Не секрет, что пропеллеры самолётов бывают с фиксированным шагом винта, заданным на производстве, и с изменяемым. Постоянный шаг винта позволяет получить простую и дешёвую конструкцию. И поэтому такие винты могут быть сделаны хоть из дерева, хоть из карбона.
Применяются они как правило на небольших самолётах. Что же касается пассажирских турбовинтовых самолётов, то на них ставятся пропеллеры с изменяемым шагом винта. Они сложнее и дороже, но зато позволяют изменять угол положения лопастей.
Однако если мы посмотрим на современную реактивную пассажирскую авиацию, то там используются как правило турбовентиляторные авиадвигатели. Так вот этот самый вентилятор не имеет никаких механизмов изменения шага. Его лопатки установлены в пазы стационарно, а их угол и вся конфигурация задана на производстве.
И отсюда возникает вопрос: почему турбовинтовым пропеллерным самолётам нужно менять шаг винта, а современные реактивные с турбовентиляторными двигателями обходятся фиксированным шагом винта на их вентиляторе?
Однако прежде чем мы углубимся в аэродинамические тонкости обоих типов движителей, нужно разобраться: откуда вообще появляется такая необходимость в изменении положения лопастей и шага винта?
Если вы посмотрите на фото выше, то заметите, что лопасти крепятся к ступице на своего рода поворачивающихся основаниях. Вот от их поворота и зависит шаг винта.
Шаг винта - это расстояние, которое проходит одна лопасть за один оборот всего винта в условно несжимаемой среде. Измеряется он в метрах.
Так вот когда самолёт стоит на месте, и ему нужно тронуться с места, то с одной стороны ему нужно преодолеть силу трения покоя, а значит нужна максимальная тяга. С другой стороны воздух на земле плотный, не разреженный, и поэтому отбрасывать назад его сложнее. В таком случае задаётся задаётся оптимальный угол наклона лопастей - небольшой шаг винта - при которых тяга максимальная.
Очень важное замечание:
Шаг винта бывает геометрический и действительный. Геометрический шаг используют для теоретических расчетов - это расстояние проходимое винтом за один оборот в неподатливой среде. Действительным шагом или поступью винта называется расстояние которое винт проходит за 1 оборот в воздушной среде. Разность между геометрическим и действительным шагом называется скольжением винта. Так вот, при положительном скольжении, винт, захватывая и отбрасывая воздух назад, создает положительную тягу, а при отрицательном, он проходит расстояние большее, чем его геометрический шаг, поэтому отбрасывает воздух вперед.
Теперь представьте себе, что самолёт уже набрал крейсерскую скорость и вышел на высоту. Разумеется воздух на высоте менее плотный и более разреженный, а это значит, что отбрасывать его легче. Плюс ко всему самолёт уже обладает высокой скоростью, и нужно её всего лишь поддерживать. И поэтому угол отклонения лопастей должен быть больше, а стало быть и шаг винта больше.
Не трудно догадаться, что этот механизм отклонения лопастей и изменения их шага фактически выполняет роль коробки передач в автомобиле. Когда авто стоит на месте, то нужна высокая тяга на колёсах и небольшая скорость. Но после разгона крутящий момент на колёсах можно снизить и повысить их скорость вращения просто изменив передаточное число при помощи КПП.
А всё это потому, шаг винта зависит от скорости самолета и от числа оборотов винта. Зачем же его изменяют? Для этого надо посмотреть на то, что его вращает, двигатель. Мощность, которую двигатель может передать винту, называется эффективной мощностью. Полезной мощностью называется работа силы тяги винта в единицу времени. КПД винта равен их отношению.
Чувствуете куда я клоню?
У винта фиксированного шага (ВФШ) только на одной расчетной скорости полета винт и двигатель соответствуют друг другу. Это значит, что какую мощность требует винт для своего вращения, такую же мощность дает ему двигатель. Если уменьшить скорость, то винт для своего вращения потребует большую мощность, потому что увеличится скольжение винта, но двигатель дать ему ее не может.
Поэтому число оборотов начнет уменьшаться, т. к. винт перегружает двигатель. Такой винт называется тяжелым. Если скорость увеличивать больше расчетной, то все происходит наоборот и такой винт называется легким. Следовательно, у ВФШ на малых скоростях полета винт будет тяжелым и двигатель не сможет развивать полных оборотов, а значит и полной мощности.
На больших скоростях наоборот, командиру воздушного судна необходимо будет дросселировать двигатель, который может раскрутить легкий винт до предельно допустимого числа оборотов, опять налицо не полное использование возможностей двигателя. Поэтому авиаинженеры придумали ВИШ (винт изменяемого шага).
ВИШ дает возможность снять полную мощность двигателя на всем летном диапазоне скоростей, а не только на расчетной скорости и полнее преобразовать мощность двигателя в полезную мощность, потребную на перемещение самолета.
Но почему всё это становится ненужным, когда работает реактивный турбовентиляторный авиадвигатель?
Если вы посмотрите на фото ниже, то заметите, что этот вентилятор имеет не только стационарно закреплённые лопатки, но и обладает большим количеством этих воздушных лопаток.
Всё дело в том, что реактивные самолёты летают как правило выше, чем пропеллерные. А на больших эшелонах воздух разрежен гораздо сильнее. И поэтому авиаконструкторы просто решили рассчитать эти вентиляторы на большие высоты и на разреженный воздух. И у них получилось большое число лопаток и относительно небольшой диаметр.
Реактивные самолёты как правило совершают длительные перелёты, и поэтому незачем рассчитывать их двигатели и вентиляторы на режим взлёта, потому что он длится минуты. Полёт на эшелоне в 15 - 20 км длится часы, что гораздо важнее. И поэтому экономически выгоднее "заточить" эту крыльчатку вентилятора не под взлётный режим, а под полёт на большой высоте и на высокой скорости.
Пропеллерные же самолёты летают не так высоко, и им в буквальном смысле приходится перелопачивать своими лопастями плотный воздух. С ним сложно работать, и поэтому они имеют пропеллеры с изменяемым шагом винта.
