ЛОПАСТЬ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ДВИЖИТЕЛЯ Российский патент 1999 года по МПК B63H1/26 

Изобретение относится к области судостроения, в частности к рабочим органам гидравлических движителей, а более конкретно - к лопастям гребных винтов, рабочих колес водометов, подруливающих устройств и винторулевых колонок.

Уровень техники
Известны лопасти винтов, имеющих некавитирующий профиль, например сегментный, профили серий NACA-66, NACA-16 со средней линией a=0,8, а также эллиптический профиль со средней линией a=0,8 (см. "Теория и расчет гребных винтов" Басин А.М., Минкович И.Я., Судпромгиз, 1965, Ленинград, с. 461-465).

Каждая из этих лопастей имеет некий криволинейный профиль, образованный засасывающей и нагнетающей поверхностями, а также входящей и выходящей кромками. При этом одна и та же лопасть для обеспечения оптимального соотношения между кавитационными, гидродинамическими и прочностными характеристиками может иметь участки с профилями различных серий (см. гребные винты Troost B series).

Для точного описания профиля лопасти принято рассматривать лопасть в цилиндрическом сечении, образованном пересечением лопасти цилиндрической поверхностью с осью, совпадающей с осью гидравлического движителя. В дальнейшем под словами "сечение лопасти" будет пониматься именно такое сечение.

Линия, соединяющая крайние, наиболее удаленные точки входящей и выходящей кромок, называется хордой сечения и является осью абсцисс, от которой отсчитываются по перпендикуляру к хорде ординаты t линий, образующих засасывающую и нагнетающую поверхности. Длина хорды обозначается как C. Таким образом, все длины лопасти определяются размерами по хорде в долях C, а все толщины - ординатами в долях от t_max.

Достоинствами этих известных лопастей является то, что их профиль обеспечивает достаточно равномерное распределение давления по засасывающей и нагнетающей поверхности лопасти при достаточно малом профильном сопротивлении, а также то, что они имеют уменьшенный пик разрежения на входящей кромке благодаря наличию скругления на входящей кромке.

Недостаток известных лопастей является то, что при увеличении скорости и мощности судов резко возрастают проблемы, связанные с кавитацией на засасывающей поверхности, такие как повышенные эрозия, вибрация, шум и снижение КПД. Засасывающая поверхность известных лопастей имеет практически постоянную кривизну от входящей кромки до выходящей кромки, поскольку всеобщее распространение имеет представление о том, что увеличение кривизны увеличивает опасность возникновения ранней кавитации, а также увеличивает профильное сопротивление лопасти.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является лопасть гидравлического движителя, известная из патентов США N 4780058, МКл. B 63 H 1/26, опубл. 25.10.1988. Эта лопасть имеет выпуклую засасывающую поверхность и выпукло-вогнутую нагнетающую поверхность, а также скругленную входящую и острую выходящую кромки. Профиль этой лопасти в сечении выполнен таким, что линия, образующая засасывающую поверхность, имеет от входящей кромки до выходящей кромки постоянную кривизну с максимальной ординатой в точке, расположенной не дальше 0,50 длины хорды от входящей кромки. Линия, образующая нагнетающую поверхность, имеет выпуклый участок в передней части лопасти и вогнутый участок, пересекающий под острым углом хорду в задней части лопасти, причем точка перехода от выпуклого участка к вогнутому (точка перегиба линии) расположена на расстоянии 0,5 длины хорды от входящей кромки.

Благодаря двоякой кривизне нагнетающей поверхности этой лопасти улучшаются показатели ее работы в отдельных кавитационных режимах. Однако введение вогнутости в зоне выходящей кромки создает иную проблему, а именно то, что выходящая кромка получается чрезмерно тонкой. Кроме того, расположение точки перегиба по длине на середине хорды не позволяет обеспечить безкавитационную работу лопасти во многих режимах.

Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание лопасти гидравлического движителя, предназначенной для работы в режиме отсутствия кавитации и вентиляции и обладающей улучшенными кавитационными характеристиками, отдалением возникновения кавитации и, как следствие, уменьшенными эрозией, вибрацией, шумом и повышенным КПД.

Техническим результатом, который может быть достигнут при использовании настоящего изобретения, является либо увеличение безкавитационной скорости обтекания при сохранении заданной толщины лопасти и подъемной силы, либо увеличение подъемной силы при сохранении безкавитационной скорости обтекания и прочности лопасти, либо увеличение толщины и, соответственно, радиуса входящей кромки, при сохранении безкавитационной скорости обтекания и подъемной силы лопасти.

Для достижения указанного технического результата предлагается лопасть с улучшенным профилем сечения, охарактеризованная признаками, указанными в формуле изобретения.

Согласно настоящему изобретению лопасть гидродвижителя имеет входящую кромку и острую выходящую кромку, а также нагнетающую и выпуклую засасывающую поверхности. Вся лопасть, или ее часть, имеет профиль сечения, в котором линия, образующая засасывающую поверхность, выполнена выпуклой и имеющей максимальную ординату в точке, расположенной на расстоянии, не превышающем 0,60 длины хорды от входящей кромки. Линия, образующая нагнетающую поверхность, имеет выпуклый участок в входящей части лопасти и вогнутый участок, пересекающий хорду под острым углом в задней части лопасти. В отличие от прототипа, точка перегиба между упомянутыми выпуклым и вогнутым участками лежит на расстоянии 0,6-0,9 длины хорды от входящей кромки. Кроме того, линия, образующая засасывающую поверхность, имеет участок увеличенной кривизны на расстоянии от 0,03 до 0,1 длины хорды от выходящей кромки. Ордината линии, образующей засасывающую поверхность, в точке, лежащей на расстоянии 0,05 длины хорды от выходящей кромки, равна 0,4 - 0,7 максимальной ординаты этой линии.

Ординаты линии, образующей засасывающую поверхность, могут быть увеличены на величину соответствующих ординат линий NACA a = 0,8, NACA a=1,0 или линии сегмента, а ординаты линии, образующей нагнетающую поверхность, могут быть уменьшены на величину соответствующих ординат линий NACA a=0,8, NACA a= 1,0 или линии сегмента.

Входящая кромка лопасти согласно изобретению может быть выполнена скругленной или клиновидной, с углом клиновидности не менее 30^o.

В случае выполнения входящей кромки скругленной, кривизна линии, образующей засасывающую поверхность, на участке от входящей кромки до точки на расстоянии 0,05 длины хорды, может быть выполнена меньшей, равной или большей, чем кривизна линии, образующей нагнетающую поверхность, на этом участке.

В случае выполнения входящей кромки клиновидной, угол примыкания линии, образующей засасывающую поверхность, к хорде в крайней точке входящей кромки может быть выполнен большим, равным или меньшим, чем угол примыкания к хорде в крайней точке входящей кромки линии, образующей нагнетающую поверхность.

Участок линии, образующей засасывающую поверхность, на расстоянии до 0,03 длины хорды от выходящей кромки может быть выполнен выпуклым и криволинейным, или прямолинейным.

Благодаря существенному смещению точки перегиба линии, образующей нагнетающую поверхность, к выходящей кромке удалось добиться увеличения кривизны вогнутого участка нагнетающей поверхности и, соответственно, увеличения пика положительного давления в задней части лопасти.

Одновременно, увеличение кривизны засасывающей поверхности в области выходящей кромки также способствовало увеличению кривизны вогнутого участка нагнетающей поверхности и, соответственно, увеличения пика положительного давления в задней части лопасти. Кроме того, это дало возможность обеспечить необходимую толщину и прочность лопасти в районе выходящей кромки.

