ВОЗДУШНЫЙ ВИНТ

Полезная модель относится к конструкции воздушного винта, преимущественно, шестилопастного воздушного винта наземного транспортного средства (аэромобиля) с неравномерным расположением лопастей.
В заявке использованы следующие термины.
Хорда лопасти - ширина профиля лопасти, измеренная вдоль ее размаха.
Угол установки лопасти - угол между хордой лопасти и плоскостью вращения винта.
Из уровня техники известна конструкция воздушного винта, см. патент РФ на изобретение №2401770, МПК В64С 11/20, 27/473, публ. 20.10.2010 г., включающая втулку с лопастями, при этом каждая лопасть со стороны свободного конца разделена на две отстоящие друг от друга на острый угол части. Решение позволяет увеличить рабочую поверхность винта.
Из уровня техники известно, см., например, описание к патенту RU2388652C2, МПК В64С 27/32, 11/20, публ. 10.05.2010 г., стр.6, что увеличение числа лопастей воздушного винта от двух к семи приводит к увеличению КПД винта, а при дальнейшем увеличении числа лопастей КПД падает.
Из уровня техники, см., например, ГОСТ21664-76 «Винты воздушные авиационных двигателей. Термины и определения» известна конструкция двухрядного воздушного винта, состоящего из двух одиночных винтов, расположенных друг за другом на соосных валах, вращающихся в одном направлении.
Из уровня техники, см. описание к патенту RU 2385262 C1, МПК В64С 11/04, публ. 27.03.2010 г., стр.5, известна конструкция двухрядного четырехлопастного винта, включающая в себя два одиночных двухлопастных винта, расположенных друг за другом, при этом лопасти винтов распределены неравномерно. В данном источнике указано, что винты подобной конструкции, установленные, например, на вертолетах АН-64А «Апач» (США), Ми-28 и Ми-38 (Россия), имеют преимущество по сравнению с характеристиками винтов с ортогональным расположением лопастей, которое выражается в увеличении тяги на 7% и коэффициента полезного действия на 10%.
Из уровня техники известна конструкция воздушного шестилопастного винта с неравномерным расположением лопастей, см. патент РФ на изобретение №2385262, МПК В64С 11/04, публ. 27.03.2010 г., включающая в себя установленные на валу три единичных винта, каждый из которых содержит две лопасти. Конструкция воздушного винта с неравномерным расположением лопастей позволяет несколько снизить нагрузки и вибрации на корпус транспортного средства.
За прототип взята конструкция воздушного винта с неравномерным расположением лопастей, см. патент США №5096383 на изобретение, МПК В64С 11/48, публ. 17.03.1992 г., включающая в себя установленные на валу три винта, каждый из которых содержит две лопасти, объединенные комлем, выполненным в форме кольца, при этом лопасти соседних винтов смещены на угол менее 60 градусов. Конструкция винта с неравномерным расположением лопастей позволяет несколько снизить уровень шумов, производимых винтом транспортного средства.
Описанные выше воздушные винты, а также воздушные винты, применяемые на аэросанях, парапланах, дельтапланах и т.п. транспортных средствах, предназначены для использования в режимах, при которых предельная окружная скорость конца лопасти находится в диапазоне от 700 до 900 км/ч. При таких окружных скоростях воздушные винты испытывают и передают на транспортное средство значительные вибронагрузки, являются источником раздражающего шума, а в случае разрушения представляют смертельную угрозу для окружающих.
Прототипу присущ также следующий недостаток, мешающий использовать воздушный винт данной конструкции в составе наземного транспортного средства (аэромобиля). При резком повороте транспортного средства, например, в условиях движения по сильно пересеченной местности, вал винта, комель и лопасти испытывают значительные нагрузки от гироскопического момента. Поскольку лопасти винта жестко закреплены на валу, а мгновенно изменить наклон плоскости вращения винта невозможно, наезд транспортного средства на кочку может привести к разрушению конструкции винта из-за возникновения значительных изгибающих моментов на лопастях.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в создании конструкции воздушного винта с высокой удельной тягой, предназначенного для использования при низких окружных скоростях на конце лопасти, лежащих в диапазоне от 200 до 350 км/ч, и характеризующегося низким уровнем шума, повышенной безопасностью и надежностью в эксплуатации.
