Коэффициент полезного действия (КПД) винта – отношение полезно используемой мощности к затраченной мощности двигателя, зависит, в основном, от диаметра и частоты вращения винта. КПД является оценкой эффективности работы гребного винта, его максимальная величина может достигать 70-80%, на малых судах 45-50%. Знать КПД винта необходимо для производства расчетов проектируемой скорости судна. КПД гребных винтов рассчитывается также по многочисленным графикам и диаграммам, основой которых служит коэффициент мощности (коэффициент нагрузки) - отношение произведения мощности двигателя, отданной винту, на частоту его вращения к поступательной скорости винта в попутном потоке
Основные виды потерь мощности в гребных винтах следующие:
1) потери на создание вызванных осевых скоростей;
2) потери на создание вызванных окружных скоростей;
3) профильные потери;
4) индуктивные (концевые) потери.
Для повышения КПД гребного винта на тяжелых водоизмещающих судах достаточно часто применяется кольцевая профилированная насадка, представляющая из себя замкнутое кольцо с плоско-выпуклым профилем.. Площадь входного сечения насадки больше площади выходного, винт устанавливается в наиболее узком месте и с минимальным (0,01 D винта) зазором между краем лопасти и внутренней поверхностью насадки. При работе винта засасываемый поток увеличивает скорость из-за уменьшения проходного сечения насадки, вследствие чего уменьшается скольжение винта. Дополнительный упор создается и на самой насадке (из-за обтекания водой подобно - крылу).
Один из сравнительно новых способов повышения эффективности винта -установка за ним свободно вращающегося турбопропеллера. СВТ представляет собой винт с узкими лопастями, свободно вращающийся на валу за основным винтом с небольшой частотой, составляющей 35-45 % от частоты вращения гребного вала. Диаметр СВТ несколько больше, чем у основного винта, причем внутренняя часть СВТ работает как турбина, т.е. раскручивается потоком от винта, а наружная, выходящая за габариты основного винта, - как движитель. Упор движительной части больше, чем сопротивление турбинной части, в результате СВТ создает дополнительный упор, повышая КПД установки.
При больших отношениях В/Т часто бывает выгодной установка двух, редко -большего числа винтов, в результате чего удается увеличить КПД благодаря увеличению площади гидравлического сечения. Особенно остро эта проблема стоит у мелкосидящих судов внутреннего плавания. Для таких судов предложены туннельные (тоннельные) обводы кормовой оконечности: винты располагаются в специально спрофилированных туннелях, так что их диаметр может превышать осадку судна кормой Т, достигая 1,25 Т. На переднем ходу туннель заполняется водой; благодаря увеличению площади гидравлического сечения (до 3 раз) требуемая мощность снижается, несмотря на увеличение сопротивления судна.
На некоторых судах, плавающих по мелководному незасоренному фарватеру, применяют полупогруженные винты, ось которых располагается выше уровня воды. По сравнению с полностью погруженным винтом такого же диаметра их КПД заметно меньше из-за прорыва воздуха к лопастям и волноообра-зования, но увеличение площади гидравлического сечения по сравнению с полностью погруженным винтом (винтами) нередко дает положительный эффект. К достоинствам полупогруженных винтов можно отнести простоту дейдвудного устройства, к недостаткам - большие массу и габариты.
Потери на создание вызванных окружных скоростей можно существенно снизить, применяя контрпропеллеры или обтекаемые рули. Эти вопросы нами рассмотрены в соответствующем разделе. Наибольшего эффекта позволяют достичь соосные винты противоположного вращения (СВПВ). Принцип их действия вполне соответствует названию. Валопровод состоит из двух валов, один из которых проходит внутри другого. Передний винт сидит на наружном валу, задний, с несколько меньшим диаметром и большим шагом, - на внутреннем, они вращаются в разные стороны. На любом режиме такая конструкция позволяет практически полностью устранить окружные потери. Пара соосных винтов всегда выигрывает в КПД по сравнению с винтом, за которым расположен обтекаемый руль. Рост КПД винта в свободной воде составляет 10-12 %, коэффициент влияния корпуса увеличивается на 10-15 %, что приводит к снижению необходимой мощности до 20 %. Но такой комплекс сложнее при проектировании, изготовлении, монтаже, эксплуатации и ремонте; размещение одного вала внутри другого создает серьезные трудности и является источником дополнительных потерь на трение. Эти трудности, очевидно, отпугивают проектантов, так что в мире в настоящее время имеется немного гражданских судов и военных кораблей с соосными винтами, среди них американская атомная подводная лодка. В нашей стране проводились серьезные исследования в данном направлении, однако судов с такими винтами нет.
Профильные потери снижают двумя путями: правильным выбором формы лопастных сечений и тщательной обработкой поверхности лопастей. Известно, что при работе на передний ход предпочтительны авиационные сечения лопастей, их входящие кромки притупляют, чтобы избежать отрыва потока при неизбежных колебаниях углов атаки. Средней линии профиля придается изгиб, определенный специальным расчетом из так называемого условия безударного входа: имеется в виду, что поток на расчетном режиме должен набегать на лопасть в направлении касательной к средней линии у входящей кромки. Обычно сечения вблизи корня получаются двояковыпуклыми, а на больших радиусах - выпукло-вогнутыми.
