ВЫСОКОЭФФЕКТИВНАЯ ЛОПАСТЬ ВИНТА С УВЕЛИЧЕННОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ РАБОЧЕЙ ЧАСТИ Российский патент 2015 года по МПК B63H1/26 F04D29/38 B64C11/18 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к винту с высоким энергетическим КПД, предназначенному для применения в летательных аппаратах и морских транспортных средствах, насосных системах, ветровых турбинах и гидротурбинах.

Указанное изобретение относится к лопастям винта, которые распределены по окружности ступицы винта и установлены под углом к оси (x) ступицы винта, к вогнутой криволинейной контактной поверхности, образованной на передней поверхности указанных лопастей, которые толкают воду, и к выпуклой закругленной по радиусу поверхности выходной кромки, которая следует за этой контактной поверхностью и короче указанной контактной поверхности.

Предпосылки к созданию изобретения

Как известно, гребной винт является движущим элементом, который используется для обеспечения движения судов и сообщает вращательное движение при помощи привода. Винты, производимые в различных формах, преобразуют энергию, вырабатываемую машинами, установленными в корпусе, в движущую силу, под действием которой судно движется по водной поверхности. Винт ускоряет проходящую через него воду, и сила реакции, возникающая в результате увеличения количества движения, вызываемого ускоренным прохождением воды, приводит к движению судна вперед. Ускорение количества движения обеспечивается или небольшим увеличением скорости в большой массе воды (большие, медленно действующие винты), или большим увеличением скорости в малой водной массе (небольшие высокоскоростные винты). Первая система имеет более высокий кпд.

Форма корпуса судна оказывает сильное влияние на прохождение воды по направлению к винту. Поскольку во время движения судна вперед оно тянет за собой часть водной массы, относительная скорость движения вперед винта в водной массе ниже, чем действительная скорость судна.

Осевая скорость воды в разных частях винта различная. Следовательно, каждая вращающаяся лопасть проходит через водные зоны с высокими и низкими скоростями. Обычно скорость относительно воды достигает своего самого низкого значения во время нахождения лопасти в своем самом высоком положении (вертикальное), и она достигает своего самого высокого значения во время нахождения лопасти в самом низком положении. Вследствие этого сила, создаваемая лопастями, непрерывно изменяется в некотором диапазоне значений, и впоследствии возникают проблемы вибрации, износостойкости и кавитации.

Кавитация: лопасти винта в аэродинамическом профиле действуют как закрылки. Вода, проходящая через окружную периферию лопасти, впереди создает низкое давление, а сзади повышает давление. Значительная часть влияния винта проявляется в зоне низкого давления. Если давление падает ниже уровня давления испарения воды в любой точке, в воде возникают пузырьки. Винты, которые применяются в море, из-за явления кавитации изготавливают со значительно более крупными лопастями, чем те, которые применяются в воздухе.

Одна из важных проблем изготовления винтов заключается в том, что движущая сила судна преобразуется в силу отталкивания с заранее заданным числом вращения. Это главным образом зависит от шага винта. Ввиду того, что этот шаг зависит от угла, образуемого с направлением потока через лопасти, и что создаваемые сила отталкивания и давление являются следствием движения винта, шаг важен с точки зрения кавитации. Таким образом, любая кавитация, которая может возникать, уменьшается при таком выборе шага, при котором он изменяется на всей поверхности лопасти для каждого значения радиуса.

Что касается винтов, в поданной в 1982 году американской заявке на патент США №41318671 упоминается особая конструкция; эта конструкция имеет отношение к применению поверхности на основе полимерного материала на трехгранных кромках лопастей в целях уменьшения потерь энергии, имеющих место на судовых винтах, касательно уменьшения потерь на поверхности, ведущих к турбулентности. В данном изобретении для повышения энергетического КПД используется прохождение поверхности на лопасти винта под тремя разными углами.