Указанный технический результат достигнут в конструкции воздушного винта транспортного средства с неравномерным расположением лопастей, включающей в себя три одиночного винта, установленные один за другим, каждый из которых содержит две лопасти, соединенные комлем.
Указанный выше технический результат достигнут благодаря тому, что величина угла установки лопасти одиночного винта лежит в пределах от 25 до 30°, лопасти выполнены без крутки, отношение диаметра винта к хорде лопасти лежит в пределах 9÷11, расстояние между воображаемыми окружностями, описываемыми при вращении винта точкой поверхности лопасти одиночного винта и соответствующей ей точкой соседнего одиночного винта, лежит в пределах от 0,6 до 0,8 величины хорды лопасти, а концы лопастей одиночных винтов не перекрывают друг друга в направлении вдоль оси вращения винта.
При этом вал воздушного винта может быть снабжен вилкой с двумя перьями, между которыми закреплены три оси, а комли одиночных винтов установлены на соответствующих осях с возможностью поворота.
При этом комель единичного винта включает в себя цилиндр со сквозным отверстием, выполненным в радиальном направлении, и две металлические пластины, присоединенные к основаниям цилиндра, а лопасти единичного винта закреплены между концами пластинами.
При этом воздушный винт может быть снабжен, по меньшей мере, двумя демпферами, установленными между комлями соседних одиночных винтов.
Полезная модель поясняется следующими чертежами.
На Фиг.1 поясняется работа воздушного винта.
На Фиг.2 изображена структурная схема воздушного винта.
На Фиг.3 изображен воздушный винт, вид спереди.
На Фиг.4 изображена вилка воздушного винта в сборе с осями и цилиндрами комлей.
На Фиг.5 изображена вилка воздушного винта в сборе с одиночными винтами.
На Фиг.6 изображен воздушный винт в сборе.
На Фиг.7 изображена часть воздушного винта с демпферами.
На Фиг.2, 3 буквами обозначены:
b - величина хорды лопасти винта (см. Фиг.3);
h - величина расстояния между воображаемыми окружностями, описываемыми при вращении винта точкой поверхности лопасти одиночного винта и соответствующей ей точкой соседнего одиночного винта (см. Фиг.2);
D - диаметр воздушного винта (см. Фиг.2).
В процессе разработки воздушного винта для транспортного средства авторами полезной модели был обнаружен аэродинамический эффект дополнительного подсоса воздуха, см. Фиг.1, который устойчиво присутствует в узком диапазоне углов установки лопастей и расстояний между одиночными винтами.
Авторами было экспериментально установлено, что для достижения упомянутого выше аэродинамического эффекта дополнительного подсоса воздуха величина угла установки лопасти одиночного винта должна лежать в пределах от 25 до 30°, отношение диаметра D винта к величине b хорды лопасти должно находиться в пределах 9÷11, расстояние h между воображаемыми окружностями, описываемыми при вращении винта точкой поверхности лопасти одиночного винта и соответствующей ей точкой соседнего одиночного винта, должно лежать в пределах от 0,6 до 0,8 величины хорды лопасти, а концы лопастей одиночных винтов не должны перекрывать друг друга в направлении вдоль оси вращения винта и должны расходиться не более, чем на 0,2b.
В процессе разработки конструкции винта было также установлено, что оптимальное количество одиночных винтов, при котором достигается нужная тяга при небольшом диаметре винта, равно трем. При этом первый одиночный винт обеспечивает приращение тяги воздушного винта, равное 43%, второй одиночный винт добавляет 35%, а третий одиночный винт обеспечивает прирост еще 22%.
Были изготовлены и испытаны на стендах и в составе транспортных средств 10 воздушных винтов разного диаметра, отвечающих установленным выше требованиям.
В таблице 1, представленной ниже, приведены параметры трех опытных аэромобилей с воздушными винтами заявляемой конструкции.
Таблица 1
Масса аэромобиля кг
Мощность двигателя: л.с.