Обработка лопастей не только уменьшает сопротивление их движению в воде, но и делает профиль более близким к теоретическому. Как показали опыты, при высоте бугорков шероховатости не более 0,005 мм лопасти могут считаться гидравлически гладкими, т. е. КПД винта имеет максимальное значение. У шлифованного латунного винта высота бугорков шероховатости составляет примерно 0,025 мм, увеличиваясь на 0,015 мм в год, КПД нового винта получается примерно на 1 % меньше максимального. У хорошо обработанного винта из чугуна или углеродистой стали высота бугорков шероховатости около 0,175 мм, что ведет к снижению КПД на 5 %; за год эксплуатации она увеличивается на 3,5 мм. В настоящее время эти материалы почти не используются для изготовления гребных винтов. Углеродистая сталь и чугун - достаточно дешевые материалы, но отлитый и полностью обработанный стальной винт нередко оказывается дороже латунного или бронзового, к тому же перерасход топлива, обусловленный повышенной шероховатостью, делает винты из этих недорогих материалов неэкономичными. Практически при выборе материала гребного винта ориентируются на размеры и мощность судна: чем они больше, тем более прочный материал для них берут.
Учитывая большое влияние состояния поверхности лопастей на эффективность винта, при каждом доковании винт снимают, тщательно проверяют его состояние, обнаруженные дефекты вырубают и заваривают, после чего зачищают и проверяют качество работы.
Индуктивные (концевые) потери возникают из-за перетекания воды с нагнетательной поверхности на засасывающую, т. е. из области повышенного в область пониженного давления, через край лопасти. Как известно из теории крыла, наименьшие концевые потери имеет крыло эллиптической в плане формы. Примерно то же относится к гребному винту, контур которого делается скругленной формы. Если чрезмерно расширять концевые сечения, уменьшается ширина лопасти у корня, что затрудняет обеспечение ее прочности, и растут концевые потери. Если, наоборот, расширять лопасть у корня и сужать у края, уменьшаются размеры сечений на больших радиусах, которые создают основную часть упора (вследствие больших скоростей обтекания).
cyberpedia.su
Обратная связь
ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ
Сила воли ведет к действию, а позитивные действия формируют позитивное отношение
Как определить диапазон голоса - ваш вокал
Как цель узнает о ваших желаниях прежде, чем вы начнете действовать. Как компании прогнозируют привычки и манипулируют ими
Целительная привычка
Как самому избавиться от обидчивости
Противоречивые взгляды на качества, присущие мужчинам
Тренинг уверенности в себе
Вкуснейший "Салат из свеклы с чесноком"
Натюрморт и его изобразительные возможности
Применение, как принимать мумие? Мумие для волос, лица, при переломах, при кровотечении и т.д.
Как научиться брать на себя ответственность
Зачем нужны границы в отношениях с детьми?
Световозвращающие элементы на детской одежде
Как победить свой возраст? Восемь уникальных способов, которые помогут достичь долголетия
Как слышать голос Бога
Классификация ожирения по ИМТ (ВОЗ)
Глава 3. Завет мужчины с женщиной
Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.
Отёска стен и прирубка косяков - Когда на доме не достаёт окон и дверей, красивое высокое крыльцо ещё только в воображении, приходится подниматься с улицы в дом по трапу.
Дифференциальные уравнения второго порядка (модель рынка с прогнозируемыми ценами) - В простых моделях рынка спрос и предложение обычно полагают зависящими только от текущей цены на товар.
Часть энергии вращения двигателя затрачивается на вращение воздушного винта и направлена на преодоление сопротивления воздуха, закрутку отбрасываемой струи и др. Поэтому полезная секундная работа, или полезная тяговая мощность винта, nb, будет меньше мощности двигателя Ne, затраченной на вращение воздушного винта.
Отношение полезной тяговой мощности к потребляемой воздушным винтом мощности (эффективной мощности двигателя) называется коэффициентом полезного действия (кпд) воздушного винта и обозначается h. Он определяется по формуле
(3.12)
Рис. 11 Характеристики по мощности двигателя М-14П самолетов Як-52 и Як-55
Рис. 12 Примерный вид кривой изменения располагаемой мощности в зависимости от скорости полета
Рис. 13 Высотная характеристика двигателя М-14П на режимах 1 - взлетный, 2- номинальный 1, 3 - номинальный 2, 4 - крейсерский 1; 5 - крейсерский 2
Величина КПД воздушного винта зависит от тех же факторов, что и тяговая мощность воздушного винта.
КПД всегда меньше единицы и достигает у лучших воздушных винтов величины 0,8...0,9.
График зависимости располагаемой эффективной мощности от скорости полета для самолетов Як-52 и Як-55 изображен на Рис. 11.
График Рис. 12 называется характеристикой силовой установки по мощности.
При V=0, Np=0; при скорости полета V=300 км/ч, Np= =275 л.с. (для самолета Як-52) и V=320 км/ч, Np=275 л. с. (для самолета Як-55), где Np - потребная мощность.
С увеличением высоты эффективная мощность падает вследствие уменьшения плотности воздуха. Характеристика изменения ее для самолетов Як-52 и Як-55 от высоты полета Н изображена на Рис. 13.
Для уменьшения скорости вращения воздушного винта в двигателе применяется редуктор.
Степень редукции подбирается таким образом, чтобы на номинальном режиме концы лопастей обтекались дозвуковым потоком воздуха.
ВИНТЫ ИЗМЕНЯЕМОГО ШАГА
Для устранения недостатков воздушных винтов неизменяемого шага и фиксированного применяется воздушный винт изменяемого шага (ВИШ). Основоположником теории ВИШ является Ветчинкин.