В патенте США №4171183, выданном 16 октября 1979 года, предлагается механизм, в котором могут изменяться углы лопастей винта для повышения энергетического КПД. Изменение угла лопасти в зависимости от скорости (регулирование шага) может использоваться как добавление в предлагаемой здесь конструкции винта. Регулирование угла лопасти не зависит от основной концепции упоминаемой здесь конструкции. В патенте США №4932908, выданном 12 июня 1990 года, лопасть винта оказывает противодействие текучей среде, поступающей наклонно к валу, для сведения к минимуму вязкого трения на лопасти винта, для сведения к минимуму потерь кинетической энергии на лопасти и для повышения общего энергетического КПД. В данном изобретении увеличен трехгранный профиль лопасти винта и достигнуто увеличение общего КПД энергопреобразования, не приводящее к различию в отношении вала.

В патенте США №6877692 B2, выданном 12 апреля 2005 года, рассматривается колебание двух лопастей винта в противофазе относительно друг друга в целях повышения КПД энергопреобразования в текучей среде и для обеспечения создания силы отталкивания сжатой текучей средой.

В патенте США №4073601, выданном 14 февраля 1978 года, предусмотрено создание поверхностей лопастей винта для высоких скоростей. Хотя в данном изобретении используется аналогичный механизм для уменьшения эффекта кавитации, основное различие состоит в том, что угол впуска (атаки) для обратного направления и углы выпуска (задние углы) имеют определенные значения, благодаря чему одновременно обеспечивается повышение КПД энергопреобразования, и в том, что профиль лопастей имеет соответствующее конструктивное исполнение.

Описание изобретения

Задача настоящего изобретения заключается в обеспечении высокого энергетического КПД, получаемого применительно к летательным аппаратам и морским транспортным средствам, насосным системам, ветровым и гидротурбинам, и в исключении вибрации.

Другая задача настоящего изобретения заключается в обеспечении отсутствия образования пузырьков сзади судна, когда оно не продвигается вперед из-за состояния, в котором находится винт. Система основывается на том, что аэродинамичная входная кромка, расположенная под углом атаки, может осуществлять прием воды и существующая лопасть садится на всю поверхность высокого давления, сохраняя требуемым образом равновесное состояние.

Задачей изобретения является достижение большого усилия за счет создания толкающего усилия всей поверхностью лопасти во время контакта лопасти с водой.

Задачей изобретения является обеспечение возможности простой адаптации ко всем видам судов. Конструкция предусматривает простоту адаптации к системе без необходимости в замене винта при ее сопряжении с судном.

Настоящее изобретение предназначено для обеспечения максимальной передачи энергии во время перехода от перемещения текучей среды винтом к вращательному движению, и основная особенность винта, разработанного для этой цели, состоит в том, что имеются три отдельные зоны, основанные на различных изменениях осевого направления текучей среды, проходящей через лопасть.

Другой задачей изобретения является устранение в новой конструкции винта шума и гудения, возникающих в винтах, которые применяются в существующих способах, на 90%. При уменьшении шума на 90% пузырьки не образуются.

Следующей задачей настоящего изобретения является уменьшение скорости вращения двигателя в винтах, применяемых в существующих способах, от 3200 до 2600 об/мин. С новым винтом скорость вращения увеличивается от 3200 об/мин до 3500 об/мин. В результате вращения он вызывает движение со скоростью 12 миль в час. Благодаря этой разработке становится возможным сэкономить топливо и обеспечить высокую мощность и высокие эксплуатационные характеристики.

Еще одна задача изобретения состоит в формировании размахом лопастей и концом каждой лопасти прохода G-образного профиля.

После поступления текучей среды от аэродинамичной входной лопасти, расположенной под углом атаки, и затем приема в «зоне приема», давление текучей среды достигает максимального значения в средней зоне, «переходной зоне». И наконец, в «зоне толкания» текучая среда создает для выхода с поверхности лопасти толкающее, отталкивающее и тянущее действия. Когда поступившая от входной кромки текучая среда преобразуется в толкающее движение и толкающее движение преобразуется во вращательное движение, гидродинамическая эффективность увеличивается.

