Пропеллер шпади (варианты) и развертка его лопастей

Изобретение относится к устройствам преобразования механической энергии в текучей среде и может быть использовано в качестве гребных и воздушных винтов двигателей и движителей. Пропеллер включает лопасти, каждая из которых имеет начальный участок прямой саблевидности и конечный участок обратной саблевидности. В первом варианте пропеллер имеет с двухсторонним креплением три и более лопастей, окончания которых соединены друг с другом посредством кольцевой насадки. Во втором варианте пропеллер имеет две лопасти, образующие поверхность Мебиуса. Ометаемая поверхность имеет овальную форму вращения, вытянутую вдоль оси пропеллера. Лопасти могут быть выполнены путем изгиба плоского листового материала спиралевидной формы. В 2-х-лопастном пропеллере окончания лопастей сопряжены в единое целое. Участки поверхности каждой лопасти, расположенные на оси вращения пропеллера, развернуты по отношению друг к другу на 90 градусов. Лопасти соединены друг с другом непосредственно, или посредством кольцевой насадки, или на удлинителе приводного вала. Развертка лопастей пропеллера представляет собой плоскую единую фигуру, состоящую из спиралевидных элементов. Группа изобретений позволяет упростить технологию изготовления пропеллера. 3 н. и 19 з.п. ф-лы, 12 ил.

 

Изобретение относится к устройствам преобразования механической энергии в текучей среде, в частности жидкости и газа, и может быть использовано в качестве гребных и воздушных винтов двигателей и движителей кораблей, летательных аппаратов (дирижаблей), ветроустановок, бытовых вентиляторов и других бытовых предметов; игрушек и пр.

Известно рабочее колесо двигателя текучей среды, содержащее упругую ленточную лопасть с односторонней поверхностью Мебиуса, закрепленной на радиальных стержнях перпендикулярно приводному валу [авторское свидетельство СССР, №1305430, МПК F03D 1/06, 30.09.85 г.].

Однако такому устройству присуща сложность конструкции, недостаточно высокий КПД и шум, обусловленный наличием радиальных стержней или махов, которые не участвуют в создании полезных аэродинамических усилий.

Наиболее эффективными в настоящее время считаются многолопастные винты с саблевидными лопастями, закрепленными консольно. Незакрепленные концы лопастей отогнуты назад по отношению к направлению вращения и по отношению к плоскости вращения [авторское свидетельство СССР, №1711664, МПК В64С 11/00, 24.10.86 г.].

Существенным недостатком таких винтов является низкая надежность и сложность изготовления, обусловленная односторонним консольным креплением саблевидных лопастей с большим удлинением и кривизной; значительный уровень шума при работе; низкий КПД на единицу площади лопасти; большая масса и габариты конструкции.

Технической задачей изобретения является упрощение технологии изготовления лопастей пропеллера, уменьшение размеров лопастей и, соответственно, их металлоемкости при одновременном увеличении создаваемой ими тяги без снижения прочности и эффективности.

Заявляется пропеллер (вариант 1), содержащий саблевидные лопасти, закрепленные на ступице приводного вала и отогнутые назад по отношению к направлению вращения и по отношению к плоскости вращения, отличающийся тем, что пропеллер имеет три и более лопастей с двухсторонним креплением; начальный участок каждой лопасти имеет прямую саблевидность, при которой передняя кромка лопасти отогнута назад по отношению к направлению вращения и по отношению к плоскости вращения и плавно переходит в конечный участок обратной саблевидности, при которой передняя кромка лопасти отогнута вперед по отношению к направлению вращения и по отношению к плоскости вращения; окончания лопастей соединены друг с другом посредством кольцевой насадки с обеспечением возможности укрепления окончаний лопастей под заданным углом атаки и расположения окончаний лопастей в непосредственной близости друг от друга.

Совокупность лопастей пропеллера образует осесимметричную фигуру.

Угол атаки α начального участка лопасти прямой саблевидности может быть больше угла атаки β конца лопасти обратной саблевидности, например, у ветродвигателя. Но также угол атаки α начального участка лопасти прямой саблевидности может быть меньше угла атаки β конца лопасти обратной саблевидности, например, у движителя.

При вращении пропеллера ометаемая поверхность имеет овальную форму вращения, вытянутую вдоль оси пропеллера.

Плоская развертка поверхности лопасти пропеллера имеет спиралевидную форму.