ТРЕБОВАНИЯ К ВИШ:
ВИШ должен устанавливать на всех режимах полета наивыгоднейшие углы атаки лопастей;
снимать с двигателя номинальную мощность на всем рабочем диапазоне скоростей и высот;
сохранять максимальное значение коэффициента полезного действия на возможно большем диапазоне скоростей.
Лопасти ВИШ либо управляются специальным механизмом, либо устанавливаются в нужное положение под влиянием сил, действующих на воздушный винт. В первом случае это гидравлические и электрические воздушные винты, во втором - аэродинамические.
Гидравлический винт - воздушный винт, у которого изменение угла установки лопастей производится давлением масла подаваемого в механизм, находящийся во втулке винта.
Электрический винт - воздушный винт, у которого изменение угла установки лопастей производится электродвигателем, соединенным с лопастями механической передачей.
Аэромеханический винт - воздушный винт, у которого изменение угла установки лопастей производится автоматически - аэродинамическими и центробежными силами.
Наибольшее распространение получили гидравлические ВИШ. Автоматическое устройство в винтах изменяемого шага предназначено для сохранения постоянными заданных оборотов воздушного винта (двигателя) путем синхронного изменения угла наклона лопастей при изменении режима полета (скорости, высоты) и называется регулятором постоянства оборотов (РПО).
Рис. 14 Работа воздушного винта изменяемого шага В530ТА-Д35 при разных скоростях полета
РПО совместно с механизмом поворота лопастей изменяет шаг винта (угол наклона лопастей) таким образом, чтобы обороты, заданные летчиком с помощью рычага управления ВИШ, при изменении режима полета оставались неизменными (заданными).
При этом следует помнить, что обороты будут сохраняться до тех пор, пока эффективная мощность на валу двигателя Ne будет больше мощности, потребной для вращения воздушного винта при установке лопастей на самый малый угол наклона (малый шаг).
На Рис. 14 показана схема работы ВИШ.
При изменении скорости полета от взлетной до максимальной в горизонтальном полете угол установки лопастей j возрастает от своего минимального значения jмин до максимального jмакс (большой шаг). Благодаря этому углы атаки лопасти изменяются мало и сохраняются близкими к наивыгоднейшим.
Работа ВИШ на взлете характерна тем, что на взлете используется вся мощность двигателя - развивается наибольшая тяга. Это возможно при условии, что двигатель развивает максимальные обороты, а каждая часть лопасти винта развивает наибольшую тягу, имея наименьшее сопротивление вращению.
Для этого необходимо, чтобы каждый элемент лопасти воздушного винта работал на углах атаки, близких к критическому, но без срыва воздушного потока. На Рис. 14, а видно, что угол атаки лопасти перед взлетом (V=0)за счет перетекания воздуха со скоростью DV немного отличается от угла наклона лопасти на величину фмин. Угол атаки лопасти соответствует величине максимальной подъемной силы.
Сопротивление вращению достигает в этом случае величины, при которой мощность, расходуемая на вращение винта, и эффективная мощность двигателя сравниваются и обороты будут неизменными. С увеличением скорости угол атаки лопастей воздушного винта уменьшается (Рис. 14, б). Уменьшается сопротивление вращению и воздушный винт как бы облегчается. Обороты двигателя должны возрастать, но РПО удерживает их за счет изменения угла атаки лопастей постоянными. По мере увеличения скорости полета лопасти разворачиваются на больший угол jср.
При выполнении полета на максимальной скорости ВИШ также должен обеспечивать максимальное значение тяги. При полете на максимальной скорости угол наклона лопастей имеет предельное значение рмакс (Рис. 14, в). Следовательно, при изменении скорости полета происходит изменение угла атаки лопасти, при уменьшении скорости полета угол атаки увеличивается - винт затяжеляется, при увеличении скорости полета угол атаки уменьшается - винт облегчается. РПО автоматически переводит лопасти винта на соответствующие углы.
При увеличении высоты полета мощность двигателя уменьшается и РПО уменьшает угол наклона лопастей, чтобы облегчить работу двигателя, и наоборот. Следовательно, РПО удерживает обороты двигателя с изменением высоты полета постоянными.
При заходе на посадку воздушный винт устанавливается на малый шаг, что соответствует оборотам взлетного режима. Это дает возможность летчику при выполнении всевозможных маневров на глиссаде посадки получить взлетную мощность двигателя при увеличении оборотов до максимальных.
megapredmet.ru
Автор - Владимир Васильков (Vovic) В последнее время отмечается определенное блуждание, а иногда и откровенное введение в заблуждение относительно выбора винта на моделях хоббистско-пилотажного профиля, к которым с определенными допущениями можно отнести и тренировочные модели. Причина здесь, кажется, в том, что по традиционно-спортивным направлениям давно выработаны ориентиры и проведены теоретические обоснования оптимального выбора винтов - в скоростных, гоночных, таймерных моделях. Чтобы придти к правильным критериям не сильно углубляясь в дебри классической теории винта предлагается на обсуждение следующий материал.
