Способ увеличения эффективности лопастного винта
Владельцы патента RU 2381144:
Лебедев Анатолий Викторович (RU)
Кутиков Анатолий Анатольевич (RU)
Галкин Юрий Александрович (RU)
Кобылкин Владимир Григорьевич (RU)
Изобретение относится к области авиации, а также может использоваться в других областях, где применяются лопастные винты. Способ увеличения эффективности лопастного винта заключается в том, что на концах каждой из лопастей лопастного винта устанавливают лопатки. Лопатки устанавливают перпендикулярно по отношению к плоскости вращения винта. По отношению к плоскости вращения винта лопатки выполнены радиусными, соответствующими по форме внешнему радиусу вращения винта и имитирующими кольцевую беззазорную насадку. Высоту лопатки выбирают в соответствии с максимальным шагом винта h, ширину лопатки выбирают в соответствии с шириной лопасти, а толщину лопатки d выбирают в зависимости от условий работы лопастного винта в среде данной плотности и заданной скорости вращательного и осевого поступательного движения винта, при этом d=f(ρ,ω,Vo), где f - функциональная зависимость; ρ - плотность среды; ω - угловая скорость вращения винта; Vo - скорость поступательного движения винта. Технический результат заключается в уменьшении коэффициента концевых потерь и увеличении площади лопастного винта и соответственно тяговых характеристик винта. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Способ увеличения эффективности лопастного винта относится к любой области, где может быть использован лопастной винт (воздушный, гребной), это авиастроение (самолеты, вертолеты, автожиры), турбиностроение, кораблестроение (надводные и подводные суда, суда на воздушной подушке) вентиляторная и ветроэлектрическая техника.
Известен способ увеличения эффективности лопастного винта, патент СССР №1711664, МПК В64С 11/00, в котором повышение КПД винта и уменьшение аэродинамических потерь достигается за счет обеспечения безотрывного обтекания винта.
Известен также способ увеличения эффективности лопастного винта, патент №43249, В64С 11/00. Силу тяги винта увеличивают за счет того, что устанавливают на лопастях винта, предлагаемого по данному техническому решению, диффузоры, оси которых имеют положительный угол атаки, при этом диффузоры выполненяют в виде лопаток с радиусом кривизны, установленных под углом 40-45° к тыльной плоскости лопасти, причем переднюю кромку лопаток располагают под углом 90-105°, а заднюю кромку под углом 30-45° к продольной оси лопатки. Такая установка лопаток по отношению к лопасти возможно эффективна при использовании на разнонаправленных соосных винтах, однако расположение задней кромки лопатки под углом 30-45° к продольной оси лопатки в единичных винтах, во-первых увеличивает радиус лопастного винта, и кроме того, будет создаваться дополнительный турбулентный поток струи с тыльной стороны винта, что отрицательно влияет на силу тяги винта за счет концевых потерь и дополнительного сужения потока за винтом за счет турбулентности.
Технической задачей способа является уменьшение коэффициента концевых потерь лопастного винта и, как следствие, увеличение эффективной площади лопастного винта и соответственно тяговых характеристик лопастного винта.
Техническая задача решается за счет того, что в способе увеличения эффективности лопастного винта, заключающемся в том, что на каждой из лопастей лопастного винта, имеющего как минимум две лопасти, устанавливают на концах лопатки, при этом лопатки по отношению к плоскости вращения винта устанавливают радиусными и симметричными, а по форме соответствующими внешнему радиусу вращения винта и перпендикулярными по отношению к плоскости вращения винта, имитирующими кольцевую беззазорную насадку.
Кроме того, в способе высоту лопатки выбирают в соответствии с максимальным шагом винта h, а ширину лопатки - в соответствии с шириной лопасти, при этом толщину лопатки d выбирают в зависимости от условий работы лопастного винта в среде данной плотности и заданной скорости вращательного и осевого поступательного движения винта, при этом d=f(ρ,ω,Vo),
где f - функциональная зависимость;
ρ - плотность среды;
ω - угловая скорость вращения винта;
Vo - скорость поступательного движения винта.
В способе также выбирают высоту лопаток относительно фронтальной и тыльной поверхностей лопасти в вертикальном к плоскости сечения лопасти направлении равновеликой вверх и вниз, при этом углы лопаток скругляют.
