RU72458U1 - BLADE SCREW - Google Patents

Abstract

Лопастной винт относится к любой области, где может быть использован лопастной винт (воздушный, гребной и д.р.). Лопастной винт, содержит, как минимум, две лопасти, каждая из которых имеет на своих концах лопатки, при этом лопатки выполнены по отношению к плоскости вращения винта радиусными и симметричными, по форме соответствующими внешнему радиусу вращения винта и перпендикулярными по отношению к плоскости вращения винта и имитирующие кольцевую беззазорную насадку. Высота лопатки лопастного винта соответствует максимальному шагу винта h, ширина лопатки соответствует ширине лопасти, а толщина лопатки d зависит от условий работы винта в среде данной плотности и заданной скорости вращательного и осевого поступательного движения винта, при этом d=f(ρ,ω,V_o). Высота лопатки относительно фронтальной и тыльной поверхностей лопасти в вертикальном к плоскости сечения лопасти направлении равновелика вверх и вниз, при этом углы лопаток скруглены.A blade screw refers to any area where a blade screw (propeller, propeller, etc.) can be used. The blade screw contains at least two blades, each of which has blades at its ends, while the blades are made with respect to the plane of rotation of the screw radial and symmetrical, in shape corresponding to the external radius of rotation of the screw and perpendicular to the plane of rotation of the screw and imitating an annular gapless nozzle. The height of the blade of the blade screw corresponds to the maximum pitch of the screw h, the width of the blade corresponds to the width of the blade, and the thickness of the blade d depends on the conditions of operation of the screw in a medium of a given density and a given speed of rotational and axial translational motion of the screw, with d = f (ρ, ω, V _o ). The height of the blade relative to the front and rear surfaces of the blade in the direction vertical to the plane of the section of the blade is equal up and down, while the angles of the blades are rounded.

Description

Лопастной винт относится к любой области, где может быть использован лопастной винт (воздушный, гребной), это область авиастроения (самолеты, вертолеты, автожиры), турбиностроение, кораблестроение (надводные и подводные суда, суда на воздушной подушке), вентиляторная и ветроэлектрическая техника.A blade screw refers to any area where a blade screw (air, rowing) can be used; this is the field of aircraft construction (airplanes, helicopters, gyroplanes), turbine engineering, shipbuilding (surface and underwater vessels, hovercraft), fan and wind power equipment.

Известен лопастной винт, патент СССР №1711664, МПК В64С 11/00, в котором повышение КПД винта и уменьшение аэродинамических потерь достигается за счет обеспечения безотрывного обтекания винта.Known rotor screw, USSR patent No. 1711664, IPC ВСС 11/00, in which increasing the efficiency of the screw and reducing aerodynamic losses is achieved by providing an uninterrupted flow around the screw.

Известен также лопастной винт, патент на полезную модель №43249 В64С 11/00. Лопасти винта предлагаемого по данному техническому решению снабжены диффузорами, оси которых имеют положительный угол атаки, а диффузоры выполнены в виде лопаток с радиусом кривизны, установленных под углом 40-45° к тыльной плоскости лопасти, причем передняя кромка лопаток расположена под углом 90-105°, а задняя кромка под углом 30-45° к продольной оси лопатки. Такое расположение лопаток по отношению к лопасти возможно эффективно при использовании на разнонаправленных соосных винтах, однако расположение задней кромки лопатки под углом 30-45° к продольной оси лопатки в единичных винтах, во-первых, увеличивает радиус лопастного винта и, кроме того, будет создавать дополнительный турбулентный поток струи с тыльной стороны винта, что отрицательно влияет на силу тяги винта за счет концевых потерь и дополнительного сужения потока за винтом за счет турбулентности.Also known is a blade screw, patent for utility model No. 43449 B64C 11/00. The blades of the screw proposed by this technical solution are equipped with diffusers, the axes of which have a positive angle of attack, and the diffusers are made in the form of blades with a radius of curvature installed at an angle of 40-45 ° to the back plane of the blade, and the front edge of the blades is located at an angle of 90-105 ° and the trailing edge at an angle of 30-45 ° to the longitudinal axis of the scapula. Such an arrangement of the blades with respect to the blade is possible when used on multidirectional coaxial screws, however, the location of the trailing edge of the blade at an angle of 30-45 ° to the longitudinal axis of the blade in single screws, firstly, increases the radius of the blade screw and, in addition, will create additional turbulent flow of the jet from the back of the propeller, which negatively affects the propulsion force of the propeller due to end losses and an additional narrowing of the propeller flow due to turbulence.

