НАПРАВЛЯЮЩАЯ НАСАДКА ВОЗДУШНОГО ВИНТА
AIRSCREW PROPELLER NOZZLE

Изобретение относится к движителям транспортных средств, преимущественно амфибийных судов на воздушной подушке и глиссеров.
Известна направляющая насадка гребного винта (см. патент РФ 2099239; МПК В63Н 5/15, В63Н 1/28, опубл. 20.12.1997), которая содержит предвинтовую и винтовую насадки, имеющие в продольных сечениях обтекаемую форму. Насадки установлены коаксиально с образованием кольцевого канала, соединяющего внешнюю и внутреннюю поверхности направляющей насадки, а кромки лопастей винта размещены в конфузорном участке винтовой насадки.
Известная направляющая насадка не эффективна при работе винта в воздушной среде. На внутренних поверхностях и передних кромках предвинтовой и винтовой насадок возникают зоны разрежения, которые вызывают обратные потоки воздуха. На малых скоростях движения разрежение увеличивается, на лопастях винта возникают концевые вихри, которые вызывают отрыв потока от лопастей. Поток воздуха в направляющей насадке пульсирует и создает нестационарные аэродинамические нагрузки на винт, направляющую насадку и корпус транспортного средства. Тяга на винте и направляющей насадке снижается, а вибрация увеличивается.
Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является направляющая насадка воздушного винта (см. патент US №3672169; МПК В64С 11/00, опубл. 27.06.1972), которая содержит предвинтовую и винтовую насадки, имеющие в продольных сечениях обтекаемую форму. Насадки установлены коаксиально с образованием кольцевого канала, соединяющего внешнюю и внутреннюю поверхности направляющей насадки, а кромки лопастей винта размещены в конфузорном участке винтовой насадки, которая закреплена на торцах лопастей. Вращающийся винт создает вокруг винтовой насадки кольцевой стабилизирующий вихрь, который препятствует отрыву потока воздуха от лопаток.
Эффективность направляющей насадки воздушного винта снижается на амфибийных судах на воздушной подушке и глиссерах, где требуется высокая тяга для начала движения, движения на малых скоростях и отрыва от опорной поверхности. Стабилизирующих свойств кольцевого вихря, который удален от зоны разрежения, на указанных режимах недостаточно. В этих условиях направляющей насадке воздушного винта присущи отмеченные выше недостатки аналога.
Задачи, решаемые изобретением:
- стабилизация воздушного потока в направляющей насадке воздушного винта;
- уменьшение нестационарных аэродинамических нагрузок на воздушный винт, направляющую насадку и корпус транспортного средства.
Технический результат от использования изобретения заключается в увеличении тяги воздушного винта и направляющей насадки без снижения коэффициента полезного действия (КПД), уменьшении вибрации в начале движения транспортного средства, движении на малых скоростях и при отрыве от опорной поверхности.
Направляющая насадка воздушного винта содержит предвинтовую и винтовую насадки. Насадки установлены коаксиально с образованием кольцевого канала. Предвинтовая насадка в продольном сечении имеет обтекаемый профиль, а кромки лопастей винта размещены в конфузорном участке винтовой насадки.
Для достижения указанного технического результата передняя часть винтовой насадки выполнена в виде тонкостенной оболочки, которая охватывает предвинтовую насадку и выступает за ее переднюю кромку, а кольцевой канал соединяет зазор между конфузорным участком винтовой насадки и кромками лопастей винта с передней кромкой предвинтовой насадки.
В начале движения транспортного средства, движения на малых скоростях и при отрыве от опорной поверхности на передних кромках предвинтовой насадки, возникает зона разрежения, которая вызывают обратный поток воздуха в кольцевом канале и кольцевой спиральный вихрь вокруг предвинтовой насадки. Кольцевой спиральный вихрь препятствует обратному потоку вдоль внутренней поверхности предвинтовой насадки и замещает концевые вихри на лопастях винта, что исключает отрыв потока от лопастей и снижает нестационарные аэродинамические нагрузки на винт, направляющую насадку и корпус транспортного средства. Тяга воздушного винта и направляющей насадки увеличивается, вибрации уменьшаются.
Возможны следующие исполнения направляющей насадки воздушного винта.
Направляющая насадка воздушного винта, отличающаяся тем, что выступание тонкостенной оболочки за переднюю кромку предвинтовой насадки связано с диаметром винта соотношением
t=(0,03-0,05)D,
где t - выступание тонкостенной оболочки за переднюю кромку предвинтовой насадки;
D - диаметр винта.
Указанная связь обеспечивает стабильное движение потока воздуха в насадке на всех режимах работы.
Направляющая насадка воздушного винта, отличающаяся тем, что ширина кольцевого канала связана с диаметром винта соотношением
s=(0,012-0,014)D,
где s - ширина кольцевого канала;
D - диаметр винта.
Указанная связь исключает обратный поток воздуха в канале на крейсерских режимах.
На фиг. 1 представлен продольный разрез направляющей насадки воздушного винта с линиями тока на малых скоростях движения; на фиг. 2 - продольный разрез направляющей насадки воздушного винта с линиями тока на крейсерских скоростях движения.
Направляющая насадка воздушного винта 1 содержит предвинтовую и винтовую насадки 2, 3. Насадки установлены коаксиально с образованием кольцевого канала 4. Предвинтовая насадка 2 в продольном сечении имеет обтекаемый профиль, а кромки лопастей винта размещены в конфузорном участке винтовой насадки 3. Передняя часть винтовой насадки выполнена в виде тонкостенной оболочки 5, которая охватывает предвинтовую насадку 2 и выступает за ее переднюю кромку 6, а кольцевой канал 4 соединяет зазор между конфузорным участком винтовой насадки и кромками лопастей винта с передней кромкой 6 предвинтовой насадки.
Работа воздушного винта характеризуются его относительной поступью
,
Где λ - относительная поступь винта;
V - скорость транспортного средства, м/с;
n - частота вращения винта, об/с;
D - диаметр винта, м.
В начале движения и на малых скоростях, когда относительная поступь воздушного винта λ<0,5, направляющая насадка винта работает следующим образом, см. фиг. 1.
При вращении воздушного винта 1 на внутренней поверхности и передней кромке 6 предвинтовой насадки 2 возникает зона разрежения, которая вызывает обратный поток воздуха в кольцевом канале 4 и кольцевой спиральный вихрь вокруг предвинтовой насадки. Кольцевой спиральный вихрь препятствует обратному потоку вдоль внутренней поверхности предвинтовой насадки и замещает концевые вихри на лопастях винта, что исключает отрыв потока от лопастей и нестационарные аэродинамические нагрузки на винт, направляющую насадку и корпус транспортного средства. Тяга воздушного винта и направляющей насадки увеличивается, вибрации и шум уменьшаются.
С ростом скорости движения V, когда относительная поступь воздушного винта λ≈0,5, разрежение на входной кромке предвинтовой насадки уменьшается и течение в кольцевом канале меняет направление, см. фиг. 2. При этом на 1-2% возрастаете КПД винта.
Соотношения, связывающие выступание тонкостенной оболочки и ширину кольцевого канала с диаметром винта, обеспечивают наилучшее достижение технического результата.
Промышленная применимость изобретения подтверждена модельными испытаниями, которые показали прирост тяги винта и направляющей насадки 10% без снижения КПД. Опытный образец строится в условиях судостроительного предприятия.