ЛОПАСТНОЙ ВИНТ

Лопастной винт относится к любой области, где может быть использован лопастной винт (воздушный, гребной), это область авиастроения (самолеты, вертолеты, автожиры), турбиностроение, кораблестроение (надводные и подводные суда, суда на воздушной подушке), вентиляторная и ветроэлектрическая техника.
Известен лопастной винт, патент СССР №1711664, МПК В64С 11/00, в котором повышение КПД винта и уменьшение аэродинамических потерь достигается за счет обеспечения безотрывного обтекания винта.
Известен также лопастной винт, патент на полезную модель №43249 В64С 11/00. Лопасти винта предлагаемого по данному техническому решению снабжены диффузорами, оси которых имеют положительный угол атаки, а диффузоры выполнены в виде лопаток с радиусом кривизны, установленных под углом 40-45° к тыльной плоскости лопасти, причем передняя кромка лопаток расположена под углом 90-105°, а задняя кромка под углом 30-45° к продольной оси лопатки. Такое расположение лопаток по отношению к лопасти возможно эффективно при использовании на разнонаправленных соосных винтах, однако расположение задней кромки лопатки под углом 30-45° к продольной оси лопатки в единичных винтах, во-первых, увеличивает радиус лопастного винта и, кроме того, будет создавать дополнительный турбулентный поток струи с тыльной стороны винта, что отрицательно влияет на силу тяги винта за счет концевых потерь и дополнительного сужения потока за винтом за счет турбулентности.
Технической задачей полезной модели является уменьшение коэффициента концевых потерь лопастного винта, и как следствие -
увеличение эффективной площади лопастного винта и, соответственно, тяговых характеристик лопастного винта.
Техническая задача решается за счет того, что
у лопастного винта, содержащего, как минимум, две лопасти, каждая из которых имеет на своих концах лопатки, лопатки выполнены по отношению к плоскости вращения винта радиусными и симметричными, по форме соответствующими внешнему радиусу вращения винта и перпендикулярными по отношению к плоскости вращения винта и имитирующие кольцевую беззазорную насадку.
o
Кроме того, высота лопатки лопастного винта соответствует максимальному шагу винта h, ширина лопатки соответствует ширине лопасти ?, а толщина лопатки d зависит от условий работы винта в среде данной плотности и заданной скорости вращательного и осевого поступательного движения винта, при этом d=f(ρ,ω,V),
где f - функциональная зависимость;
ρ - плотность среды;
ω - угловая скорость вращения винта;
o
V - скорость поступательного движения винта.
При этом высота лопаток лопастного винта относительно фронтальной и тыльной поверхностей лопасти в вертикальном к плоскости сечения лопасти направлении равновелика вверх и вниз, при этом углы лопаток скруглены.
Заявленное техническое решение подтверждается чертежами, где
на фиг 1 изображен лопастной винт в плоскости вращения лопастного винта;
на фиг.2 изображен лопастной винт в плоскости, перпендикулярной плоскости вращения лопастного винта;
на фиг.3 изображено увеличенное сечение по АА фрагмента лопастного винта с лопаткой;
на фиг.4 изображена схема сил, действующих на элемент лопасти винта на примере лопастного винта авиационного;
на фиг.5 изображена схема геометрического шага лопасти;
на фиг.6 изображена оконечная часть лопасти 2 с указанием нерабочей части лопасти;
на фиг.7 схематично изображена сметаемая площадь лопастного винта с указанием ее нерабочей части.
Лопастной винт 1 имеет, как минимум, две лопасти 2. В качестве примера представлен двухлопастной винт.
Каждая из лопастей 2 на своих концах имеет лопатку 3. Лопатка 3 выполнена по отношению к плоскости вращения винта 1 радиусной и симметричной. По форме лопатка 3 соответствует внешнему радиусу вращения винта 1 и перпендикулярна по отношению к плоскости вращения винта 1.
Широко известны устройства для увеличения тяги винта в виде винта в кольце. Такие устройства имеют большую эффективность, однако конструкция их довольно громоздка, монтаж сложен и основная проблема - выставление точного зазора между внутренней поверхностью кольца и концевыми частями лопасти.
При вращении заявляемый лопастной винт 1 с лопаткой имитирует кольцевую беззазорную насадку, таким образом увеличивая тягу винта.
o
Высота лопатки 3 лопастного винта 1 соответствует максимальному шагу винта h (см. фиг.5.), ширина лопатки 3 соответствует ширине лопасти b, а толщина d лопатки 3 выбирается в зависимости от условий работы винта в среде данной плотности и заданной скорости вращательного и осевого поступательного движения винта, при этом d=f(ρ, ω, V),
где f - функциональная зависимость;
ρ - плотность среды;
ω - угловая скорость вращения винта;
o
V - скорость поступательного движения винта.
