пропеллер шпади (варианты) и развертка лопастей пропеллера

область техники

изобретение относится к устройствам преобразования механической энергии в текучей среде, в частности жидкости и газа, и может быть использовано в качестве гребных и воздушных винтов двигателей и движителей кораблей, летательных аппаратов (дирижаблей), ветроустановок, бытовых вентиляторов и других бытовых приборов: игрушек и прочих предметов.

предшествующий уровень техники

известно рабочее колесо двигателя текучей среды, содержащее упругую ленточную лопасть с односторонней поверхностью мёбиуса, закрепленной на радиальных стержнях перпендикулярно приводному валу [авторское свидетельство ссср JfelзO543O, мпк FозD 1/06, опубл. 30.09.85 г.].

однако, такому устройству присуща сложность конструкции, недостаточно высокий коэффициент полезного действия (кпд) и шум, обусловленный наличием радиальных стержней, которые не участвуют в создании полезных аэродинамических усилий.

наиболее эффективным в настоящее время считаются многолопастные винты с саблевидными лопастями, закрепленными консольно. незакрепленные концы лопастей отогнуты назад по отношению к направлению вращения и по отношению к

плоскости вращения [авторское свидетельство N° 1711664, мпк

B64C 11/00, опубл. 24.10.86г.]. однако такие винты отличаются недостаточной надежностью и сложностью изготовления, что обусловлено односторонним консольным креплением саблевидных лопастей с большим удлинением и кривизной, значительным уровнем шума при работе, низким кпд на единицу площади лопасти, а также большой массой и габаритами конструкции.

раскрытие изобретения

технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в упрощении технологии изготовления лопастей пропеллера, уменьшение размеров лопастей и соответственно их металлоемкости при одновременном увеличении создаваемой ими тяги без снижения прочности и эффективности.

технический результат достигается тем, что в пропеллере (вариант 1), содержащем саблевидные лопасти, начальные участки которых закреплены на ступице приводного вала, новым является то, что пропеллер имеет по меньшей мере две лопасти, начальный участок каждой лопасти имеет прямую саблевидность, при которой передняя кромка лопасти отогнута назад по отношению к направлению вращения и по отношению к плоскости вращения, и плавно переходит в конечный участок обратной саблевидности, при которой передняя кромка лопасти отогнута вперед по отношению к направлению вращения и по отношению к плоскости вращения, при этом лопасти расположены вдоль оси пропеллера и скреплены конечными участками с образованием осесимметричной фигуры.

в пропеллере (вариант 2), содержащем саблевидные лопасти, начальные участки которых закреплены на ступице приводного вала, новым является то, что пропеллер имеет три и более лопастей, начальный участок каждой лопасти имеет прямую саблевидность, при которой передняя кромка лопасти отогнута назад по отношению к направлению вращения и по отношению к плоскости вращения, и плавно переходит в конечный участок обратной саблевидности, при которой передняя кромка лопасти отогнута вперед по отношению к направлению вращения и по отношению к плоскости вращения, лопасти расположены вдоль оси пропеллера и скреплены конечными участками с образованием осесимметричной фигуры, при этом начальные и конечные участки каждой лопасти закреплены под заданными углами атаки.

конечные участки лопастей соединены друг с другом посредством кольцевой насадки.

для двигателя угол атаки начального участка каждой лопасти больше угла атаки конечного участка соответствующей лопасти, а для движителя угол атаки начального участка каждой лопасти меньше угла атаки конечного участка соответствующей лопасти.

совокупность траекторий наружных кромок лопастей образует ометаемую поверхность, преимущественно, овальной формы, вытянутую вдоль оси пропеллера.

в пропеллере (вариант 3), содержащем саблевидные лопасти, начальные участки которых закреплены на ступице приводного вала, новым является то, что пропеллер имеет две лопасти, начальный участок каждой лопасти имеет прямую саблевидность, при которой передняя кромка лопасти отогнута

назад по отношению к направлению вращения и по отношению к плоскости вращения, и плавно переходит в конечный участок обратной саблевидности, при которой передняя кромка лопасти отогнута вперед по отношению к направлению вращения и по отношению к плоскости вращения, лопасти расположены вдоль оси пропеллера и скреплены конечными участками с образованием осесимметричной фигуры, при этом конечные участки лопастей сопряжены в единое целое с обеспечением плавного перехода между поверхностями обеих лопастей так, что обе лопасти образуют единую одностороннюю поверхность с однократным перегибом, при этом поверхности начального и конечного участков каждой лопасти в местах крепления развернуты по отношению друг к другу на 90 градусов, а ось пропеллера и поверхность конечных участков обеих лопастей находятся в одной плоскости.