Совокупность этих двух технических приемов позволяет получить пик давления примерно в 2 раза больший, чем в известной лопасти, и, тем самым, существенно повысить кавитационные характеристики предлагаемой лопасти. Это объясняется тем, что наличие пика положительного давления на нагнетающей поверхности позволяет, при сохранении заданной подъемной силы лопасти, уменьшить кривизну засасывающей поверхности и, соответственно, расчетную величину разрежения на этой поверхности, а значит увеличивается и скорость безкавитационного обтекания. С другой стороны, при сохранении той же заданной толщины лопасти появляется возможность увеличения подъемной силы лопасти.

Как показали проведенные теоретические и экспериментальные исследования, увеличение кривизны засасывающей поверхности в указанном районе входящей кромки не приводит к возникновению в этом месте кавитации и/или существенному увеличению профильного сопротивления, как это обычно ожидается на основании общепринятых методик проектирования лопастей гидравлических движителей. Эти негативные явления не возникают, так как толщина профиля на расстоянии примерно 0,05 длины хорды от выходящей кромки соизмерима с толщиной пограничного слоя, а наличие пика давления в районе выходящей кромки уменьшает величину разрежения в районе местного увеличения кривизны.

Указанное выше наложение профиля лопасти, имеющей сечение согласно изобретению, на среднюю линию типа a=0,8, a=1,0 или сегмент, т.е. соответственное увеличение ординат линии, образующей засасывающую поверхность, и уменьшение ординат линии, образующей нагнетающую поверхность, позволяет получить различные соотношения между величинами подъемной силы профиля, его толщины и величины разрежения, что необходимо при проектировании лопасти гидравлического движителя. Таким образом можно получить серию профилей лопастей, не прибегая к сложным и трудоемким расчетам.

Выполнение входящей кромки лопасти скругленной или клиновидной с углом клиновидности не менее 30^o улучшает условия обтекания входящей кромки. Соотношение кривизны засасывающей и нагнетающей поверхности в районе входящей кромки или углов примыкания определяет величину угла безударного входа для заданной величины подъемной силы и позволяет добиться отсутствия пиков разрежения в районе входящей кромки для заданного режима работы гидравлического движителя.

Плоский участок засасывающей поверхности в районе выходящей кромки является мерой предотвращения "пения" винта.