Задача изобретения состоит также в уменьшении турбулентности и кавитации при помощи лопастного механизма, имеющего три разные поверхности и два различных, обратно направленных угла, и достижении тем самым максимальной эффективности передачи энергии между вращательным движением лопасти и поступательным перемещением по вертикальной оси. В конструкции винта вентиляционные потери минимальны, так как выходящая текучая среда создает непрерывный параллельный поток относительно оси вращения. Существует 36 различных способов выбора вогнутых и выпуклых поверхностей и площади поверхности и количества лопастей в зависимости от плотности и номинальной скорости вращения текучей среды, для которой они используются.

Для решения вышеупомянутых задач объем притязаний указанного изобретения распространяется на лопасти винта, которые распределены по окружности ступицы и установлены под углом к оси (x) ступицы винта, вогнутую криволинейную контактную поверхность, образованную на передней поверхности указанных лопастей, которая обеспечивает приложение толкающего усилия к воде, и выпуклую закругленную по радиусу поверхность выходной кромки, которая следует за этой контактной поверхностью и короче указанной контактной поверхности.

Описание графических материалов, поясняющих изобретение

Фигура 1 - вид в перспективе винта, который представляет собой предмет изобретения, установленного на ступице с расположением лопастей под углом.

Фигура 2 - двумерный вид спереди винта, являющегося предметом изобретения.

Фигура 2.1 - двумерное изображение винта, являющегося предметом изобретения, в разрезе по G-G.

Фигура 2.2 - двумерное изображение винта, являющегося предметом изобретения, в разрезе по H-H.

Фигура 3 - двумерный вид сверху лопасти винта, являющейся предметом изобретения, показанной отдельно.

Фигура 3.1 - двумерное изображение лопасти винта в разрезе по C-C.

Фигура 3.2 - двумерное изображение лопасти винта в разрезе по D-D.

Фигура3.3 - двумерное изображение лопасти винта в разрезе по E-E.

Фигура 3.4 - двумерное изображение лопасти винта в разрезе по F-F.

Фигура 4 - двумерное изображение лопасти винта в разрезе, установленной на ступице винта.

Фигура 4.1 - вид, отображающий поверхности контакта текучей среды с лопастью винта.

Фигура 5 - горизонтальная проекция, демонстрирующая все лопасти, каждая из которых является предметом изобретения.

Фигура 5.1 - вид в разрезе лопасти, являющейся предметом изобретения.

Номера позиций

10 - винт

11 - ступица винта

12 - установочная поверхность

13- лопасть

13.1 - задняя закругленная по радиусу поверхность

13.2 - плоская поверхность

13.3 - контактная поверхность

13.4 - закругленная по радиусу поверхность выходной кромки

13.5 - входная кромка, расположенная под углом атаки

13.6 - проход G-образного профиля

13.7 - задняя поверхность

а - передняя поверхность

b - задняя поверхность

c - точка начала закругленной по радиусу поверхности

c1 - точка конца закругленной по радиусу поверхности

c2 - точка конца плоской поверхности

d - поверхность трения

f - направление вращения лопасти

Подробное описание изобретения

Указанное изобретение относится к винту, применяемому в летательных аппаратах/морских судах, насосных системах, ветровых и гидротурбинах, и объем его притязаний распространяется на лопасти (13) винта, которые распределены по окружности установочной поверхности ступицы (11) винта (10) и зафиксированы под углом к оси (x) ступицы (11) винта, вогнутую криволинейную контактную поверхность (13.3), образованную на передней поверхности (a) указанных лопастей (13), толкающей воду, и выпуклую закругленную по радиусу поверхность (13.4) выходной кромки, которая следует за этой контактной поверхностью (13.3) и короче указанной контактной поверхности (13.3), заднюю закругленную по радиусу поверхность (13.1), образованную на участке от точки (с) начала закругления по радиусу до точки (с1) его конца на задней поверхности (b) указанных лопастей (13), и плоскую поверхность (13.2), образованную на участке от точки (с1) конца указанного закругления по радиусу до точки (с2) конца плоской поверхности.

