ЛОПАСТЬ ВОЗДУШНОГО ВИНТА
PROPELLER BLADES

Предлагаемое изобретение относится к летательным аппаратам, а именно к лопастям воздушных винтов, преобразующих энергию работы двигателя в силу тяги, применяемых в самолетах, дирижаблях, аэросанях, глиссерах и т.п. устройствах, кроме того, предлагаемая лопасть может быть использована в ветроэнергетике, например в ветряках.
Известна лопасть воздушных винтов, содержащая плоскую нижнюю поверхность с притупленной по большому радиусу передней кромкой и притупленной с меньшим радиусом задней кромкой, при этом верхняя поверхность имеет кривизну от передней до задней кромки (смотри, например, Александров В.П. «Воздушные винты», Госиздат, М.: Оборонная промышленность, 1951 г., стр.424, фиг.323).
Недостатками известной лопасти являются сложность изготовления профилей, отсутствие выгодных форм профилей лопасти, а также снижение аэродинамической силы тяги и уменьшение КПД.
Известна лопасть воздушных винтов, содержащая комель лопасти и перо лопасти, образованные верхней и нижней поверхностями с параллельными задними и передними кромками, при этом на задней поверхности выполнены профили, изменяющиеся по длине пера лопатки и имеющие скругления (смотри, например, патент RU №2015062 от 30.09.1991 г.).
Недостатками известной лопасти воздушных винтов по прототипу являются снижение технологических возможностей применения лопастей в результате необходимости профилирования нижней поверхности воздушного винта, уменьшение аэродинамических характеристик за счет возможности образования на пере лопасти турбулентных потоков и их срыва, уменьшение КПД из-за неполного использования энергии воздушного потока и непродолжительности воздействия воздушного потока, ухудшение эксплуатационных характеристик, так как на лопасти возможно повышение шума и вибрации.
Техническим результатом предлагаемой лопасти воздушного винта является:
- расширение технологических возможностей в результате упрощения изготовления, расширение диапазона применения;
- улучшение аэродинамических характеристик при наличии на лопасти ламинарных потоков и отсутствия срыва воздушных потоков;
- повышение КПД путем более полного использования энергии разных по силе и направлениям воздушных потоков;
- улучшение эксплуатационных характеристик за счет уменьшения вибрации элементов лопасти и снижения шума.
Технический результат предлагаемой лопасти воздушного винта достигается тем, что перо лопасти выполнено из листовой заготовки с параллельными внутренней и внешней поверхностями при наличии передней заходной кромки с фасками со стороны поверхностей и радиусом в середине кромки и задней кромки со скосом по всему периметру со стороны внешней поверхности, образованными кривой равной ширины, при этом скос задней кромки выполнен с радиусом, выходящим на внутреннюю поверхность, а также перо лопасти воздушного винта может быть выполнено разделенным по отрезку образования кривой равной ширины при наличии прямой передней кромки с соответствующими элементами и задней кромки со скосом, кроме этого перо лопасти может быть выполнено усеченным с уменьшением размера лопасти по линии, параллельной отрезку образования кривой равной ширины, при наличии как передней кромки, так и задней кромки и комля пера лопасти, при необходимости, перо лопасти воздушного винта может быть изогнуто относительно плоскости вращения вокруг цилиндра, расположенного на отрезке кривой равной ширины, радиус которого определен по зависимости
ц
R=100…1000 δ, где
δ - толщина листа.
Предлагаемая лопасть воздушного винта изображена на следующих графических материалах, где:
- на фиг.1 приведена схема построения пера лопасти с периметром по кривой равной ширины,
- на фиг.2 показан общий вид полной лопасти с передней и задней кромками, построенный на основе треугольника РЕЛО,
- на фиг.3 изображен разрез А-А пера лопасти по фиг.2,
- на фиг.4 представлена лопасть с разделением пера по линии отрезка кривой равной ширины,
- на фиг.5 показан разрез лопасти Б-Б по фиг.4,
- на фиг.6 показано усеченное перо лопасти по линии, параллельной линии отрезка кривой равной ширины,
- на фиг.7 представлен разрез В-В по фиг.6,
- на фиг.8 изображено вогнутое перо лопасти с внутренней поверхности.
Периметр предлагаемого пера лопасти выполнен по кривой равной ширины (по некоторым источникам может быть указано по кривой одинаковой ширины или по кривой постоянной ширины), схема построения кривой равной ширины представлена на фиг.1 со всеми необходимыми размерами и разъяснениями.
