АЭРОДИНАМИЧЕСКИЙ ВИНТ Российский патент 1998 года по МПК B64C11/00 

Изобретение относится к области прикладной аэродинамики, а именно - к созданию машин и устройств, преобразующих энергию набегающего потока в энергию вращения (например ветровые колеса) или преобразующих энергию вращения вала силовой установки в энергию движения потока с целью создания тяги по оси винта (например пропеллеры летательных аппаратов).

Известны аэродинамические винты, являющиеся одним из основных элементов конструкции машин, использующих аэродинамические свойства газовой среды. Лопасти этих винтов устанавливаются на втулке перпендикулярно оси вращения и образуют при вращении винта плоскость вращения. Угол атаки профиля лопасти позволяет в случае использования винта в ветряках преобразовать силу набегающего потока в силу тяги лопасти, которая создает крутящий момент на оси винта и расходуется на преодоление профильного сопротивления лопасти. При использовании винта в качестве движителя летательного аппарата угол атаки профиля лопасти позволяет преобразовать силу набегающего на лопасть потока в силу тяги лопасти, которая через втулку винта передается на корпус летательного аппарата (Д.М.Прицкер, Г.Н.Сахаров. Аэродинамика. М.: Машиностроение, 1968, с. 180-182).

При вращении винта как в первом, так и во втором случаях, на обеих сторонах лопасти происходит перемещение частиц погранслоя вдоль лопасти, приводящее к увеличению толщины погранслоя у задней кромки лопасти. На подсасывающей стороне лопасти из-за сильного утолщения погранслоя происходит преждевременный отрыв потока от лопасти, что приводит к неполному восстановлению давления у задней кромки лопасти. Давление у задней кромки лопасти получается меньше, чем у передней, что увеличивает сопротивление давления (одну из составляющих профильного сопротивления лопасти).

Из-за перемещения частиц погранслоя вдоль лопасти удлиняется их "путь" по лопасти, что приводит к возникновению дополнительного сопротивления вследствие поверхностного трения.

Увеличение профильного сопротивления лопасти и неиспользование энергии перемещения погранслоя вдоль лопасти снижают КПД винта.

Известен винт с лопастями обтекаемого профиля, у которого лопасти выполнены из крыловых и винтовых профилей (а.с. N 155458, F 03 D 1/06). Недостатком этого винта является неполное использование энергии потока. Не используется энергия составляющей потока, обтекающего лопасть, движущейся на поверхности лопасти в продольном направлении. Наличие данной составляющей повышает профильное сопротивление лопасти, в результате чего снижается КПД винта.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение КПД винта за счет использования энергии составляющей потока, направленной при обтекании винта вдоль лопасти, и снижения профильного сопротивления лопасти.

Для этого лопасти винта, выполненные из крыловых и винтовых профилей, наклонены к оси вращения винта стороной, испытывающей пониженное давление при обтекании потоком (подсасывающей стороной), под углом не менее 60^o и снабжены по всей длине с обеих сторон поперечными дугообразными ребрами, вогнутыми со стороны оси вращения винта. Высота каждого ребра составляет не более 6% от длины хорды профиля лопасти в месте расположения ребра. При этом высота соответствующего ребра, расположенного с подсасывающей стороны лопасти, составляет 40-60% от высоты ребра, расположенного со стороны лопасти, испытывающей повышенное давление.

Частным случаем расположения дугообразных ребер на поверхности лопасти является такое расположение, когда угол между лучом, проведенным из точки "выхода" ребра из передней кромки лопасти через точку окончания ребра на задней кромке лопасти, и лучом, проведенным из точки "выхода" ребра из передней кромки лопасти вдоль этой кромки в направления от комля лопасти к ее концу, составляет 75-90^o.

На фиг. 1 изображен аэродинамический винт, преобразующий энергию набегающего потока в энергию вращения (винт быстроходного ветряка), вид сбоку; на фиг. 2 - то же, вид спереди; на фиг.3 - аэродинамический винт, преобразующий крутящий момент на валу силовой установки в силу тяги (пропеллер летательного аппарата); на фиг.4 - поперечное сечение лопасти винта быстроходного ветряка по А-А; на фиг.5 - поперечное сечение лопасти пропеллера летательного аппарата по Б-Б; на фиг.6 - продольное сечение лопасти по В-В; на фиг. 7 - схема струи, создаваемой обычным пропеллером; на фиг.8 - схема струи, создаваемой пропеллером с наклонными к оси вращения лопастями.

