Разработка в Германии воздушных винтов с регулируемым шагом
Данный винтажный материал был переведен уважаемым коллегой NF. Перевод был выполнен в августе 2015 года.
Объявленные «умершими» воздушные винты вновь привлекают к себе внимание и благодаря своим экономическим характеристикам находят применение в различных областях. По этой причине кажется уместным дать обзор развития воздушных винтов с регулируемым шагом.
Автор этого материала является соавтором серии книг «Немецкая авиация» (Die deutsche Luftfahrt) и входящего в эту серию тома «Авиационные двигатели и реактивные силовые установки» (Flugmotoren und Strahltriebwerke) и на страницах нашего журнала представляет дополнение к изданному материалу.
Рассмотрим историю разработки винтов с регулируемым шагом в Германии 1945 года. Мы напоминаем об этом, потому что идея использования воздушных винтов с регулируемым шагом настолько же стара, насколько стар и сам воздушный винт. Системы, которые изменяли угол установки лопастей воздушных винтов, изначально служили для общих испытаний пропеллеров. Позднее система изменения углов установки лопастей винта была оптимизирована для больших высот и высоких скоростей.
Воздушный винт созданного в 1873 году Паулем Хаенлайном (Paul Haenlein) дирижабля – первого летательного аппарата с силовой установкой – уже был регулируемым. А после того как в 1877 году в Германии было создано патентное ведомство конструктору дирижаблей Георгу Баумгартену (Georg Baumgarten) был выдан патент DRP 8392 на воздушный винт с регулируемым шагом.
Постоянно развитие воздушных винтов с регулируемым шагом в Германии началось уже в годы Первой Мировой войны с работ профессора, дипломированного инженера Ганса Райсснера (Hans Reißner), работавшего в Аахене, Шароттенбурге и позднее в Бруклине. До 1945 года разработкой подобных винтов занимались главным образом компании Junkers, VDM, Argus и Messerschmitt, так же разрабатывали винты (с лопастями из легкого дерева) компании Schwarz и Heine.
Сегодня у нас в Германии (в Розенхайме [Rosenheim]) имеется только одна компания Hoffmann, производящая воздушные винты. (В более поздней статье будет рассказано об этом всемирно известном заводе [Примечание редакции]).
Первые воздушные винты с регулируемым в полете шагом появились в конце Первой Мировой войны вместе с появлением высотных двигателей. Компания Lorenzen предложила устройство с баллоном под давлением, которое изменяло угол установки лопастей. До завершения войны это устройство не было доработано. Зато воздушный винт Helix, созданный по проекту профессора Райсснера из берлинской высшей технической школы (Technischen Hochschule, Berlin) оказался удачной конструкцией. Регулировка винта осуществлялась при помощи тяг и ходового винта.
В апреле 1918 года тяжелый бомбардировщик Staaken R VI (R30), оснащенный четырьмя авиационными двигателями Daimler с нагнетателями и воздушными винтами Helix, достиг приличной по тем временам высоты полета 5900 метров.
В последующие годы немецкое авиастроение находилось под ограничениями. Поскольку в те годы самолеты, как правило, летали на относительно малых высотах, то старые добрые деревянные воздушные винты, вращавшиеся благодаря редуктору с пониженными оборотами, неплохо справлялись со своими обязанностями. В те годы разница между минимальной и максимальной скоростями была сравнительно мала. Скоростные самолеты, то есть самолеты с убирающимися шасси были разработаны в середине 1930-х годов.
Промежуточной ступенью были регулируемые воздушные винты компаний Junkers и VDM с лопастями, выполненными из легких металлов, и стальными втулками. Угол установки лопастей этих винтов можно было уставить, когда самолет находился на аэродроме. Таким образом для того или иного типа самолетов и их использования в определенных условиях подбирался оптимальный угол установки лопастей. Компания Junkers в 1933 году разработала воздушный винт с охлаждением лопастей (коротко Ju-PAK). У данных винтов корневая часть лопастей была выполнена более широкой подобно вентилятору, что улучшало охлаждение звездообразных двигателей воздушного охлаждения. Такие воздушные винты в большом количестве использовались на самолетах Junkers W 34 и Ju 52/3m.
