đường kính và tốc độ của chân vịt. Đồng thời, sự phụ thuộc của lực đẩy vào số vòng quay là bậc hai và vào đường kính - thậm chí đến bậc 4. Công thức tổng quát về lực đẩy như sau: P=αρn² D^{4trong đó:}

• α - hệ số lực đẩy của chân vịt (phụ thuộc vào thiết kế và cấu tạo của các cánh);
• ρ - mật độ không khí;
• n - số vòng quayđinh vít;
• D là đường kính trục vít.

Thật thú vị khi so sánh với công thức trên, một công thức khác có cùng lý thuyết trục vít. Đây là công suất cần thiết để đảm bảo quay: T=Βρn³ D^{5, trong đó Β là hệ số công suất tính toán của cánh quạt.}

So sánh hai công thức này, có thể thấy rằng khi tăng tốc độ của cánh quạt máy bay và tăng đường kính của cánh quạt, công suất động cơ yêu cầu sẽ tăng theo cấp số nhân. Nếu mức lực đẩy tỷ lệ với bình phương số vòng quay và công suất thứ 4 của đường kính, thì công suất động cơ yêu cầu đã tăng tương ứng với khối lập phương của số vòng quay và công suất thứ 5 của đường kính cánh quạt. Khi công suất động cơ tăng lên, trọng lượng của nó cũng vậy, đòi hỏi lực đẩy nhiều hơn. Một vòng luẩn quẩn khác trong ngành công nghiệp máy bay.

Thông số kỹ thuật cánh quạt

Bất kỳ cánh quạt nào được lắp trên máy bay đều có các đặc điểm sau:

• Đường kính trục vít.
• Di chuyển hình học (bước). Thuật ngữ này đề cập đến khoảng cách mà con vít sẽ di chuyển, đâm vào một bề mặt rắn trên lý thuyết trong một vòng quay.
• Tread - quãng đường thực tế mà cánh quạt di chuyển trong một vòng quay. Rõ ràng, giá trị này phụ thuộc vào tốc độ và tần số quay.
• Góc lưỡi - góc giữa mặt phẳng và cao độ thực của cánh quạt.
• Hình dạng lưỡi - Hầu hết các lưỡi hiện đại có hình lưỡi kiếm, cong.
• Hình dạng lưỡi - mặt cắt ngang của mỗi lưỡi có hình dạng cánh.
• Hợp âm lưỡi trung bình -khoảng cách hình học giữa các cạnh đầu và cuối.

Đồng thời, đặc điểm chính của cánh quạt máy bay là lực đẩy của nó, tức là nó cần để làm gì.

Nhân phẩm

Máy bay sử dụng chân vịt làm cánh quạt tiết kiệm hơn nhiều so với máy bay phản lực tuốc bin phản lực. Hiệu suất đạt tới 86%, đây là một giá trị không thể đạt được đối với máy bay phản lực. Đây là lợi thế chính của họ, thực tế đã đưa họ hoạt động trở lại trong cuộc khủng hoảng dầu mỏ những năm 70 của thế kỷ trước. Ở khoảng cách ngắn, tốc độ không quan trọng so với mức kinh tế, vì vậy hầu hết các máy bay hàng không trong khu vực đều được điều khiển bằng cánh quạt.

Flaws

Máy bay cánh quạt cũng có nhược điểm. Trước hết, đây hoàn toàn là khuyết điểm "động học". Trong quá trình quay, cánh quạt của máy bay, có khối lượng riêng, có tác dụng lên thân máy bay. Ví dụ, nếu các cánh quay quay theo chiều kim đồng hồ, thì vỏ có xu hướng quay tương ứng, ngược chiều kim đồng hồ. Các luồng gió xoáy do cánh quạt tạo ra chủ động tương tác với cánh và lực đẩy của máy bay, tạo ra các luồng khác nhau sang phải và trái, do đó làm mất ổn định đường bay.

Cuối cùng, cánh quạt quay là một loại con quay hồi chuyển, tức là nó có xu hướng giữ nguyên vị trí, điều này khiến cho việc thay đổi đường bay của không khí trở nên khó khăntòa án. Những khuyết điểm này của cánh quạt máy bay đã được biết đến từ lâu và các nhà thiết kế đã học cách giải quyết chúng bằng cách đưa ra một sự bất đối xứng nhất định trong thiết kế của chính con tàu hoặc bề mặt điều khiển của chúng (bánh lái, cánh quạt, v.v.). Công bằng mà nói, cần lưu ý rằng động cơ phản lực cũng có những khuyết điểm "động học" tương tự, nhưng ở mức độ nhẹ hơn.