Аэродинамический винт содержит лопасти 1 с винтовыми и крыловыми профилями, наклоненные к оси вращения винта под углом 60^o < α < 90^o подсасывающей стороной 2, испытывающей пониженное давление при обтекании лопасти набегающим потоком 3.

С обеих сторон лопасти размещены поперечные дугообразные ребра 4, вогнутые со стороны оси вращения винта, расположенные так, что угол β между лучом 5, проведенным из точки "выхода" ребра из передней кромки 6 лопасти через точку окончания ребра на задней кромке 7 лопасти, и лучом 8, проведенным из точки "выхода" ребра вдоль передней кромки лопасти в направлении от комля к концу лопасти, находится в пределах 75-90^o.

Каждое ребро 4 выступает над профилем лопасти на высоту h₁ (h₂), составляющую не более 6% от длины хорды B профиля лопасти в месте расположения ребра. Высота ребер 4, расположенных на подсасывающей стороне 2 лопасти, составляет 40-60% от высоты соответствующих им ребер, расположенных на стороне 9 лопасти, испытывающей повышенное давление при обтекании лопасти набегающим потоком: h₂= 0,4-0,6 h₁. Кромка 10 поперечного сечения ребра, расположенная со стороны оси вращения винта, образует с поверхностью лопасти желобок. Кромка 11 поперечного сечения ребра, расположенная со стороны конца лопасти, плавно переходит в контур самой лопасти.

Обвод нижнего и верхнего ребер 4 на поперечном сечении лопасти полностью повторяет обвод профиля лопасти в месте расположения ребер. Контур ребер 4 и контур профиля лопасти - герметически подобные фигуры (коэффициент подобия 1,03-1,15), имеющие общую точку 12 на передней кромке 6 лопасти.

Аэродинамический винт работает следующим образом. При вращении винта траектория частиц погранслоя 13, протекающих по поверхности лопасти, под воздействием центробежных сил искривляется в сторону конца лопасти. Достигая поперечного дугообразного ребра 4, частицы погранслоя начинают стекать вдоль его кромки 10. При этом они прижимаются к ребру центробежными силами и оказывают на него давление. Результирующей этого давления будет сила P, перпендикулярная лучу 5 и приложенная примерно посередине ребра.

Величина этой силы равна:
P = K•B•S•h•ρ•R•ω²•sinβ
где b - длина хорды профиля лопасти в месте расположения ребра;
S - расстояние между рассматриваемым ребром и соседним ребром (со стороны оси вращения);
h - высота ребра над обводом профиля лопасти;
ρ -объемная плотность воздуха;
R - расстояние от оси вращения винта до рассматриваемого ребра;
ω - циклическая частота вращения винта;
β - угол установки ребра относительно передней кромки лопасти (угол между лучами 5 и 8);
K - коэффициент, учитывающий сжимаемость воздушной среды. Для подсасывающей стороны лопасти K= 0,8-1
Для стороны 9 лопасти, испытывающей повышенное давление при обтекании потоком, K= 1,1-1,5. Сила P передает на ось винта дополнительный вращательный момент:
ΔMi = P•cosβ•R
Дополнительный момент на всей лопасти, имеющей n поперечных ребер:

У предлагаемого винта - пропеллера 14 поток за винтом в горловом сечении E₁ также сужается, как и поток за обычным винтом 15 в горловом сечении E, но чем дальше от конца лопасти и чем ближе к оси вращения винта частица потока проходит через наклоненную лопасть, тем меньше отклонение ее траектории в сторону оси вращения винта. А траектория 16 частиц потока, проходящих через наклоненную лопасть вблизи комля, отклоняется от оси вращения.

Это происходит потому, что в сечении D₁( как и в ближайших к нему слева и справа сечениях потока) действует постоянный градиент давления. В радиальном направлении 17 от оси вращения винта возникает падение давления.

В результате происходит изменение траекторий частиц потока, проходящих через лопасти винта - пропеллера 14, по сравнению с траекториями частиц потока, проходящих через лопасти обычного винта 15, что улучшает условия обтекания элементов конструкции летательного аппарата, расположенных позади винта (гондолы двигателя, передней кромки крыла и т.д.), а следовательно, уменьшает общее лобовое сопротивление летательных аппаратов.