Технологии изготовления лопастей любые известные, но также лопасти могут быть выполнены путем изгиба плоского листового материала развертки спиралевидной формы.

Пропеллер (вариант 2), содержащий саблевидные лопасти, закрепленные на ступице приводного вала и отогнутые назад по отношению к направлению вращения и по отношению к плоскости вращения, отличающийся тем, что пропеллер имеет две лопасти, замкнутые конечными участками друг на друга; начальный участок каждой лопасти имеет прямую саблевидность, при которой передняя кромка лопасти отогнута назад по отношению к направлению вращения и по отношению к плоскости вращения, и плавно переходит в конечный участок обратной саблевидности, при которой передняя кромка лопасти отогнута вперед по отношению к направлению вращения и по отношению к плоскости вращения; окончания лопастей сопряжены в единое целое с обеспечением плавного перехода между поверхностями обеих лопастей так, что обе лопасти образуют единую спиралевидную поверхность Мебиуса, характеризующуюся однократным перегибом поверхности; при этом участки поверхности каждой лопасти, расположенные на оси вращения пропеллера, развернуты по отношению друг к другу на 90 градусов и ось пропеллера и поверхность конечных участков обеих лопастей по оси пропеллера находятся в одной плоскости.

В заявляемом изобретении две лопасти пропеллера представляют собой единую поверхность в виде односторонней поверхности Мебиуса, характеризующейся однократным перегибом поверхности; при этом участки поверхности каждой лопасти, расположенные на оси вращения пропеллера, развернуты по отношению друг к другу на 90 градусов, и ось пропеллера и конечный участок по оси пропеллера, принадлежащий обеим лопастям, находятся в одной плоскости.

Пропеллер по второму варианту также образует осесимметричную фигуру. Также в двухлопастном пропеллере плоская развертка поверхности лопасти имеет спиралевидную форму. Соответственно, двухлопастной пропеллер может быть получен путем перегиба тонкого листового материала плоской спиралевидной формы.

В заявляемом пропеллере окончания лопастей соединены друг с другом непосредственно, или посредством кольцевой насадки, или на удлинителе приводного вала.

Заявителю не известны плоские развертки лопастей рабочих колес, турбин, пропеллеров сложного аэродинамического профиля.

Заявляется плоская развертка лопастей пропеллера, которая характеризуется тем, что развертка всей совокупности лопастей пропеллера представляет собой единую цельную плоскую фигуру, состоящую из спиралевидных элементов, образующих симметричную фигуру с одним и более отверстиями под посадочный размер ступицы приводного вала пропеллера. Например, три спиралевидных элемента образуют осесимметричную фигуру с осевым отверстием под посадочный размер ступицы приводного вала трехлопастного пропеллера.

Для двухлопастного пропеллера представлены различные развертки: из двух спиралевидных элементов:

- развертка двухлопастного пропеллера представляет собой единую цельную плоскую фигуру, состоящую из двух спиралевидных элементов, образующих осесимметричную фигуру с отверстиями на незамкнутых концах спиралевидных элементов под посадочный размер ступицы приводного вала пропеллера;

- развертка двухлопастного пропеллера представляет собой единую цельную плоскую фигуру, состоящую из двух спиралевидных элементов, образующих осесимметричную фигуру с осевым отверстием под посадочный размер ступицы приводного вала пропеллера;

- развертка двухлопастного пропеллера представляет собой единую цельную плоскую фигуру, состоящую из двух спиралевидных элементов вида двухфокусной спирали, симметричную относительно линии, перпендикулярной касательной к кромке плоской фигуры в ее средней части, с отверстиями на незамкнутых концах спиралевидных элементов под посадочный размер ступицы приводного вала пропеллера.

Сущность изобретения поясняется фигурами 1-12.

На фигуре 1 изображен трехлопастной пропеллер по первому варианту, на фигуре 2 - вид трехлопастного пропеллера по оси. На фигурах 3-6 показаны двухлопастные пропеллеры (второй вариант) разного типа объединения окончаний лопастей. На фигуре 7 - вид двухлопастного пропеллера по оси. На фигурах 8-12 показаны примеры плоских разверток лопастей пропеллера по его обоим вариантам.

