| Формула изобретения. 1. Способ формирования тяги винтового движителя, имеющего ось вращения и установленные на нем лопасти, каждая из которых имеет переднюю острую как нож кромку и заднюю кромку, при этом передняя плоскость каждой лопасти имеет прямолинейный плоский участок, отличающийся тем, что острая передняя кромка лопасти срезает весь набегающий поток и направляет его на заднюю (напорную) плоскость, освобождая переднюю плоскость от взаимодействия с ним, при этом прямолинейный участок передней плоскости устанавливают под отрицательным углом(у) к плоскости вращения винта (MN). 2. Крыловой профиль для реализации способа по п. 1, лопасть изготавливают с профилем Б-1, отличающийся тем, что его задний контур выполняют отрезком прямой (АС), соединяющим переднюю и заднюю кромки, а прямолинейный участок верхнего контура (АВ) устанавливают под отрицательным углом (γ) к плоскости вращения винта (ΜΝ), при этом установочный угол (γ) обусловливает образование теневой области (ACD) по всему переднему контуру, в которой не могут формироваться такие негативные аэродинамические эффекты, как отрывное течение потока, флаттер и сопутствующая ему вибрация лопасти, волновое сопротивление и формирование отрицательной тяги на передней плоскости. 3. Крыловой профиль для реализации способа по п. 1 , изготавливают лопасть с профилем Б-2, отличающийся тем, что его острую переднюю кромку соединяют с задней кромкой плавной кривой (АС), а прямолинейный участок переднего контура (АВ) устанавливают под отрицательным углом (γ) к плоскости вращения винта (ΜΝ), при этом установочный угол (γ) формирует образование теневой области (ACD) по всему переднему контуру, в которой не могут формироваться такие негативные аэродинамические эффекты, как отрывное течение потока, флаттер и сопутствующая ему вибрация лопасти, волновое сопротивление и отрицательная тяга на передней плоскости лопасти. 4. Крыловой профиль Б-1 для реализации способа по п.1, отличающийся тем, что высота (h) проекции напорной поверхности лопасти на плоскость параллельную оси вращения винта и хорда лопасти постоянны по длине лопасти. 5. Крыловой профиль Б-2 для реализации способа по п.1 , отличающийся тем, что высота (h) проекции напорной плоскости лопасти на плоскость параллельную оси вращения винта и хорда переменны по длине лопасти. ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) |
Изобретение относится к судо- и авиастроению, т.е. водному и
воздушному транспорту, касается конструирования гребных и воздушных винтов с возможностью их использования на судах, вертолетах и винтовых самолетах любых типов и назначений.
Известна большая серия классических винтовых движителей с
закругленной передней кромкой лопастей. Передняя плоскость лопасти тянущего винта с такой кромкой обладает отрицательным углом атаки относительно набегающего потока к плоскости вращения (MN) аналогично верхней плоскости крыла с классическим профилем, также имеющим
закругленную переднюю кромку, разделяющую набегающий поток и
направляющую его на верхнюю и нижнюю плоскости [СМ. Горлин.
Экспериментальная аэродинамика. М., Высшая школа, 1970, с.371 ]. Эта особенность геометрии винта накладывает на него предел тяги воздушного винта. Классические воздушные винты достигают предельной тяги при частоте вращения винта п=2500-3000 об/мин и концевой скорости лопастей υ = 1 М, а дальнейшее увеличение частоты вращения и скорости лопастей
сопровождается уменьшением тяги. Именно геометрическое несовершенство классического винтового профиля сдерживало и сдерживает сегодня развитие нереактивного воздушного транспорта, превосходящего реактивный
воздушный транспорт в несколько раз по экономичности и экологичности, но уступающий ему по скорости за счет низкой эффективности винта.
Наиболее близким по технической сущности, к заявленному винтовому движителю, является винтовой движитель по заявке Ν° 201 1 127563 на выдачу патента РФ «Винтовой движитель», взятый за прототип.
Данный движитель содержит ось вращения, установленные с
возможностью вращения вокруг нее лопасти, каждая из которых имеет переднюю и заднюю плоскости, переднюю острую кромку и заднюю кромку, при этом передняя плоскость каждой лопасти имеет прямолинейный плоский участок.
