Пропеллер — винтовой воздушный и водяной движитель¶

Пропеллер — винтовой движитель, преобразующий вращательное движение вала в поступательное движение воздушного или водного потока. Применяется на летательных аппаратах, судах, подводных лодках, а также в промышленных вентиляторах и нагнетателях. Термин происходит от латинского propeller («приводящий в движение»).

¶Устройство и принцип действия

Пропеллер состоит из ступицы (хвостовика) и расположенных вокруг неё лопастей, обычно от 2 до 6. Лопасть представляет собой аэродинамическую (или гидродинамическую) поверхность, закрученную по спирали относительно оси вращения. При вращении каждая лопасть создаёт разность давлений между передней и задней поверхностями, создавая тягу (на летательных аппаратах) или упор (на судах).

Ключевые геометрические параметры:

• Диаметр — расстояние между концами лопастей;
• Шаг винта — расстояние, которое пропеллер проходит за один оборот в идеальной среде;
• Угол установки лопастей (шаг лопастей) — определяет величину тяги;
• Площадь диска — площадь, описываемая лопастями при вращении.

Коэффициент полезного действия типичного воздушного пропеллера составляет 50—80 %, водяного — 60—85 %.

¶Классификация

По среде, в которой работает:

• Воздушные — применяются на самолётах, вертолётах, квадрокоптерах, вентиляторах;
• Водяные — применяются на судах, подводных лодках, торпедах.

По конструкции лопастей:

• Фиксированный шаг — угол лопастей неизменен (типичен для малой авиации, например, на самолётах Cessna);
• Изменяемый (вращающийся) шаг — угол лопастей регулируется в полёте, что позволяет оптимизировать тягу на разных режимах (применяется на большинстве современных турбовинтовых и поршневых самолётов);
• Соосные — два пропеллера вращаются навстречу друг другу на одной оси (вертолёты Ка-50, Ка-52);
• Складные — лопасти складываются для транспортировки (вертолёты палубного базирования).

По направлению вращения:

• Правое вращение (обычное) и левое вращение — на двухвинтовых судах применяются встречные пропеллеры для компенсации кренящего момента.

¶История

Идея винтового движителя восходит к винту Архимеда (III век до н. э.), предназначенному для подъёма воды. В XVI веке Леонардо да Винчи в набросках описал «воздушный винт», однако практически он не был реализован.

В 1804 году английский инженер Френсис Питтс построил первый винт, применённый для движения судна. В 1835 году шведский изобретатель Йон Эрикссон и его партнёр Йохан Аф Селен запатентовали современный морской пропеллер с винтовыми лопастями. В 1837 году их винт был испытан на пароходе SS Novelty.

Для авиации первый практически пригодный воздушный пропеллер создал русский учёный-самолётостроитель Николай Иванович Жуковский. Его теоретические работы 1910-х годов по аэродинамике винта легли в основу расчёта воздушных пропеллеров. Одновременно с ним исследования вёл французский инженер Шарль Дюкан-Виль.

В 1917 году на истребителе SPAD S.XIII впервые был применён пропеллер с изменяемым шагом, что стало важным шагом в развитии авиации.

¶Применение в авиации

На самолётах с поршневыми и турбовинтовыми двигателями пропеллер остаётся основным способом создания тяги. Современные винты выполняются из композитных материалов (стеклопластик, углепластик), имеют от 3 до 8 лопастей. На дальних транспортных самолётах (Ту-95, Ан-70) применяются соосные и вентиляторные схемы.

На вертолётах несущий винт выполняет роль крыла, а маленький хвостовой (рулевой) винт компенсирует крутящий момент. На соосных вертолётах (семейство Камова) хвостовой винт не требуется.

¶Применение в судоходстве

Морские пропеллеры изготавливаются из бронзы, нержавеющей стали или композитов. Диаметр может достигать 10 метров (крупные танкеры и контейнеровозы). Для повышения эффективности применяются:

• Дукт-винты — пропеллер в кольцевом сопле;
• Винт-руль — пропеллер, установленный в насадке, способный поворачиваться;
• Подводные крылья — пропеллеры с лопастями особой формы, снижающие кавитацию.

¶Интересные факты

• Максимальная скорость кончика лопасти авиационного пропеллера может приближаться к скорости звука, что ограничивает скорость самолёта;
• Судовой пропеллер «Князь Пожарский» имеет диаметр около 10 метров и массу свыше 100 тонн;
• Наибольшее количество лопастей у пропеллеров вентиляторных установок — до 20 и более.

¶Источники

• Жуковский Н. Е. «Теория винта» — М.: Наука, 1985.
• Бондаренко В. А. «Теория и расчёт воздушных винтов» — М.: Машиностроение, 1991.
• «Судовые винты» / Под ред. Б. Н. Соколова — Л.: Судостроение, 1971.
• Encyclopædia Britannica: Propeller.