Предлагаемый пропеллер для двигателей и движителей текучей среды содержит ступицу 1 с приводным валом 2, крепежным винтом 3 и саблевидными лопастями 4. Ступица или лопасти осевым отверстием 5 установлены на валу 2 с обеспечением прямой саблевидности на начальном участке 6 лопасти и угла атаки α. Прямая саблевидность характеризуется тем, что передняя кромка 7 лопасти отогнута назад по отношению к направлению вращения и по отношению к плоскости вращения и соответствует традиционному изготовлению саблевидных лопастей. Участок 6 прямой саблевидности плавно переходит к конечному участку 8 обратной саблевидности, то есть с обеспечением такой формы лопасти, при которой передняя кромка лопасти отогнута вперед по отношению к направлению вращения и по отношению к плоскости вращения (фигуры 1 и 2). Лопасти своими окончаниями, принадлежащими конечным участкам, жестко соединены друг с другом любым известным способом, исходя из технологических возможностей (резьбовое соединение посредством отверстий 9 на концах лопастей; сварка; клепка; с помощью вспомогательной кольцевой насадки 10). Указанные способы скрепления лопастей идентичны для функционирования заявленного пропеллера.

Скрепление конечных участков 8 лопастей различно и приводит к осуществлению пропеллера в двух вариантах.

В двухлопастном пропеллере начальные участки 6 лопасти отверстиями 5 насажены на ступицу и закреплены винтом 3. Поверхность 12 лопастей по месту крепления на ступице расположена перпендикулярно оси пропеллера. Окончания 13 лопастей развернуты на 90° по отношению к началу лопасти, находятся в одной плоскости с осью пропеллера и жестко соединены друг с другом с образованием осесимметричной фигуры. Например, окончания лопастей накладываются и соединяются между собой точечной сваркой (фигуры 3, 7).

Скрепление окончаний лопастей обеспечивает жесткую и прочную конструкцию, в том числе с применением тонкого стального листового материала, пластмассы, композиционных материалов. Форма лопастей с плавным переходом между их поверхностями плавно изменяет угол атаки и сопротивление набегающего потока текучей среды от максимума до минимума на окончаниях лопастей. Такое перераспределение потока обеспечивает повышение к.п.д. в широком диапазоне скоростей по сравнению с известными устройствами того же назначения.

При сборке двухлопастного пропеллера окончания лопастей могут быть закреплены с помощью кольцевой насадки 10 или удлинителя вала 11 по оси пропеллера, которые облегчают доступ к креплению лопастей на ступице 1. Размер крепежных элементов не изменяет аэродинамику лопастей (фигуры 4, 5).

При скреплении окончаний обеих лопастей заявленного пропеллера лопасти образуют поверхность Мебиуса. Исходя из этого обе лопасти пропеллера могут быть получены путем однократного изгиба одной плоской спиралевидной детали с отверстиями на концах для закрепления детали на ступице с образованием двух лопастей (фигура 6). Наглядным пояснением конструкции такой лопасти служит плоская развертка на фигурах 8 и 9. На фигуре 8 плоская фигура состоит из двух спиралевидных элементов, образующих осесимметричную фигуру с отверстиями 5 на незамкнутых концах спиралевидных элементов под посадочный размер ступицы приводного вала пропеллера. На фигуре 9 представлена плоская развертка двухлопастного пропеллера, состоящая из двух спиралевидных элементов вида двухфокусной спирали, симметричная относительно линии, перпендикулярной касательной к кромке плоской фигуры в ее средней части, с отверстиями 5 на незамкнутых концах спиралевидных элементов под посадочный размер ступицы приводного вала пропеллера. Аналогичная конструкция пропеллера может быть получена из плоской детали, имеющей развертку, показанную на фигуре 10. Развертка состоит из двух спиралевидных элементов, образующих осесимметричную фигуру с осевым отверстиями 5 под посадочный размер ступицы приводного вала пропеллера, а отверстия 9 на концах фигуры служат для скрепления окончаний лопастей друг с другом.

По сравнению с ленточной лопастью по авторскому свидетельству СССР №1305430 спиралевидная поверхность лопасти обеспечивает форму лопастей с плавным изменением угла атаки; конструктивную прочность лопастей; уменьшение габаритов и массы пропеллера при одновременном значительном повышении к.п.д. и обеспечении практически бесшумной работы; уменьшается диаметр сметаемой поверхности. Для ленточной лопасти недостижимо получение лопасти заявленной формы и, как следствие, недостижимы вышеуказанные преимущества.