Перечень фигур чертежей
Заявляемое изобретение иллюстрируется чертежами, на которых изображено:
на фиг. 1 - сечение лопасти, имеющей традиционный эллиптический профиль;
на фиг. 2 - сечение лопасти, описанной в патенте США N 4780058;
на фиг. 3 - сечение лопасти, согласно изобретению;
на фиг. 4 - распределение давления на засасывающей и нагнетающей поверхностях лопасти, имеющей традиционный эллиптический профиль;
на фиг. 5 - распределение давления на засасывающей и нагнетающей поверхностях лопасти, описанной в патенте США N 4780058;
на фиг. 6 - распределение давления на засасывающей и нагнетающей поверхностях лопасти согласно заявляемому изобретению;
на фиг. 7 - участок сечения лопасти в районе выходящей кромки;
на фиг. 7б - участок сечения лопасти в районе выходящей кромки с плоским участком на засасывающей поверхности;
на фиг. 8а - участок сечения лопасти в районе скругленной входящей кромки с кривизной засасывающей поверхности, меньшей кривизны нагнетающей поверхности;
на фиг. 8б - участок сечения лопасти в районе скругленной входящей кромки с кривизной засасывающей поверхности, равной кривизне нагнетающей поверхности;
на фиг. 8в - участок сечения лопасти в районе скругленной входящей кромки с кривизной засасывающей поверхности, большей кривизны нагнетающей поверхности;
на фиг. 9а - участок сечения лопасти в районе клиновидной входящей кромки с углом примыкания к хорде засасывающей поверхности большим, чем угол примыкания к хорде нагнетающей поверхности;
на фиг. 9б - участок сечения лопасти в районе клиновидной входящей кромки с углом примыкания к хорде засасывающей поверхности равным углу примыкания к хорде нагнетающей поверхности;
на фиг. 9в - участок сечения лопасти в районе клиновидной входящей кромки с углом примыкания к хорде засасывающей поверхности меньшим, чем угол примыкания к хорде нагнетающей поверхности;
на фиг. 10 - кривые действия K_T и K_Q, а также коэфициента полезного действия η, при отсутствии и наличии кавитации, полученные в результате сравнительных испытаний винтов с лопастями, имеющими (при равных прочих геометрических характеристиках) традиционный профиль NACA-16 a=0,8 и профиль сечения согласно изобретению.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
На фиг. 3 показан пример конкретного выполнения лопасти согласно заявляемому изобретению. Как видно из чертежа, профиль лопасти имеет линию, образующую засасывающую поверхность, линию, образующую нагнетающую поверхность, а также скругленную входящую и острую выходящую кромки. Линия, образующая засасывающую поверхность, выполнена выпуклой на всем протяжении от входящей кромки до выходящей кромки и имеет максимальную ординату t_max в точке, расположенной на расстоянии 0,60 C от входящей кромки. Кроме того, линия, образующая засасывающую поверхность, имеет участок увеличенной кривизны от выходящей кромки до точки на расстоянии не превышающем 0,1 С. Ордината линии, образующей засасывающую поверхность, в точке, лежащей на расстоянии 0,05 C от входящей кромки, равна 0,5 t_max максимальной ординаты этой линии. Линия, образующая нагнетающую поверхность, имеет выпуклый участок в передней части лопасти и вогнутый участок, пересекающий хорду под острым углом в задней части лопасти. Точка перегиба между упомянутыми выпуклым и вогнутым участками лежит на расстоянии 0,65 C от входящей кромки.

Сравнение графиков распределения давления, показанных на фиг. 4 - 6 показывает, что на лопасти, имеющей профиль согласно настоящему изобретению, абсолютное значение величины коэффициента давления C_p на засасывающей поверхности больше, чем соответствует меньшему разрежению на этой поверхности и, как следствие, к возникновению кавитации при более низких значениях числа кавитации δ при прочих равных условиях, что является следствием конструктивных усовершенствований, введенных в профиль лопасти согласно изобретению.

На фиг. 7 - 8 показаны различные варианты выполнения входящей кромки лопасти, которые могут быть предпочтительны при определенных сочетаниях параметров лопастей и условий их работы.

На фиг. 10 приведены данные сравнительных испытаний в кавитационной трубе моделей двух гребных винтов быстроходных судов. Эти модели имели одинаковые геометрические характеристики: дисковое отношение Ao / AE - 0,99, шаг на радиусе 0,7 R H = 1,15, число лопастей 4, за исключением того, что на одной модели были установлены лопасти с традиционными профилями NACA-16 a = 0,8, на другой - лопасти с профилем согласно настоящему изобретению. Как видно из фиг. 10, при расчетной поступи J=0,9 и расчетном числе кавитации δ = 0,63, определенном по формуле

где V - скорость движения судна;
P - давление на оси винта;
P_d - давление насыщенных паров воды;
ρ - плотность воды,
гребной винт с лопастями, описанными в настоящей заявке на изобретение, работает в безкавитационном режиме и имеет коэффициент полезного действия η = 0,66, в то время как винт с лопастями, имеющими профиль NACA-16 a=0,8 кавитирует и имеет коэффициент полезного действия η = 0,57. При этом отношение δ/C_Ti, где C_Ti - максимальный коэффициент нагрузки, при котором нет влияния кавитации на коэффициент упора K_T, для винта с лопастями согласно изобретению составляет δ/C_Ti = 1,1, в отличие от δ/C_Ti = 1,9 для винтов с лопастями, имеющими традиционные профили сечений.