Для раскрытия заявленного способа представлены чертежи, где
На фиг 1 изображен лопастной винт в плоскости вращения лопастного винта;
На фиг.2 изображен лопастной винт в плоскости, перпендикулярной плоскости вращения лопастного винта;
На фиг.3 изображено увеличенное сечение по А-А фрагмента лопастного винта с лопаткой;
Лопастной винт 1 имеет как минимум две лопасти 2. В качестве примера, представлен трехлопастной винт.
На каждой из лопастей 2 на концах устанавливают лопатку 3. Лопатку 3 выполняют по отношению к плоскости вращения винта 1 радиусной. Лопатку 3 по форме выбирают в соответствии с внешним радиусом вращения винта 1 и при этом устанавливают перпендикулярно по отношению к плоскости вращения винта 1.
Широко известен способ увеличения тяги винта с использованием схемы «винт в кольце». Такой способ имеет большую эффективность, однако его довольно сложно осуществлять из-за сложности монтажа. Основная проблема данного способа - выставление точного зазора между внутренней поверхностью кольца и концевыми частями лопасти.
При вращении лопастного винта по заявляемому способу лопастной винт 1 с лопаткой имитирует кольцевую беззазорную насадку, таким образом увеличивая тягу винта.
Кроме того, в способе высоту лопатки 3 выбирают в соответствии с максимальным шагом винта h, а ширину лопатки 3 в соответствии с шириной лопасти 2, при этом толщину лопатки d выбирают в зависимости от условий работы лопастного винта в среде данной плотности и заданной скорости вращательного и осевого поступательного движения винта, при этом d=f(ρ,ω,Vo),
где f - функциональная зависимость;
ρ - плотность среды;
ω - угловая скорость вращения винта;
Vo - скорость поступательного движения винта.
В способе также выбирают высоту лопаток относительно фронтальной и тыльной поверхностей лопасти в вертикальном к плоскости сечения лопасти направлении равновеликой вверх и вниз, при этом углы лопаток скругляют.
На фиг.3 изображена лопатка 3, выполненная по заявляемому способу. Высоту лопаток 3 лопастного винта 2 относительно фронтальной и тыльной поверхностей лопасти 2 устанавливают одинаковой.
Высоту лопаток 3 над поверхностью лопасти 2 выбирают согласующейся с максимальным шагом h лопастного винта 1.
В предлагаемом лопастном винте 1 установка лопаток 3 не только меняет характер вихревого течения на конце лопасти 2, но и увеличивает эффективность лопастного винта.
Под эффективностью лопастного винта следует понимать тяговое усилие, создаваемое на единицу мощности двигателя, обеспечивающего вращение винта.
Теоретическое значение силы n-лопастного винта Fn с максимальным шагом винта h, эффективной шириной лопасти , внешним радиусом лопасти rв, начальным радиусом лопасти rо при угловой скорости вращения винта ω выражается формулой
где ρ0 - плотность среды, в которой работает винт.
Приведенная формула дает хорошее совпадение с экспериментом в диапазоне сил тяги от долей до десятков тысяч единиц килограмм-силы и соответствует идеальному лопастному винту 1, не имеющему центробежных потерь рабочего потока с лопастей 2.
Центробежные потери рабочего потока с лопастей 2 уменьшают эффективный внешний радиус винта на величину 
, порождают значительный уровень турбулентных потерь лопастного винта и сопровождаются расфокусировкой отбрасываемого потока, приводящей к потере силы тяги на относительную величину 
.
Способ подавления турбулентных потерь винта и повышения тяговой силы путем помещения винта в отражательное кольцо по схеме «винт в кольце» нашел ограниченное применение как по причине конструктивной и технологической сложности (особенно в авиастроении), так и недостаточной эффективности из-за увеличения потерь на турбулентное трение в зазоре между лопастями винта и охватывающим кольцом.
Известное техническое решение повышения тягового усилия винта (см. патент 43249, заявка 2004127334 МПК 7F 03D), прототип, содержит концевые фигурные лопатки, располагаемые ассиметрично относительно продольной оси лопасти под углами от 30 до 45 градусов с изменением внешнего радиуса лопасти винта. Такая конфигурация и расположение концевых лопаток не удовлетворяет условию сохранения внешнего радиуса винта и при некотором увеличении силы тяги порождает более высокий уровень турбулентных шумов винта. В условиях набегающего лобового потока в случае движения винта в среде (особенно при сдвоенных и многорядных винтах) ослабляется "ветроэлектрический" эффект увеличения крутящего момента винта (эффект "ветряка") и требуется увеличение мощности двигателя для сохранения крутящего момента винта.