Еще в 1925 году компания Junkers разработала воздушный винт, углы установки лопастей которого можно было изменять во время полета. Изменение углы установки лопастей винта осуществлялось при помощи электромагнитного устройства во втулке винта. Но в 1926 году из-за недостатка средств эти исследования были приостановлены и их вновь возобновили только в 1932 году. Таким образом, разработка воздушных винтов с регулируемым углом установки лопастей в Германии отставала от требований времени и в сентябре 1935 года компания Junkers была вынуждена приобрести лицензию на производство регулируемых воздушных винтов американской у компании Hamilton.
Двухлопастные воздушные винты компании Hamilton с гидравлическим устройством регулировки угла установки лопастей хорошо зарекомендовали себя на американских гражданских самолетах, например таких как DC-2. У воздушных винтов фирмы Hamilton масло под давлением подавалось во втулку винта к расположенному в ней регулировочному цилиндру, под действием которого лопасти винта устанавливались в положении «взлет». Когда подача масла во втулку винта прекращалась, лопасти возвращались в положение, которое было оптимальным для совершения полета на экономичном режиме. Вариант воздушного винта, у которого угол установки лопастей винта можно было переставлять только в два положения с разницей в 10° очень скоро сменился на вариант, в котором при том же числе оборотов винта диапазон установки углов лопастей был равен уже 20°. Кроме того, подача масла к регулирующему угол установки лопастей цилиндру могла автоматически удерживать заранее установленное – стартовое или крейсерское – число оборотов для выполнения взлета или полета на крейсерской скорости.
Между тем компания Junkers ликвидировала свое отставание в области создания регулируемых воздушных винтов. В 1934 году на испытательные стенды поступили пропеллеры VS 1, которые, впрочем, еще не в полной мере отвечали предъявляемым к ним требованиям. Прорыв был достигнут с воздушными винтами VS 2/VS 3, оснащенными гидравлической системой регулирования угла установки лопастей. В 1935 году винты VS 2/VS 3 устанавливались на самолеты Arado 68 и приводились в движение двигателями Jumo 210. Эти воздушные винты предназначались для двигателей с максимальной мощностью до 440 кВт. (600 л.с.) и различались только материалом лопастей, которые изготавливались из металла или древесины. Затем последовали воздушные винты VS 4 (металл) и VS 5 (древесина) которые предназначались для двигателей мощностью до 880 кВт (1200 л.с.). Изменение угла установки лопастей воздушных винтов компании Junkers осуществлялось за счет подачи масла под давлением от расположенного в ступице винта масляного насоса. При помощи подаваемого под давлением от масляного насоса масла через шнековую передачу менялся угол установки лопастей винта.
Дальнейшим развитием VS 5 со значительно большей скоростью изменения угла лопастей стал разработанный компанией Junkers воздушный винт VS 11: скорость изменений угла установки лопастей составляла 12°/с вместо 2,57°/с. Испытания этого винта завершились в мае 1940 года. У VS 11 лобовой планетарный редуктор располагался между масляным насосом и гильзами лопастей. Для VS 5 на многомоторных самолетах был необходим соединявший двигатели маслопровод для того чтобы при выходе из строя одного из двигателей установить лопасти винта в положение, создававшее наименьшее сопротивление набегающему потоку воздуха. Позднее использовался электрическое устройство изменявшее угол установки лопастей. Вариант VS 111 для Jumo 213 имел прибор с обратной связью для регулировки угла установки лопастей. Воздушные винты VS 9 и VS 10 имели полые оси, позволявшие использовать на самолете установленные в развале цилиндров двигателей пушки как у некоторых вариантов двигателя Jumo 213. Воздушные винты фирмы Junkers не имели указателей положения лопастей винта, и работа устройства установки угла лопастей могла контролироваться только посредством наблюдения за оборотами двигателя и давления нагнетаемого в цилиндры двигателя воздуха.
У прототипа пассажирского самолета Focke-Wulf FW 200 Condor в 1937 году впервые была отмечена потеря эффективности относительно заостренных лопастей воздушных винтов Junkers-Hamilton. Позднее сократить величину потерь смогли лишь оснащенные понижающими редукторами двигатели и винты с лопастями, имевшими более широкие законцовки.
