Пропеллеры противоположного вращения - Contra-rotating propellers

Пропеллеры противоположного вращения
Винты противоположного вращения на P-51XR Mustang Precious Metal с двигателем Rolls-Royce Griffon на гонках Reno Air Races 2014

Самолеты, оснащенные воздушными винтами встречного вращения , также называемыми CRP , соосными винтами встречного вращения или высокоскоростными винтами , используют максимальную мощность, как правило, одного поршневого или турбовинтового двигателя для приведения в действие двух соосных пропеллеров, вращающихся в противоположном направлении . Два воздушных винтов расположены один за другим, и мощность передается от двигателя через планетарной шестерни или прямозубых передач трансмиссии . Пропеллеры встречного вращения также известны как пропеллеры встречного вращения, хотя пропеллеры встречного вращения гораздо более широко используются, когда речь идет о воздушных винтах на отдельных несоосных валах, вращающихся в противоположных направлениях.

Операция

Когда воздушная скорость мала, масса воздуха, проходящего через диск гребного винта ( тяга ), вызывает создание значительного тангенциального или вращательного воздушного потока вращающимися лопастями. Энергия этого тангенциального воздушного потока тратится впустую в конструкции с одним винтом и вызывает проблемы с управлением на низкой скорости, поскольку воздух ударяет по вертикальному стабилизатору , вызывая рыскание самолета влево или вправо, в зависимости от направления вращения винта. Чтобы использовать эти напрасные усилия, размещение второго гребного винта позади первого использует возмущенный воздушный поток.

Хорошо спроектированный гребной винт встречного вращения не будет иметь вращающегося воздушного потока, равномерно проталкивая максимальное количество воздуха через диск гребного винта, что приведет к высокой производительности и низким наведенным потерям энергии. Он также служит для противодействия эффекту асимметричного крутящего момента обычного гребного винта (см. P-фактор ). Некоторые системы встречного вращения были разработаны для использования на взлете для обеспечения максимальной мощности и эффективности в таких условиях и позволяли отключать один из пропеллеров во время крейсерского полета для увеличения времени полета.

Преимущества и недостатки

Крутящий момент на самолет от пары вращающихся в противоположных направлениях пропеллеров эффективно нейтрализуется.

Было обнаружено, что гребные винты противоположного вращения на 6–16% более эффективны, чем обычные гребные винты.

Однако они могут быть очень шумными, с увеличением шума в осевом (вперед и назад) направлении до 30 дБ и по касательной до 10 дБ. Большую часть этого дополнительного шума можно найти на более высоких частотах. Эти существенные проблемы с шумом ограничивают коммерческие применения. Одна из возможностей - заключить вращающиеся в противоположном направлении гребные винты в кожух . Это также полезно, если уменьшена скорость наконечника или нагрузка на лопасти, если задний гребной винт имеет меньше лопастей или меньший диаметр, чем носовой винт, или если расстояние между задним и носовым гребными винтами увеличено.

Эффективность винта встречного вращения несколько компенсируется его механической сложностью и дополнительным весом этой передачи, что делает самолет тяжелее, поэтому некоторые характеристики приносятся в жертву, чтобы нести его. Тем не менее, соосные винты и роторы встречного вращения использовались на нескольких военных самолетах , таких как Туполев Ту-95 «Медведь» .

Они также проходят экспертизу для использования в авиалайнерах .

Использование в самолетах

В то время как несколько стран экспериментировали с винтами встречного вращения в самолетах, только Великобритания и Советский Союз производили их в больших количествах. Первый самолет, оснащенный пропеллером встречного вращения, появился в США, когда два изобретателя из Форт-Уэрта, штат Техас, испытали эту концепцию на самолете.

Великобритания

Винты противоположного вращения самолета Spitfire Mk XIX

Пропеллер встречного вращения был запатентован Ф. В. Ланчестером в 1907 году.

Некоторые из наиболее успешных британских самолетов с противоположного вращения гребных винтов являются Avro Shackleton , питание от Rolls-Royce Griffon двигателя, и Fairey баклан , который использовал двойной Mamba Mk.101 двигатель. В Double Mamba две отдельные силовые секции приводили в движение по одному гребному винту каждая, что позволяло отключать одну силовую секцию (двигатель) в полете, увеличивая выносливость.

Другой военно-морской самолет, Westland Wyvern, имел винты встречного вращения.

Более поздние варианты Supermarine Spitfire и Seafire использовали Griffon с винтами, вращающимися в противоположных направлениях. В случае Spitfire / Seafire и Shackleton основной причиной использования винтов противоположного вращения было увеличение площади лопастей винта и, следовательно, поглощение большей мощности двигателя в пределах диаметра винта, ограниченного высотой шасси самолета . На Short Sturgeon использовались два Merlin 140 с винтами встречного вращения.

Бристоль Брабазон прототип авиалайнер использовал восемь Бристоль CENTAURUS двигателей вождения четыре пары вращающегося в противоположных направлениях воздушных винтов, каждый из двигателя за рулем одного гребного винта.

Послевоенный SARO принцессы прототип летающей лодки авиалайнера также было восемь из десяти двигателей приводных вращающихся в противоположных направлениях воздушных винтов.

СССР, Россия и Украина

Один из четырех винтов противоположного вращения российского стратегического бомбардировщика Ту-95

В 1950-х годах в Советском конструкторском бюро Кузнецова был разработан турбовинтовой НК-12 . Он приводит в движение 8-лопастной воздушный винт встречного вращения и, обладая мощностью на валу 15 000 лошадиных сил (11 000 киловатт), является самым мощным турбовинтовым двигателем в эксплуатации. Четыре двигателя НК-12 приводят в действие Туполев Ту-95 Медведь , единственный турбовинтовой бомбардировщик, поступивший на вооружение, а также один из самых быстрых винтовых самолетов . Ту-114 , производное авиалайнер Ту-95, держит мировой рекорд скорости для винтовых самолетов. Ту-95 также был первым советским бомбардировщиком, имевшим межконтинентальную дальность полета. Тот-126 AEW самолет и Тот-142 патрульный самолет морского два более НК-12 приведенных в конструкции , полученная из Того-95.

