СООСНЫЙ КОАКСИАЛЬНЫЙ ПРОПЕЛЛЕР (ВАРИАНТЫ)
COAXIAL PROPELLER (VERSIONS)

Изобретение относится к устройствам преобразования механической энергии вращательного движения в поступательное перемещение сыпучей или текучей среды, в частности жидкости и газа, и может быть использовано в качестве гребных и воздушных винтов двигателей и движителей кораблей, летательных аппаратов, ветроустановок, бытовых вентиляторов, игрушек и т.п.
Известен пропеллер Шпади по патенту РФ №2330791, содержащий саблевидные лопасти, установленные на ступице приводного вала с двусторонним креплением так, что начальный участок каждой лопасти имеет прямую саблевидность, при которой передняя кромка лопасти отогнута назад по отношению к направлению вращения и по отношению к плоскости вращения, и плавно переходит в конечный участок обратной саблевидности, при которой передняя кромка лопасти отогнута вперед по отношению к направлению вращения и по отношению к плоскости вращения лопастей, закрепленных под заданным углом установки или атаки (дальнейшие определения признаков прямая и обратная саблевидность в тексте заявки должны пониматься так же, как в настоящем абзаце).
Однако комлевые части таких лопастей, хотя и закреплены на ступице под разными углами атаки, работают недостаточно эффективно из-за их невысокой скорости движения и весьма существенной закрутки ими выходного потока, на которую бесполезно затрачивается часть подводимой энергии.
Наиболее эффективными в настоящее время считаются расположенные друг за другом соосные винты, закрепленные на приводных валах противоположного вращения с кинематическим приводом от дифференциального редуктора, который выравнивает вращающие моменты каждого винта так, что выходной поток практически не имеет осевой крутки (например, самолет Ту-95…).
Недостатками таких винтов являются низкая надежность и сложность изготовления, обусловленная односторонним консольным креплением лопастей с большим удлинением и продольной круткой; значительный уровень шума при работе; низкие коэффициент тяги и КПД на единицу ометаемой поверхности, а также большие габариты и неспособность работать на сверхзвуковых скоростях.
Технической задачей изобретения является уменьшение размера лопастей и диаметра всего пропеллера при одновременном увеличении создаваемой тяги, особенно при работе пропеллера на сверхзвуковых скоростях движения концов лопастей.
Заявляется:
1 вариант
Соосный коаксиальный пропеллер, состоящий из двух соосных винтов противоположной ориентации, установленных на приводных валах противоположного вращения, отличающийся тем, что наружный винт включает саблевидные лопасти, причем начальный участок каждой лопасти имеет прямую саблевидность и плавно переходит в конечный участок обратной саблевидности, при этом начальные и конечные участки каждой лопасти имеют разные углы установки с обеспечением плавного изменения угла атаки по всей лопасти; каждая лопасть наружного винта закреплена своей комлевой частью на кольцеобразной ступице внешнего приводного вала пропеллера, а конец лопасти закреплен на второй ступице этого же вала, выполненной в виде обтекателя пропеллера и снабженной концевым подшипником второго внутреннего приводного вала, проходящим через шлицы третьей ступицы, размещенной между первыми двумя ступицами; на третьей ступице закреплены лопасти внутреннего винта меньшего диаметра с возможностью свободного вращения во внутреннем пространстве, образованном саблевидными лопастями наружного винта.
2 вариант
Соосный коаксиальный пропеллер, состоящий из двух соосных винтов противоположной ориентации, установленных на приводных валах противоположного вращения, отличается тем, что наружный винт включает саблевидные лопасти, причем начальный участок каждой лопасти имеет прямую саблевидность и плавно переходит в конечный участок обратной саблевидности, при этом начальные и конечные участки каждой лопасти имеют разные углы установки с обеспечением плавного изменения угла атаки по всей лопасти; каждая лопасть наружного винта закреплена своей комлевой частью на кольцеобразной ступице внешнего приводного вала пропеллера, а конец лопасти закреплен на второй ступице этого же вала, выполненной в виде обтекателя пропеллера и снабженной концевым подшипником второго внутреннего приводного вала, проходящим через шлицы третьей ступицы, размещенной между первыми двумя ступицами; на третьей ступице закреплены лопасти внутреннего винта меньшего диаметра с возможностью свободного вращения во внутреннем пространстве, образованном саблевидными лопастям наружного винта; вдоль фронтальной стороны дугообразных лопастей наружного винта выполнена, по крайней мере, одна центральная канавка полуэллипсоидного профиля, у которого фокусы расположены на продолжении условной образующей фронтальной стороны лопасти в отсутствие канавки.
Пропеллер по первому и второму вариантам может быть выполнен так, что внутренний винт содержит больше лопастей, чем наружный; либо передаточное отношение кинематической дифференциальной связи с двигателем у внутреннего винта больше, чем у наружного винта; либо угол установки лопастей внутреннего винта больше, чем у наружного.