Мощность двигателя N, обеспечивающая крутящий момент винта, определяется моментом сопротивления среды вращению лопастного винта 1 и может быть выражена в достаточном приближении теоретической формулой:
,
где φo=arctg(h/
) - эффективный угол атаки лопасти винта 1. Удельная тяговая сила лопастного винта 1 при этом выразится формулой:
где δо=rо/rв
Полагая, что мощность тяги лопастного винта 1 при движении расходуется на придание объекту, с которым связан лопастной винт 1, скорости V из соотношения FnV=N, производим оценку скорости объекта достижимой при данной мощности двигателя и выбранных параметрах лопастного винта 1:
Выполнив числовые оценки значения V для типовых соотношений h, 
и n при максимальной окружной скорости винта ωrв, равной скорости звука в среде Vо получаем:
Vмакс≈0,5Vо
Это подтверждает справедливость теоретических оценок, полученных для силы тяги винта Fn и мощности двигателя N, требуемой для обеспечения этой тяги.
Лопастной винт 1 по заявляемому способу 1 работает следующим образом. При вращении лопастного винта 1 лопасти 2 с лопатками 3 захватывают среду и отбрасывают ее назад, создавая тяговую силу. При этом лопастной винт 1 с лопатками 3 при вращении за счет конфигурации, заявленной в предлагаемом способе, имитирует кольцевую беззазорную насадку, таким образом увеличивая тягу винта. Лопатки 3 препятствуют срыву потока с концов лопастей 2 и увеличивают силу тяги без увеличения радиуса лопастного винта 1, т.е. без увеличения длины лопасти.
Авторы провели экспериментальную проверку способа увеличения эффективности лопастного винта.
Результаты экспериментальной проверки.
Экспериментальная проверка проводилась на трехлопастном вентиляторе с округлыми лопастями традиционной формы, дорабатываемыми по предлагаемому способу с сохранением профиля и внешнего радиуса лопастей. Осевая тяга вентилятора определялась на лабораторной установке, содержащей вентилятор, установленный на весы. Величина осевой тяги вентилятора вычислялась как разница веса вентилятора во включенном и отключенном состоянии.
Результаты сравнительных испытаний:
1. Вентилятор без доработки лопастей
| Вес в отключенном состоянии | 814 г |
| Вес во включенном состоянии | 857 г |
| Сила осевой тяги | 43 г |
2. Вентилятор с доработкой лопастей по предлагаемому способу при сохранении профиля и внешнего радиуса лопастей
| Вес в отключенном состоянии | 818 г |
| Вес во включенном состоянии | 880 г |
| Сила осевой тяги | 62 г |
| Коэффициент увеличения осевой тяги | 1,44 |
Техническая реализация предложенного способа дает возможность легко реализовать его конструктивно и технологически из-за простоты, обеспечивающей его широкое применение в авиастроении, турбиностроении, кораблестроении. Лопатки 3 могут быть выполнены как за одно целое с лопастью 2 без дополнительных элементов крепления, так и в виде самостоятельных конструкций с последующим креплением к лопасти 2.
1. Способ увеличения эффективности лопастного винта, заключающийся в том, что на концах каждой из лопастей лопастного винта, имеющего, по меньшей мере, две лопасти, устанавливают лопатки, отличающийся тем, что лопатки по отношению к плоскости вращения винта устанавливают радиусными, соответствующими по форме внешнему радиусу вращения винта, имитирующими кольцевую беззазорную насадку, перпендикулярно по отношению к плоскости вращения винта, при этом высоту лопатки выбирают в соответствии с максимальным шагом винта h, ширину лопатки выбирают в соответствии с шириной лопасти, а толщину лопатки d выбирают в зависимости от условий работы лопастного винта в среде данной плотности и заданной скорости вращательного и осевого поступательного движения винта, при этом d=f(ρ,ω,Vo),
где f - функциональная зависимость;
ρ - плотность среды;
ω - угловая скорость вращения винта;
Vo - скорость поступательного движения винта.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что высоту лопаток относительно фронтальной и тыльной поверхностей лопасти в вертикальном к плоскости сечения лопасти направлении выбирают равновеликой вверх и вниз, при этом углы лопаток скруглены.