Вариантом изобретения является трехлопастной пропеллер (фигура 1). Окончания лопастей также объединяются коаксиально вблизи оси пропеллера посредством кольцевой насадки 10, которая, с одной стороны, облегчает доступ к средствам крепления ступицы (фигура 2), с другой стороны, ее применение практически не изменяет аэродинамику лопастей, а также позволяет закреплять окончания лопастей под определенным углом атаки, выбор которого соответствует общепринятой практике. Трехлопастной пропеллер с учетом вида преобразования энергии, например, от лопасти на вал, как у ветродвигателя, или при передаче вращения на лопасти может иметь угол атаки α>β или β>α, где α - это угол атаки начального участка лопасти, а β - угол атаки конца лопасти.

Работа заявленного пропеллера в двух вариантах в качестве гребного винта происходит следующим образом.

При вращении приводного вала 2 и ступицы 1 с текучей средой начинают взаимодействовать участки лопастей прямой стреловидности 6, у которых угол атаки меньше, чем у лопастей обратной стреловидности 8 (α<β). Благодаря этому происходит плавное ускорение окружающей текучей среды, которая набирает максимальную скорость только на выходе из устройства на концах лопастей. Совокупность траекторий наружных кромок лопастей образует преимущественно овальную фигуру, вытянутую вдоль оси пропеллера. Чем больше удлинение пропеллера вдоль оси, тем более плавное ускорение среды осуществляется пропеллером. Поскольку лопасти закреплены с обоих концов: на ступице 1 и окончаниями друг с другом, то конструкция получается довольно легкой и жесткой, несмотря на большое удлинение вдоль оси вращения 0-0', которое обеспечивает небольшой распределенный градиент давлений в текучей среде, а следовательно, небольшой уровень шума, кавитации и турбулентности, что существенно увеличивает КПД и положительно влияет на общую техническую эффективность предложенного устройства.

Пропеллеры могут быть изготовлены любым известным технологическим приемом, например литьем, ковкой. Технологически легко трехлопастной пропеллер может быть согнут из плоского тонкого листового материала, например стали (фигуры 11, 12), в виде детали, представляющей собой единую цельную плоскую фигуру, состоящую из спиралевидных элементов, образующих осесимметричную фигуру, с одним осевым отверстием 5 под посадочный размер ступицы приводного вала пропеллера и крепежными отверстиями 9.

В качестве образующих спиралей могут использоваться Архимедова спираль, гиперболическая и логарифмическая спирали, эвольвенты, циклоиды и другие подходящие кривые, которые выбираются в зависимости от конкретного назначения предложенного устройства.

Приведенные данные были подтверждены натурными испытаниями опытных образцов бытовых вентиляторов на основе плоских разверток фиг.9, 10, 11, которые обеспечивали узко фокусированную воздушную струю с низким уровнем шума вплоть до 6000 об/мин и небольшими производственными затратами, доступными любой частной мастерской, а следовательно, и заводам, занимающимся производством малошумящих гребных винтов подводных лодок, ветроэнергетических установок, самолетов и т.п.

1. Пропеллер, содержащий саблевидные лопасти, закрепленные на ступице приводного вала и отогнутые назад по отношению к направлению вращения и по отношению к плоскости вращения, отличающийся тем, что пропеллер имеет три и более лопастей с двухсторонним креплением; начальный участок каждой лопасти имеет прямую саблевидность, при которой передняя кромка лопасти отогнута назад по отношению к направлению вращения и по отношению к плоскости вращения и плавно переходит в конечный участок обратной саблевидности, при которой передняя кромка лопасти отогнута вперед по отношению к направлению вращения с обеспечением плавного изменения угла атаки лопасти, окончания лопастей соединены друг с другом посредством кольцевой насадки с обеспечением расположения окончаний лопастей в непосредственной близости друг от друга и с обеспечением возможности укрепления окончаний лопастей под заданным углом атаки β, отличающимся от угла атаки α начальных участков лопастей.

2. Пропеллер по п.1, отличающийся тем, что совокупность лопастей образует осесимметричную фигуру.

3. Пропеллер по п.1, отличающийся тем, что для двигателя угол атаки α начального участка лопасти прямой саблевидности больше угла атаки β конца лопасти обратной саблевидности.

4. Пропеллер по п.1, отличающийся тем, что для движителя угол атаки α начального участка лопасти прямой саблевидности меньше угла атаки β конца лопасти обратной саблевидности.

5. Пропеллер по п.1, отличающийся тем, что совокупность траекторий наружных кромок лопастей образует ометаемую поверхность, преимущественно овальной формы вращения, вытянутую вдоль оси пропеллера.

