ГРЕБНОЙ ВИНТ

Полезная модель относится к области гидродинамики и может быть применена для современных скоростных аппаратов, движущихся в воде целиком или частично скоростных лопастных устройств, которые используются в различных отраслях народного хозяйства, преимущественно в судостроении, а именно для гребных винтов.
Одним из недостатков лопастных двигателей является необходимость увеличения размеров и массы винта для повышения передачи судну количества движения.
Известен гребной винт Савицкого В.А., содержащий ступицу, на которой размещены лопасти с нагнетающими и всасывающими поверхностями, причем лопасти выполнены с возможностью поворота вокруг своих продольных осей (см. патент RU №2031048, МПК B63H 3/00, дата публикации 20.03.1995).
Известен также гребной винт, содержащий ступицу, на которой размещены лопасти с нагнетающими и всасывающими поверхностями, причем лопасти установлены с возможностью поворота каждой лопасти вокруг оси, геометрическая ось которой не совпадает с осью вращения гребного винта и радиально смещена от последней (RU №244657, МПК B63H 3/00, дата публикации 20.01.2005).
Недостатком указанных аналогов являются существенные потери энергии, поскольку часть энергии двигателя судна уходит на трение (взаимодействие) между жидкостью и рабочими поверхностями лопастей, при этом при работе гребного винта имеется сильное гидродинамическое сопротивление вблизи комля, создаваемое утолщением лопасти. Кроме того, винты имеют сложный профиль нагнетающей и всасывающей поверхностей, что усложняет технологию их изготовления и требует использования дорогостоящего металлорежущего оборудования.
В качестве ближайшего аналога принят гребной винт, содержащий ступицу, на которой размещены лопасти, причем каждая лопасть выполнена в виде пакета контактирующих друг с другом фрагментов фигурных, предпочтительно звездообразных пластин, число лучей которых соответствует числу лопастей винта и составляет от двух до четырех (см. патент RU №126678, МПК B63H 1/14, дата публикации 10.04.2013).
К недостаткам ближайшего аналога можно отнести высокую сложность и материалоемкость конструкции, а также повышенную трудоемкость изготовления и ремонта.
Задачей данной полезной модели является разработка простого в изготовлении гребного винта с пониженным гидродинамическим сопротивлением вблизи комля лопастей.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в следующем:
- снижение трудоемкости изготовления конструкции и отсутствие необходимости использования дорогостоящего металлорежущего оборудования;
- снижение гидродинамического сопротивления и увеличение КПД вблизи комля лопастей благодаря беспрепятственному протеканию жидкости в результате уменьшения ширины сечения в комле винта за счет увеличения его высоты;
- толщина лопасти гребного винта, изготовленная набором из тонких профилированных листов материала, меняется незначительно и работает на прочность аналогично рессоре в автомобиле, однако ее упругая деформация значительно увеличивается по сравнению с цельной призматической балкой (f); ожидаемые упругие деформации должны повысить динамическую прочность винта.
Поставленная задача решается тем, что в гребном винте, содержащем ступицу, на которой размещены лопасти, причем каждая лопасть выполнена в виде пакета контактирующих друг с другом фрагментов фигурных, предпочтительно звездообразных пластин, число лучей которых соответствует числу лопастей винта и составляет от двух до четырех, размеры лучей плавно убывают от нагнетательной к всасывающей стороне, причем кромки лучей скошены к всасывающей стороне и все они лежат в одной плоскости или составляют плавную поверхность, кроме того лопастям придана форма, при которой по длине лопасти, во всех ее сечениях, изгибные напряжения равны допускаемому, для чего должно выполняться условие:
, где
f∗ - величина упругой деформации лопасти, определяемая по формуле:
, где
x
M - изгибающий момент в произвольном сечении, кН·м, определяемый по формуле:
x
M=-P·x, где
P - величина нагрузки, кН,
x - расстояние от произвольного сечения до комля лопасти, м;
L - длина лопасти от комля до кромки, м,
2
E - модуль упругости, кН/м,
x
4
J - момент инерции в произвольном сечении, м, определяемый по формуле:
, где
b - суммарная ширина лопасти у комля, м,
h - толщина фигурных звездообразных пластин, м;
f - величина упругой деформации призматической балки, поперечное сечение которой равно поперечному сечению лопасти, определяемая по формуле:
, где
4
J - момент инерции в сечении комля, м;
кроме того фигурные звездообразные пластины зафиксированы в ступице с исключением возможности их проворачивания относительно друг друга, а сечению лопасти придан вогнутый или волнистый профиль.
Кроме того в прикомлевой зоне выполнен ступенчатый изгиб каждой лопасти одинаковой высоты.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
На фиг. 1 изображен вид сверху гребного винта.
На фиг. 2 изображен вид сбоку луча фигурной звездообразной пластины от комля до кромки.
На фиг. 3 условно изображена расчетная схема луча фигурной звездообразной пластины.
На чертежах показана ступица 1, лопасти в виде пакета контактирующих друг с другом фрагментов фигурных звездообразных пластин 2 с нагнетательными 3 и всасывающими 4 сторонами, лучи 5 фигурных звездообразных пластин 2.
Число лучей 5 фигурных звездообразных пластин 2 соответствует числу лопастей винта и составляет от двух до четырех.
Размеры лучей 5 плавно убывают от нагнетательной 3 к всасывающей 4 стороне лопасти, причем кромки лучей 5 скошены к всасывающей стороне 4 и все они лежат в одной плоскости или составляют плавную поверхность.
Фигурные звездообразные пластины 2 зафиксированы в ступице 1 с исключением возможности их проворачивания относительно друг друга, а сечению лопасти придан вогнутый или волнистый профиль.
Также в прикомлевой зоне фигурных звездообразных пластин 2 выполнен ступенчатый изгиб каждой лопасти одинаковой высоты.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
При движении судна вращается ступица 1, одетая на вал привода (на чертежах не показан), и возникает разница давлений на нагнетательных 3 и всасывающих 4 сторонах лопастей.
Причем лучи 5 фигурных звездообразных пластин 2 обладают высокой упругой деформацией и работают по принципу рессоры.
Форма и конструктивное решение лопастей позволяет повысить эффективность гребного винта, а именно повысить КПД вблизи комля лопастей и упругую деформацию.