На первый взгляд теоретика все просто. Берешь внешнюю и дроссельные характеристики мотора и семейство аэродинамических характеристик имеющихся в продаже винтов, по последним строишь семейство графиков потребной мощности в тех же координатах, что и внешние характеристики мотора. Тогда в искомом скоростном режиме находишь пересечение графиков - вот и получил оптимальный винт. В жизни все сложнее. Если при должном трудолюбии внешние характеристики мотора еще можно снять на стенде, то продувочные характеристики модельных винтов - это вряд ли. Модельные фирмы, даже гранды, их тоже не дают. Выход напрашивается такой: за базовые параметры принимаются общепринятые или рекомендуемые изготовителем мотора, а дальше идет их последовательное приближение в нужную конструктору сторону. Для этого надо хотя бы качественно понимать, как те или иные конструктивные параметры влияют на характеристики винта. Об этом и пойдет дальше речь.
Начнем все же с основных положений теории винта, взяв из нее лишь несколько формул:
Тяга винта 
Мощность, потребная на вращение винта 
Относительная поступь винта 
КПД винта 
Нагрузка на винт 
Здесь:
- коэффициент тяги винта
- коэффициент мощности винта
- плотность воздуха
- обороты винта
- диаметр винта
- скорость самолета
Больше формул брать не будем, а то многим станет не интересно.
Аналитически здесь много не насчитаешь, потому что главное, это как ведут себя коэффициенты тяги и мощности винта, а также их отношение, определяющее КПД винта. Эти параметры устанавливаются эмпирически путем снятия продувкой в аэродинамической трубе характеристик конкретных винтов. Поэтому мы рассмотрим их качественное изменение в зависимости от разных параметров. Начнем с КПД. Для типового винта график 
выглядит так:
Обратите внимание, относительная поступь - величина безразмерная и равна единице при скорости полета 1м/сек, оборотах винта 60 об/мин и его диаметре 1 метр. Теперь надо объяснить, почему график выглядит так. При нулевой поступи КПД равен нулю, потому что винт не совершает никакой работы - самолет стоит на месте. При поступи 1,6 данный винт также не совершает работы, потому что его шаг таков, что лопасти движутся с нулевым углом атаки (т.е. перпендикулярно потоку) и не образуют никакой тяги. Для винтов с другим шагом общий вид графика такой же, но он пропорционально сжат (при меньшем шаге) или растянут (при большем шаге) по оси 
. При скольжении 20-30% (для данного винта в области =1.1 - 1.4 ) КПД винта максимален и может достигать значения 0,8. Это наиболее выгодная область с точки зрения использования мощности двигателя. Интересно, что в этой области КПД меняется незначительно, т.е. при понижении скорости в этом диапазоне тяга пропорционально возрастает, что положительно сказывается на устойчивости полета по скорости. При скольжении менее 15 - 20% КПД начинает резко падать, потому что угол атаки лопасти снижается, соответственно падает 
лопасти винта и снижается его тяга. В диапазоне относительной поступи от 0 до 0,9 КПД винта почти линейно зависит от скорости, что указывает на почти неизменную его тягу !!!. Т.е. вопреки расхожему мнению, тягу правильно подобранного винта в полете можно довольно точно определить по статической тяге с небольшими поправками. Если поточнее посмотреть на эту часть графика, то он несколько выпуклый в левой половине. Это происходит потому, что тяга винта несколько уменьшается при снижении скорости вследствии увеличения нагрузки на винт B (см. формулу, там скорость в знаменателе, да еще и в квадрате). Типовая зависимость 
при изменении B от нуля до 10 выглядит так:
Падение коэффициента тяги связано с изменением характера потока воздуха перед винтом при снижении скорости. Но нам важна не причина, а то, что правильно подобранный винт в статике дает тягу, меньшую тяги при максимуме КПД, не более чем на 15 %.
Теперь о том, что такое правильно подобранный винт. Вернемся к графику КПД. Если на нем нанести семейство графиков винтов, различающихся только шагом, то они будут напоминать имеющийся, но сжатый, либо растянутый по оси , как это упоминалось выше. Правда максимум КПД при уменьшении шага тоже уменьшается. Значение максимума 0,8 имеет место в случае, если оптимальное скольжение винта попадает на относительную поступь величиною около единицы. Это и есть один из критериев правильно подобранного винта.
Чтобы оценить, где находятся типовые значения возьмем мотор 40-го объема с мощностью 1,3 л.с. при 14000 оборотах в минуту и посчитаем типовой для этого случая винт размера 250 на 150. При пилотажной скорости 90 км/час получаем равным 0,43. При такой поступи максимальный КПД не превысит 0,6. Чтобы получить такой КПД шаг винта при скольжении 20% должен составить около 9 сантиметров, а для реализации располагаемой мощности с таким шагом диаметр винта надо увеличить до 27 - 30 сантиметров. С указанным же выше шагом КПД будет не выше 0,5. Такой низкий КПД получается из-за слишком высоких оборотов двигателя на максимальной мощности.
Посмотрим, как выглядят в свете выше сказанного профессионалы F3A. Подавляющее их большинство летают на OS MAX 140 RX с винтом 16 на 14 дюймов на скоростях 90 - 70 км/час при оборотах мотора около 9000. 14-ти дюймовый винт оптимален при 25% скольжении на скорости около 180 км/час. При 90 км/час его КПД составит 0,65, а при 70 км/час - 0,5. Простой расчет показывает, что в диапазоне скоростей 50 - 100 км/час тяга этого винта вообще от скорости не зависит, а определяется только оборотами мотора. Наверное именно это нравится профессионалам, т.к. с данным винтом в пилотажном диапазоне скоростей существует взаимно однозначная связь между положением ручки газа и тягой мотора. Оптимальный же винт размером 18 на 8 дюймов даст тягу, большую процентов на двадцать при 90 км/час, но она будет зависеть не только от оборотов мотора, но и от скорости самолета. Профи согласны пожертвовать этой добавкой ради лучшей управляемости тягой.