6. Пропеллер по п.1, отличающийся тем, что плоская развертка поверхности лопасти имеет спиралевидную форму.

7. Пропеллер по п.1, отличающийся тем, что лопасти выполнены путем изгиба тонкого листового материала плоской спиралевидной формы.

8. Пропеллер, содержащий саблевидные лопасти, закрепленные на ступице приводного вала и отогнутые назад по отношению к направлению вращения и по отношению к плоскости вращения, отличающийся тем, что пропеллер имеет две лопасти, замкнутые конечными участками друг на друга; начальный участок каждой лопасти имеет прямую саблевидность, при которой передняя кромка лопасти отогнута назад по отношению к направлению вращения и по отношению к плоскости вращения, и плавно переходит в конечный участок обратной саблевидности, при которой передняя кромка лопасти отогнута вперед по отношению к направлению вращения и по отношению к плоскости вращения; окончания лопастей сопряжены в единое целое с обеспечением плавного перехода между поверхностями обеих лопастей так, что обе лопасти образуют единую поверхность Мебиуса, характеризующуюся однократным перегибом поверхности; при этом участки поверхности каждой лопасти, расположенные на оси вращения пропеллера, развернуты по отношению друг к другу на 90°, и ось пропеллера и поверхность конечных участков обеих лопастей по оси пропеллера находятся в одной плоскости.

9. Пропеллер по п.8, отличающийся тем, что две лопасти пропеллера представляют собой единую поверхность в виде поверхности Мебиуса, характеризующуюся однократным перегибом поверхности; при этом участки поверхности каждой лопасти, расположенные на оси вращения пропеллера, развернуты по отношению друг к другу на 90°, и ось пропеллера и конечный участок по оси пропеллера, принадлежащий обеим лопастям, находятся в одной плоскости.

10. Пропеллер по п.8, отличающийся тем, что совокупность лопастей образует осесимметричную фигуру.

11. Пропеллер по п.8, отличающийся тем, что совокупность траекторий наружных кромок лопастей образует сметаемую поверхность, преимущественно овальной формы вращения, вытянутую вдоль оси пропеллера.

12. Пропеллер по п.8, отличающийся тем, что плоская развертка поверхности лопасти имеет спиралевидную форму.

13. Пропеллер по п.8, отличающийся тем, что окончания лопастей соединены друг с другом непосредственно.

14. Пропеллер по п.8, отличающийся тем, что окончания лопастей соединены друг с другом посредством кольцевой насадки или удлинителя вала.

15. Пропеллер по п.8, отличающийся тем, что лопасти выполнены путем изгиба тонкого листового материала плоской спиралевидной формы.

16. Развертка лопастей пропеллера по любому из пп.1-15, характеризующаяся тем, что развертка всей совокупности лопастей пропеллера представляет собой единую цельную плоскую фигуру, состоящую из спиралевидных элементов, образующих симметричную фигуру с одним и более отверстиями под посадочный размер ступицы приводного вала пропеллера.

17. Развертка по п.16, отличающаяся тем, что спиралевидные элементы образуют осесимметричную фигуру с осевым отверстием под посадочный размер ступицы приводного вала пропеллера.

18. Развертка по п.16, отличающаяся тем, что она состоит из трех спиралевидных элементов.

19. Развертка по п.16, отличающаяся тем, что она состоит из двух спиралевидных элементов.

20. Развертка по п.16, отличающаяся тем, что развертка двухлопастного пропеллера представляет собой единую цельную плоскую фигуру, состоящую из двух спиралевидных элементов, образующих осесимметричную фигуру с осевым отверстием под посадочный размер ступицы приводного вала пропеллера.

21. Развертка по п.16, отличающаяся тем, что развертка двухлопастного пропеллера представляет собой единую цельную плоскую фигуру, состоящую из двух спиралевидных элементов, образующих осесимметричную фигуру с отверстиями на незамкнутых концах спиралевидных элементов под посадочный размер ступицы приводного вала пропеллера.

22. Развертка по п.16, отличающаяся тем, что развертка двухлопастного пропеллера представляет собой единую цельную плоскую фигуру, состоящую из двух спиралевидных элементов вида двухфокусной спирали, симметричную относительно линии, перпендикулярной касательной к кромке плоской фигуры в ее средней части, с отверстиями на незамкнутых концах спиралевидных элементов под посадочный размер ступицы приводного вала пропеллера.