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 в плоскости вращения 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 при п=2500-3000 об/мин, а дальнейшее увеличение частоты вращения 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 Ns 2011127563 на вьщачу патента РФ «Винтовой движитель», взятый за прототип.

Данный движитель содержит ось вращения, установленные с возможностью вращения вокруг нее лопасти, каждое 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, нижней) плоскости. Каждая передняя плоскость лопасти винта прототипа имеет прямолинейный участок параллельный к оси вращения винта и соединенный с задней (нижней) плоскостью плавной выпуклой кривой с образованием задней кромки.

Положительным качеством прототипа является освобождение передней (у вертолета верхней) плоскости от взаимодействия с набегающим потоком, что освобождает эту плоскость от отрывного обтекания, от флаттера и волнового сопротивления - неодолимых негативных свойств лопастей с классическим профилем, имеющим затупленную переднюю кромку, которая большую часть набегающего потока направляет на переднюю плоскость (верхнюю) плоскость.

Однако у винта- прототипа имеется очень большой технический недостаток, состоящий в том, что передняя (верхняя) плоскость каждой его лопасти полностью исключена из работы по созданию тяги, так как над ней не формируется разряжение воздуха.

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, каждое из которых имеет переднюю и заднюю плоскости, переднюю острую кромку и заднюю кромку, при этом передняя плоскость каждой лопасти имеет прямолинейный плоский участок который расположен под отрицательным углом (Y) к плоскости вращения винта.

Благодаря наличию отрицательного угла между передней плоскостью лопастей и плоскостью вращения винта достигается существенно более глубокое разряжение на передней плоскости лопастей обусловливающее повышение тяги и КПД винта.

Новый профиль винта подобен новому профилю крыла летательного аппарата (см. патент РФ на изобретение N2 2461492 с приоритетом 01 ноября 2010г.) с острой как нож передней кромкой, срезающей весь набегающий поток и направляющей его на нижнюю напорную плоскость.

При этом предпочтительнее, чтобы в рабочем режиме передняя лопасть была расположена под отрицательным углом (Y) к плоскости вращения винта, поскольку, чем больше этот угол, тем глубже разряжение на передней плоскости и тем больше тяга винта.

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.

Предпочтительными профилями для лопастей воздушных винтов являются следующие два варианта: а) задняя плоскость лопасти, соединяющая острую переднюю кромку с задней выполнена плавной выпуклой кривой,

б) задняя плоскость лопасти соединяющая острую переднюю кромку с задней, выполнена отрезком прямой.

Лопасти с предлагаемыми профилями могут иметь высоту миделевого сечения 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 переменное миделево сечение и переменная хорда по длине лопасти.

Применение нового крылового профиля вносит следующие преимущества винтовым движителям:

1. Полностью исключается взаимодействие передней (верхней) плоскости лопастей с набегающим потоком.

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.

Данное изобретение поясняется следующими чертежами:

Фиг.1. Профиль сечения лопасти с острой передней кромкой, передней плоскостью, большая часть которой выполнена отрезком прямой (АВ), переходящим в плавную кривую (ВС) с образованием задней острой кромки в точке соединения с нижним контуром профиля (АС), выполненным плавной кривой. Линия MN - плоскость вращения винта, относительно которой верхний контур устанавливают под отрицательным углом (Y). DC = h - высота миделя сечения лопасти.

Фиг.2. Профиль сечения лопасти с более острой передней кромкой, образованной малым углом расхождения верхнего и нижнего контуров (β). Нижний контур (АС) выполнен отрезком прямой. Верхний контур установлен под отрицательным углом (Υ) к плоскости вращения винта (MN). DC = h - высота миделя. Данный вариант - наилучший для воздушных винтов.

Фиг.З. Профиль сечения лопасти, у которого прямолинейные участки верхнего (ACj) и нижнего (BD) контуров параллельны между собой. Данный вариант наилучший для крыла большегрузных самолетов, при этом верхний контур его устанавливают под

з 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. Общий вид гребного винта с лопастями постоянной хорды, но растущей высотой миделя к краю лопасти.

Фиг.6. Общий вид гребного винта, лопасти которого увеличивают к краю лопасти и хорду, и высоту миделя.

Лопасти винта с новым крыловым профилем лишены крутки, свойственной лопастям с затупленной передней кромкой, но имеют установочный рабочий угол по передней плоскости (для вертолетов - по верхней плоскости). Цель установочного угла - перевести переднюю плоскость лопасти в тень набегающего потока, придав ей отрицательный угол атаки (/, 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 (/ = -1°) и наращивает степень разрежения, как по мере увеличения угла (γ) , так и по мере роста частоты вращения винта и круговой скорости лопастей. Экспериментально установлено, что при ^ = -3° формирование разрежения по передней плоскости начинается при достижении круговой скорости на концах лопастей u _mia = 2\0м / с , которую можно считать нижним порогом для малых винтов, диаметром меньше 1,5 метра.

