ПРОПЕЛЛЕР (ВАРИАНТЫ)
PROPELLER (VERSIONS)

Изобретение относится к устройствам преобразования механической энергии в энергию текучей жидкости или газа и может быть использовано в качестве движителей - гребных и воздушных винтов кораблей и летательных аппаратов.
Известны многолопастные винты с саблевидными лопастями, у которых комлевые части закреплены комлевой частью консольно на ступице приводного вала. Незакрепленные концы лопастей отогнуты назад по отношению к направлению вращения и оси винтовой линии, образующей фронтальную или рабочую поверхность такой лопасти. Такие винты в отличие от обычных прямолинейных лопастей могут эффективно работать на больших оборотах (5000-6000 об/мин, при диаметре 1,5-2,5 м и числе Маха более 1,3) [см. Я.И. Левинсон, Аэродинамика больших скоростей. Оборонгиз, М. 1948 г., стр.325. Авторское свидетельство СССР №1711664, МПК В64С 11/00, 24.10.88 г.].
Однако их существенным недостатком является низкая надежность и сложность изготовления, обусловленные односторонним консольным креплением комлевой части саблевидных лопастей с осевой круткой, большим удлинением и кривизной их линейчатой, но не развертываемой на плоскость винтовой поверхности.
Известны также пропеллеры с петлевыми лопастями на основе других линейчатых поверхностей, в частности пропеллер Шпади с лопастями из поверхности Мебиуса, которые удовлетворительно развертываются только в дальней зоне - за пределами петли Мебиуса и благодаря надежному двустороннему креплению таких лопастей с участками прямой и обратной саблевидности обладают меньшим шумом и диаметром [Патент РФ №233071, МКИ В64С 11/20, 28.03.2006 г.]
К сожалению, на больших оборотах под воздействием центробежных сил петлевые лопасти начинают опасно деформироваться и вытягиваться в радиальном направлении, чти заметно ухудшает их аэродинамические характеристики и безопасность эксплуатации.
Технической задачей изобретения является упрощение технологии конструирования и изготовления петлевых и сплошных лопастей пропеллера за счет обеспечения их полной развертываемости на плоскость и работы преимущественно на растяжение, а не на изгиб.
Эта задача решается путем изготовления петлевой лопасти со средней линией, совпадающей по форме с центробежной цепной линией, то есть формой тяжелой цепи, которую она принимает в векторном поле действия радиально расходящихся центробежных сил, а не параллельных сил гравитационного поля Земли. При этом фронтальная или рабочая поверхность лопастей предлагаемого пропеллера получается из идеально развертываемой биконической поверхности с общей вершиной и направляющей в виде эксцентрично смещенной винтовой линии или вышеуказанной центробежной цепной линии.
Согласно вышесказанному заявляется:
Пропеллер, по 1 варианту, содержащий лопасти с участками прямой и обратной саблевидности, каждая из которых закреплена комлевыми частями на ступице приводного вала и образована из линейчатой фронтальной поверхности с профилированной тыльной поверхностью, отличающийся тем, что у каждой петлевой лопасти фронтальная поверхность образована пространственным движением линейной образующей, у которой одна контрольная точка расположена в неподвижной вершине, лежащей на оси вращения пропеллера, параллельной эксцентрично расположенной оси винтовой направляющей линии, где находится другая подвижная контрольная точка линейной образующей биконической фронтальной поверхности лопасти из сопряженных участков прямой и обратной саблевидности.
Пропеллер, по 2 варианту, содержащий вместо эксцентричной винтовой направляющей - центробежную цепную линию, расположенную эквидистантно между внешней и внутренней кромками каждой лопасти так, что ее концы лежат на противоположных сторонах продольного сечения ступицы пропеллера.
Пропеллер, по 3 варианту, в частном случае сплошной широкохордовой лопасти, имеет внутреннею кромку лопасти, уменьшенную до размера точки, лежащей на поверхности ступицы.
Сущность изобретения поясняется чертежом где:
на фигуре 1 показано изометрическое построение фронтальной (рабочей) поверхности лопасти с эксцентричной винтовой направляющей;
на фиг. 2 - построение центробежной цепной линии, закрепленной своими концами на миделе продольного сечения ступицы пропеллера;
на фиг. 3 представлен внешний вид предлагаемого пропеллера с петлевыми лопастями;
на фиг. 4 - пропеллер со сплошными развертываемыми лопастями.
Предлагаемый пропеллер содержит лопасти, у которых фронтальная (рабочая) поверхность образована при помощи пространственного движения образующей прямой линии 1 (фиг. 1).
