Аэродинамика воздушного винта

Министерство образования и науки Российской Федерации

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

А.Д. ОБУХОВСКИЙ

АЭРОДИНАМИКА 

ВОЗДУШНОГО ВИНТА

Утверждено

Редакционно-издательским советом университета 

в качестве учебного пособия 

НОВОСИБИРСК

2009

УДК 533.662(075.8)

О-266

Рецензенты: д-р техн. наук, проф. Подружин Е.Г.,

д-р техн. наук, проф. Саленко С.Д.

Работа подготовлена на кафедре АГД 

для студентов IV курса ФЛА

направления «Авиа- и ракетостроение»

Обуховский А.Д. 

О-266
Аэродинамика воздушного винта : учеб. пособие / А.Д. Обу
ховский. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2009. – 80 с.

ISBN 978-5-7782-1314-2

Рассмотрены основные понятия аэродинамики воздушного винта и 

кратко изложены теории изолированного элемента лопасти, идеальных 
пропеллера и винта, теории Сабинина–Юрьева и Жуковского. Описаны 
экспериментальные методы исследований. Даны рекомендации по 
подбору винта к летательному аппарату и по его компоновке. В приложении содержатся необходимые методические материалы для лабораторной работы «Экспериментальное определение характеристик 
воздушных винтов».

Учебное пособие предназначено для студентов IV курса факультета 

летательных аппаратов направления «Авиа- и ракетостроение», изучающих курс «Гидроаэродинамика лопаточных машин и воздушных 
винтов». Кроме того, оно может быть полезно при курсовом и дипломном проектировании.

УДК 533.662(075.8)

ISBN 978-5-7782-1314-2
© Обуховский А.Д., 2009
© Новосибирский государственный 

технический университет, 2009

ВВЕДЕНИЕ

В пособии рассмотрены основные понятия аэродинамики воздуш
ного винта, его геометрические и кинематические параметры. Описаны 
экспериментальные методы получения аэродинамических характеристик воздушных винтов. Даны рекомендации по подбору винта к летательному аппарату и по его компоновке. Кратко изложены основы теории изолированного элемента лопасти, идеальных пропеллера и винта, 
теории Сабинина–Юрьева и Жуковского. В конце каждой из глав, посвященных той или иной теории, указываются области ее практического применения.

Успешное освоение материала пособия предполагает знание основ 

математического анализа, теоретической механики и аэродинамики.

В приложении содержатся необходимые методические материалы 

для лабораторной работы «Экспериментальное определение характеристик воздушных винтов», применительно к установке, реализованной в учебной аэродинамической трубе СС-19 ФЛА НГТУ.

Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВИНТАХ

1.1. ВОЗДУШНЫЙ ВИНТ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ 

НА ЛЕТАТЕЛЬНОМ АППАРАТЕ. 

ВИДЫ ВОЗДУШНЫХ ВИНТОВ

Воздушный винт – это лопастной движитель, приводимый во 

вращение двигателем и предназначенный для получения тяги  P.  
Главными элементами конструкции воздушных винтов являются лопасти и втулка.

Лопасть – основная рабочая часть винта, создающая тягу при его 

вращении. На лопасти выделяют две части: перо и комель. Перо – это 
профилированная часть лопасти. Комель – часть лопасти, служащая 
для крепления ко втулке винта. Втулка винта – часть воздушного винта, соединяющая лопасти с валом двигателя и обычно являющаяся обтекателем комлей лопасти.

При вращении винта лопасть, представляющая собой закрученное 

крыло, отбрасывает за плоскость вращения некоторую массу воздуха. 
Реакция отброшенной с ускорением массы воздуха и создает тягу винта.

В качестве привода для воздушных винтов сначала применялись 

поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС), а затем стали использоваться турбовинтовые двигатели (ТВД).

Воздушный винт был единственным типом движителя для самоле
тов до тех пор, пока не появились безвинтовые турбореактивные двигатели (ТРД) и турбореактивные двухконтурные двигатели (ТРДД). 
Эти двигатели обладают большей тягой, чем ТВД, на высоких скоростях полета.

Но ТРДД и особенно ТРД имеют высокие удельные километровые 

расходы топлива. Поэтому в последние годы усилился интерес к воздушным винтам. Для повышения их КПД на относительно больших 
дозвуковых числах Маха (Мп = 0,7…0,8) и снижения уровня шума в 

настоящее время предлагают увеличивать число, ширину и угол саблевидности лопастей, применять тонкие суперкритические профили и 
уменьшать на 30…40 % диаметр винта. Такие воздушные винты получили название винтовентиляторы (рис. 1.1), а силовые установки с 
такими винтами – турбовинтовентиляторные двигатели (ТВВД). 
Исследования показывают, что КПД у ТВВД выше, чем у обычных 
ТВД и безвинтовых ТРДД, в диапазоне чисел Мп  0,6…0,9 (рис. 1.2).



0,8

0,7

0,6

0,5      0,6      0,7        0,8      0,9      Мп

ТВВД

ТРДД

ТВД

Рис. 1.1. Винтовентилятор
Рис. 1.2. Зависимости КПД  СУ 

от числа Маха

На самолетах, предназначенных для полета на небольших числах 

Маха (Мп  0,6), по-прежнему основным типом движителя остается 
обычный воздушный винт, так как он обладает наибольшим КПД даже 
по сравнению с винтовентилятором.