Указанный винт (10) направляет текучую среду, которую он принимает от контактной поверхности (13.3), в направлении (f) вращения к середине корпуса и лопасти сначала с определенным первым изменением угла, и затем она выпускается в направлении, обратном первому изменению при максимальном давлении, но со вторым изменением по радиусу, имеющим меньшее значение, когда она проходит через закругленную по радиусу поверхность (13.4) выходной кромки, и, следовательно, под действием перепада давления между передней и задней поверхностями согласно оси вращения лопасти, текучая среда выходит из винта с прямолинейными линиями тока (без завихрений) в инкрементном направлении соответственно текущей скорости, и по сравнению с известными профилями винтов увеличивается КПД преобразования вращательной энергии в энергию линейного движения одновременно с уменьшением влияния кавитации и трения на поверхность лопастей винта.

Контактная поверхность (13.3) лопасти (13) является вогнутой по сравнению с осью (b) задней поверхности и, таким образом, она способствует созданию толкающего усилия, возникающего вследствие вращения. Край контактной поверхности (13.3) в месте поступления на него текучей среды расположен наклонно ниже выпуклой задней поверхности и в комбинации с нижней поверхностью образует тонкую поверхность, в результате чего могут быть сведены к минимуму потери, обусловленные соприкосновением текучей среды с верхней и нижней поверхностями. Если обозначить площадь, включающую контактную поверхность (13.3) и закругленную по радиусу поверхность (13.4) выходной кромки как поверхность (d) трения, то

d=13.3+13.4,

где 13.3>13.4.

Это значит, что контактная поверхность (13.3) поверхности (d) трения занимает на 90% больше места, чем закругленная по радиусу поверхность (13.4) выходной кромки.

Закругленная по радиусу поверхность (13.4) выходной кромки меньше, чем контактная поверхность (13.3), и вихревое движение возникает в точке, где оканчивается контактная поверхность (13.3) и начинается закругленная по радиусу поверхность (13.4) выходной кромки.

После поступления с задней закругленной по радиусу поверхности (13.1) текучей среды от аэродинамичной входной кромки, расположенной под углом атаки, и затем ее приема, текучая среда достигает максимального давления в средней зоне контактной поверхности (13.3). Контактная поверхность (13.3), имеющая большую площадь и большой радиус, оказывает толкающее, отталкивающее и тянущее действия и выходит из поверхности лопасти через закругленную по радиусу поверхность (13.4) выходной кромки.

Лопастной механизм с тремя разными поверхностями и с двумя различными, обратно направленными углами обеспечивает уменьшение турбулентности и кавитации и, таким образом, обеспечивает достижение максимальной эффективности передачи энергии между вращательным движением (10) лопасти и поступательным движением по вертикальной оси. В этой конструкции винта вентиляционные потери минимальны, так как выходящая текучая среда образует непрерывный поток, параллельный оси вращения.

Вышеупомянутая плоская поверхность (13.2) проходит вдоль задней поверхности лопасти (13), и ее ширина составляет 1/3 ширины лопасти (13) в проекции. Задняя закругленная по радиусу поверхность (13.1) пересекается с плоской поверхностью (13.2) и имеет радиус R, который составляет 2/3 ширины задней поверхности в проекции и тем самым дополняет остальную часть задней поверхности.

На свободном конце указанном радиусе (13.1) обратной поверхности выполнена внутренняя контактная поверхность (13.3) с радиусом величиной 1,5 R, пересекающаяся с плоскостью вращения винта так, что образует с ней угол величиной от 3 до 9 градусов, и выполнена закругленная по радиусу поверхность (13.4) выходной кромки с радиусом величиной 0,5 R, пересекающаяся с плоскостью в месте, находящемся ниже половины толщины края лопасти указанной внутренней контактной поверхности (13.3) и указанной плоской поверхности, и изгибающаяся в направлении, противоположном направлению изгиба внутренней контактной поверхности (13.3). Расстояние от точки пересечения указанных закругленных по радиусу поверхностей (13.1, 13.3) с радиусом R и 1,5 R до плоскости, где расположена задняя плоская поверхность (13.2), составляет 1/4 и 1/5 ширины задней поверхности в проекции. Диаметр F задней поверхности (13.7) лопасти заключен в пределах значений диаметра от R400 до R650. Если диаметр задней поверхности (13.7) лопасти равен 600, текучая среда должна быть освобождена после прохождения через лопасть, и она должна вызывать толкающее действие по всей ширине. Таким образом, толкающее действие по всей ширине должно производиться в том случае, если диаметр равен R600.