Диаметр винта D, м
Окружная скорость на конце лопасти, км/ч
Удельная тяга, кг/лс
Скорость макс., км/ч
Тип покрытия
140
5
1,0
210
3,6
65
Асфальт
205
11,5
1,2
315
3,48
75
Песок
250
18
1,3
335
2,78
75
Песок
Полезная модель может быть успешно реализована в конструкции воздушного винта с неравномерным расположением лопастей (см. Фиг.3, 6), в состав которого входят три одинаковых одиночных воздушных винта, установленные один за другим, каждый из которых включает в себя комель, с которым соединены две соответствующие лопасти. Комель 1 переднего одиночного винта (см. Фиг.3) соединен с лопастями 4,5; комель 2 среднего единичного винта соединен с лопастями 6,7; комель 3 заднего одиночного винта соединен с лопастями 8, 9.
Лопасти одиночных винтов изготовлены из пенопласта, оклеенного тканью; внутри каждой лопасти расположен лонжерон из алюминиевого сплава. Лопасти выполняют с углом установки 25-30 градусов (в зависимости от мощности двигателя и скорости движения транспортного средства), без крутки. Профиль лопасти плоско-выпуклый, с удельной толщиной 10-12%. Вес лопасти при диаметре винта 1,2 м составляют 100 грамм, что полностью исключает разрушение винта от действия центробежных сил.
В состав одиночного воздушного винта, в предпочтительном варианте реализации полезной модели, входят две лопасти и комель, выполненный из двух деталей:
- цилиндра (см. поз.15, 16, 17 на Фиг.4,5) с отверстием, выполненным в радиальном направлении;
- двух металлических пластин, прикрепленных серединами к основаниям цилиндра.
При этом лопасти одиночного винта закреплены между концами указанных выше пластин.
Пластины могут быть выполнены, например, из алюминиевого сплава, и прикреплены к основаниям цилиндра, например, резьбовыми крепежными элементами.
Отверстие, выполненное в цилиндре в радиальном направлении (на фиг. не показаны), предназначено для установки цилиндра на одну из осей вилки вала воздушного винта.
Описанный вариант реализации одиночного воздушного винта не является единственно возможным. Например, комель и лопасти одиночного винта могут быть выполнены из единого куска дерева; комель может быть снабжен отверстием, выполненным в радиальном направлении, в котором установлена металлическая втулка.
В простейшем варианте реализации воздушный винт может быть составлен из трех одиночных винтов, расположенных на едином валу на заданном расстоянии.
В предпочтительном варианте реализации вал 10 воздушного винта (см. Фиг.4) снабжен вилкой 11 с двумя перьями. Между перьями закреплены с равным шагом h три оси 12, 13, 14.
Одиночные воздушные винты посредством отверстий в цилиндрах 15, 16, 17 комлей 1, 2, 3 установлены на осях 12, 13, 14 вилки 11 вала 10 воздушного винта, с возможностью поворота каждого единичного винта относительно соответствующей оси вилки вала воздушного винта.
Между комлями одиночных винтов могут быть установлены демпферы 18, 19 (см. Фиг.7) для предотвращения задевания лопастей соседних одиночных винтов при вращении винта.
Конструкция работает следующим образом.
При вращении вала, передаваемом от двигателя транспортного средства, воздушный винт создает толкающее усилие, достаточное, чтобы заставить транспортное средство двигаться. Положение вала винта во время движения транспортного средства задается рельефом местности, по которой движется транспортное средство.
При резком изменении положения вала винта (например, в случае наезда транспортного средства на кочку) под действием центробежных сил, воздействующих на лопасти винта, происходит мягкий поворот одиночных винтов относительно вилки вала, исключающий разрушение конструкции воздушного винта.
Предлагаемый винт работает практически бесшумно.
Повышенная безопасность подтверждена испытаниями и обеспечивается работой концов лопастей одиночных винтов при низких предельных окружных скоростях конца лопасти, лежащих в диапазоне от 200 до 350 км/ч, отсутствием вибронагрузок, передаваемых винтом на транспортное средство. При попадании в винт на максимальных оборотах посторонних предметов (бейсболка, одеяло, ветки разной толщины, кусок арматуры) наблюдалась деформация лопастей без их разрушения и отрыва от комля. При удалении одной лопатки с винта (имитация отрыва лопатки) аэромобиль продолжал двигаться, при этом ощущалась повышенная вибрация без намеков на разрушение (для сравнения: при отрыве лопатки на самолете происходит полное разрушение конструкции). Испытания аэромобилей с воздушным винтом заявленной конструкции в условиях пустыни и на пересеченной местности подтверждают повышенную надежность воздушного винта в эксплуатации.