ЛОПАСТНОЕ КОЛЕСО Советский патент 1934 года по МПК B63H1/10 

Изобретение относится к лопастным колесам, лопасти которых во время вращения колеса перемещаются относительно нето, вращаясь вокруг осей, параллельных или почти параллельных оси колеса; при этом лопасти встречают среду, в которой они работают, преимущественно в направлении, перпендикулярном к оси колеса. Подобною рода лопастные колеса могут быть применяемы для приведения в движение средств передвижения по воде или воздуху, а также в качестве водяных или ветряных машин, насосов, вентиляторов и т.п. В предлагаемом колесе радиус кривизны лопастей подбирается в таких пределах, которым соответствует форма лопастей, пригодная для наибольшего использования энергии среды, напр., воды.

На чертеже фиг. 1 и 2 изображают схему колеса в двух проекциях; фиг. 3 - вид части колеса; фиг. 3 - лопасть; фиг. 5-7 - три формы выполнения колеса; фиг. 8 - схему построения колеса.

Главная ось 1 несет колесо 2 (фиг. 1-2), на котором расположены лопасти 3, могущие вращаться вокруг осей 4. Колесо в целом вращается вокруг оси 1 по направлению, указанному стрелкой u, и вместе с тем перемещается по отношению к среде, окружающей лопасти, например, воде, так что последняя протекает мимо колеса со скоростью . Во время вращения колеса 4 лопасти 3 вращаются вокруг своих осей 4 так, что входные ребра лопастей на полукруге ABC, т.е. в передней части колеса, лежат вне окружности, описываемой осями лопастей, а входные ребра на полукруге CDA, т.е. задней части колеса, лежат внутри этой окружности. Лопасти могут быть приводимы в движение различными способами, напр., на фиг. 2 изображена неподвижная криволинейная шайба 5, вдоль которой бегут ролики 6, передающие движение осям лопастей 3 посредством соединительных частей 7.

В лопастном колесе такого рода с относительным потоком всегда встречается одно и то же ребро каждой лопасти, являющееся входным по отношению к среде, что позволяет придать лопасти благоприятную каплевидную форму. Затруднительным является то обстоятельство, что угол встречи, образуемый относительной скоростью лопасти и среды с лопастью, лежит, при прохождении через переднюю или заднюю части колеса, с различных сторон лопасти, и что движение частиц среды по отношению к лопасти криволинейно.

В виду этих причин форма лопасти и в особенности кривизна ее средней поверхности должны быть тщательно согласованы с законом движения для получения высокого коэфициента полезного действии. Так как на задней половине колеса среда подводится к лопастям сзади, то уже сравнительно незначительных погрешностей формы достаточно для того, чтобы гидравлическая нагрузка на обеих половинах колеса оказалась различной, что повлечет за собой снижение коэфициента полезного действия.

В предлагаемом колесе кривизна средней поверхности лопасти получает определенную величину, благодаря чему возможно достижение весьма высокого коэфициента полезного действия. Движение среды относительно лопасти может для каждого рабочего состояния и для каждого положения лопасти быть выражено в виде вращения вокруг некоторого мгновенного центра. Исходя из того, что среда притекает к лопастям по криволинейным путям, с радиусами, поддающимися вычислению, возможно согласовать кривизну лопасти с кривизною относительного потока для получения наиболее выгодного эффекта. Предположение, что ось колеса стоит в пространстве неподвижно, дает возможность движение лопасти относительно этого пространства всегда привести к вращению вокруг мгновенного центра, являющегося отстоящей от центра на заданную величину е (фиг. 8) точкой пересечения нормалей к плоскостям, касательным к плоскостям лопастей и проходящих через геометрические оси вращения последних (фиг. 8). Нахождение первого мгновенного центра M₁ (фиг. 3) возможно, при любом способе привода лопастей, выполнить с помощью известных аналитических или графических методов динамики. Для принятого в качестве примера привода посредством криволинейной шайбы получается мгновенный центр М₁, как пересечение диаметра РО, проведенного через ось лопасти, с нормалью QM₁ к шайбе 5 в точке мгновенного соприкосновения с роликом. Для нахождения полного движения лопасти относительно среды надо еще присоединить к вращению вокруг мгновенного центра М₁ также и скорость перемещения. Составляя вращение с перемещением, получаем вращение вокруг центра М₂, который смещен относительно первого центра М₁ в направлении, перпендикулярном к перемещению. Полюс лежит поэтому на прямой, проведенной через M₁ перпендикулярно к на расстоянии от М₁ равном

где u есть окружная скорость на окружности, пробегаемой осями лопастей.

Движение среды относительно лопасти таково, как будто к принятой за неподвижную лопасти подводится поток, обтекающий по кругу центр М₂ по направлению стрелки . Линия r дает тогда меру кривизны относительно потока, которую можно точно вычислить и к которой должна быть приноровлена кривизна лопасти.

Эта кривизна потока имеет, при одном и том же колесе и одинаковом законе движения лопаток, различное значение в зависимости от условий работы, а именно от величины отношения .

Кривизна относительного потока является различной в различных частях потока. Для надлежащего подбора правильной формы лопасти решающими являются кривизны r₁ и r₂ относительного потока в точках А и С, расположенных на диаметре, перпендикулярном к направлению перемещения. Оба эти значения кривизны r₁ и r₂ являются во всем процессе крайними, а именно r1 есть максимальная возможная кривизна, а r₂ - минимальная.

По причинам практического характера невозможно изготовлять лопасти, кривизна средней части которых изменяется в течение процесса. Приходится поэтому строить лопасти с некоторой средней кривизной, причем правильный выбор этой кривизны является решающим для коэфициента полезного действия лопасти.