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 (АС 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.

- на фиг. 5 представлен вид в изометрии фрагмента винта, миделево сечение которого увеличивается к краю лопасти, а хорда постоянна. - на фиг. 6 представлен вид в изометрии фрагмента винта, у которого к концу лопасти увеличиваются и миделево сечение и хорда.

Представленный на фиг. 1 винтовой движитель характеризуется передней и задней острыми кромками, прямолинейным участком передней плоскости лопасти, который в нерабочем положении расположена перпендикулярно оси вращения винта и параллелен плоскости вращения винта, а напорная задняя плоскость, соединяющая переднюю и заднюю острые кромки лопасти, изогнута по плавной выпуклой кривой. Острая как нож передняя кромка, срезает весь набегающий поток и направляет его на заднюю (нижнюю - у вертолетов) плоскость лопасти и полностью исключает его попадание на переднюю плоскость. При этом, в зависимости от мощности двигателя, максимальной частоты вращения, передаваемой им на вал винта и требуемой тяги, высоту миделевого сечения и угол установки передней плоскости (γ) можно изменять в широком диапазоне с одновременным изменением длины хорды и высоты миделя {И) . Вал винта можно устанавливать как вертикально (на вертолетах), так и горизонтально (на всех остальных видах транспорта). Для выполнения реверса тяги передней плоскости лопастей задают положительный угол атаки, а задней отрицательный угол (/) . При этом высота миделя (h) и хорда лопасти могут быть как постоянными, так и переменными вдоль длины лопасти.

Представленный на фиг. 2 вариант винта также характеризуется острыми передней и задней кромками, прямолинейным участком передней плоскости лопастей, который в нерабочем положении может располагаться перпендикулярно оси вращения винта и параллельно плоскости вращения винта. При этом напорная задняя плоскость, соединяющая переднюю и заднюю острые кромки лопасти, представлена отрезком прямой (АС). Для перевода лопастей в рабочий режим им задается отрицательный угол (γ) по передней (верхней) плоскости, для таких манипуляций винт выполняют с изменяемым шагом.

Однако, при повороте лопастей для реверса тяги и создания заднего хода судна, картина изменяется, поскольку в этом режиме работы винта, участок задней плоскости становится уязвимым для кавитационного разрушения. Этот участок можно защитить от кавитационного разрушения подводом через тело вала, ступицы и лопасти к нему сжатого воздуха или воды и через систему форсунок поддерживать над ним давление, равное давлению воды на глубине расположения винта. Для увеличения КПД винта без изменения его диаметра, лопасти могут иметь растущую высоту миделя и удлиняющуюся хорду от ступицы к краю лопасти.

Третий вариант профиля, представленный на фигуре 3, отличается от первых двух тем, что прямолинейные участки верхнего и нижнего контуров параллельны между собой и соединяются с передней и задней кромками плавными кривыми (АВ) и (CiD); Этот профиль - наилучший для крыла больших транспортных самолетов.

Предлагаемая лопасть с острой передней кромкой формирует тягу существенно иначе, чем известные винты с классическим профилем. При этом, как уже упоминалось, лопасти не имеют кручения, пропеллерности. Поэтому определение величины тяги этих винтов основано на новой физической и математической основе, учитывающей плотность среды ( ?) , высоту миделевого сечения лопасти на ее середине {К) , линейную (υ _μ ) и шаговую (и) скорости молекул воздуха на высоте полета или молекул воды на глубине расположения гребного винта, секундный расход воздуха и воды, геометрические элементы лопастей. υμϊ - линейная скорость молекул воздуха на высоте полета. При t = 0°С и

Р ₀ = 101325Яа , υ ₀ = 47131, 725м I с [ Базиев Д.Х. Основы единой теории физики (ОЕТФ). М.,

Педагогика, 1994г., с. 619]

щ = 1,0315148л* 1 с - скорость блуждания молекул воздуха в нормальных условиях [там же, с. 619]

а = л 1 = 1,61 \99\95 стерад = const

- коэффициент сферичности глобулы, индивидуального пространства молекулы [ОЕТФ, с.

1 1-12].

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 лопастей.

2. Диаметры несущих винтов для вертолетов, с предлагаемыми профилями, можно сократить до пяти метров и менее с одновременным увеличением частоты вращения, передаваемой на вал винта, до п=5000- 10000 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 (2-5м) с профилем Базиева, вращающимися в интервале частот п =2000 -10000 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 = 3 - 5М , 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 М , величина которой непрерывно возрастает и при υ - ΙΜ тяга достигает предельной силы, а далее начинается ее снижение.

