АЭРОДИНАМИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ ЛОПАСТЕЙ ВОЗДУШНОГО ВИНТА, ВЕНТИЛЯТОРА И ВЕТРЯНОЙ ТУРБИНЫ ПРИ ПОМОЩИ ОТВЕРСТИЙ И/ИЛИ НАДРЕЗОВ И/ИЛИ ВЫЕМОК Российский патент 2020 года по МПК B64C11/16 F03D5/00 F03D1/00 

1. РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Распределение давления лопастей воздушного винта, вентилятора и ветряной турбины и, таким образом, определение характеристик расхода воздуха решается путем соединения областей разного давления (низкого и высокого) на лопастях при помощи отверстий и/или надрезов и/или щелей.

Исходные характеристики давления изменяются из-за потока, возникающего в результате разности давлений в отверстиях, надрезах или щелях. Суть этих изменений заключается в том, что на лопастях (с физической и технической точки зрения) возникновение неблагоприятных турбулентностей уменьшается или устраняется. Данное решение может быть использовано в механизмах любого желаемого размера.

Одним из способов реализации этого представляет собой выполнение надреза соответствующей ширины и почти параллельного концу лопасти, близко к концу лопасти, в точке, которая находится на соответствующем расстоянии от него. Воздух, проходящий через это отверстие, устраняет турбулентность воздуха, которая в противном случае возникала бы на концах лопастей.

2. УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

На сегодняшний день разработчиком самой современной теории воздушных винтов является Сидни Гольдштейн (Sydney Goldstein), который обратил внимание на циркуляцию на лопастях воздушного винта, создающую подъемную силу, а также эффект закручиваемых струн

спиральной формы, которые исходят от концевых законцовок лопастей воздушного винта, допуская, что такая циркуляция носит постоянный характер. [Goldstein, Sydney. (1929). On the Vortex Theory of Screw Propeller. Proceedings of The Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 123. 440-465. 10.1098/rspa. 1929.0078.]

Гольдштейн при помощи слегка нагруженного винта с двумя, тремя и четырьмя лопастями решил задачу теории потенциала, определяющую распределение скоростей.

С практической точки зрения результат теории проявляется в поправочном коэффициенте, который в основном выражает потерю потенциала в результате кругового обтекания конечных законцовок лопастей воздушного винта. Что касается диаметра, выбор распределения струн на лопасти воздушного винта (ширина его лопасти) вызывал проблемы при адаптации к значительным летно-техническим характеристикам, вследствие чего возникала необходимость в создании широких концов лопастей. Однако потери в результате кругового обтекания концов лопастей резко возрастали.

В случае адаптации широких концов лопастей в изобретении используется явление, известное в физике как интерференция, точнее вихревая интерференция, которое применено для уменьшения или устранения потери потенциала, возникающего в результате кругового обтекания концевых законцовок лопасти воздушного винта.

На концах лопастей воздушного винта возникает вихрь, имеющий противоположное направление и равный угловому моменту (или моменту импульса), что устраняет или значительно уменьшает вихри, появляющиеся на концах широких лопастей и вызывающие потери.

В результате этого на воздушном винте возникает тяговое усилие, а диапазон действия летательного аппарата, а также время, затрачиваемое на полет, могут быть увеличено.

Применение этого решения также рекомендуется для лопастей роторов ветровых турбин.

Его использование снижает резонансные колебания, возникающие на лопастях и турбинах, и, таким образом, значительно продлевает срок их службы. При использовании аэродинамического торможения формирование поворотных законцовок более эффективно и создает меньше вибраций. Поворотная законцовка работает по принципу щелевых закрылков.

Лопасти воздушного винта, вентилятора и ветряной турбины с широкими законцовками лопасти, предназначенные для использования на ступени ротора с осевым потоком, имеющие тело лопасти с нагнетающей поверхностью и поверхностью разрежения на противоположных сторонах лопасти, длину, проходящую от основания до законцовки лопасти, и хорду, расположенную между передней и задней кромками лопасти. На концевой законцовке лопасти воздушного винта образована щель, которая располагается между нагнетающей стороной и стороной разрежения, и канал, ведущий к щели и расположенный на нагнетающей стороне, выполнен через тело лопасти между указанными нагнетающей стороной и поверхностью разрежения. Расстояние между концевыми законцовками лопасти и щелью изменяется по своему диаметру от 1,2% до 1,67% по длине отверстия. Изобретение направлено на устранение турбулентности на концах широких лопастей, вызывающей потери. 5 з.п. ф-лы.

1. Лопасти воздушного винта, вентилятора и ветряной турбины с широкими законцовками лопасти, предназначенные для использования на ступени ротора с осевым потоком, имеющие тело лопасти с нагнетающей поверхностью и поверхностью разрежения на противоположных сторонах лопасти, длину, проходящую от основания до законцовки лопасти, и хорду, расположенную между передней и задней кромками лопасти,

отличающиеся тем, что

на концевой законцовке лопасти воздушного винта образована щель, которая располагается между нагнетающей стороной и стороной разрежения, и канал, ведущий к щели и расположенный на нагнетающей стороне, выполнен через тело лопасти между указанными нагнетающей стороной и поверхностью разрежения,

при этом расстояние между концевыми законцовками лопасти и щелью изменяется по своему диаметру от 1,2% до 1,67% по длине отверстия.

2. Лопасти воздушного винта, вентилятора и ветряной турбины с широкими законцовками лопасти по п. 1, в которых щель для обеспечения прочности может быть разделена на секции с небольшими прерываниями.

3. Лопасти воздушного винта, вентилятора и ветряной турбины с широкими законцовками лопасти по п. 1 или 2, в которых щель образует радианный угол 0,139623 радиуса.

4. Лопасти воздушного винта, вентилятора и ветряной турбины с широкими законцовками лопасти по п. 3, в которых длина щели составляет приблизительно 60% от длины законцовки лопасти.

5. Лопасти воздушного винта, вентилятора и ветряной турбины с широкими законцовками лопасти по любому из предыдущих пунктов, в которых ширина щели равна 3,53% от длины щели.

6. Лопасти воздушного винта, вентилятора и ветряной турбины с широкими законцовками лопасти по любому из предыдущих пунктов, в которых основание щели образовано вблизи задней кромки лопасти.