совокупность траекторий наружных кромок лопастей образует ометаемую поверхность, преимущественно, овальной формы вращения, вытянутую вдоль оси пропеллера.

конечные участки лопастей соединены друг с другом непосредственно, или конечные участки лопастей соединены друг с другом посредством кольцевой насадки или приводного вала.

развертка лопастей пропеллера характеризуется тем, что совокупность лопастей пропеллера представляет собой единую цельную плоскую фигуру, состоящую, по меньшей мере, из двух спиралевидных элементов, образующих симметричную фигуру с одним и более отверстиями под посадочный размер ступицы приводного вала пропеллера.

спиралевидные элементы имеют осевые отверстия под посадочный размер ступицы приводного вала пропеллера.

спиралевидные элементы имеют отверстия на незамкнутых концах под посадочный размер ступицы приводного вала пропеллера.

развертка состоящая из двух спиралевидных элементов представляет собой двухфокусную спираль, симметричную относительно линии, перпендикулярной касательной к кромке плоской фигуры в ее средней части, с отверстиями на незамкнутых концах под посадочный размер ступицы приводного вала пропеллера.

лучший вариант осуществления изобретения

сущность изобретения поясняется фигурами 1 - 12.

на фигуре 1 изображен трехлопастной пропеллер, на фигуре 2 - вид трехлопастного пропеллера по оси. на фигурах 3 - 6 показаны двухлопастные пропеллеры разного типа объединения окончаний лопастей. на фигуре 7 - вид двухлопастного пропеллера по оси. на фигурах 8 - 12 показаны примеры плоских разверток лопастей пропеллера по его обоим вариантам.

предлагаемый пропеллер для двигателей и движителей текучей среды содержит ступицу 1 с приводным валом 2, крепежным винтом 3 и саблевидными лопастями 4. ступица 1 или лопасти 4 осевым отверстием 5 установлены на валу 2 с обеспечением прямой саблевидности на начальном участке 6 лопасти 4 и угла атаки α. прямая саблевидность характеризуется тем, что передняя кромка 7 лопасти 4 отогнута назад по отношению к направлению вращения и по отношению к плоскости вращения

и соответствует традиционному изготовлению саблевидных лопастей. начальный участок 6 прямой саблевидности плавно переходит к конечному участку 8 обратной саблевидности, то есть, с обеспечением такой формы лопасти 4, при которой передняя кромка 7 лопасти 4 отогнута вперед по отношению к направлению вращения и по отношению к плоскости вращения (фигуры 1 и 2). лопасти 4 своими конечными участками 8 жестко соединены друг с другом любым известным способом с обеспечением угла атаки β конечных участков лопастей, не равного углу атаки α. начальных участков лопастей, исходя из технологических возможностей (резьбовое соединение посредством отверстий 9 на концах лопастей 4; сварка; клепка; с помощью вспомогательной кольцевой насадки 10).

в двухлопастном пропеллере начальные участки 6 лопасти 4 отверстиями 5 насажены на ступицу 1 и закреплены винтом 3. поверхности 12 лопастей 4 по месту крепления на ступице расположены перпендикулярно оси пропеллера. поверхности 13 лопастей 4 по месту крепления их между собой развернуты на 90 градусов по отношению к поверхностям 12, находятся в одной плоскости с осью пропеллера и жестко соединены друг с другом с образованием осесимметричной фигуры. например, поверхности 13 лопастей 4 накладываются и соединяются между собой точечной сваркой (фигуры 3, 7).

скрепление конечных участков 8 лопастей 4 обеспечивает жесткую и прочную конструкцию, в том числе с применением тонкого стального листового материала, пластмассы, композиционных материалов. форма лопастей 4 с плавным переходом между их поверхностями плавно изменяет угол атаки и

сопротивление набегающего потока текучей среды от максимума до минимума на окончаниях лопастей 4. такое перераспределение потока обеспечивает повышение кпд в широком диапазоне скоростей по сравнению с известными устройствами того же назначения.

при сборке двухлопастного пропеллера конечные участки 8 лопастей 4 могут быть закреплены с помощью кольцевой насадки 10 или удлинителя вала 11 по оси пропеллера, которые облегчают доступ к креплению лопастей 4 на ступице 1. размер крепежных элементов не изменяет аэродинамику лопастей (фигуры 4, 5).

