Воздушный винт с внешним кольцевым каркасом и натяжными лопастями

Изобретение относится к области авиации и ветроэнергетике, в частности к конструкциям воздушных винтов. Воздушный винт состоит из втулки, расположенной на оси вращения, и двухрядных лопастей числом более двух, установленных радиально. Лопасти механически связаны комлевой частью с втулкой воздушного винта, имеют вдоль размаха переменный угол наклона профиля к плоскости вращения - крутку. Лопасти воздушного винта выполнены тонкого профиля малой кривизны. Законцовки пера лопастей механически связаны с внешним кольцевым каркасом так, что верхние и нижние лопасти двухрядного воздушного винта механически растягивают внешний кольцевой каркас радиально и разнонаправленно вдоль оси вращения воздушного винта. Обеспечивается уменьшение диаметра и веса воздушного винта.

 

Изобретение относится к воздушным винтам, применяемых в авиации и ветроэнергетике.

Воздушный винт, пропеллер – это лопастный движитель, в котором радиально расположенные профилированные лопасти, вращаемые силовой установкой, отбрасывают воздух и тем самым создают силу тяги. Воздушный винт ветродвигателя преобразует энергию ветра в механическую энергию вращения.

Идею воздушного винта предложил в 1475 году Леонардо да Винчи, а применил его для создания тяги впервые в 1754 году М. В. Ломоносов в модели прибора для метеорологических исследований. К середине 19 века на пароходах применялись гребные винты, работающие аналогично воздушным винтам. В 20 веке воздушные винты стали применять на дирижаблях, самолётах, вертолётах, аэросанях, аппаратах на воздушной подушке. В 1892—1910 годах русский инженер-исследователь и изобретатель С. К. Джевецкий разработал теорию изолированного элемента лопасти, а в 1910—1911 годах русские учёные Б. Н. Юрьев и Г. Х. Сабинин развили эту теорию. В 1912— 1915 годах Н. Е. Жуковский создал вихревую теорию, дающую наглядное физическое представление о работе винта и других лопаточных устройств и устанавливающую математическую связь между силами, скоростями и геометрическими параметрами в такого рода устройствах. Значительная роль в дальнейшем развитии этой теории, её инженерных приложений и исследованиях прочности воздушного винта принадлежит В. П. Ветчинкину. Теория оптимального винта с конечным числом лопастей впервые была создана немецким учёным А. Бецем (1919 г.) и английским учёным С. Гольдштейном (1929 г.). В 1956 году советским учёным Г. И. Майкопаром вихревая теория воздушного винта была распространена на несущий винт вертолёта.

Воздушный винт состоит из втулки, расположенной на валу двигателя, и лопастей, имеющих вдоль размаха различные профили в поперечном сечении и переменный угол наклона профиля к плоскости вращения — крутку. В полёте вследствие сложения поступательной скорости, линейной скорости вращения и вызванной работой винта дополнительной скорости потока воздух набегает на каждое элементарное сечение лопасти под некоторым углом атаки. При этом возникающая от всех сечений всех лопастей суммарная аэродинамическая сила образует силу тяги воздушного винта и силу сопротивления его вращению. В зависимости от величины потребляемой мощности применяются воздушные винты с различным числом лопастей — двух-, трёх-, четырёх-, и более лопастные, а также соосные винты, вращающиеся в противоположных направлениях. Первые воздушные винты имели фиксированный в полёте шаг, определяемый постоянным углом установки лопасти. Для сохранения достаточно высокого КПД во всём диапазоне скоростей полёта и мощностей двигателя, а также для получения наименьшего лобового сопротивления воздушного винта при вынужденной остановке двигателя в полёте (флюгерный режим) или отрицательной тяги с целью торможения движения самолёта при посадке (реверсивный режим) стали применять воздушные винты изменяемого в полёте шага. В таких винтах лопасти поворачиваются во втулке относительно продольной оси механическим, гидравлическим или электрическим механизмом, управляемым центробежным регулятором, который поддерживает постоянным заданное число оборотов. По конструкции воздушные винты подразделяются на одиночные, соосные, двухрядные, воздушный винт в кольце и винтовентиляторы. Одиночный воздушный винт имеет один ряд лопастей. Соосный воздушный винт состоит из двух одиночных, расположенных один за другим на соосных валах, вращающихся в противоположных направлениях. У двухрядного воздушного винта, в отличие от соосного, одиночные винты вращаются в одном направлении. Воздушный винт в кольце имеет профилированное кольцо для создания дополнительной тяги, эффективен на скоростях до 200 км/ч. Винтовентиляторы отличаются большим числом широких тонких саблевидных лопастей. В зависимости от размещения на летательных аппаратах различают тянущие и толкающие воздушные винты. Для увеличения тяги и КПД при малой поступательной скорости и большой мощности воздушный винт помещают в профилированное кольцо, в котором скорость струи в плоскости вращения больше, чем у изолированного винта, и само кольцо вследствие циркуляции скорости создаёт дополнительную тягу. Для этой же цели профилю сечения лопасти воздушного винта придают большую кривизну. Диаметр воздушных винтов достигает 6—7 метров. Лопасти воздушного винта изготавливают из дуралюмина, стали и композиционных материалов. При скоростях полёта 600—800 км/ч КПД воздушного винта достигает соответственно 0,9—0,8. При больших скоростях под влиянием сжимаемости воздуха КПД падает. Основным способом снижения потерь мощности от сжимаемости воздуха является применение тонких профилей малой кривизны.