Наихудшее положение у таймерных моделей. Там мотор крутит до 30000 оборотов в минуту, а скорость подъема самолета маленькая. При очень маленьком диаметре винта нагрузка на винт получается жуткой. В контексте сказанного очень правдоподобно звучит замечание Е.Вербицкого, упомянутое в 5 номере МСиХ за 1999 год. Там сказано, что по его расчетам "...обычные воздушные винты F1C диаметром 180 мм на частоте вращения 28000 об/мин обладают эффективностью порядка 40%. Путем снижения оборотов до 7000 с помощью редуктора при одновременном увеличении диаметра воздушного винта можно увеличить КПД винта до 80%". Такие же результаты получились у автора этого материала.
Вот у радиогонок - там как раз наоборот. Там скорости такие, что почти под любые обороты можно рассчитать винт с КПД близким к 0,8. Выше мало внимания уделялось коэффициенту мощности . Это не случайно. Дело в том, что данный параметр важен при расчетах экстремального режима. Если винт рассчитан на максимум тяги при максимуме мощности, то на частичных режимах, о которых говорилось в основном, есть уверенность что мощности двигателя хватит. Причем независимо от внешней характеристики мотора, потому что обороты в формуле потребной мощности стоят в третьей степени . Так быстро мощность не может падать со снижением оборотов даже у двигателей с резонансным выхлопом и скоростными фазами газораспределения. Для пилотажных моделей важнее не экстремальные режимы, а весь диапазон скоростей и нагрузок на винт.
Несколько строк о ширине лопасти. Широко распространено мнение, что уменьшая ширину лопасти винта можно несколько повысить его КПД. Это действительно так, но для скоростных режимов с относительно небольшой нагрузкой на винт. Для винта с узкой лопастью характеристика идет более круто. Настолько, что на большой нагрузке КПД винта с более широкой лопастью получается выше. Вместе с тем, это происходит в области малых абсолютных значений КПД.
Для низких скоростей полета при высокооборотных моторах снижать шаг и увеличивать диаметр винта можно не беспредельно. При угле атаки лопасти, меньшем наивыгоднейшего по поляре данного профиля, тяга единичного элемента снижается быстрее, чем растет ометаемая площадь винта. Т.е. для медленного полета есть минимальный шаг, дальше которого оптимизация винтомоторной установки возможна исключительно через редуктор.
Первый - правильно подобранный винт обеспечит пилотажке примерно постоянную максимальную тягу в широком диапазоне скоростей полета, начиная от старта.
Второй - существующие модельные двигатели из-за скоростной внешней характеристики не позволяют на медленном пилотаже современных тенденций F3A использовать винты с хорошим КПД. Кстати из этого вывода следует широко представленное в статьях МСиХ мнение о важности для пилотажных и тренировочных моделей кубатуры двигателя, а не его мощности, в частности авторами А.Соколовым и Д.Дмитриевым.
Третий - для современного 3D-пилотажа и на самолетах типа фан-флай перспективным можно считать применение мотор-редуктора с резко увеличенным диаметром винта. Только этот путь позволит резко (вдвое) улучшить соотношение тяга/вес мотоустановки. Тогда можно расчитывать на большой запас тяги на вертолетных скоростях и висении. Сейчас на Diamante висят с винтами 310 на 95 мм. Это предел, ниже снижать шаг уже неэффективно.
И последнее - о винтах изменяемого шага. На моделях пилотажного типа их применение нецелесообразно. ВИШ, конечно, позволит на малых скоростях дать прирост тяги за счет более высокого КПД, но этот прирост там не нужен. К тому же этот прирост будет меньше теоретического из-за аэродинамической крутки лопасти. В отличие от вертолетных винтов, у самолетных приличная крутка, оптимальная только на одном шаге. В большой авиации ВИШ получил распространение в основном для обеспечения высокой экономичности мотоустановки, что для моделей роли не играет.
P.S. В материале приведены формулы и графики из монографий Александрова В.Л. "Воздушные винты" и Болонкина А.А. "Теория полета летающих моделей". В расчетах КПД использовалась сетка аэродинамических характеристик английского винта из последней работы.
Обсудить на форумеwww.rcdesign.ru
Изобретение относится к буровой технике, а именно к забойным двигателям, предназначенным для бурения и ремонта нефтяных и газовых скважин. Винтовой забойный двигатель, содержащий статор с внутренними винтовыми зубьями и ротор с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа зубьев статора, профили наружных зубьев ротора и внутренних зубьев статора в торцевом сечении выполнены взаимно огибаемыми, а ходы винтовых зубьев ротора и статора пропорциональны их числам зубьев, ротор выполнен из имеющего слоистую структуру профилированного троса, облицованного оболочкой, выполненной металлической, например стальной. При этом металлическая оболочка ротора соединяется с ротором непосредственно механическим обжатием или посредством промежуточного материала, введенного между ротором и оболочкой ротора, например, в виде термореактивной пластмассы или клея. Рабочая поверхность ротора может быть также облицована материалом, выбранным из группы антифрикционных материалов, например полиамидом или резиной, при этом статор может быть выполнен с металлическими зубьями. Профилированный трос ротора выполнен из металлической проволоки и содержит сердечник. Увеличивается кпд винтового забойного двигателя при возможности профиля ротора самоустанавливаться по профилю статора. В основном устраняется негативное влияние погрешностей изготовления по кривизне ротора и статора на работу двигателя. Упрощается технология изготовления двигателя. 7 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к буровой технике, а именно к винтовым забойным двигателям, предназначенным для бурения и ремонта нефтяных и газовых скважин.