Острая как нож передняя кромка лопастей срезает весь набегающий поток и целиком направляет его на заднюю плоскость (у вертолетов- на нижнюю плоскость) лопастей. За счет этого достигается существенное увеличение тяги по напорной (задней) плоскости. Каждая передняя плоскость лопасти винта прототипа имеет прямолинейней участок перпендикулярный к оси вращения винта и параллельный плоскости вращения винта (ΜΝ).
Положительным качеством прототипа является освобождение передней плоскости от взаимодействия с набегающим потоком, что освобождает эту плоскость от отрывного обтекания, от флаттера, формирования обратной тяги и волнового сопротивления - неодолимых негативных свойств лопастей с
классическим профилем, имеющим затупленную переднюю кромку, которая большую часть набегающего потока направляет на переднюю плоскость.
Однако у винта - прототипа имеется очень большой технический недостаток, состоящий в том, что передняя плоскость каждой его лопасти полностью исключена из работы по созданию тяги, так как над ней не формируется разрежение воздуха, ввиду того, что угол между нею и плоскостью вращения винта, Y= 0°.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение величины предельной тяги винтовых движителей и их КПД.
Поставленная задача решается за счет того, что у винтового движителя имеющего ось вращения, установленные с возможностью вращения вокруг нее лопасти, каждая из которых имеет переднюю и заднюю плоскости, переднюю острую кромку и заднюю кромку, при этом передняя плоскость каждой лопасти имеет прямолинейный плоский участок (АВ) который расположен под отрицательным углом (Υ) к плоскости вращения винта (ΜΝ), при этом данный угол может варьировать от Y1 = 0° до Υ2 = -45°.
Этот установочный угол Υ, в сочетании с острой передней кромкой профиля, обусловливает образование теневой области (ACD) по всему переднему контуру лопасти винта, в которой не могут формироваться такие негативные аэродинамические эффекты, как отрывное течение потока, флаттер и сопутствующая ему вибрация лопасти, волновое сопротивление и отрицательная тяга, которые являются неотъемлемыми свойствами винтов с классическим профилем, что доказано проведенными испытаниями двух винтов в г. Рязань 28.10.2014г (табл.1, Фиг.1 и 2). При этом в теневой области (ACD) формируется более глубокое разрежение, чем на передней плоскости лопасти с классическим профилем (табл. 1).
Лопасти винта могут быть установлены с изменяемым шагом. Однако, если оптимальная величина отрицательного угла по передней плоскости определена заранее, то лопасти могут быть установлены и без изменяемого шага, а винт можно выполнять моноблочным.
Предпочтительными профилями для лопастей воздушных винтов являются следующие три варианта:
1) Контур профиля задней плоскости лопасти, соединяющий острую переднюю кромку с задней кромкой, выполнен отрезком (АС, Фиг.2).
2) Контур профиля задней плоскости лопасти, соединяющий переднюю острую кромку с задней кромкой, выполнен плавной выпуклой прямой (АС, Фиг.1).
3) Симметричный профиль, у которого прямолинейные участки верхнего и нижнего контуров (АС1) и (ВС), Фиг.З, параллельны между собой.
Лопасти с предлагаемыми профилями могут иметь высоту (h) проекции напорной поверхности на плоскость, параллельную оси вращения винта и перпендикулярную плоскости его вращения и внешнюю хорду лопасти постоянными по всей длине лопасти или они могут быть переменными. Но больше вариантов для формирования тяги гребного винта (для водного транспорта) дают переменная (h) и переменная хорда по длине лопасти.
Применение нового крылового профиля вносит следующие
преимущества винтовым движителям:
1. Полностью исключается взаимодействие передней плоскости лопастей с набегающим потоком, что ведет к формированию высокого
разрежения над этой плоскостью.
2. Весь набегающий поток направляется на заднюю (нижнюю - у вертолетов), напорную плоскость, что ведет к увеличению скоростного напора на этой плоскости.
3. Лопасти полностью освобождаются от отрывного обтекания, от флаттера и волнового сопротивления. При этом лопасти полностью
освобождаются от вибрации и шума и формирования отрицательной тяги, неотъемлемых недостатков лопастей с классическим профилем.