при непосредственном скреплении конечных участков 8 обеих лопастей 4 заявленного пропеллера лопасти образуют поверхность мёбиуса. исходя из этого, обе лопасти 4 пропеллера могут быть получены путем однократного изгиба одной плоской спиралевидной детали с отверстиями на концах для закрепления детали на ступице 1 с образованием двух лопастей 4 (фигура 6). наглядным пояснением конструкции такой лопасти 4 служит плоская развертка на фигурах 8 и 9. на фигуре 8 плоская фигура состоит из двух спиралевидных элементов, образующих осесимметричную фигуру с отверстиями 5 на незамкнутых концах спиралевидных элементов под посадочный размер ступицы 1 приводного вала 2 пропеллера. на фигуре 9 представлена плоская развертка двухлопастного пропеллера, состоящая их двух спиралевидных элементов вида двухфокусной спирали, симметричную относительно линии, перпендикулярной касательной к кромке плоской фигуры в ее средней части, с отверстиями 5 на незамкнутых концах спиралевидных элементов под посадочный размер ступицы 1 приводного вала 2 пропеллера.

аналогичная конструкция пропеллера может быть получена, из плоской детали, имеющей развертку, показанную на фигуре 10. развертка состоит из двух спиралевидных элементов, образующих осесимметричную фигуру с осевыми отверстиями 5 под посадочный размер ступицы 1 приводного вала 2 пропеллера, а отверстия 9 на концах фигуры служат для скрепления конечных участков лопастей 4 друг с другом.

спиралевидная поверхность лопасти 4 обеспечивает: форму лопастей с плавным изменением угла атаки; конструктивную прочность лопастей; уменьшение габаритов и массы пропеллера при одновременном значительном повышении кпд и обеспечении практически бесшумной работы; уменьшается диаметр ометаемой поверхности.

в трехлопастном пропеллере (фигура 1) конечные участки лопастей 4 также объединяются коаксиально вблизи оси пропеллера посредством кольцевой насадки 10, которая, с одной стороны, облегчает доступ к средствам крепления ступицы 1 (фигура 2), с другой стороны, ее применение практически не изменяет аэродинамику лопастей 4, а также позволяет закреплять конечные участки 8 лопастей 4 под определенным углом атаки, выбор которого соответствует общепринятой практике. трехлопастной пропеллер с учетом вида преобразования энергии, например, от лопасти 4 на вал 2 как у ветродвигателя или при передаче вращения на лопасти 4, может иметь угол атаки α > β или β > α , где α - угол атаки начального участка 6 лопасти, а β - угол атаки конечного участка 8 лопасти 4.

пропеллер работает следующим образом.

при вращении приводного вала 2 и ступицы 1 с текучей средой начинают взаимодействовать участки 6 прямой стреловидности лопастей 4, у которых угол атаки меньше, чем у участков 8 обратной стреловидности (α <β). благодаря этому происходит плавное ускорение окружающей текучей среды, которая набирает максимальную скорость только на выходе из устройства на концах лопастей 4. совокупность траекторий наружных кромок лопастей 4 образует, преимущественно, овальную фигуру, вытянутую вдоль оси пропеллера. чем больше удлинение пропеллера вдоль оси, тем более плавное ускорение среды осуществляется пропеллером. поскольку лопасти 4 закреплены с обоих концов: начальными участками 6 на ступице 1 и конечными участками 8 друг с другом, то конструкция получается довольно легкой и жесткой, несмотря на большое удлинение вдоль оси вращения о-о', которое обеспечивает небольшой распределенный градиент давлений в текучей среде, а, следовательно, небольшой уровень шума, кавитации и турбулентности, что существенно увеличивает кпд и положительно влияет на общую техническую эффективность предложенного устройства.

пропеллеры могут быть изготовлены любым известным технологическим приемом, например, литьем, ковкой. технологически легко трехлопастной пропеллер может быть согнут из плоского тонкого листового материала, например, стали (фигуры 11, 12), в виде детали, представляющей собой единую цельную плоскую фигуру, состоящую из спиралевидных элементов,

образующих осесимметричную фигуру, с одним осевым отверстием 5 под посадочный размер ступицы приводного вала пропеллера и крепежными отверстиями 9.

в качестве образующих спиралей могут использоваться архимедова спираль, гиперболическая и логарифмическая спирали, эвольвенты, циклоиды и другие подходящие кривые, которые выбираются в зависимости от конкретного назначения предложенного устройства.

промышленная применимость

приведенные данные были подтверждены натурными испытаниями опытных образцов бытовых вентиляторов на основе плоских разверток (фигуры 9, 10, и), которые обеспечивали узко фокусированную воздушную струю с низким уровнем шума вплоть до 6000 об/мин и небольшими производственными затратами, доступными любой частной мастерской, а, следовательно, и заводам, занимающимся производством малошумящих гребных винтов подводных лодок, ветроэнергетических установок, самолетов и т.п.