Если лопасти (13) зафиксированы так, что они образуют с установочной поверхностью (12) ступицы (11) винта углы, равные 36^o,40°,44° и 48°, и если угол наклона их базовой линии (13) равен 36°, то расстояние А равно 55, расстояние В равно А/5, расстояние С равно A/3, расстояние D равно A/3. Когда диаметр К равен 112, диаметр L будет равен 90.

Если лопасти расположены под углами 36°, 40°, 44° и 48°, величины A, B, C, E, K и L имеют такие значения, как указано в приведенной ниже таблице.

Если диаметр К равен A/K, диаметр R заключен в пределах 0,49-0,53.

Если диаметр L равен A/L, диаметр R заключен в пределах 0,55-0,73.

K=(0,49-0,53) XA

L=(0,55-0,73) XA

B=A·1/5=A·0,2

Винт содержит плоскую поверхность (13.2), которая проходит вдоль задней поверхности лопасти (13), и ширина которой составляет 1/3 ширины лопасти (13), заднюю закругленную по радиусу поверхность (13.1), которая пересекает плоскую поверхность (13.2) и имеет радиус R, который составляет 2/3 ширины задней поверхности и тем самым дополняет остальную часть задней поверхности. На свободном конце радиуса (13.1) задней поверхности внутренняя контактная поверхность (13.3) с радиусом, равным 1.5 R, пересекает плоскость вращения винта так, что образует угол величиной 3-9 градусов. Закругленная по радиусу поверхность (13.4) выходной кромки, которая имеет радиус 0,5 R пересекает плоскость, расположенную ниже половины толщины края лопасти указанной внутренней контактной поверхности (13.3) и плоской поверхности (13.2), и изогнута в направлении, противоположном внутренней контактной поверхности (13.3). Расстояние от точки пересечения указанных закругленных по радиусу поверхностей (13.1, 13.3), которые имеют радиус R и 1.5 R, до плоскости, где расположена задняя плоская поверхность (13.2), составляет 1/4 и 1/5 ширины в проекции задней поверхности. Диаметр F задней поверхности (13.7) лопасти (13) заключен в диапазоне значений диаметра от R400 до R650. Изобретение направлено на повышение энергетического КПД. 2 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

1. Винт, содержащий:
- плоскую поверхность (13.2), которая проходит вдоль задней поверхности лопасти (13), и ширина которой составляет 1/3 ширины лопасти (13),
- заднюю закругленную по радиусу поверхность (13.1), которая пересекает плоскую поверхность (13.2) и имеет радиус R, который составляет 2/3 ширины задней поверхности и тем самым дополняет остальную часть задней поверхности,
- при этом на свободном конце указанного радиуса (13.1) задней поверхности внутренняя контактная поверхность (13.3) с радиусом, равным 1.5 R, пересекает плоскость вращения винта так, что образует угол величиной 3-9 градусов,
- при этом закругленная по радиусу поверхность (13.4) выходной кромки, которая имеет радиус 0,5 R, пересекает плоскость, расположенную ниже половины толщины края лопасти указанной внутренней контактной поверхности (13.3) и указанной плоской поверхности (13.2), и изогнута в направлении, противоположном внутренней контактной поверхности (13.3),
- при этом расстояние от точки пересечения указанных закругленных по радиусу поверхностей (13.1. 13.3), которые имеют радиус R и 1.5 R, до плоскости, где расположена задняя плоская поверхность (13.2), составляет 1/4 и 1/5 ширины в проекции задней поверхности,
- при этом диаметр F задней поверхности (13.7) лопасти (13) заключен в диапазоне значений диаметра от R400 до R650.

2. Винт по п.1, отличающийся тем, что он содержит лопасти, у которых диаметры закругленных по радиусу поверхностей входных кромок (13.5), расположенных под углом атаки, и поверхностей g-образного прохода (13.6) равны друг другу.

3. Винт по пп.1 и 2, отличающийся тем, что он содержит ряд лопастей (13), характеризующихся диаметром лопасти, установленных на ступице (11) винта под углом от 36° до 48°.