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,

bj = 64 мм - концевая хорда лопасти,

Ь ₂ =140 мм - срединная хорда,

Ь ₃ = 125 мм - хорда у комля,

b = 109,667 мм - среднее значение хорды,

L = 785 мм - длина рабочей части лопасти,

Si = 2b · L = 0,172177 м ² - рабочая площадь винта,

mi = 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, S ₂ = 2b · L = 0,13992 м ² - рабочая площадь винта,

m 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 от вездехода «Кадиллак», 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 ДЭП1-1Д-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 Ν° 1) и представлены графически (фигура 1).

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. По этому 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 теоритически ожидаемый результат: найден наиболее совершенный крыловой профиль, очень существенно повышающий тягу винтов и подъемную силу крыла самолетов.

Таблица 1

н Положитель Отрицатель Степень Положитель Отрицатель Степень ная тяга, на тяга, разрежени ная тяга, на тяга, разрежен

Н Н я, Па Н Н ия, Па

1 2 3 4 5 6 7

1200 747,160 0,00 -3529,80 777,046 0,00 -2567,12

1500 1225,888 0,00 -6417,80 1158,098 0,00 -4813,35

1800 1718,468 0,00 -9305,81 1811,863 0,00 -7701,36

2100 2506,430 0,00 -13798,27 2301,253 0,00 -11712,48

2400 3389,322 0,00 -18611,62 2997,979 0,00 -16044,51

2700 4322,541 -213,892 -25029,42 3877,760 0,00 -20536,96

3000 5061,406 -614,939 -30484,54 5080,688 0,00 -27275,65

3300 5578,589 -1283,352 -34335,23 6119,240 0,00 -34977,01

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 _x - т _х · г _х ² · = 1 12285,5745/и - мощность, потребляемая винтом,

W ₉ = 248351, 385 Вт - полная мощность двигателя, развиваемая при частоте вращения вала п ₉ - 355 об I мин .

W ₉ - W. 136065,815m _{л е л по} ^ _{1 М}

п, =— = = 0, 547876192 - коэффициент полезного действия винта.

В гиперзвуковом режиме будет уменьшаться.

2. Винт Базиева:

г ₂ = 0, 393м - радиус центра массы лопасти,

W ₂ = m ₂ - г ₂ ² · «9 = 73577, 36%Вт - мощность, потребляемая винтом, при частоте щ,

W _g - W ₂ 174777,0165/и _{Л ^} ^, _ОЛЛО , ,

η, -— - = = 0,703748908 - коэффициент полезного действия

² W ₉ W ₉

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).

ю 3. Отрицательная тяга непрерывно возрастает по мере увеличения скорости на концах лопастей. При υ = 0, 95М она уже составляет 34,52 % от полной тяги винта. Из графика зависимости тяги винта от скорости лопастей следует, что при скорости лопастей υ > \М 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 - 0,95Μ . Более того, она не будет формироваться и при гиперзвуковых скоростях лопастей, поскольку новый крыловой профиль отсекает набегающий поток от задней плоскости лопастей.

5. До скорости лопастей υ = 0,8М , винт Базиева уступает классическому винту по тяге, но при достижении υ = 0, SM кривая тяги винта Базиева пересекает кривую тяги классического винта, а при υ = 0, 95М развивает тягу, превосходящую тягу классического винта в ni = 1,226898 раз, при этом имеет меньшую рабочую площадь в П2 = 1,23 раза.

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 2-5 м.

7. Проведенные теоретические 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) = \,Ш = 595, 44л* / с ; щ = 7112 об/мин .

АР ₁ = 18315, 6617а - избыточное напряжение на передней плоскости лопастей (режим толкающего винта),

АР ₂ - -103007, 76 Дя - разрежение на задней плоскости, на которой достигнут динамический вакуум, т.е. давление равно нулю!

F = ( Ρ _Χ - AP ₂ ) - S ₂ = 121323,42H / м ² · 0,13992 = 16975, 57H- тяга винта. б) υ ₂ = 2, \М = 694, 68л< 1 с ; п ₂ = 8297 об/мин . ΔΡ, = 21368, 878Яа - избыточное давление передней плоскости,

АР ₂ = -131780, 878Яд - высокое разряжение на задней плоскости лопастей, давление меньше нуля!

F ₂ = (AP ₁ - AP ₂ ) - S ₂ = 21563,4H -тяга винта.

F _s = F ₂ 1 S ₂ = 1541 12,35H / ^ ² - удельная нагрузка на рабочую площадь винта. Для сравнения привожу этот же параметр для вертолета Ми-8.

F _s = {Ми - 8) = 12000кг · g ₀ / s = 4707, 192H 1 м ² - удельная нагрузка на винт в режиме зависания.

7218 928H

= (« _g ) = F -

9 15, 2 = _{0) 1 39} - _{92 л|} 2 = 51593,253H / м ² - удельная нагрузка винта 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 вибрацией, 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».

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 «промьппленная 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.