Изобретение относится к судостроению, а именно к лопастям гидравлических движителей. Сущность изобретения заключается в том, что в лопасти, засасывающая поверхность которой имеет максимальную ординату на расстоянии от выходящей кромки не более 0,6 длины хорды, а нагнетающая имеет выпукло-вогнутую форму, засасывающая поверхность имеет участок увеличенной кривизны в районе выходящей кромки, а точка перегиба линии, образующей нагнетающую поверхность, лежит на расстоянии 0,6 - 0,9 длины хорды от входящей кромки. Использование изобретения позволяет обеспечить работу движителя без кавитации и вентиляции лопастей и повышает его КПД. 9 з.п.ф-лы, 10 ил.

1. Лопасть гидравлического движителя, предназначенная для работы в режиме отсутствия кавитации и вентиляции, включающая выпуклую засасывающую поверхность, нагнетающую поверхность, входящую кромку и острую выходящую кромку, причем профиль всей лопасти или ее части в сечении лопасти цилиндрической поверхностью имеющей ось, совпадающую с осью гидравлического движителя, выполнен таким, что линия, образующая засасывающую поверхность, имеет максимальную ординату на расстоянии от выходящей кромки, не превышающем 0,6 длины хорды, а линия, образующая нагнетающую поверхность, имеет выпуклый участок в передней части лопасти и вогнутый участок, пересекающий хорду под острым углом, в задней части лопасти, отличающаяся тем, что точка перегиба между упомянутыми выпуклым и вогнутым участками расположена на расстоянии 0,6 - 0,9 длины хорды от входящей кромки, а линия, образующая засасывающую поверхность, имеет участок увеличенной кривизны на расстоянии 0,03 - 0,10 длины хорды от выходящей кромки, причем ордината линии, образующей засасывающую поверхность, в точке, лежащей на расстоянии 0,05 длины хорды от выходящей кромки, равна 0,4 - 0,7 максимальной ординаты этой линии. 2. Лопасть по п.1, отличающаяся тем, что ординаты линии, образующей засасывающую поверхность профиля, увеличены на величину соответствующих ординат линий NACA a=0,8, NACA a=1,0 или сегмента, а ординаты линии, образующей нагнетающую поверхность, уменьшены на величину соответствующих ординат линий NACA a=0,8, NACA a=1,0 или сегмента. 3. Лопасть по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что входящая кромка выполнена скругленной. 4. Лопасть по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что входящая кромка выполнена клиновидной, с углом клиновидности не менее 30^o. 5. Лопасть по п.3, отличающаяся тем, что кривизна линии, образующей засасывающую поверхность, на участке от входящей кромки до точки на расстоянии 0,05 длины хорды, меньше кривизны линии, образующей нагнетающую поверхность на этом участке. 6. Лопасть по п.3, отличающаяся тем, что кривизна линии, образующей засасывающую поверхность, на участке от входящей кромки до точки на расстоянии 0,05 длины хорды, больше или равна кривизне линии, образующей нагнетающую поверхность на этом участке. 7. Лопасть по п.4, отличающаяся тем, что угол примыкания линии, образующей засасывающую поверхность, к хорде в крайней точке входящей кромки больше, чем угол примыкания к хорде в крайней точке входящей кромки линии, образующей нагнетающую поверхность. 8. Лопасть по п.4, отличающаяся тем, что угол примыкания линии, образующей засасывающую поверхность, к хорде в крайней точке входящей кромки меньше или равен углу примыкания к хорде в крайней точке входящей кромки линии, образующей нагнетающую поверхность. 9. Лопасть по пп.1 - 8, отличающаяся тем, что участок линии, образующей засасывающую поверхность, на расстоянии до 0,03 длины хорды от выходящей кромки выполнен выпуклым и криволинейным. 10. Лопасть по пп.1 - 8, отличающаяся тем, что участок линии, образующей засасывающую поверхность, на расстоянии до 0,03 длины хорды от выходящей кромки выполнен прямолинейным.