Согласно предложению, оптимальный коэфициент полезного действия получается, если радиус кривизны среднего сечения каждой лопасти, удовлетворяет следующему условию:

Если колесо имеет диаметр d, если закон движения лопастей, таков, что нормали к лопастям взаимно пересекаются в некоторой точке, отстоящей на величину е от центра, и если окружная скорость равна u, а скорость перемещения колеса равна , то для величин r₁ и r₂ получаются следующие значения:

Род поверхности, ограничивающей лопасти, является несущественным, так как значение имеет лишь кривизна, то-есть радиус круга, проходящего через входное ребро, считая вдоль середины продольного профиля.

На фиг. 5, 6 и 7 изображены потоки и силы в лопастном колесе, могущем, например, служить для приведения в движение судна, в котором закон движения будет таков, что нормали к поверхности лопатки, исходящие из центра вращения лопаток, все взаимно пересекаются в одной точке. Лопасти представлены на этих трех фигурах с различной кривизной, а указанные направления потоков и сил дают представление о том, как вредно отзывается на гидравлических функциях колеса кривизна лопасти, отклоняющаяся в ту или иную сторону от указанных выше пределов. В колесе, представленном на фиг. 5, радиус кривизны средней поверхности лопасти больше, чем это должно было бы быть согласно приведенной формуле; на фиг. 6 радиус кривизны меньше указанной величины, а радиус кривизны средней поверхности лопатки на фиг. 7 соразмерен согласно предлагаемому изобретению. Все прочие размеры и условия работы во всех трех фигурах приняты одинаковыми.

Совокупность стрелок изображает поток относительно лопастей, со своими центрами кривизны М (простоты ради эти полюсы изображены только на фиг. 7), тогда как стрелки изображают по размерам и направлению гидравлические силы так, как они получаются у профилей несущих поверхностей, причем приняты во внимание криволинейное истечение и пропеллерное действие лопастей. При прямых или лишь незначительно искривленных поверхностях (фиг. 5) гидравлический сдвиг имеет место преимущественно у задней части колеса, тогда как передняя часть работает мало или вовсе не работает и даже может задерживать воду. При слишком сильной кривизне лопастей (фиг. 6) главная часть гидравлического сдвига падает на переднюю часть колеса, тогда как задняя мало или почти совсем не работает и даже может задерживать воду. Кроме того, лопасти при слишком сильном искривлении своей средней части работают с очень невыгодным направлением силы, особенно при положениях III-IV, что связано с большими потерями энергии.

Кроме того, всякая неравномерная нагрузка обеих половин колеса уменьшает коэфициент полезного действия, к чему надо еще добавить потери энергии от застаивающейся воды и невыгодное в некоторых местах направление силы.

В лопастном колесе, в котором кривизна средней поверхности соответствует приведенным соотношениям, эти недостатки отсутствуют (фиг. 7), так как гидравлическая нагрузка равномерно распределена на обе половины колеса и силы гидравлического сдвига направлены благоприятно.

В качестве примера размеров кривизны лопастей может послужить лопастное колесо, работающее в качестве нагнетательного насоса в канале с четыреугольным сечением. При диаметре окружности лопастей в 3,00 м и 125 оборотах в минуту, колесо должно подавать такое количество воды, что ее скорость в месте расположения колеса должна равняться 2,50 Закон движения лопастей пусть будет таков, что нормали к плоскостям лопастей, исходящие из осей их вращения, всегда все пересекаются в одной точке, которая лежит на диаметре С (фиг. 2) на расстоянии 0,36 м от центра колеса. Получаемая тогда кривизна относительного потока имеет в точке А радиус r₁=2,10 м, а в точке С радиус r₂=1,00 м. Арифметическое среднее этих величин равно 1,55 м.

Средняя линия лопасти может представлять собою, смотря по примененному профилю, кривую, сходную с круговой дугой. За кривизну лопасти принимается (фиг. 4) всегда радиус R того круга, который проходит через входное ребро, выходное ребро и середину S тела лопасти на расстояниях от ее концов.

В предлагаемых колесах лопасти могут иметь цилиндрическую среднюю поверхность, и им также возможно придавать в различных сечениях и различную кривизну, подобно тому, как это делают для крыльев аэроплана. В этих случаях кривизна средней поверхности должна бы в частях лопасти, выполняющих наибольшую работу, лежать внутри указанных пределов.

Закон движения лопастей может быть различным; лопасти могут колебаться относительно колеса или же вращаться с неравномерной угловой скоростью. Существенным для закона движения является требование, чтобы всегда одно и то же ребро лопасти шло вперед но отношению к относительному потоку и действовало и качестве входного ребра.

Лопастное колесо, применяемое в качестве движителя и могущее служить двигателем, с лопастями, поворотно установленными на осях, параллельных оси колеса, отличающееся тем, что при условии постановки лопастей, при вращении колеса, в такие положения, при которых нормали к плоскостям, касательным к поверхностям лопастей, проходящие через геометрические оси вращения последних, взаимно пересекаются в некоторой точке, отстоящей на задаваемую величину е от центра колеса (фиг. 8) и при значениях радиусов r₁ и r₂ кривизны относительных потоков в лопастях, находящихся на перпендикуляре к направлению перемещения колеса, определяемых равенствами:

величина радиуса R кривизны среднего сечения каждой лопасти (фиг. 4) проходящего через входное и выходное конечные ребра лопасти и через середину S тела ее, определяется следующим условием.

в каковых равенствах для определения значения r₁ и r₂ d - диаметр колеса, u -окружная скорость и - скорость перемещения его.