Применение предлагаемого аэродинамического винта на быстроходных ветряках повышает "приемистость" при трогании винта с места, во- первых, потому, что при наклоне лопастей 1 к оси вращения винта уменьшается его момент инерции, во - вторых, эффективность поперечных ребер 4 при наклоне лопастей возрастает, так как по сравнению с обычным винтом большая часть потока, обтекающего лопасть, движется вдоль нее, воздействуя на поперечные ребра.

Как в случае винта-пропеллера, так и в случае винта быстроходного ветряка при наклоне лопастей к оси вращения уменьшается вероятность преждевременного отрыва погранслоя от подсасывающей стороны 2 лопасти, так как при вращении винта частицы погранслоя прижимаются к подсасывающей стороне 2 лопасти центробежными силами.

Угол α наклона лопастей к оси вращения винта должен быть не менее 60^o (60^o <α <90^o). При α <60^o значительно уменьшается ометаемая площадь, что снижает передаваемую винтом мощность. Чем больше предполагаемая скорость вращения винта, тем ближе должен быть угол наклона лопастей к верхнему пределу указанного интервала. Угол β между лучами 5 и 8 принят равным 75-90^o. Чем больше предполагаемая скорость вращения винта и чем дальше от оси вращения по длине лопасти располагается поперечное ребро 4, тем ближе угол установки ребра β к верхней границе данного интервала. Менее 75^o этот угол задавать нецелесообразно, так как при этом значительно увеличивается дополнительное профильное сопротивление лопасти, возникающее из-за наличия на ее поверхности ребер 4.

Высота ребер принимается в пределах 50-60% от толщины погранслоя на лопасти. Используется энергия продольного движения частиц погранслоя, протекающих в непосредственной близости от поверхности лопасти и имеющих максимальные продольные составляющие скорости движения.

Для профилей лопастей быстроходных ветряков и винтов летательных аппаратов толщина погранслоя на лопасти не превышает 10% от длины хорд этих профилей, поэтому высота ребер 4 принята не более 6% от длины хорды профиля лопасти в месте расположения ребра.

Так как на подсасывающей стороне 2 лопасти скорость потока выше, чем на стороне 9, испытывающей повышенное давление при обтекании потоком, толщина погранслоя на стороне 2 меньше, чем на стороне 9. Поэтому и высота поперечных ребер h₂ на подсасывающей стороне 2 меньше, чем высота h₁ ребер, расположенных на стороне 9. Чем выше скорость вращения винта, тем меньше должна быть высота поперечных дугообразных ребер.

Количество поперечных ребер на лопасти и расстояние между ними определяется для каждого конкретного винта в зависимости от его размеров, предполагаемой скорости вращения и параметров газовой среды.

Применение винта заявляемой конструкции с повышенным КПД может иметь существенное значение как в последних экономичных моделях авиационных винтовых двигателей, так и в ветроустановках, использование которых в последнее время становится все актуальнее.

Использование: для создания устройств, преобразующих энергию потока воздуха в механическую энергию вращения или энергию вращения для создания потока воздуха. Сущность изобретения: предложен аэродинамический винт, снабженный наклоненными к оси винта лопастями на угол не менее 60^o, имеющими с обеих сторон дугообразные ребра высотой не более 6% хорды профиля лопасти, при этом высота ребер, расположенных на стороне лопасти, испытывающей пониженное давление составляет 40-60% высоты ребер, расположенных с другой стороны лопасти, а расположение ребер на лопасти определяется углом между направлением передней кромки лопасти и хордой ребра, составляющим 75-90^o. 1 з. п. ф-лы, 8 ил.

1. Аэродинамический винт, снабженный лопастями, имеющими крыловые и винтовые профили, отличающийся тем, что лопасти наклонены к оси вращения винта стороной, испытывающей пониженное давление при обтекании потоком, под углом не менее 60^o и снабжены с обеих сторон поперечными дугообразными ребрами, вогнутыми со стороны оси вращения винта, высота каждого из которых над лопастью не превышает 6% от длины хорды профиля лопасти в месте расположения ребра, при этом высота ребер, расположенных на стороне лопасти, испытывающей пониженное давление при обтекании потоком, составляет 40 60% от высоты соответствующих им ребер, расположенных с другой стороны лопасти. 2. Винт по п.1, отличающийся тем, что дугообразные ребра расположены на лопасти таким образом, что угол между лучом, проведенным из точки "выхода" ребра из передней кромки лопасти через точку окончания ребра на задней кромке лопасти, и лучом, проведенным из точки "выхода" ребра из передней кромки лопасти вдоль этой кромки в направлении от комля к концу лопасти составляет 75 90^o.