Лопасти винта с новым крыловым профилем лишены крутки,
свойственной лопастям с затупленной передней кромкой, но имеют
установочный рабочий угол по передней плоскости. Цель установочного угла - перевести переднюю плоскость лопасти в тень набегающего потока, придав ей отрицательный угол атаки {у, фиг.1,2, 3) относительно плоскости вращения винта (MN). Такая геометрия, в сочетании с тем, что острая передняя кромка лишает переднюю плоскость взаимодействия с набегающим потоком, создает условия для формирования на данной плоскости более глубокого разрежения, чем классический профиль. При этом передняя плоскость лопасти, с профилем Базиева, вступает в формирование разрежения уже при минимальном угле ( = -i°) и наращивает степень разрежения, как по мере увеличения угла (у) , так и по мере роста частоты вращения винта и круговой скорости лопастей, вплоть до υ = 2М-ЗМ.
Изобретение поясняется чертежами, на которых:
- на фиг. 1 представлен вариант профиля лопасти, где нижний контур образован плавной кривой.
- на фиг. 2 представлен вариант профиля лопасти, где нижний контур
представлен отрезком прямой, соединяющим переднюю и заднюю кромки.
- на фиг. 3 представлен крыловой профиль, у которого прямолинейные участки верхнего (ACi) и нижнего (BD) контуров параллельны между собой. Этот вариант - наилучший для крыла больших самолетов.
- на фиг. 4 представлен гребной винт для водного транспорта с профилем лопасти, представленным на фиг. 2.
При применении винтов с новыми профилями, помимо указанных выше преимуществ, дополнительно достигается то, что:
1. Для винта с новым профилями не существует предела частоты вращения и предела достигаемой тяги при отсутствии ограничения, обусловленного мощностью двигателя и прочностными характеристиками винта.
2. Диаметры несущих винтов для вертолетов, с предлагаемыми
профилями, можно сократить до 2-4 метров с одновременным увеличением частоты вращения, передаваемой на вал винта, до п = 2000-4000 об/мин и существенным упрощением группы редукторов.
3. Сокращение диаметра винтов ведет за собой уменьшение массы винтов в несколько раз, сокращение радиуса центра тяжести лопастей в несколько раз и сокращение инерционности винта также в несколько раз.
4. Доля полезного груза вертолетов, оснащенных винтами малого диаметра (2-4м) с профилем Базиева, вращающимися в интервале частот п = 2000 - 4000 об/мин., достигнет 55-60% от взлетной массы вертолета.
5. Тяга винтов с профилем Базиева пропорциональна скорости лопастей и может непрерывно расти, по мере роста частоты вращения и выхода концевой скорости лопастей, вплоть до υ = 2 М - М , тогда как у винтов с классическим профилем существует технический предел росту тяги, связанный с началом формирования отрицательной (обратной) тяги уже при концевой скорости лопастей υ = 0,64 , величина которой непрерывно возрастает и при υ = \ М тяга винта достигает предельной силы, а далее отрицательная тяга винта становится больше прямой тяги.
Результаты испытаний двух одиночных воздушны винтов с
профилем Базиева и классическим профилем
1. Винт с классическим профилем : к = 2 - число лопастей,
D = 1700 мм - диаметр винта,
Ь] = 64 мм - концевая хорда лопасти,
Ь 2 =140 мм - срединная хорда,
Ьз = 125 мм - хорда у комля,
b = 109,667 мм - среднее значение хорды,
L = 785 мм - длина рабочей части лопасти,
5 1 = 2Ь · L = 0, 172177 м 2 - рабочая площадь винта,
Ш ] = 3,6 кг - масса винта.
2. Винт Базиева: к = 2 - число лопастей,
D = 1700 мм - диаметр винта,
b— 88 мм—хорда лопасти,
L = 795 мм - длина рабочей части лопасти,
5 2 = 2b · L = 0, 13992 м - рабочая площадь винта,
ш 2 - 2,3 кг - масса винта.
Оба винта изготовлены по чертежам Базиева Д.Х. фирмой «Finish - 2», город Казань.
