АЭРОДИНАМИЧЕСКИЙ ВИНТ
AERODYNAMIC PROPELLER

Предлагаемое изобретение относится к летательным аппаратам, а именно к воздушным и аэродинамическим винтам, преобразующим энергию работы двигателя в силу тяги, применяемых в самолетах, дирижаблях, аэросанях, глиссерах и т.п. устройствах, кроме этого, предлагаемый винт может быть использован в ветроэнергетике, например в ветряках.
Известны аэродинамические винты, являющиеся одним из основных элементов конструкции машин, использующих аэродинамические свойства газовой среды. Лопасти этих винтов устанавливаются на втулке перпендикулярно оси вращения и образуют при вращении винта плоскость вращения. Угол атаки профиля лопасти позволяет в случае использования винта в ветряках преобразовывать силу набегающего потока в силу тяги лопасти, которая создает крутящий момент на оси винта и расходуется на преодоление профильного сопротивления лопасти (смотри, например, Д.М.Прицкер, Г.Н.Сахаров, «Аэродинамика», М.: Машиностроение, 1968, стр.180-182).
Недостатком известных аэродинамических винтов является снижение КПД и аэродинамической силы тяги из-за увеличения профильного сопротивления, а также уменьшение использования энергии перемещения погранслоя ветропотока вдоль лопастей винта.
Известны аэродинамические винты, содержащие лопасти с крыловыми и винтовыми профилями, установленными к оси винта под углом от 75 до 90°, с наличием с обеих сторон поперечных дугообразных ребер (смотри, например, патент RU 2104904, от 29.05.1998).
Недостатком известных аэродинамических винтов является возможность снижения аэродинамических характеристик при разнонаправленных потоках воздуха, сложность изготовления профилей винта, возможность уменьшения КПД из-за отсутствия полного использования энергии ветропотока, снижение эксплуатационных характеристик при возможном повышении шумов и вибрации на профилях винта.
Техническим результатом предлагаемого аэродинамического винта является:
- повышение аэродинамических характеристик при наличии на перьях лопастей ламинарных потоков и отсутствия срыва потоков, а также направление потоков с одной лопасти винта на другую лопасть при развороте передней кромки каждого пера,
- увеличение КПД аэродинамического винта при помощи более полного использования энергии ветровых потоков разных направлений,
- расширение технологических возможностей в результате упрощения конструкции винта при выполнении всех элементов из листовой заготовки и наличия единой комлевой части, а также создание винтов разных назначений при использовании по различным направлениям, наличия в винте сочетания лопастей разных форм,
- улучшение эксплуатационных характеристик аэродинамических винтов в виде уменьшения вибрации по лопастям из листовой заготовки, уменьшение шума при отсутствии срыва потоков с одного пера на другое.
Технический результат предлагаемого аэродинамического винта достигается тем, что комлевая часть выполнена единой для всех лопастей, внутренняя и внешняя поверхности лопастей параллельны друг другу, при этом передняя кромка выполнена с фасками от поверхностей и радиусом средней части, а задняя кромка выполнена со скосом с внешней поверхности при угле скоса, равном 10…15°, и радиусом, выходящим на внутреннюю поверхность, а также лопасти расположены с образованием конуса на внутреннюю поверхность лопастей с углом образующей конуса
α=120…170°,
а также выполнение лопастей с пером, определенным по линии кривой равной ширины, при возможности разделения лопастей по линии выполнения отрезка кривой равной ширины, или по линии, параллельной линии выполнения отрезка кривой равной ширины, расположенной по всей ширине лопасти, при этом каждое перо расположено в единой плоскости с разворотом передней кромки от образующего конуса на угол
β=0…30°,
а по периметру винта могут быть расположены лопасти с чередованием полных, разделенных и срезанных перьев лопастей и количество перьев лопастей винта может быть выполнено от 1 до 16.
Предлагаемый аэродинамический винт приведен на следующих графических материалах, где:
- на фиг.1 изображен общий вид аэродинамического винта;
- на фиг.2 приведена схема построения пера лопасти с периметром по кривой равной ширины;
- на фиг.3 показан вид по стрелке А фиг.1 на винт с полными лопастями;
- на фиг.4 приведен разрез Б-Б фиг.3;
- на фиг.5 изображен вид на перо лопасти по стрелке В фиг.3;
- на фиг.6 изображен вид по стрелке А фиг.1 на винт с разделенными лопастями;
- на фиг.7 приведен разрез Г-Г фиг.6;
- на фиг.8 показан вид Д фиг.6;
- на фиг.9 изображен вид по стрелке А фиг.1 на винт с усеченными перьями лопастей;
- на фиг.10 изображен разрез Е-Е фиг.9;
- на фиг.11 представлен вид по стрелке Ж фиг.9;
- на фиг.12 показана развертка по периметру лопастей;
- на фиг.13 изображен вид по стрелке А фиг.1 на винт с разновидностями лопастей по окружности аэродинамического винта.