Лопасть воздушного винта содержит перо 1 (см. фиг.2), образованное периметром по кривой равной ширины и двумя параллельными поверхностями (плоскостями) в виде внутренней 2 и внешней 3 поверхностей (можно обозначать верхней и нижней поверхностей), и комлевую часть 4, при этом периметр кривой равной ширины выполнен в виде передней и задней кромки, у которого на передней кромке размещены фаски 5 и 6 от поверхностей и радиус 7 средней части, а задняя кромка имеет скос 8 с внешней поверхности 3 с углом, равным 10…15°, и радиусом 9, выходящим на внешнюю 3 поверхность.
Перо 1 лопасти может быть выполнено как в виде полной лопасти по периметру кривой равной ширины, например в виде треугольника РЕЛО (см. фиг.2), так и разделенным по оси симметрии, кроме этого перо 1 лопасти может быть выполнено в усеченном варианте с уменьшением размера лопасти по линии, параллельной отрезку образования кривой равной ширины с наличием передней и задней кромок, а также комля пера 1 лопасти, при необходимости перо 1 лопасти воздушного винта может быть изогнуто вокруг цилиндра, расположенного на отрезке кривой равной ширины, радиус которого определен по зависимости
ц
R=100…1000 δ, где
δ - толщина листа.
1
Перо 1 лопасти может быть изготовлено по следующей технологи - вырубается из листовой заготовки с толщиной листа δ периметр по кривой равной ширины, а также периметр может быть выполнен при разрезке пера 1 по разметке или механическим путем по программе, определенной кривой равной ширины, при этом комель 4 лопасти также выполняется из листовой заготовки, при необходимости, металл комля 4 может охватывать стержень или другие элементы для закрепления в роторе. На пере 1 лопасти выполняются фаски 5, 6 с радиусом R средней части, по задней кромке выполняется механическим путем скос под углом 10…15°, после чего производят зачистку кромок от заусенцев, а также переходов между передней и задней кромками и комлем 4 пера 1 лопасти.
В зависимости от применения предлагаемой лопасти воздушного винта, например, в ветроэнергетике или в движителе происходит следующее. В ветряке набегающий на внутреннюю поверхность 2 пера 1 лопасти поток воздуха отдает энергию и вращает перо лопасти, а вместе с ней и воздушный винт. В движителе набегающий на внутреннюю поверхность 2 пера 1 лопасти поток воздуха создает на пере 1 подъемную силу, обеспечивающую взлет или полет. Потоки воздуха, набегающие на внутреннюю поверхность 2 пера 1, перемещаются вдоль пера 1 при ламинарном течении без срыва.
1
2
Предлагаемая лопасть может быть выполнена из алюминиевых сплавов (например, Д16, Д16Т и других деформируемых алюминиевых материалов), титановых сплавов (например, ВТ14 и других), композиционных углеродистых материалов. Толщина листовой заготовки может быть от 2 до 12 мм, при этом выбор толщины зависит от условия прочности и жесткости пера 1, а также надежного закрепления комля 4 на роторе. Радиус R в средней части передней кромки может быть 0,1…0,3 δ, a R задней кромки равен 0,15…0,35 δ. Длина отрезка, проходящего через центр лопасти и определяющего периметр кривой равной ширины, в зависимости от применения может быть равна от 200 до 1000 мм.
Таким образом, предлагаемая лопасть воздушного винта позволяет:
- расширить технологические возможности в результате:
- упрощения конструкции лопасти, так как все элементы, в том числе перо и комлевая часть, выполнены из листовой заготовки;
- упрощения конструкции ввиду выполнения без специальных профилирующих операций по перу лопасти;
- увеличения возможностей использования по разным направлениям, например в ветроэнергетике и в движителях,
- увеличения номенклатуры лопастей с разными размерами пера и комлевой части, а также применения листовых материалов разной толщины;
- осуществления использования ветровых потоков с разной энергией;
- повысить аэродинамические характеристики за счет:
- создания по телу пера лопасти ламинарных потоков;
- отсутствия срыва потока с пера лопатки при наличии задней профильной кромки;
- использования поверхностей пера лопасти в виде параллельных плоскостей;
- использования разнонаправленных воздушных потоков, воспринимаемых элементами пера лопатки;
- направления потоков по перу лопатки на изогнутую профильную заднюю кромку;
- увеличить КПД лопасти воздушного винта при помощи:
- более полного использования энергии воздушного потока, воздействующего на перо лопатки и отбортовку задней профильной кромки;
- более продолжительного использования лопасти воздушного винта при воздушных потоках с малой и большой энергией;
- захвата воздушных потоков разных направлений;
- улучшить эксплуатационные характеристики использования лопасти воздушного винта в виде:
- уменьшения вибрации по телу пера лопатки при применении листовой заготовки, а также наличия передней заходной кромки и задней профилированной кромки с отбортовкой;
- уменьшения шума при работе с наличием заходного и выходного участков пера лопатки, а также отсутствия срыва потока с пера лопатки.