Для изготовления испытательного стенда для винтов использован автомобильный двигатель с номинальной мощностью w = 409 л/с = 300819,5 Вт и предельной частотой вращения коленчатого вала п = 6000 об/мин. На базе этого двигателя построен стенд по методу выдающегося авиаконструктора Б.Н. Юрьева. Стенд изготовлен механической лабораторией Н.В. Пешкова, г. Рязань. Мы готовы провести демонстрацию работы обоих винтов всем желающим, но пока только в Рязани.
Для измерения тяги винтов, в функции от частоты их вращения, был использован электронный динамометр марки ДЭШ - 1 Д-10Р2. Частоту вращения фиксировали по стандартному тахометру самого двигателя, а управление частотой осуществляли с помощью педали газа. Испытания были проведены 28 октября 2014 в г. Рязань, с участием 7 человек, пятеро из них— это сотрудники лаборатории изготовившей стенд. Полученные результаты сведены (в таблицу N° 1 ) и представлены графически (фигуры 5-6).
Эти экспериментальные данные характеризуют не только винты, но и крылья с соответствующими профилями. В виду того, что лопасти с профилем Базиева лишены крутки, свойственной лопастям с классическим профилем, представляют собой миниатюрные крылья с этим же профилем. Поэтому аэродинамические особенности винта Базиева, установленные в данном исследовании, совершенно корректно можно переносить на крыло с профилем Базиева, естественно - в режиме стационарных испытаний.
Первая заявка на принципиально новый крыловой профиль была подана мною в Роспатент (тогда он назывался иначе) 5 октября 1980г, но тогда у меня не было возможности доводить заявку до патента. Создание стенда для испытания нового крылового профиля, на вращающемся мини - крыле, мне стоило больших усилий в течении последних 5 лет, но оно того стоило, ибо полученные на этом стенде данные полностью подтвердили теоретически ожидаемый результат: найден наиболее совершенный крыловой профиль, очень существенно повышающий тягу винтов и подъемную силу крыла самолетов.
Таблица 1
Тяга винтов и разрежение на передней плоскости лопастей
п Винт классический Винт Базиева
п п об/мин Положительная Отрицательна Степень Положительная Отрицательна Степень тяга, тяга, разрежения, тяга, тяга, разрежения, Н Н Па Н Н Па
1 2 3 4 5 6 7
1 1200 747,160 0,00 -3529,80 777,046 0,00 -2567,12
2 1500 1225,888 0,00 -6417,80 1158,098 0,00 -4813,35
3 1800 1718,468 0,00 -9305,81 1811,863 0,00 -7701,36
4 2100 2506,430 0,00 -13798,27 2301,253 0,00 -11712,48
5 2400 3389,322 0,00 -18611,62 2997,979 0,00 -16044,51
6 2700 4322,541 -213,892 -25029,42 3877,760 0,00 -20536,96
7 3000 5061,406 -614,939 -30484,54 5080,688 0,00 -27275,65
8 3300 5578,589 -1283,352 -34335,23 6119,240 0,00 -34977,01
9 3550 5883,885 -2031,974 -35939,68 7218,928 0,00 -43320,15
Мощность винтов и их КПД.
1. Винт с классическим профилем: г, = 0, 388056Л* - радиус центра массы лопасти,
W l = т х - r, 2 - nl I π = 35741,608285m - мощность, потребляемая винтом,
W g = 248351,3855m - полная мощность двигателя, развиваемая при частоте вращения вала п 9 = 3550об / мин .
= _ коэффициент полезного
действия винта. В гиперзвуковом режиме будет уменьшаться.
2. Винт Базиева: г 2 = 0, 393л/ - радиус центра массы лопасти,
wi = т г ' г 2 - п 9 1 π = 23420,4045m - мощность, потребляемая винтом, при частоте п 9 ,
η^ = W 9 - W 2 = 224930,9815m = ^ 9056965098 4 _ коэффициент полезного действия винта в дозвуковом режиме. В гиперзвуковом режиме будет расти. Выводы для винтов, вытекающие из результатов испытания.
1. Изготовленный в Рязани стенд соответствует техническому заданию и позволил провести точные измерения динамических свойств обоих винтов.
2. У винта с классическим профилем, при достижении концевой скорости на лопастях и = 0,64 (2700 об/мин) начинается формирование отрицательной тяги на задней плоскости лопастей (испытание проводилось в режиме толкающего винта).