3 вариант
Соосный коаксиальный пропеллер, состоящий из двух соосных винтов противоположной ориентации, установленных на отдельных валах, отличается тем, что наружный винт включает саблевидные лопасти, причем начальный участок каждой лопасти имеет прямую саблевидность и плавно переходит в конечный участок обратной саблевидности, при этом начальные и конечные участки каждой лопасти имеют разные углы установки с обеспечением плавного изменения угла атаки по всей лопасти; каждая лопасть наружного винта закреплена своей комлевой частью на кольцеобразной ступице внешнего вала пропеллера, концы всех лопастей наружного винта скреплены между собой разъемным стопорным кольцом, а в средней части лопасти соединены между собой плоским распорным кольцом; внутренний винт меньшего диаметра размещен внутри лопастей наружного винта большего диаметра на ступице внутреннего приводного вала.
В пропеллере по 3-му варианту наружный винт содержит больше лопастей, чем внутренний, а его ступица снабжена тормозами сцепления с неподвижным валом. Пропеллер устанавливается на хвостовой балке вертолета, охватывая его рулевой винт как защитная аэродинамическая решетка, выпрямляющая его воздушный поток.
Наружный и внутренний винты соосного коаксиального пропеллера могут иметь разное число лопастей, установленных под различными углами атаки и вращающихся с различной скоростью вплоть до остановки одного из них.
Сущность изобретения поясняется фигурами 1-8. На фигуре 1 и 2 показаны вид сбоку и по оси соосного коаксиального пропеллера по первому варианту. На фигуре 3 и 4 изображены вид по оси наружной лопасти по второму варианту и ее поперечное сечение с линиями потока окружающей среды. На фигуре 5 и 7 показаны виды вертолета сбоку и сверху с фенестронами в виде пропеллеров по 3-му варианту, а на фигурах 6 и 8 - соответствующие изображения предлагаемого пропеллера с наружным неподвижным многолопастным винтом и внутренним рулевым винтом вертолета.
Заявляемый коаксиальный пропеллер в трех вариантах состоит из двух соосных винтов противоположной ориентации и содержит наружный винт 1 с саблевидными участками лопастей 2, установленными на внешнем валу 3 так, что начальный участок каждой лопасти имеет прямую саблевидность и плавно переходит в конечный участок обратной саблевидности, при этом начальные и конечные участки каждой лопасти имеют разные углы установки с обеспечением плавного изменения угла атаки по всей лопасти. Такие лопасти имеют повышенную прочность, существенно увеличенную тягу и сниженный уровень турбулентности текучей среды (см. также аналог изобретения по патенту №2330791). Вместе с тем комлевые участки таких лопастей с наименьшей эффективностью участвуют в преобразовании набегающего потока текучей среды в осевой поток. Для устранения этого недостатка и решения поставленных задач пропеллер содержит также второй соосный внутренний винт 4, установленный на внутреннем валу 5 так, что его сплошные лопасти 6 размещены с возможностью свободного вращения внутри дугообразных лопастей 2 наружного винта 1.
В соответствии с первым вариантом (фигуры 1 и 2) каждая лопасть 2 наружного винта закреплена своей комлевой частью на кольцеобразной ступице 7 внешнего приводного вала 3 пропеллера, а конец лопасти закреплен на второй ступице 8 этого же вала, выполненной в виде обтекателя пропеллера и снабженной концевым подшипником (на чертеже не показан) второго внутреннего приводного вала 5 противоположного направления вращения, проходящего через шлицы третьей ступицы 9, размещенной между первыми двумя ступицами. На ступице 9 закреплены лопасти 6 внутреннего винта меньшего диаметра. Внутренний винт 4 позволяет выравнивать удельную нагрузку на ометаемую поверхность пропеллера в его центральной части путем увеличения либо скорости вращения, либо числа лопастей внутреннего винта, либо их угла установки, либо соответствующим выбором передаточного отношения кинематической дифференциальной связи с двигателем наружного 1 и внутреннего 4 винтов.
Второй вариант соосного коаксиального пропеллера отличается от первого варианта формой лопастей 2 наружного винта 1. В соответствии со вторым вариантом вдоль фронтальной стороны (по отношению к набегающему потоку) дугообразных лопастей 2 наружного винта выполнена, по крайней мере, одна центральная канавка 10 полуэллипсоидного профиля. Ширина канавки в любом сечении рабочей поверхности лопасти составляет 50-70 процентов ширины лопасти. Фокусы полуэллипсоидного профиля расположены на продолжении образующей фронтальной стороны лопасти в отсутствие канавки. С одной стороны, полуэллипсоидный профиль легко параметризуется для обрабатывающих центров с числовым программным управлением; с другой стороны, для решения задач аэродинамики предложенный профиль обеспечивает создание вращающимся винтом 1 дополнительной тяги, обусловленной силой Кориолиса, возникающей при радиальном движении текучей среды вдоль лопастей 2 и канавки 10.