Двигатель НК-12 установлен на другом известном советском самолете Антонов Ан-22 Антеус, тяжелом грузовом самолете. На момент своего появления Ан-22 был самым большим самолетом в мире и до сих пор остается самым большим в мире самолетом с турбовинтовым двигателем. С 1960-х по 1970-е годы он установил несколько мировых рекордов в категориях максимального отношения полезной нагрузки к высоте и максимальной полезной нагрузки, поднимаемой на высоту.

Менее примечательно использование двигателя НК-12 в среднеразмерном советском экраноплане А-90 «Орленок» . На А-90 используется один двигатель НК-12, установленный в верхней части Т-образного хвоста, и два ТРДД, установленные в носовой части.

В 80-е годы Кузнецов продолжал разрабатывать мощные двигатели встречного вращения. НК-110, испытанный в конце 1980-х, имел конфигурацию винта встречного вращения с четырьмя лопастями спереди и четырьмя сзади, как и у НК-12. Его винт диаметром 190 дюймов (4,7 метра) был меньше, чем у НК-12 диаметром 220–240 дюймов (5,6–6,2 м), но он выдавал выходную мощность 21 007 л.с. (15,665 кВт), обеспечивая взлетную тягу 40 000 фунт-сила (177 килоньютон). Еще более мощным был НК-62, который разрабатывался большую часть десятилетия. НК-62 имел такой же диаметр винта и конфигурацию лопастей, что и НК-110, но предлагал более высокую взлетную тягу - 55 000 фунтов силы (245 кН). Связанный с ним НК-62М имел взлетную тягу 64 100 фунтов силы (285,2 кН) и мог обеспечить аварийную тягу 70 700 фунтов силы (314,7 кН). Однако, в отличие от НК-12, эти более поздние двигатели не были приняты на вооружение ни одним авиаконструкторским бюро.

В 1994 году Антонов выпустил тяжелый транспортный самолет Ан-70 . Он оснащен четырьмя гребными вентиляторами " Прогресс Д-27", приводящими в движение воздушные винты встречного вращения. Характеристики двигателя Д-27 и его пропеллера делают его пропеллерным вентилятором, гибридом между турбовентиляторным и турбовинтовым двигателями.

Соединенные Штаты

XB-35 Flying Wing демонстрирует квартет толкающих винтов противоположного вращения. Позднее от этого варианта отказались из-за сильной вибрации в полете и позже заменили на традиционные одинарные пропеллеры.
General Motors P-75 Eagle

Соединенные Штаты работали с несколькими прототипами, включая Northrop XB-35 , XB-42 Mixmaster , Douglas XTB2D Skypirate , Curtiss XBTC , A2J Super Savage , Boeing XF8B , XP-56 Black Bullet , Fisher P-75. Истребители вертикального взлета и посадки " Орел" и сидящие в хвостовой части Convair XFY "Pogo" и Lockheed XFV "Salmon" и разведывательный самолет Hughes XF-11 . Convair R3Y Tradewind летающая лодка была введена в эксплуатацию с обратными вращением винтов. Однако как поршневые, так и винтовые самолеты с турбовинтовыми двигателями достигли своего апогея, и новые технологические разработки, такие как появление чисто турбореактивных и турбовентиляторных двигателей, оба без пропеллеров, означали, что их конструкции быстро затмили.

Американский производитель гребных винтов Hamilton Standard купил Fairey Gannet в 1983 году, чтобы изучить влияние встречного вращения на шум гребного винта и вибрационные напряжения лопастей. Gannet был особенно подходящим, потому что винты с независимым приводом обеспечивали сравнение между встречным и однократным вращением.

Сверхлегкие приложения

Австрийская компания Sun Flightcraft поставляет редукторы встречного вращения для двигателей Rotax 503 и 582 на сверхлегких и сверхлегких самолетах. Коаксиальный-П был разработан Hans Neudorfer из NeuraJet и позволяет питание дельтапланов и парашютов развивать от 15 до 20 процентов больше энергии при одновременном снижении крутящего момента моменты. Производитель также сообщает о снижении уровня шума от двойных вращающихся в противоположных направлениях стоек с коробкой передач Coax-P.

Использование в воде

В таких торпедах , как торпеда Bliss-Leavitt , обычно используются винты встречного вращения, чтобы обеспечить максимально возможную скорость в пределах ограниченного диаметра, а также противодействовать крутящему моменту, который в противном случае имел бы тенденцию заставлять торпеду вращаться вокруг своей продольной оси.

Прогулки на лодках: в 1982 году Volvo Penta представила гребной винт противоположного вращения под маркой DuoProp. Запатентованное устройство было продано с тех пор. После истечения срока действия патентов Volvo Penta компания Mercury также выпустила соответствующий продукт - MerCruiser Bravo 3.

Коммерческие суда: в традиционном оборудовании винты встречного вращения встречаются редко из-за стоимости и сложности.

В 2004 году компания ABB выпустила продукт для установок большой мощности: передний гребной винт установлен на традиционном валу, а задний гребной винт - на Azipod ABB.

На более низких уровнях мощности механические азимутальные подруливающие устройства встречного вращения являются одной из возможностей, удобных для CRP из-за присущей им конструкции конической зубчатой ​​передачи. Rolls-Royce и Steerprop предложили версии своей продукции CRP.

Смотрите также

Рекомендации

Внешние ссылки