Пламенный мотор — об авиационных двигателях
Как известно, «жёсткие» винты, у которых угол установки лопастей постоянный, стоят лишь на квадрокоптерах, мотодельтапланах и прочей технике, летающей со скоростями до 100 км/ч. На всём начиная с Як-18 стоят винты изменяемого шага (ВИШ) – их лопасти могут поворачиваться, чтобы врезáться в воздух под наиболее оптимальным для данной скорости углом. Вот винт АВ-140 самолёта Ан-140-100:
На стоянке с работающим двигателем лопасти стоят на нуле, тяги не создают – «включена нейтраль». Чуть повернули – тяга появилась. По мере роста скорости, когда поток начинает набегать спереди, угол установки (φ) надо увеличивать – иначе лопасть просто перестанет загребать, при падении скорости – угол уменьшать, иначе начнётся срыв потока – лопасть будет рвать воздух, а не загребать.
При отказе двигателя лопасти можно и вовсе поставить поперёк втулки – вдоль потока, чтобы они не тормозили самолёт, это называется флюгерным положением. Однако на винтах некоторых самолётов, преимущественно лёгких, на комлевых частях лопастей можно увидеть ещё некие грузы, они показаны жёлтыми стрелками.
Они есть и у Ан-2, и у Л-410 – правда, у чеха скрыты под коком (обтекателем втулки винта):
А вот у Ан-24 ни под коком, ни снаружи никаких грузов нет – видны лишь болты, стягивающие хомуты лопастей, их можно разглядеть и на Ан-2:
На Ту-95 то же самое – только болты, никаких грузов у комлей лопастей:
Есть грузы или нет – зависит от принципа управления шагом винта. Как механические тормоза на легковых автомобилях давным-давно уступили место гидравлическим – так и механическое управление винтом самолёта к середине ХХ века полностью было вытеснено гидравлическим.
Но схем гидравлического управления две – прямая и обратная, и грузы нужны при прямой схеме. Прежде чем разбираться с силами и схемами – стоит изучить конструкцию втулки ВИШ в целом. Основа винта – корпус втулки, он стальной и очень прочный, поскольку его разрывают десятки центробежных тонно-сил. Казалось бы, откуда тонны, когда лопасти сделаны из алюминия либо композита и весят всего десятки килограммов?
Можно посчитать и убедиться. Одна лопасть винта АВ-68 (Ан-12, Ил-18) весит 59 кг – взвешивал в этом посте. Лопасть от АВ-60 (Ту-95) весит 96 килограммов, диаметр винта – 5,6 м, обороты – 735 мин⁻¹. Центробежная сила на ½ радиуса винта (1,4 м, примерно там центры масс лопастей) Fц = mv²/r = 96 ✘ 107,7² / 1,4 = 795,4 кН ≈ 80 тс. Вот так, втулку каждого из винтов Ту-95 разрывают лебедь, рак, щука и ещё какой-то зверь общей силой более 300 тонн!
Иначе говоря, нагрузки там как в железнодорожной автосцепке. И толщина металла примерно такая же. Вот втулка заднего винта Ту-95:
Хорошо видна резьба в стаканах. Ответная накатана на комлях лопастей:
Резьба эта – хитрого профиля, среднего между трапециевидным и круглым, по этой резьбе алюминиевая лопасть вкручивается в стальной стакан как лампочка. Кто подумал о гальванокоррозии – подумал правильно, недавно я пытался скрутить лопасть с простоявшего 40 лет на улице без движения учебного винта, так её не получилось сорвать даже 4-метровым рычагом, который дёргали УАЗом. Только рычаг (пара брусков сечением что-то типа 60х80) сломали... Но в пределах назначенного ресурса ничего не сгнивает.
Вкрученная лопасть фиксируется в стакане (на чертеже ниже – синий) хомутом.
Стакан стоит в корпусе на многорядном шарикоподшипнике (шарики залиты красным), внешней обоймой которого служит корпус, а внутренней – стакан. После сборки этот подшипник стягивается и регулируется гайкой (зелёная) – точно как велосипедная втулка. От отворачивания гайка удерживается контровочным кольцом (рыжее) – усами (показаны зелёными стрелками) кольцо держится за стакан, а шлицами (мелкие зубья по кругу) держит гайку.
Лучше всего эти шарики видны во втулке винта Л-410:
Стаканы поворачиваются синхронно с помощью шатунов (красные) от поршня (зелёный):
Траверса (рыжая) жёстко скреплена с поршнем и передаёт его усилие на шатуны. На Л-410 передача сил иная: вместе с поршнем перемещается шток, через открытые пáры трения тягающий поводки, сидящие на пальцах лопастей:
Ни дать ни взять челюстные буксы:
Благо тут они работают не на открытом воздухе в пыли балласта, тут они в масле в закрытом объёме. Кстати, о масле: поршень в одну сторону перемещается именно силой масла, в в другую лопасти поворачиваются за счёт поперечных составляющих центробежных сил:
Как видим, «по умолчанию» лопасти стремятся повернуться так, чтобы вписаться в плоскость вращения – на нулевой угол, когда они не создают тяги. Чем это плохо? Тем, что при отказе управления винтом лопасти повернутся на ноль и винт потеряет тягу – даже при исправном двигателе!
Однако если на лопастях перпендикулярно закрепить грузы – то центробежные силы тяжёлых грузов будут больше сил на лёгких алюминиевых или композитных лопастях и будут стремиться повернуть лопасти на рабочий угол. Винт с грузами называется винтом прямого действия – он сам, без управления, выходит на рабочий угол, а винт без грузов, который надо держать на рабочем угле давлением масла – винтом обратного действия.
Если присмотреться к винтам прямого действия – действительно видно, что грузы закреплены поперёк лопастей, причём выполнены как одно целое с хомутами – чтобы не плодить детали:
Угол установки грузов такой, что они ставят лопасти на крейсерский шаг. Взлететь на таком шаге проблематично – лопасти будут работать со срывом потока, но вот завершить полёт при отказе регулятора винта или вообще разгерметизации втулки – вполне. А на винтах обратного действия в роли защиты на такие случаи выступают фиксаторы шага – гидравлический, механический, центробежный... Цена избавления от грузов – некоторые усложнение винта.
О том, как вообще масло подаётся во втулку, как устроены регулятор и фиксаторы – во второй статье! Пока можно взглянуть на живой винт и послушать его работу в полёте на разных режимах на четвёртом видео «Самолёту – задний ход!», увидеть флюгирование – на пятом. Оповещение о второй статье, как и другие материалы о транспорте, выйдет в нашем объединённом Телеграм-канале «Всё, что движется»:
—=≡=—=≡=—=≡=—=≡=—=≡=—=≡=—=≡=—