Существуют различные виды воздушных винтов. Основные из них 

следующие:

 дозвуковые, околозвуковые и сверхзвуковые винты – отли
чаются соответствующими местными скоростями обтекания большинства элементов лопасти;

 винт неизменяемого шага – винт, лопасти которого не могут 

поворачиваться вокруг своих осей;

 винт фиксированного шага (ВФШ) – воздушный винт, лопасти 

которого могут быть установлены под необходимым углом, но во время работы не могут поворачиваться вокруг своих осей;

 винт изменяемого шага (ВИШ) – воздушный винт, лопасти ко
торого во время работы могут автоматически или с помощью ручного 
управления поворачиваться вокруг своих осей, устанавливаясь под необходимым углом;

 одиночный винт – воздушный винт, оси лопастей которого ле
жат в одной плоскости, нормальной к оси вращения винта;

 двухрядный винт – воздушный винт, состоящий из двух оди
ночных винтов, расположенных непосредственно друг за другом на 
соосных валах, вращающихся в одном направлении. Если в двухрядном винте одиночные винты вращаются в противоположных направлениях, то такой винт называют соосным винтом.

1.2. ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ВИНТА

Геометрия воздушного винта описывается рядом параметров, важ
нейшими среди которых являются (рис. 1.3):

 диаметр винта dв – диаметр окружности, описываемой концами 

лопастей при вращении. Обычно у самолетов dв  2…5 м, у вертолетов
dв < 40 м;

 соответственно радиус винта rв = dв/2; 
 сечение лопасти – образуется пересечением лопасти с цилин
дром, соосным винту (часто – c плоскостью, перпендикулярной радиусу);

 радиус сечения лопасти r – расстояние от оси винта до сечения 

лопасти;

 относительный радиус сечения:
в
/
r
r r

;

 ось лопасти – линия, проходящая через центры тяжести сечений 

лопасти;

 ось поворота лопасти – ось, отно
сительно которой лопасть поворачивается 
на различные углы установки;

 плоскость вращения винта
–

плоскость, перпендикулярная к оси вращения винта и проходящая через ось лопасти;

 ометаемая винтом площадь F –

площадь круга, диаметр которого равен 
диаметру винта: 
2/4
e
F
d
 
;

 угол саблевидности лопасти  –

угол между касательной к оси лопасти 
в некоторой ее точке и осью поворота 

Рис. 1.3. Основные геометрические параметры винта

лопасти. Угол саблевидности меняется вдоль лопасти, увеличиваясь к 
концу. Различают следующие основные формы лопастей (рис. 1.4): 
суживающуюся (а), веслообразную (б), саблевидную (в) ;

Ось лопасти

а      
б            
в

Рис. 1.4. Применяемые формы лопастей винта

 угол установки сечения  – угол между хордой сечения лопа
сти и плоскостью вращения винта;

 контрольное сечение лопасти – сечение лопасти, в котором при 

сборке и в эксплуатации проверяют необходимые параметры лопасти 
винта. Контрольным обычно считают сечение на среднем относительном радиусе, который делит ометаемую винтом площадь на две 
равные части  ( cp
cp
в
/
0,75
r
r
r


);

 угол установки лопасти 0 или 0,75 – угол установки контроль
ного сечения лопасти;

 крутка лопасти – изменение по радиусу углов установки сече
ний лопасти относительно контрольного сечения ( – 0) = (r) ;

 хорда сечения лопасти – отрезок прямой, соединяющий перед
нюю и заднюю кромки лопасти и лежащий в рассматриваемом сечении
(рис. 1.5). Длину хорды b называют шириной сечения лопасти. Относительная ширина сечения лопасти –
в
b
b / d

;

 толщиной лопасти c на некотором радиусе называется ее наи
большая толщина. Толщина обычно изменяется вдоль радиуса, уменьшаясь от оси вращения к концам лопастей. Под относительной толщиной c
понимается отношение абсолютной толщины к ширине 

лопасти на том же радиусе: 
/
c
c b

;

 профиль сечения лопасти – наиболее полно характеризует 

форму сечения лопасти. Обычно форма профиля задается в виде таблицы безразмерных координат его верхней и нижней сторон.

b

c

Рис. 1.5. Основные геометрические параметры профиля сечения

Для удобства пользования основные геометрические характеристи
ки винта представляют в виде табличной или графической зависимости 
соответствующих 
параметров 
от 
относительного 
радиуса: 

 ( )
 r
  
;  
 ( )
b
b r

;  
 ( )
c
c r

.

1.3. КАРТИНА ОБТЕКАНИЯ 

И КИНЕМАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ 

ВОЗДУШНОГО ВИНТА

При работе воздушного винта различают три характерные схемы 

обтекания:

 при работе винта «на месте», когда скорость невозмущенного 

потока 
0
V 
(рис. 1.6);

Р
P
V=0

V1=V1
V1

2
2
1
1

V2=V2
V2

V0=V

B=0

Рис. 1.6. Струя винта на режиме 

работы на месте

Рис. 1.7. Струя винта на режиме осевой 

обдувки

 при осевой обдувке, когда вектор V параллелен оси вращения 

винта (рис. 1.7);

 режим косой обдувки, когда вектор V направлен под некото
рым углом к оси вращения винта. Этот угол называют углом атаки 
винта и обозначают в.