У соосного коаксиального пропеллера по третьему варианту внутренний, например рулевой, винт 11 вертолета 12 размещен на ступице внутреннего приводного вала (на фигурах не показан) внутри дугообразных саблевидных лопастей 13 с начальными участками прямой саблевидности, плавно переходящими в конечные участки обратной саблевидности. Наружный винт 14, образованный лопастями 13, установлен с возможностью свободного вращения на своем неподвижном валу 15 с тормозами кольцевой ступицы 16 (фигуры 5-8). При этом лопасти 13 наружного винта связаны между собой в средней части плоским распорным кольцом 17 и разъемным стопорным фиксирующим кольцом 18, соединяющим свободные концы этих лопастей. Число лопастей 13 наружного винта больше числа лопастей 11 внутреннего вала. В полете наружный винт вращается набегающим потоком воздуха и выпрямляет рабочий поток внутреннего винта, а при взлете и посадке фиксируется в безопасном неподвижном положении, в том числе выполняя роль защитной аэродинамической решетки. Указанные свойства обеспечиваются большим количеством лопастей наружного винта.
Работа заявленного пропеллера как толкающего воздушного винта происходит следующим образом.
r
r
При вращении пригодных валов 3 и 5 со ступицами 7, 8, 9 внутренние сплошные лопасти 6 и охватывающие их лопасти 2 наружного винта вращаются в противоположных направлениях под воздействием равных по величине и различных по направлению моментов +М и -М, которые создаются дифференциальным редуктором противоположного вращения приводных валов (фигуры 1, 2; на фигурах редуктор не показан). Благодаря этому участок лопасти 2 прямой саблевидности (участок вида А-А на фигуре 2) с небольшим углом атаки α начинает плавно ускорять окружающую среду в осевом направлении. Эта ускоренная порция окружающей среды попадает на лопасти 6 внутреннего винта с противоположным вращением, которые еще больше ускоряют поток воздуха в осевом направлении и придают радиальное центробежное ускорение вдоль лопастей 7 наружного винта на их фронтальной стороне. За счет появления радиальной компоненты скорости окружающей среды V возникает сила Кориолиса P, равная удвоенному векторному произведению радиальной скорости V на угловую скорость ω вращения наружного винта
.
c
a
x
y
При использовании наружного пропеллера с лопастями, профилированными полуэллипсоидной канавкой 10, тяговые и аэродинамические характеристики пропеллера улучшаются. В результате сложения силы Кориолиса с аэродинамической силой, обусловленной циркуляцией скорости V вокруг лопасти вихря Жуковского, образуется второй антивихрь со скоростью V, который оказывает дополнительное давление на всю поверхность полуэллипсоидной канавки. Это приводит к увеличению коэффициентов C и C лопасти, что эквивалентно увеличению эффективной площади лопасти и ее тяги F без увеличения габаритов всего пропеллера. Кроме того, попутное движение антивихря относительно окружающей среды за пределами фронтальной поверхности лопасти 2 (фигура 4) создает эффект вихревого пневморолика, который заменяет кинематическое трение скольжения пары "лопасть - воздух" на трение качения пары «поток - вихрь воздуха», что существенно облегчает движение лопасти.
Таким образом, предлагаемый двухвинтовой пропеллер становится эквивалентен трем обычным соосным пропеллерам, расположенным друг за другом при одновременном увеличении нагрузки на центральную часть ометаемой поверхности, поскольку внутренний винт меньшего диаметра может иметь свою более высокую скорость вращения при большем количестве лопастей с увеличенным углом атаки.
Предлагаемый соосный коаксиальный пропеллер по третьему варианту (фигуры 5-8) не имеет механического привода к наружному винту 14, который выполняет роль защитной аэродинамической решетки фенестрона рулевого винта 11 вертолета, который при установке размещается внутри дугообразных лопастей 13 путем съема разъемного фиксирующего кольца 18 и его последующего крепежа на свободных концах этих лопастей. При этом кольцевая ступица 16 крепления лопастей 13 может свободно вращаться на своем неподвижном валу 15 под воздействием набегающего потока воздуха при полете вертолета. Для обеспечения безопасности при посадке вертолета кольцевая ступица останавливается тормозами, которые могут использоваться и в полете для оптимизации его режимов.
Приведенные данные были подтверждены натурными испытаниями макетных образцов и виртуальной компьютерной продувкой их математических моделей. Испытания подтвердили обеспечение заявляемым пропеллером узконаправленной воздушной струи с низким уровнем турбулентности и практически без осевой закрутки выходного потока, тогда как использование силы Кориолиса, не зависящей от скорости звука, позволило создать конструкцию соосного пропеллера с возможностью значительного повышения эффективности винтовых движителей скоростных летательных аппаратов, подводных торпед, а также бытовых вентиляторов, способных бесшумно работать с высокооборотными электродвигателями.