Высота лопаток 3 лопастного винта 2 относительно фронтальной 4 и тыльной 5 поверхностей лопасти 2 в вертикальном к плоскости сечения лопасти 2 направлении равновелика вверх и вниз, а углы лопаток выполнены скругленными.
Высота лопаток 3 лопастного винта 2 относительно фронтальной и тыльной поверхностей лопасти 2 (см. фиг.3) одинакова.
Высота лопаток 3 над поверхностью лопасти 2 согласуется с максимальным шагом h лопастного винта 1 (см фиг.3).
На фигуре 4 изображена схема сил, действующих на элемент лопасти 2 лопастного винта 1 на примере авиационного винта.
Где V1 - индуктивная скорость,
W1 - скорость набегающего на профиль потока,
- угол притекания потока к элементу лопасти (под которым воздух притекает к лопасти).
Каждый элемент лопасти обдувается потоком со скоростью W1, поэтому по законам аэродинамики можно записать:
х
где bdr=ds - площадь элемента лопасти (С - коэффициент подъемной силы);
b - хорда лопасти,
e
dy - подъемная сила,
e
dQ - сила сопротивления,
φ - угол установки лопасти,
ω - угловая скорость вращения.
При вращении угол φ превращается в угол атаки, под которым воздух притекает к лопасти и обеспечивает подвод воздуха к профилю со скоростью V1.
т
k
Переходя к коэффициентам C и m, характеризующим тягу и крутящий момент, можно записать:
где Т - тяга винта.
к
М - крутящий момент, создаваемый двигателем,
к
m - потребление мощности винтом.
Коэффициент полезного действия винта:
где N - мощность, затрачиваемая на вращение винта (в л.с.),
L - мощность, затрачиваемая на перемещение;
Т - тяга винта;
o
V - скорость осевого перемещения.
т
к
o
Коэффициенты С и m характеризуют работу винта данной геометрической формы и могут быть найдены для каждого значения относительной скорости V путем эксперимента.
т
к
В предлагаемом лопастном винте 1 установка лопаток 3 не только меняет характер вихревого течения на конце лопасти 2, но и увеличивает эффективную площадь винта, что влияет на величину коэффициентов С и m, при неизменном внешнем радиусе винта R.
Чем шире лопасть на конце и чем больше у нее угол атаки, тем больше величина ΔR (ΔR неэффективная часть радиуса лопасти, не создающая силы тяги, см. фиг.6, 7).
Коэффициент ½ получается у лопасти с округлым концом.
При прямоугольном конце лопасти он возрастает примерно до единицы. Неэффективная часть не создает силы тяги.
У работающего винта заштрихованная часть ометаемой площади силы тяги не дает (см. фиг.6, 7).
ом
F - ометаемая площадь винта по внешнему радиусу R.
Эффективная площадь винта меньше ометаемой площади на
ом1
где F - эффективная площадь винта.
Эту величину называют коэффициентом концевых потерь или коэффициентом использования ометаемой площади и обозначают
Иногда пользуются более удобной формулой:
где К - количество лопастей.
т
Обычно (из экспериментальных данных) С≈0,008; К=3 (количество лопастей);
В случае прямоугольных лопастей на конце, χ нужно еще уменьшить на 0,01-0,003.
т
к
Таким образом, в предлагаемом лопастном винте 1 установка лопаток 3 не только меняет характер вихревого течения на конце лопасти 2, но и увеличивает эффективную площадь лопастного винта 1, что влияет на величину коэффициентов С и m, т.е. увеличивает коэффициент тяги, а следовательно, коэффициент полезного действия винта без увеличения радиуса лопастного винта 1.
Лопастной винт 1 работает следующим образом. При вращении лопастного винта 1 лопасти 2 с лопатками 3 захватывают среду и отбрасывают ее назад, создавая тяговую силу. При этом лопастной винт 1 с лопатками 3 при вращении за счет конфигурации, заявленной в предлагаемом техническом решении, имитирует кольцевую беззазорную насадку, таким образом увеличивая тягу винта. Лопатки 3 препятствуют
срыву потока с концов лопастей 2 и увеличивают эффективную площадь струи, что вызывает увеличение тяги без увеличения радиуса лопастного винта 1, т.е. без увеличения длины лопасти (по сравнению с прототипом, где увеличение силы тяги достигается фактическим увеличением радиуса на величину высоты лопатки, умноженной на cos45°.
При вращении заявляемый лопастной винт 1 с лопаткой 3 имитирует кольцевую беззазорную насадку, таким образом увеличивая тягу винта. Именно выполнение лопатки 3 радиусной и симметричной позволяет достигать указанного эффекта по сравнению с прототипом.
Техническая реализация предложенного решения отличается конструктивной и технологической простотой, обеспечивающей его широкое применение в авиастроении, турбиностроении, кораблестроении. Лопатки 3 могут быть выполнены как за одно целое с лопастью 2 без дополнительных элементов крепления, так и в виде самостоятельных конструкций с последующим креплением к лопасти 2.