ДВИЖИТЕЛЬ (ВИНТ)
PROPULSOR (PROPELLER)

Движитель (винт) предназначен для привода судов, кораблей, яхт, а также может быть использован для перемещения в пространстве других объектов, где в качестве двигателей используются винты, например в вертолетах, самолетах, аэросанях.
Изобретение может быть использовано также для повышения КПД и увеличения напора вентиляторов, осевых насосов с пропеллерными рабочими колесами, для повышения КПД гидротурбин и других устройств с вращающимися рабочими колесами, обтекаемыми жидкостью или газом, а также для улучшения прочностных характеристик, например, лопаток последних ступеней паровых турбин.
Известно, что эффективность движителя и других лопастных систем, вращающихся в открытом или замкнутом пространствах жидкости или газа, ограничивается окружными скоростями, так как при увеличении окружных скоростей имеет место «сбегание» потока по высоте лопасти от втулки к концевому сечению, что снижает эффективность лопастной системы.
Известны способы борьбы с этим явлением - помещение рабочего колеса во вращающуюся втулку. Однако этот способ не устраняет полностью сбегание потока и неприменим для винтов крупнотоннажных судов, авиационных винтов, так как потери на трение втулки составляют значительную часть мощности приводного двигателя, что снижает эффективность (коэффициент полезного действия).
Известны также технические решения по выполнению выходной кромки лопасти винта волнистой, что частично препятствует сбегу потока на периферию.
Аналогом изобретения является патент РФ №2090440 МПК В63Н, 1/18, 1/26, 1994 г.
1
1
2
3
Прототипом изобретения является судовой движитель по патенту РФ №2317225 МПК В63Н, 1/26, 2006, выходные участки лопастей которого с целью снижения шума, начиная с /-/ хорды, выполнены с переменным по длине лопасти ±15° углом выхода.
Недостатком этого конструктивного решения является снижение упора винта за счет неоптимального обтекания профилей в каждом сечении по высоте лопасти, а также недостаточно эффективное снижение излучаемого шума.
Задачей настоящего изобретения является повышение упора движителя и коэффициента полезного действия, снижение излучаемого шума при сохранении всех других характеристик движителя.
2
3
Поставленная задача достигается специальным конструктивным исполнением лопастей винта. Особенностью конструкции лопасти винта является форма выходного участка и конфигурация выходной кромки каждой лопасти по высоте, при этом форма лопасти в плане может быть любой саблевидной, классической, широкой и т.д. Шаг и амплитуда периодического отклонения выходного угла лопасти от расчетного значения при безударном обтекании переменные по высоте, причем максимальное значение амплитуды у ступицы, минимальное - на периферии лопасти. Входная кромка лопасти и поверхность на каждой дуге цилиндрического сечения соответствуют расчетным значениям, начиная с половины дуги профиля у втулки и заканчивая с / дуги на периферийном сечении от входной кромки, а концевая часть лопасти выполнена волнистой с постепенным нарастанием амплитуды отклонения профиля на выходной кромке. С целью снижения шумности и уменьшения влияния неоднородности набегающего потока на характеристики винта, на каждой лопасти выполнен сдвиг профиля волнистости, начиная от втулки на величину T/z, где Т - шаг первой от втулки волны, z - число лопастей винта.
На фиг.1 показан вид на винт (движитель) в плане. Он имеет 5 лопастей (№1, №2, №3, №4, №5).
На фиг.2 показан вид А лопасти №1 и ее выходная кромка, аналогичный вид на лопасти №2 и №5.
Поставленная задача решается тем, что амплитуда отклонений профиля лопасти от расчетного значения угла потока на каждом радиусе по высоте лопасти максимальна на диаметре ступицы движителя D1 и минимальна или равна нулю на максимальном диаметре лопасти D2, причем волнистость на каждой последующей лопасти смещена на величину T/z, где Т - шаг волнистости, z - число лопастей.
Технический результат состоит в том, что специально выполненное профилирование лопасти винта обеспечивает минимальное сбегание или отклонение потока по радиусу, при этом сохраняется оптимальное профилирование лопастей по радиусу, что обеспечивает улучшенные прочностные характеристики лопасти и позволяет не только увеличить упор винта, но и за счет увеличения жесткости лопасти повысить частоту вращения.
Эффект достигается за счет выполнения отклонения амплитуды профиля от расчетного значения в каждом сечении выходного профиля лопасти по высоте переменной, причем максимальное значение у ступицы и уменьшается к периферии по определенному, например, линейному закону. Смещение волнистости вдоль выходной кромки лопасти позволяет минимизировать колебание упора при прохождении лопастью несимметричности потока и вследствие этого снизить колебания упора в целом до минимума, и, как следствие, снизить излучаемый шум при сохранении высоких значений эффективности (КПД) винта.
Винт работает следующим образом.
Вследствие различных окружных скоростей по радиусу лопасти поток стремится сместиться на больший радиус. Исполнение лопасти винта с волнистой кромкой препятствует такому смещению. Однако, если амплитуды выходной кромки лопасти отклоняются на одинаковую величину (как у прототипа), то это приводит к дополнительным потерям. В данной конструкции, так как окружная скорость растет пропорционально радиусу, то есть по линейной зависимости, амплитуда отклонения выходной кромки лопасти от расчетного значения уменьшается по высоте, что обеспечивает максимальную эффективность, а смещение профиля волнистости вдоль выходной кромки на каждой лопасти позволяет минимизировать потери, получить максимальное снижение колебания упора при прохождении неоднородности потока, формируемого корпусом судна.
Винт предлагаемой конструкции будет иметь расширенный диапазон работы с более высоким значением упора и кпд.
Сравнительные испытания моделей показали, что жесткость лопастей спрофилированного по предлагаемому закону винта на 20% выше, чем у винта традиционной конструкции.