Основные недостатки существующих воздушных винтов: чрезмерное удлинение лопастей, приводящих к соударениям с лопастью, с фюзеляжем летательного аппарата, с конструкцией ветродвигателя; - большая масса; - подверженность флаттеру и саморазрушению; - снижение КПД при больших скоростях под влиянием сжимаемости воздуха. Воздушный винт, как техническая система в своём развитии подошёл к порогу технического противоречия: для увеличения подъёмной силы, тяги диаметр воздушного винта должен быть большим, и должен быть маленьким, чтобы удовлетворять требованиям прочности и безопасности.

Для устранения указанного технического противоречия предлагаю применить в качестве двухрядных лопастей воздушного винта тонкие профили малой кривизны, установленные радиально, механически связанные комлевой частью с втулкой воздушного винта, а законцовки пера лопасти механически связаны с внешним кольцевым каркасом. Верхние и нижние лопасти двухрядного воздушного винта механически растягивают внешний кольцевой каркас радиально и разнонаправленно вдоль оси вращения воздушного винта. Дополнительное натяжение лопастей происходит за счёт центробежной силы, создаваемых вращением воздушного винта.

За счёт применения тонких профилей малой кривизны достигается снижение массы, увеличение КПД воздушного винта. Двухрядные лопасти увеличивают тягу, подъёмную силу при меньшем диаметре воздушного винта. Внешний кольцевой каркас, растянутый лопастями радиально и разнонаправленно вдоль оси вращения воздушного винта, повышает прочность конструкции воздушного винта.

 Библиография

Литература: Юрьев Б. Н. Воздушные винты. М.; Л., 1933; Жуковский Н. Е. Вихревая теория гребного винта // Жуковский Н. Е. Полн. собр. соч. М.; Л., 1937. Т. 6; Ветчинкин В. П., Поляков Н. Н. Теория и расчет воздушного гребного винта. М., 1940; Александров В. Л. Воздушные винты. М., 1951; Франкль Ф. И. Избранные труды по газовой динамике. М., 1973; ЦАГИ. Основные этапы научной деятельности, 1918–1968 гг. М., 1976.

Воздушный винт, состоящий из втулки, расположенной на оси вращения, и двухрядных лопастей числом более двух, установленных радиально, механически связанных комлевой частью лопасти с втулкой воздушного винта, имеющих вдоль размаха переменный угол наклона профиля к плоскости вращения - крутку, отличающийся тем, что лопасти воздушного винта выполнены тонкого профиля малой кривизны, законцовки пера лопастей механически связаны с внешним кольцевым каркасом так, что верхние и нижние лопасти двухрядного воздушного винта механически растягивают внешний кольцевой каркас радиально и разнонаправленно вдоль оси вращения воздушного винта.