При разработке истребителя FW 190 вследствие выдвинутого спецификацией требования достижения высокой скорости были необходимы многочисленные исследования, расчеты и испытания воздушных винтов с широкими лопастями. Данные работы проводились по заказу Focke-Wulf компанией Schwarz, занимавшейся, как уже было сказано, производством воздушных винтов. Применение новых методов производства деревянных винтов, корневая часть лопастей которых изготавливалась из обжатой древесины, и оставшихся элементов из легкой древесины позволило значительно сократить вес пропеллеров с широкими лопастями по сравнению с до сих пор применявшимися винтами, изготовленными из легких металлов. Центробежные силы, оказывавшие воздействие на втулку винта, были, таким образом, заметно снижены. Воздушные винты смешанной конструкции с широкими лопастями и их регулируемым углом установки изготавливались компаниями VDM и Junkers хорошо зарекомендовали себя на многих типах самолетов.
Объединение Vereinigten Deutschen Metallwerke VDM (Объединенные немецкие металлургические предприятия) в 1934 году приступило к разработке электромеханического устройства, при помощи которого можно было бы регулировать угол установки лопастей воздушных винтов. Электродвигатели с левым и правым направлением вращения, приводимые при помощи переключателя через гибкий вал и планетарный редуктор, должны были осуществлять бесступенчатую регулировку угла установки лопастей винтов. Планетарный редуктор компании VDM имел «комплект» зубчатых колес одинакового диаметра с различным количеством зубьев; колеса были соединены между собой шестерней. При вращении электродвигателем «комплекта» зубчатых колес приводился в движение дифференциал, благодаря чему менялся угол установки лопастей воздушного винта.
Положение угла установки лопастей отображалось на датчике с циферблатом. Это было очень удобно, поскольку подходило для любого типа самолетов, любого типа установленных на самолете двигателей и не зависело от состояния самолета. В инструкции по эксплуатации положение с углом поворота лопастей 25° являлось основным. Например, для Ju 88 с двигателями Jumo 211 положение стрелки датчика положения лопастей воздушных винтов на 12:30 соответствовало оборотам двигателей в пределах 2250-2300 об/мин. При запуске двигателей и на взлете стрелка указателя указывала на 12:00. При невысокой скороподъемности Ju 88 стрелка указателя находилась в положении 12:40, при высокой скороподъемности стрелка указывала на 2:00. Положение лопастей винтов фирмы VDM изменялось с угловой скоростью 3°/с.
Сложности при смазке предназначенного для изменения положения лопастей винта редуктора, особенно при низких температурах, привело к совместной работе компаний про производству винтов с моторостроительными компаниями. Результатом совместных работ стало то, что на новых двигателях редукторы, регулировавшие положение лопастей воздушных винтов, были встроены в корпуса понижающих редукторов двигателей, а их система смазки была связана с системой смазки самого двигателя. Единое устройство, регулировавшее положение лопастей воздушных винтов в зависимости от оборотов двигателя устанавливалось, начиная с 1940 года. Первые испытания с целью обеспечения торможения для сокращения длины пробега при посадке были проведены в испытательном центре ВВС в Рехлине в 1944 году.
В 1935 году в компании Argus под влиянием профессора Райсснера приступили к разработке собственного устройства изменения положения лопастей воздушных винтов для установки на производившиеся компанией авиационные двигатели As-10C, As-410 и As-411. Эти авиамоторы устанавливались на учебных самолетах, и отличавшаяся простотой система регулировки угла лопастей компании Argus оказалась удачной.
Перед втулкой воздушного винта располагался обтекатель с косыми выступами, что обеспечивало необходимое усилие для изменения угла установки лопастей в ту или иную сторону после того как система приводилась в действие. В первых вариантах в обтекателе втулки воздушного винта располагался центробежный регулятор прилагаемых при изменении угла установки лопастей усилий. Позднее в обтекателе втулки винта стали размещать еще нагнетательный масляный трубопровод двигателя. При выходе из строя двигателя оснащенный электрическим приводом вспомогательный насос воздействовал на золотник, который зафлюгерировал воздушный винт.
В 1938 году компанией Schwarz был разработан воздушный винт VP1, угол расположения лопастей которого мог устанавливаться в двух положениях. Однако воздушные винты данного типа применялись в небольших количествах.
Разработкой простого устройства установки угла лопастей воздушного винта занималась также и компания Messerschmitt. Данное многопозиционное устройство, получившее обозначение Me P7, было разработано компанией в основном для собственных нужд и в первую очередь для гражданского самолета Bf 108 Taifun. Поворотом установленной на приборной панели кривошипной рукоятки передавал усилие на располагавшийся за обтекателем втулки воздушного винта подшипник и далее через рычаг на втулки крепления лопастей воздушного винта. Помимо простого по конструкции ручного регулировочного устройства имелось и устройство с электроприводом и с центробежным числа оборотов. Разработанный для Bf 108 винт с изменяемым шагом Me P7 принадлежал к самым простым по конструкции.