Cái gọi là hiệu ứng khóa cũng có thể là do các điểm nhỏ, khi sự gia tăng đường kính và tốc độ quay của cánh quạt máy bay đến một số giới hạn nhất định không còn tạo ra hiệu ứng dưới dạng tăng lực đẩy. Hiệu ứng này có liên quan đến sự xuất hiện ở một số phần nhất định của các cánh của luồng không khí có tốc độ gần hoặc siêu âm, tạo ra khủng hoảng sóng, tức là hình thành các chấn động không khí. Trên thực tế, họ đã vượt qua biên giới âm thanh. Về vấn đề này, tốc độ tối đa của máy bay có cánh quạt không vượt quá 650-700 km / h.

Có lẽ ngoại lệ duy nhất là máy bay ném bom Tu-95, đạt tốc độ lên tới 950 km / h, tức là tốc độ gần như âm thanh. Mỗi động cơ của nó được trang bị hai cánh quạt đồng trục quay ngược chiều nhau. Chà, vấn đề cuối cùng của máy bay động cơ cánh quạt là tiếng ồn của chúng, các yêu cầu liên tục được nhà chức trách hàng không siết chặt.

Phân loại

Có nhiều cách phân loại cánh quạt máy bay. Chúng được chia thành các nhóm tùy thuộc vào vật liệu mà chúng được tạo ra, vào hình dạng của các lưỡi dao, đường kính, số lượng của chúng, cũng như một số loại khác.đặc điểm. Tuy nhiên, quan trọng nhất là sự phân loại của chúng theo hai tiêu chí:

• Đầu tiên - có các cánh quạt có cường độ thay đổi và cường độ cố định.
• Thứ hai - có vít kéo và đẩy.

Cái đầu tiên được lắp ở phía trước máy bay và cái thứ hai tương ứng ở phía sau. Một chiếc máy bay có cánh quạt đẩy đã xuất hiện trước đó, nhưng sau đó nó bị lãng quên trong một thời gian và chỉ mới xuất hiện lại trên bầu trời tương đối gần đây. Bây giờ cách bố trí này được sử dụng rộng rãi trên các máy bay nhỏ. Thậm chí có những tùy chọn khá kỳ lạ, được trang bị cả hai lưỡi kéo và đẩy cùng một lúc. Máy bay có cánh quạt phía sau có một số ưu điểm, trong đó nổi bật là tỷ lệ lực nâng trên lực kéo cao hơn. Tuy nhiên, do không có luồng gió bổ sung từ cánh quạt, cánh có đặc điểm cất cánh và hạ cánh kém nhất.

Vít Pitch biến

Cánh quạt có thể thay đổi độ cao được lắp đặt trên hầu hết tất cả các máy bay hiện đại vừa và lớn. Với bước dao lớn, lực đẩy đạt được nhiều, nhưng nếu tốc độ động cơ khá thấp thì khả năng tăng tốc sẽ cực kỳ chậm. Điều này rất giống với tình huống với một chiếc ô tô khi ở số cao hơn đang cố gắng khởi động.

Tốc độ cao và cánh quạt nhỏ có nguy cơ gây chết máy và giảm lực đẩy về 0. Do đó, trong chuyến bay, cao độ liên tục thay đổi. Bây giờ điều này được thực hiện bằng cách tự động hóa, nhưng trước đây chính phi công phải liên tục giám sát việc này bằng tay.điều chỉnh góc độ. Cơ chế thay đổi độ cao của chân vịt là một ống lót đặc biệt với cơ cấu truyền động làm quay các cánh so với trục quay theo mức độ cần thiết.

Sự phát triển hiện đại ở Nga

Công việc cải tiến thiết bị chưa bao giờ dừng lại. Hiện tại, các cuộc thử nghiệm cánh quạt mới của máy bay AB-112 đang được thực hiện. Nó sẽ được sử dụng trên máy bay vận tải quân sự hạng nhẹ Il-112V. Đây là loại cánh quạt 6 cánh với hiệu suất 87%, đường kính 3,9 mét, tốc độ quay 1200 vòng / phút và cánh quạt có thể thay đổi bước quay. Một cấu hình lưỡi dao mới đã được phát triển và thiết kế của nó đã được làm nhẹ.