Известен винтовой забойный двигатель, содержащий статор с внутренними винтовыми зубьями и ротор с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа зубьев статора, профили наружных зубьев ротора и внутренних зубьев статора в торцевом сечении выполнены взаимно огибаемыми, а ходы винтовых зубьев ротора и статора пропорциональны их числам зубьев. Ротор данных винтовых забойных двигателей является жестким и выполняется из коррозионно-стойкой стали или из конструкционной стали с хромированием зубьев (Гусман М.Т. Забойные винтовые двигатели для бурения скважин. - М.: Недра, 1981, стр.10-19) Для нормальной работы подобного двигателя требуется выполнение с высокой точностью прямолинейности ротора и канала статора. Для ротора допустимое отклонение от прямолинейности обычно составляет 0,05-0,1 мм на 1000 мм длины ротора, для статора 0,1 -0,2 мм на 1000 мм длины статора. При этом кпд двигателя обычно не превышает 50% и резко уменьшается при искривлении оси ротора или оси канала статора более упомянутых величин. При искривлении оси ротора более 0,5 мм на 1000 мм длины двигатель вообще обычно не запускается или работает неэффективно. Помимо этого при работе двигателя прототипа часто возникают изгибающие нагрузки, действующие на статор со стороны скважины, которые изгибают статор, и при жестком роторе происходит остановка двигателя или понижение эффективности его работы. Особенно это проявляется при бурении искривленных участков стволов скважин.
Целью изобретения является увеличение кпд винтового забойного двигателя, повышение его надежности при эксплуатации и упрощение технологии его изготовления.
Указанная цель достигается тем, что в винтовом забойном двигателе, содержащем статор с внутренними винтовыми зубьями и ротор с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа зубьев статора, профили наружных зубьев ротора и внутренних зубьев статора в торцевом сечении выполнены взаимно огибаемыми, а ходы винтовых зубьев ротора и статора пропорциональны их числам зубьев, ротор выполнен из имеющего слоистую структуру профилированного троса, облицованного оболочкой. При этом указанная цель достигается также, когда оболочка выполнена металлической, например стальной, и когда металлическая оболочка соединяется с профилированным тросом посредством промежуточного материала, введенного между профилированным тросом и оболочкой, например в виде термореактивной пластмассы или клея, также в случае, когда оболочка ротора выполнена из материала, выбранного из группы антифрикционных, например полиамида или резины, при выполнении статора с металлическими зубьями, при выполнении профилированного троса из металлической проволоки, при выполнении профилированного троса с содержанием сердечника и когда статор двигателя выполнен изогнутым для возможности бурения искривленного участка скважины при работе двигателя.
Отличительными признаками предлагаемого винтового забойного двигателя от указанного выше наиболее близкого к нему являются следующие:
Во-первых, в винтовом забойном двигателе, содержащем статор с внутренними винтовыми зубьями и ротор с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа зубьев статора, профили наружных зубьев ротора и внутренних зубьев статора в торцевом сечении выполнены взаимно огибаемыми, а ходы винтовых зубьев ротора и статора пропорциональны их числам зубьев, ротор выполнен из имеющего слоистую структуру профилированного троса, облицованного оболочкой.
Во-вторых, при этом оболочка выполнена металлической, например стальной, что сохраняет повышенную гибкость ротора в поперечном направлении и удешевляет технологию изготовления ротора, это также соблюдается, когда металлическая оболочка соединяется с профилированным тросом посредством промежуточного материала, введенного между профилированным тросом и оболочкой, например, в виде термореактивной пластмассы или клея.
В-третьих, когда ротор выполнен из имеющего слоистую структуру профилированного троса, облицованного оболочкой, и при этом оболочка выполнена из материала, выбранного из группы антифрикционных, например полиамида или резины, и также когда статор при этом выполнен с металлическими зубьями, появляется возможность использовать недорогие существующие технологии получения внутренних металлических зубьев статора, обладающие недостатком погрешности хода зубьев, составляющей 1-2 мм на 1000 мм длины зубьев. Обычный, жесткий цельностальной ротор, не работает при данной погрешности или работает крайне неэффективно, а более гибкий в поперечном направлении ротор при данном исполнении компенсирует погрешности хода зубьев статора, изгибаясь и самоустанавливаясь по профилю статора и повышая при этом кпд двигателя.
В-четвертых, когда ротор выполнен из имеющего слоистую структуру профилированного троса, облицованного оболочкой, и при этом профилированный трос выполнен из металлической проволоки и также когда при этом профилированный трос содержит сердечник, более надежно обеспечивается передача вращающего момента двигателя через тело ротора к долоту при сохранении повышенной гибкости ротора в поперечном направлении.
В-пятых, когда ротор выполнен из имеющего слоистую структуру профилированного троса, облицованного оболочкой, и статор двигателя выполнен изогнутым, появляется возможность бурения искривленного участка скважины при работе двигателя без применения различного вида искривленных переводников в конструкции двигателя.