В связи с увеличением мощности двигателей в некоторых отдельных случаях, вместо трехлопастных воздушных винтов имело место применение четырехлопастных. Особенно это коснулось самолетов-истребителей, на которых в последние годы войны устанавливались все более мощные двигатели и воздушные винты с очень широкими лопастями, изготовленными из легких пород дерева. Винты с противоположным направлением вращения к этому времени так же находились в разработке, но их на самолетах до завершения войны еще не применяли.
первый пригодный для использования на самолетах регулируемый в полете воздушный винт был создан весной 1918 года; винты данного типа были установлены на тяжелом бомбардировщике Staaken R VI (R30). Благодаря оснащенным нагнетателями двигателям и воздушным винтам Helix/Reißner летные характеристики самолетов значительно выросли в сравнении с серийным вариантом R VI (потолок возрос на 50% до 6000 м, скорость – на 25 % до 160 км/ч). На данном снимке представлен тяжелый бомбардировщик R 30 (взлетный вес 11,6 тонн, размах крыльев 42,20 м), оснащенный четырьми 260-сильными (190 кВт) двигателями Daimler D Iva. Двигатели располагались тандемом в двух мотогондолах, центральный нагнетатель (90 кВт/120 л.с.) располагался в фюзеляже. Диаметр воздушных винтов был равен 4,8 метра, обороты винтов – 760 об/мин
воздушный винт компании VDM с электромеханическим приводом стал использоваться на многих немецких боевых самолетах с 1936 года. Редуктор, контролировавший угол установки лопастей винта, сначала располагался между винтом и двигателем. На фотографии запечатлен процесс установки винта компании VDM на He 118 V2 (D-OVIE), оснащенный двигателем DB 600 A
в 1917/1918 годах компаниями Lorenzen, Brown-Boveri и Garuda испытывались различные воздушные винты с изменяемым углом установки лопастей, но доведены до необходимого для полетов уровня были воздушные винты с регулируемым шагом конструкуции Ганса Райсснера профессор Райсснер работавл в Берлине в компании Helix-Propellerbau и в Каннштатте в компании Hirth-Versuchsbau. Воздушный винт Helix оснащался двумя различными редукторами
редуктор воздушного винта Helix для двигателей с полым валом. Регулировка угла установки лопастей винта осуществлялась вручную через ходовой винт, кулачок, кулису и рычаг (на чертеже правая сторона двигателя). В данном варианте воздушный винт Helix устанавливался на тяжелый бомбардировщик Staaken R VI
редуктор для изменения угла установки лопастей воздушного винта Helix для двигателей с целым валом. Перестановка угла лопастей осуществлялась поворотом кольца шарикового подшипника при помощи двух толкающих штанг, связанных с лопастями винта
металлический воздушный винт фирмы Junkers с регулировочным приспособлением на одном из пассажирских самолетов F13; 1923 год
для улучшения условий охлаждения звездообразных двигателей компания Junkers разработала так называемые охлаждающие лопасти, ширина которых в нижней, корневой части была значительно увеличена
воздушный винт Junkers-Hamilton стал применяться в Германии с 1936 года. Механизм изменения угла установки лопастей был аналогичен тому, что применялся на воздушных винтах Helix, но отличался гидравлическим приводом. У воздушных винтов компании Hamilton при взлете самолета имелась возможность устанавливать лопасти винта только в двух положениях: на взлете давлением масла угол установки лопастей винта снижался на 10°, после прекращения подачи масла центробежная сила вновь возвращала лопасти в первоначальное положение с большим углом поворота лопастей. Шаг за шагом воздушные винты фирмы Hamilton улучшались фирмой Junkers: диапазон изменения угла установки лопастей увеличивался, и винты работали с устройством, позволявшим удерживать заранее установленное число оборотов
в 1934 году первые воздушные винты компании Junkers, получившие обозначение VS 1, поступили на испытательные стенды