1
1
1
Одна контрольная точка этой прямой линии расположена в неподвижной вершине 0, лежащей на оси вращения пропеллера O-O, параллельной эксцентричной оси O-O винтовой направляющей линии 2, где расположена другая подвижная контрольная точка линейной образующей 1 биконической фронтальной поверхности с общим перпендикуляром к обеим осям, длина которого равна величине эксцентриситета E между ними. Причем оптимальным является равенство этого эксцентриситета E радиусу R винтовой линии, потому что в результате такого построения получается простейшая развертываемая поверхность, состоящая из двух сопряженных по линии эксцентриситета конусов с общей вершиной и винтовым основанием.
1
Вместо отрезка винтовой линии может быть использована центробежная цепная линия 3 (фиг. 2), построенная на компьютере в виде ожерелья из тяжелых круглых бусинок, к каждой из которых приложена своя радиально расходящаяся центробежная сила F. Через центры этих бусинок и проходит новая направляющая, по которой перемещается образующая фронтальную поверхность прямая линия 4. При этом концы цепной линии закреплены в максимально удаленных точках ступицы 5 наибольшего и наименьшего радиуса ее продольного сечения YOZ. Построенная таким образом фронтальная поверхность также является абсолютно развертываемой на плоскость, что значительно облегчает изготовление лопастей из листового материала, у которых необходимо профилировать лишь одну тыльную поверхность и согнуть всю лопасть по теоретическому шаблону фронтальной поверхности.
При этом развертки петлевых лопастей скроены так, что их средняя линия, соединяющая центры тяжести поперечных сечений лопасти, совпадает с центробежной цепной линией (фиг. 2) или с ее фронтальной проекцией на биконическую поверхность на основе эксцентричной винтовой линии.
Предлагаемый пропеллер с тремя такими петлевыми лопастями 6 (фиг. 3) эквивалентен многолопастному пропеллеру с шестью саблевидными лопастями прямой и обратной саблевидности, которые попарно сгруппированы в дуги с надежным двухсторонним креплением к слабоконической ступице 7 приводного вала (на чертеже не показан). У каждой лопасти имеется фронтальная линейчатая поверхность 8 и профилированная тыльная поверхность 9, которая образована движением вдоль средней линии лопасти полуовала какого-либо стандартного профиля или простым округлением задних кромок лопасти.
В частном случае уменьшения длины внутренней кромки до нуля петлевая лопасть становится сплошной 10, но сохраняет свойства развертываемой поверхности и контуры обычной винтовой лопасти.
Для этого, конечно, точечная внутренняя кромка лопасти 11 должна лежать на поверхности обтекаемой ступицы 12, а наружная кромка лопасти максимально совпадать с центробежной цепной линией 13 такой же длины (фиг. 4). Это очень важное преимущество винтовой биконической поверхности, так как у поверхности Мебиуса такое построение сплошной лопасти математически невозможно.
Работа заявленного пропеллера в качестве гребного винта происходит следующим образом.
При вращении пропеллера по 1 варианту с текучей средой начинают взаимодействовать участки прямой саблевидности петлевых лопастей 6, которые плавно переходят в участки лопасти с обратной саблевидностью. Благодаря значительному осевому расстоянию между комлевыми точками крепления этих лопастей происходит плавное ускорение окружающей среды, которая набирает максимальную скорость только на выходе из сметаемой пропеллером поверхности вращения. При этом на фронтальной стороне 8 каждой лопасти происходят, в основном, процессы сжатия текучей среды, а на ее профилированной тыльной поверхности 9 - более сложные процессы разрежения и ускорения, аналогичные процессам обтекания крыла плоско-выпуклого профиля вплоть до сверхзвуковых скоростей движения наружных концов этих лопастей, которые фактически не меняют своей формы под воздействием центробежных сил, поскольку работают лишь на растяжение своей средней линии без изменения своих аэродинамических характеристик.
Работа пропеллера по 2 и 3 варианту в принципе не отличается от работы аналогичного винта такого же диаметра (фиг.  4), только вместо шага у такого пропеллера следует нормировать соответствующие углы атаки в сечении 0,75 максимального радиуса сплошной лопасти, поскольку шаг в каждом сечении биконической фронтальной поверхности получается различный.
За счет использования линейчатой развертываемой поверхности лопасти предлагаемого пропеллера могут серийно изготавливаться штамповкой с последующей приваркой к ступице в технологическом кондукторе. Это значительно упрощает и удешевляет производство предлагаемых пропеллеров, особенно с петлевыми лопастями, у которых эффект "запирания" силы тяги наступает при гораздо более высоких скоростях вращения, чем у обычных винтов.
Приведенные данные подтверждаются результатами натурных и виртуальных испытаний на компьютерных симуляторах, что позволяет наладить гибкое производство предлагаемых пропеллеров на любом судоремонтном заводе или частной мастерской, занимающейся изготовлением малошумящих винтов самолетов, яхт или бытовых вентиляторов.