Винтовой забойный двигатель иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-5.
На фиг.1 показан общий вид винтового забойного двигателя.
На фиг.2 - аксонометрия ротора и статора, при этом ротор выполнен из металлического профилированного троса и имеет сердечник и металлическую оболочку, а статор выполнен с внутренними зубьями из резины.
На фиг.3 - аксонометрия ротора и статора, при этом ротор выполнен из металлического профилированного троса и имеет сердечник и резиновую оболочку, а статор выполнен с внутренними металлическими зубьями.
На фиг.4 - схема изгиба оси ротора вокруг оси статора при несовпадении шага зубьев ротора и статора.
На фиг.5 - схема изгиба оси ротора и оси статора при искривленном статоре.
Винтовой забойный двигатель (фиг.1) содержит статор 1 с внутренними винтовыми зубьями 2 и ротор 3 с наружными винтовыми зубьями 4, число которых на единицу меньше числа зубьев статора. Профили наружных зубьев 4 ротора 3 и внутренних зубьев 2 статора 1 в торцевом сечении выполнены взаимно огибаемыми, а ходы винтовых зубьев ротора 3 и статора 1 пропорциональны их числам зубьев, при этом между ротором 3 и статором 1 образуются рабочие камеры 18. Ротор 3 выполнен из имеющего слоистую структуру профилированного троса 5, облицованного оболочкой 6 (фиг.2). Оболочка 6 ротора 3 выполнена металлической, например стальной, при этом зубья 2 статора 1 выполнены из резины. Металлическая оболочка 6 соединяется с профилированным тросом 5 посредством промежуточного материала (не показан), введенного между профилированным тросом 5 и оболочкой 6, например, в виде термореактивной пластмассы или клея. В другом исполнении (фиг.3) оболочка ротора 3 выполнена из материала 17, выбранного из группы антифрикционных, например полиамида или резины, при этом статор 1 выполнен с металлическими зубьями 2. Профилированный трос 5 выполнен из металлической проволоки и содержит сердечник 7. Статор 1 двигателя выполнен изогнутым (фиг.5) для возможности бурения искривленного участка скважины при работе двигателя. Винтовой забойный двигатель (фиг.1) также содержит верхний переводник 8 для соединения двигателя с колонной бурильных труб и опорный узел 9, включающий полый выходной вал 10, соединенный с долотом 11 и установленный относительно корпуса 12 в радиальных опорах 13 и осевой опоре 14. Полый выходной вал 10 соединен с ротором 3 двигателя, в данном случае посредством гибкого вала 15 для передачи вращающего момента на долото 11 или другой буровой инструмент при работе двигателя. Статор 1 винтового забойного двигателя одновременно служит корпусом верхней части двигателя и соединяется в данном случае с корпусом 12 опорного узла соединительным переводником 16. Винтовой забойный двигатель может также содержать дополнительную осевую опору (на чертеже не показана), установленную выше ротора 3, для дополнительной фиксации ротора в осевом направлении двигателя.
Работа винтового забойного двигателя осуществляется следующим образом.
Поток бурового раствора под давлением от бурового насоса двигается по колонне бурильных труб в верхнюю часть двигателя. Далее поток поступает в винтовые рабочие камеры 18 между ротором 3 и статором 1, создавая неуравновешенный вращающий момент, действующий на ротор 3 и вызывающий его вращение относительно статора 1. При вращении ротора камеры 18 с буровым раствором перемещаются в нижнюю часть двигателя, и далее буровой раствор выходит через полый выходной вал 10 к долоту 11. Ротор 3 более гибок в поперечном направлении при выполнении ротора 3 из профилированного троса 5, имеющего слоистую структуру. Выполнение ротора 3 подобным образом позволяет зубьям 4 ротора 3 самоустанавливаться по зубьям 2 статора 1 и исключить влияние погрешностей изготовления по кривизне ротора 3 и статора 1 на кпд двигателя. При несовпадении шага зубьев ротора 3 и статора 1, например, при использовании статоров с металлическими внутренними зубьями 2, полученных технологией, обладающей погрешностью выполнения шага зубьев, профиль зубьев ротора 3 самоустанавливается по профилю зубьев статора 1, компенсируя погрешность шагов ротора 3 и статора 1. При этом ось 19 ротора 3 принимает вид винтовой линии (фиг.4), которая изгибается вокруг оси 20 статора 1 (фиг.4). В данном случае происходит изменение длины рабочих камер 18 между ротором и статором в сторону знака накопленной погрешности хода зубьев 4 ротора 3 относительно хода зубьев 2 статора 1. Ротор 3 при работе испытывает постоянные циклические изгибы. Однако периодический изгиб ротора 3, обладающего повышенной гибкостью в поперечном направлении, в этом случае в меньшей степени оказывает влияние на уменьшение кпд двигателя, чем изгиб обычного жесткого ротора. Работа обычного ротора при накопленной погрешности хода зубьев более чем 1 мм на 1000 мм длины статора или ротора неэффективна и часто бывает невозможной при его повышенном сопротивлении изгибу.