первый удачный регулируемый воздушный винт компании Junkers в 1935 в варианте VS 3 испытывался на самолете Ar 68
воздушный винт Junkers VS5 с лопастями компании Schwarz, изготовленными из легких пород дерева, на Ju 87. Винты VS5 в основном использовались с двигателями Jumo 211
редукторы, при помощи которых осуществлялась перестановка лопастей винтов компании Junkers, приводились в действие масляным насосом, устанавливавшимся в коке винта. Лопасти винта VS 5 регулировались при помощи червячной передачи
винт с полым валом компании Junkers VS 9, предназначенный для установки на двигатель Jumo 213, позволял устанавливать на самолет автоматическую пушку в развале цилиндров двигателя
винт изменяемого шага Junkers VS 11 с лобовым планетарным редуктором обладал значительно большей скоростью изменения угла установки лопастей; диапазоном регулировки составлял 90°
редуктор для регулировки угла установки винта компании VDM в раннем, отдельном от двигателя варианте расположения. Основу его конструкции составляли двух планетарных редуктора, которые возвращали лопасти в исходное положение; шесть небольших планетарных шестерен соединялись между собой тремя каретками с различным количеством зубьев. При вращении корпуса планетарного редуктора дифференциал перемещал лопасти (внизу слева)
втулка винта VDM с червячным валом, при помощи которого изменялся угол установки лопастей. Последняя шестерня регулировочного редуктора входившая в зацепление с лобовой шестерней червячного вала обычно вращалась с такой же скоростью, как и винт. Когда последняя шестерня начинала вращаться с несколько большей или меньшей скоростью, тогда изменялся угол установки лопастей винта
Наибольшей простотой конструкции отличался винт изменяемого шага, разработанный компаний Messerschmitt. Изменение шага осуществлялось ходовым винтом, через траверсу с внутренним кольцом подшипников и рычаг на втулки крепления лопастей воздушного винта
схематическое изображение системы изменения угла установки лопастей винта конмпании Argus. Кулачок 12 перемещает зубчатые колеса 7 и 8, располагающиеся в корпусе 1, изменяя в ту или иную стороны угол установки лопастей
у воздушного винта изменяемого шага конструкции компании Argus усилие необходимое для изменения угла установки лопастей создавалось в обтекателе втулки винта. Эта очень простая по конструкции система регулировки в основном применялась в силовых установках с двигателями фирмы Argus, которые преимущественно устанавливались на учебных самолетах. В данном случае на Ме 108
Источники и литература:
- Offermann, E., W. G. Noack und A. R. Weyl: Riesenflugzeuge. Berlin 1927.
- Reißner, H.: Wirkungsweise und Anwendungsgebiet von verstellbaren Luftschrauben. In: Berichte und Abhandlungen der WGL, 1. Jg., Heft 1.
- Lorenzen, M.: Junkers Metall-Luftschrauben. In: Der Propeller, Junkers Werkzeitung, Juni/Juli 1936, S. 108 ff.
- Lorenzen, M., und H. Bockermann: Die Entwicklung der VS-Schrauben. In: Mitarbeiter berichten zum 60. Geburtstag von Prof. Mader (1940).
- Pohl, G.: Über die Flugerprobung der VS-Schrauben. Ibd.
- Lange, B.: Das Buch der deutschen Luftfahrttechnik. Mainz 1970, S. 389 ff.
- Handbuch für Junkers-Verstelluftschrauben Bauart Hamilton. 1. Ausgabe 1937.
- Junkers Ratgeber. Ausgabe 1937, S. 61 bis 73.
- Junkers vollautomatische Verstelluftschraube (VS3 und VS5), Kurzbeschreibung, 1938. JunkersVerstelluftschraube, Ausführung VS5, Baujahr 1938, Kurzbeschreibung.Junkers VS 11 — Verstell-Luftschraube am Jumo 211 F und J, 1. Ausgabe 1941.
- Junkers Verstelluftschraube Bauart VS 9, Luftschrau-benanlage-Karte, Entwurf August 1944.
- Beschreibung, Bedienung, Einbau und Wartungs-Vorschrift für die VDM-Verstelluftschrauben mit elektrischer Betätigung. 1939.
Изображения: Немецкий музей (Deutsches Museum), В. Вагнер (W. Wagner) и фон Лангсдорфф (v. Langsdorff)
источник: Kyrill von Gersdorff «Die Entwicklung des Verstellpropellers in Deutschland» «Luftfahrt international» 11/81