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.2 со всеми необходимыми размерами и разъяснениями.
Аэродинамический винт содержит лопасти 1 (смотри фиг.4), образованные периметром по кривой равной ширины и двумя параллельными поверхностями (плоскостями) в виде внутренней 2 и внешней 3 поверхности (можно обозначать верхней и нижней поверхностей), и комлевой части 4, при этом периметр кривой равной ширины выполнен в виде передней и задней кромок, при этом на передней кромке размешены фаски 5 и 6 от поверхностей 2 и 3, 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 внутреннюю 2 поверхность.
Лопасть 1 может быть выполнена в виде полной лопасти по периметру кривой равной ширины, например в виде треугольника РЕЛО, так и разделенной по оси симметрии, кроме этого лопасть 1 может быть выполнена в усеченном варианте с уменьшением размера по линии, параллельной отрезку образования кривой равной ширины с наличием передней и задней кромок, а также комля 4 лопасти 1, при необходимости лопасти 1 аэродинамического винта могут быть изготовлены с разворотом передней кромки относительно задней на угол
β=0…30°
Лопасти 1 аэродинамического винта могут быть расположены относительно оси винта под углом
α=120…170°
в зависимости от назначения и области применения аэродинамических винтов.
1
Лопасти 1 аэродинамического винта могут быть изготовлены по следующей технологии - из листовой заготовки с толщиной листа δ, вырубают периметр по кривой равной ширины с образованием лопастей 1 и комлевой части 4. На лопастях 1 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 комля 4 лопастей 1. В штампе осуществляют разворот передней кромки каждой лопасти на угол β.
В зависимости от применения предлагаемого аэродинамического винта, например в ветроэнергетике или в движителе, происходит следующее, в ветряке набегающий на внутреннюю поверхность 2 лопасти 1 поток воздуха отдает энергию и вращает лопасти, а вместе с ними и аэродинамический винт. В движителе набегающий на внутреннюю поверхность 2 лопасти 1 поток воздуха создает на лопасти 1 подъемную силу, обеспечивающую взлет или полет. Потоки воздуха, набегающие на внутреннюю поверхность 2 лопастей 1, перемещаются вдоль лопастей 1 при ламинарном течении воздушных потоков без их срыва.
1
2
Предлагаемый аэродинамический винт может быть выполнен 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 лопастей 1, а также надежного закрепления комля 4 на роторе. Радиус R в средней части передней кромки может быть 0,1…0,3δ, а R задней кромки равен 0,15…0,35δ. Длина отрезка, проходящего через центр лопасти и определяющего периметр кривой равной ширины, в зависимости от применения может быть равна от 200 до 1000 мм.
Количество лопастей 1 на аэродинамическом винте может быть от 1 до 16, при этом увеличенное количество соответствует усеченным лопастям винта, а уменьшенное как полным, так и раздельным лопастям винта.
Таким образом, предлагаемый аэродинамический винт позволяет:
- повысить аэродинамические характеристики за счет:
- создания по телу перьев лопастей ламинарных потоков,
- отсутствия срыва потоков с перьев лопастей,
- разворота передней кромки следующей лопасти после предыдущей,
- выполнения поверхностей каждого из перьев лопасти в единой плоскости,
- использования поверхностей перьев лопастей в виде параллельных плоскостей,
- использования разнонаправленных воздушных потоков, воспринимаемых элементами пера лопатки,
- направления потоков с одной лопасти винта на другую лопасть винта;
- увеличить КПД аэродинамического винта при помощи:
- более полного использования энергии воздушного потока, воздействующего на перья лопастей,
- более продолжительного использования лопасти воздушного винта при воздушных потоках с малой и большой энергией,
- захвата воздушных потоков разных направлений,
- распределения усилий по лопастям винта при наличии воздушного конуса,
- осуществления использования ветровых потоков с разной энергией;
- расширить технологические возможности в результате:
- упрощения конструкции винта, так как все элементы, в том числе перья и комлевая часть, выполнены из листовой заготовки,
- наличия единой комлевой части,
- упрощения конструкции в виду выполнения без специальных профилирующих операций по перьям лопастей,
- увеличения возможностей использования по различным направлениям, например в ветроэнергетике и в движителях,
- создания винтов разных назначений,
- наличия в винте сочетания лопастей разных форм,
- увеличения номенклатуры винтов с применением листовых материалов разной толщины,
- увеличения номенклатуры винтов с применением их из различных материалов;
- улучшить эксплуатационные характеристики аэродинамических винтов в виде:
- уменьшения вибрации по перьям лопастей при применении листовой заготовки, а также наличия передней заходной кромки и задней профилированной кромки с отбортовкой,
- возможности передачи воздушных потоков с одного пера на другое перо разного профиля,
- уменьшения шума при работе с наличием входного и выходного участков перьев лопастей, при отсутствия срыва потока с одного пера на другое.