3. Отрицательная тяга непрерывно возрастает по мере увеличения скорости на концах лопастей. При и = 0,95 она уже составляет 34,52 % от полной тяги винта. Из графика зависимости тяги винта от скорости лопастей следует, что при скорости лопастей υ > Ш доля отрицательной тяги составит 50% и более от полной тяги винта. В нашем опыте не хватило мощности силовой установки, чтобы вывести частоту вращения винтов до п — 4000 об/мин, при которой была бы достигнута гиперзвуковая скорость на концах лопастей (356 м/с = 1,075 М).
4. У винта с профилем Базиева, в отличие от винта с классическим профилем, отрицательная тяга не формируется даже при υ = 0,95 . Более того, она не будет формироваться и при гиперзвуковых скоростях лопастей, поскольку новый крыловой профиль отсекает набегающий поток от задней плоскости лопастей (режим толкающего винта). 5. До скорости лопастей υ = 0, 8Μ , винт Базиева уступает классическому винту по тяге, но при достижении υ = 0, 8М кривая тяги винта Базиева пересекает кривую тяги классического винта, а при υ = 0, 95 развивает тягу, превосходящую тягу классического винта в и / = 1 ,226898 раз, при этом имеет меньшую рабочую площадь в п 2 — 1 ,23 раза, с учетом которого превосходство винта Базиева составляет в п 3 = 1 ,509 раз.
6. Из характера графика следует, что кривая тяги по винту Базиева представлена ветвью параболы, устремленной в область гиперзвука, а это - прорыв к гиперзвуковым скоростям винтовых самолетов и больших скоростей вертолетов (до 750 км/ч), при диаметре их винтов 2-4 м.
7. Проведенные теоритические исследования основанные на полученных в данном опыте результатах, показали, что у нового крылового профиля, существуют большие перспективы.
Вот расчёты, сделанные при допущении: прочность исследуемого винта с профилем Базиева достаточно высока и его можно раскрутить до п = 8500 об/мин.
а) о, = \, 6М = 529, 28м / с ; « / = 6000 об/мин .
ΔΡ, = 1 83 1 5,б6Яя - избыточное напряжение на передней плоскости лопастей (режим толкающего винта),
АР 2 = - 103007, ΊβΠα - разрежение на задней плоскости, на которой достигнут динамический вакуум, т.е. давление равно нулю!
F, = (Δ/ > - АР 2 ) · S 2 = 12 1 323, 2 Н I м 2 · 0, 13992 - 16975, 57 Н - тяга винта.
б) υ 2 = 2, 1 М = 694, 68л/ 1 с ; п 2 - 8297 об/мин .
AP t = 21 368, 878Яо - избыточное давление передней плоскости,
АР 2 - - 1 3 1 780, 878Яд - высокое разряжение на задней плоскости лопастей, давление меньше нуля!
F 2 = (Δ , - AP 2 ) - S 2 = 21563, 4H - тяга винта.
F s = F 2 1 S 2 = 1 54 ] 2, 35# / * 2 - удельная нагрузка на рабочую площадь винта. Для сравнения привожу этот же параметр для вертолета Ми-8.
F s = 12000к · £ 0 I s = 4707, 1 92H и 2 - удельная нагрузка на винт в режиме зависания.
F n„) = F q / S, = : - = 5 1 593, 253/7 / ,ν/ 2 - удельная нагрузка винта
4 9 0, 1 3992л* 2
Базиева реально полученная на испытании. Она превышает нагрузку винта Ми-
8 в п = 10,96 раз! При этом необходимо учесть, что данный параметр является наиболее объективной характеристикой степени эффективности винта и крыла.
Т. о. высокая эффективность винта Базиева, установленная сначала теоретически (в1980г), теперь получила экспериментальное подтверждение.
Тяга этого винта непрерывно растет по мере роста скорости лопастей, а это значит, что создан гиперзвуковой винт, освобожденный от отрывного обтекания потоком, от флаттера и сопровождающей его вибрации, от волнового сопротивления и формирования отрицательной тяги. Подведя итог изложенному выше, можно считать выполненными следующие требования к патентоспособности заявляемого способа формирования тяги винта и устройства для его реализации.