Данный случай изгиба оси 19 ротора 3 вокруг оси 20 статора 1 при работе двигателя создает положительный дополнительный эффект динамической балансировки двигателя, уменьшая при этом поперечную вибрацию двигателя, что особенно ощутимо при высоких оборотах вращения ротора 3. При намеренном искривлении оси 20 статора 1 (фиг.5) для использования двигателя, например, при бурении искривленного участка скважины, при работе двигателя также возникают постоянные циклические поперечные изгибы ротора 3. Ротор 3 является более гибким в поперечном направлении с минимальным сопротивлением изгибу при выполнении ротора 3 из профилированного троса 5, имеющего слоистую структуру и облицованного оболочкой 6. При этом периодический изгиб ротора 3, обладающего повышенной гибкостью в поперечном направлении, в меньшей степени оказывает влияние на уменьшение кпд двигателя, чем изгиб обычного жесткого ротора, и делает возможной эффективную работу винтового забойного двигателя с искривленным для технологических целей бурения статором.
1. Винтовой забойный двигатель, содержащий статор с внутренними винтовыми зубьями и ротор с наружными винтовыми зубьями, число которых на единицу меньше числа зубьев статора, профили наружных зубьев ротора и внутренних зубьев статора в торцевом сечении выполнены взаимно огибаемыми, а ходы винтовых зубьев ротора и статора пропорциональны их числам зубьев, отличающийся тем, что ротор выполнен из имеющего слоистую структуру профилированного троса, облицованного оболочкой.
2. Винтовой забойный двигатель по п.1, отличающийся тем, что оболочка выполнена металлической, например, стальной.
3. Винтовой забойный двигатель по п.2, отличающийся тем, что металлическая оболочка соединяется с профилированным тросом посредством промежуточного материала, введенного между профилированным тросом и оболочкой, например, в виде термореактивной пластмассы или клея.
4. Винтовой забойный двигатель по п.1, отличающийся тем, что оболочка ротора выполнена из материала, выбранного из группы антифрикционных, например, полиамида или резины.
5. Винтовой забойный двигатель по п.1, отличающийся тем, что статор выполнен с металлическими зубьями.
6. Винтовой забойный двигатель по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что профилированный трос выполнен из металлической проволоки.
7. Винтовой забойный двигатель по п.6, отличающийся тем, что профилированный трос содержит сердечник.
8. Винтовой забойный двигатель по п.1, отличающийся тем, что статор двигателя выполнен изогнутым для возможности бурения искривленного участка скважины при работе двигателя.
www.findpatent.ru
Авиация: Энциклопедия. — М.: Большая Российская Энциклопедия. Главный редактор Г.П. Свищев. 1994.
.
коэффициент полезного действия воздушного винта — коэффициент полезного действия воздушного винта отношение полезной мощности, затрачиваемой на преодоление сопротивления движению летательного аппарата, к мощности двигателя N: η = PV/N (P тяга винта, V поступательная скорость … Энциклопедия «Авиация»
коэффициент полезного действия воздушного винта — коэффициент полезного действия воздушного винта отношение полезной мощности, затрачиваемой на преодоление сопротивления движению летательного аппарата, к мощности двигателя N: η = PV/N (P тяга винта, V поступательная скорость … Энциклопедия «Авиация»
коэффициент полезного действия винта — к.п.д. винта Безразмерная величина, характеризуемая отношением эффективной мощности воздушного винта к мощности воздушного винта. [ГОСТ 21664 76] Тематики винты воздушные авиационных двигателей Синонимы к.п.д. винта … Справочник технического переводчика
воздушный винт — Рис. 1. Схемы воздушных винтов. воздушный винт лопастной движитель для преобразования крутящего момента двигателя в тягу винта. Устанавливается на самолётах, винтокрылах, аэросанях, аппаратах на воздушной подушке, экранопланах и т. д.В. в … Энциклопедия «Авиация»
воздушный винт — Рис. 1. Схемы воздушных винтов. воздушный винт лопастной движитель для преобразования крутящего момента двигателя в тягу винта. Устанавливается на самолётах, винтокрылах, аэросанях, аппаратах на воздушной подушке, экранопланах и т. д.В. в … Энциклопедия «Авиация»
воздушный винт — Рис. 1. Схемы воздушных винтов. воздушный винт лопастной движитель для преобразования крутящего момента двигателя в тягу винта. Устанавливается на самолётах, винтокрылах, аэросанях, аппаратах на воздушной подушке, экранопланах и т. д.В. в … Энциклопедия «Авиация»
воздушный винт — Рис. 1. Схемы воздушных винтов. воздушный винт лопастной движитель для преобразования крутящего момента двигателя в тягу винта. Устанавливается на самолётах, винтокрылах, аэросанях, аппаратах на воздушной подушке, экранопланах и т. д.В. в … Энциклопедия «Авиация»
воздушный винт — (пропеллер), лопастный движитель, преобразующий мощность (крутящий момент) двигателя в тягу, необходимую для поступательного движения летательных аппаратов, аэросаней, глиссеров, судов на воздушной подушке. Воздушные винты бывают тянущие –… … Энциклопедия техники
авиация — Рис. 1. Изменение приведённой «вредной» площади манёвренных истребителей по годам. авиация (франц. aviation, от лат. avis птица) широкое понятие, связанное с полётами в атмосфере аппаратов тяжелее воздуха. А. включает необходимые технические… … Энциклопедия «Авиация»
авиация — Рис. 1. Изменение приведённой «вредной» площади манёвренных истребителей по годам. авиация (франц. aviation, от лат. avis птица) широкое понятие, связанное с полётами в атмосфере аппаратов тяжелее воздуха. А. включает необходимые технические… … Энциклопедия «Авиация»
dic.academic.ru
