Энергия, принесенная ветром. Нехитрая обувь своими руками...("Сделай сам" №4∙1995)

По этому поводу вспомнил я один давний случай. Еще в конце пятидесятых годов, в один из зимних морозных дней с улицы послышался рев мотора. Заинтересовавшись, оделся и вышел посмотреть, чем и кто занят. Оживленная толпа наблюдателей окружила сооружение из труб на трех лыжах. Оглушительно ревел и стрелял двигатель. Аэросани! Конструктор суетился вокруг своего детища, то добавляя газ, то пытаясь подтолкнуть, чтобы начать движение. Со всех сторон, как это всегда бывает, раздавались советы — подняться на гору покруче, запрячь лошадь, прицепить к трактору и т. д. Двигатель ревел, конструкция тряслась, но результаты — нулевые. Даже под горку сани ехать не желали.

Когда двигатель был заглушен, я подошел поближе и внимательно осмотрел всю силовую установку, обращая особое внимание на воздушный винт. Он был трехлопастный, деревянный. Изготовлен очень тщательно и красиво. В то время я еще учился в школе, заканчивал последний 10-й класс, немного занимался авиамоделями. Поэтому кое-какие основы знаний о винтах имел.

Присмотревшись, обнаружил, что винт был сделан хоть и красиво, но абсолютно неграмотно. Лопасти в поперечном сечении симметричны, угол атаки был равен нулю. Естественно, что тяга винта тоже равнялась нулю.

Весьма робко, боясь натолкнуться на амбицию старшего относительно меня, зеленого юнца, конструктора аэросаней, я предложил свою помощь.

К моему удивлению и удовлетворению, предложение было принято, мы тут же (не отходя от кассы), разобрали винт, я, состругивая лишнюю древесину, постарался придать лопастям профиль, близкий к необходимому, сбалансировали, выставили угол атаки, и свершилось чудо. Сани поехали.

Для пояснения принципа работы воздушного винта, работающего в качестве двигателя (в отличие от самолетного, где винт является движителем), рассмотрим рис. 2.

Рис. 2

Плоскость АА' установлена под углом φ к плоскости вращения Y, называемом углом установки лопасти. Ось X — ось вращения воздушного винта. На плоскость винта АА' набегает (дует) воздушный поток (ветер) V под углом α. Воздушный поток отражается плоскостью в направлении V' под углом α' = α (угол отражения равен углу падения). В результате отражения воздушного потока возникает реактивная сила F. Составляющая этой силы F' направлена вдоль оси вращения X, вторая — F' направлена по плоскости вращения Y. Вот эта сила и является той, которая создает вращающий момент. Под действием силы F' плоскость АА' начинает двигаться вправо, встречая при этом сопротивление воздуха V", которое создает противодействующую силу Р. Эта сила пропорциональна линейной скорости плоскости АА' и площади проекции S плоскости АА' на плоскость ВВ', расположенной перпендикулярно плоскости вращения Y, и параллельно продольной оси винта (на чертеже это точка пересечения О осей X и Y). После набора определенного числа оборотов сила F' будет равна силе Р, и винт будет вращаться с постоянной скоростью при данной скорости ветра V. Наступит динамическое равновесие. При изменении скорости воздушного потока V изменится и величина силы F'. Это приведет к изменению скорости вращения воздушного винта. Сильнее ветер — быстрее вращение.

Мы рассмотрели поведение лопасти воздушного винта на холостом ходу, без нагрузки. Стоит только передать вращение винта генератору, как появится момент сопротивления моменту вращения. Число оборотов винта упадет до нового равновесия.

Из рис. 2 видно, что возникающая бесполезная сила F'' гораздо больше нужной нам силы F'. Кажется, стоит увеличить угол установки Y, как это показано на рис. 3, и полезная сила F', а значит, и крутящий момент увеличатся. Да, это так и есть. На рис. 3 это отчетливо видно.

Рис. 3

И совсем, казалось бы, идеально установить угол φ = 45°. Как видно из рис. 4, в этом случае отраженный воздушный поток V' направлен в плоскости вращения, а реактивная сила F направлена в нужном нам направлении.

Рис. 4

Но! В этих случаях сразу возникают два весьма существенных «но». Первое — резко увеличивается плоскость проекции винта, следовательно, и сила противодействия P. S" >> S' >> S; Р" > Р' > Р. Второе — возникают турбулентные завихрения за плоскостью, как это показано на рис. 4, создается зона разряжения воздуха Q' и зона повышенного давления Q. Все эти явления вызывают появление дополнительных противодействующих сил, которые не только начисто «съедают» полученный полезный прирост силы F', но и ухудшают работу винта в целом. Винт начинает «месить» воздух, работать неравномерно, рывками, скорость вращения падает, момент вращения уменьшается.

Путем теоретических расчетов, экспериментальных работ и многолетней практики определено, что наилучший угол установки лопасти φ = 11°–12°, как это показано на рис. 5.

Рис. 5. Примерный профиль лопастей воздушного винта

В приведенных выше рассуждениях не учтены многие факторы: тут и влияние шероховатости поверхности винта, сопротивление трения оси вращения винта и другое.