1. Проведенный анализ уровня техники (это у меня 3 заявка по винту) показал, что заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле изобретения, не известна. Это позволяет сделать вывод о ее соответствии критерию «новизна», поскольку впервые предложено сочетание острой передней кроки с установочным отрицательным углом (Y) по передней плоскости лопасти, освобождающее винт от всех негативных свойств классического профиля.
2. Заявляемое техническое решение не следует явным образом из известного уровня техники. Следовательно, заявляемое решение соответствует критерию «изобретательский уровень».
3. На основе полученных результатов, при испытании двух винтов с разными профилями, можно сделать вывод о том, что заявленный способ формирования тяги воздушного и гребного винтов и устройства для его осуществления могут быть реализованы на практике с достижением указанного технического решения. Следовательно, они соответствуют критерию «промышленная применимость».
1. Д.Х. Базиев. Основы единой теории физики. М., Педагогика, 1994г.,640 стр.
2. Д.Х. Базиев. Патент РФ на изобретение нового крылового профиля N« 2461492 от 20 сентября 2012г.
Описание к рисункам.
ФФиигг..11.. ППррооффиилльь ссееччеенниияя ллооппаассттии сс ооссттрроойй ппееррееддннеейй ккррооммккоойй,, ппееррееддннеейй ппллооссккооссттььюю,, ббооллььшшааяя ччаассттьь ккооттоорроойй ввыыппооллннееннаа ооттррееззккоомм ппрряяммоойй ((ААВВ)),, ппееррееххооддяящщиимм вв ппллааввннууюю ккррииввууюю ((ВВСС)) сс ооббррааззооввааннииеемм ззааддннеейй ооссттрроойй ккррооммккии вв ттооччккее ссооееддииннеенниияя сс нниижжнниимм ккооннттуурроомм ппррооффиилляя ((ААСС)),, ввыыппооллннеенннныымм ппллааввнноойй ккррииввоойй.. ЛЛиинниияя MMNN -- ппллооссккооссттьь вврраащщеенниияя ввииннттаа,, ооттннооссииттееллььнноо ккооттоорроойй ввееррххнниийй ккооннттуурр ууссттааннааввллииввааюютт ппоодд ооттррииццааттееллььнныымм ууггллоомм (((($$ "" )).. DDCC == hh -- ввыыссооттаа ппррооееккццииии ннааппооррнноойй ппооввееррххннооссттии ллооппаассттии ннаа ппллооссккооссттьь,, ппааррааллллееллььннууюю ооссии вврраащщеенниияя ввииннттаа..
ФФиигг..22.. ППррооффиилльь ссееччеенниияя ллооппаассттии сс ббооллееее ооссттрроойй ппееррееддннеейй ккррооммккоойй,, ооббррааззоовваанннноойй ммааллыымм ууггллоомм рраассххоожжддеенниияя ввееррххннееггоо ии нниижжннееггоо ккооннттуурроовв ((ββ)).. ННиижжнниийй ккооннттуурр ((ААСС)) ввыыппооллннеенн ооттррееззккоомм ппрряяммоойй.. ВВееррххнниийй ккооннттуурр ууссттааннооввллеенн ппоодд ооттррииццааттееллььнныымм кк ппллооссккооссттии вврраащщеенниияя ввииннттаа ((ΜΜΝΝ))..
DC = h . Данный вариант - наилучший для воздушных винтов.
Фиг.З. Профиль сечения лопасти, у которого прямолинейные участки верхнего (ACi) и нижнего (BD) контуров параллельны между собой. Данный вариант наилучший для крыла большегрузных самолетов, при этом верхний контур его устанавливают под отрицательным углом к продольной оси летательного аппарата, как указано на фигуре 3. (ADi) = b - внешняя хорда сечения, (AD) - внутренняя хорда.
Фиг.4. Общий вид гребного винта с лопастями выполненными с предлагаемым профилем по фигуре 2.
Фиг.5. График тяги двух винтов полученных на испытании и сведенных в таблицу 1.
Фиг.6. График тяги винтов на перспективную частоту вращения п = 6000 об/мин.
Next Patent: SYSTEM FOR CONFINING AND COOLING MELT FROM THE CORE OF A WATER COOLED-WATER MODIFIED REACTOR