Технической задачей полезной модели является уменьшение коэффициента концевых потерь лопастного винта, и как следствие - The technical task of the utility model is to reduce the coefficient of end losses of the rotor blade, and as a result -

увеличение эффективной площади лопастного винта и, соответственно, тяговых характеристик лопастного винта.increase in the effective area of the blade screw and, accordingly, the traction characteristics of the blade screw.

Техническая задача решается за счет того, чтоThe technical problem is solved due to the fact that

у лопастного винта, содержащего, как минимум, две лопасти, каждая из которых имеет на своих концах лопатки, лопатки выполнены по отношению к плоскости вращения винта радиусными и симметричными, по форме соответствующими внешнему радиусу вращения винта и перпендикулярными по отношению к плоскости вращения винта и имитирующие кольцевую беззазорную насадку.for a blade screw containing at least two blades, each of which has blades at its ends, the blades are made with respect to the plane of rotation of the screw radial and symmetrical, in shape corresponding to the external radius of rotation of the screw and perpendicular to the plane of rotation of the screw and simulating annular gapless nozzle.

Кроме того, высота лопатки лопастного винта соответствует максимальному шагу винта h, ширина лопатки соответствует ширине лопасти ?, а толщина лопатки d зависит от условий работы винта в среде данной плотности и заданной скорости вращательного и осевого поступательного движения винта, при этом d=f(ρ,ω,V_o),In addition, the height of the blade of the rotor blade corresponds to the maximum pitch of the screw h, the width of the blade corresponds to the width of the blade? And the thickness of the blade d depends on the conditions of operation of the screw in a medium of a given density and a given speed of rotational and axial translational motion of the screw, with d = f (ρ , ω, V _o ),

где f - функциональная зависимость;where f is the functional dependence;

ρ - плотность среды;ρ is the density of the medium;

ω - угловая скорость вращения винта;ω is the angular velocity of rotation of the screw;

V_o - скорость поступательного движения винта.V _o - the speed of translational motion of the screw.

При этом высота лопаток лопастного винта относительно фронтальной и тыльной поверхностей лопасти в вертикальном к плоскости сечения лопасти направлении равновелика вверх и вниз, при этом углы лопаток скруглены.In this case, the height of the blades of the rotor blade relative to the front and rear surfaces of the blade in the vertical direction to the plane of the section of the blade is the same up and down, while the angles of the blades are rounded.

Заявленное техническое решение подтверждается чертежами, гдеThe claimed technical solution is confirmed by the drawings, where

на фиг 1 изображен лопастной винт в плоскости вращения лопастного винта;in Fig 1 shows a blade screw in the plane of rotation of the blade screw;

на фиг.2 изображен лопастной винт в плоскости, перпендикулярной плоскости вращения лопастного винта;figure 2 shows the blade screw in a plane perpendicular to the plane of rotation of the blade screw;

на фиг.3 изображено увеличенное сечение по АА фрагмента лопастного винта с лопаткой;figure 3 shows an enlarged section along AA of a fragment of a blade screw with a blade;

на фиг.4 изображена схема сил, действующих на элемент лопасти винта на примере лопастного винта авиационного;figure 4 shows a diagram of the forces acting on the element of the propeller blades on the example of an aircraft propeller;

на фиг.5 изображена схема геометрического шага лопасти;figure 5 shows a diagram of the geometric pitch of the blade;

на фиг.6 изображена оконечная часть лопасти 2 с указанием нерабочей части лопасти;figure 6 shows the end part of the blade 2 indicating the inoperative part of the blade;

на фиг.7 схематично изображена сметаемая площадь лопастного винта с указанием ее нерабочей части.7 schematically depicts the swept area of the blade screw indicating its non-working part.

Лопастной винт 1 имеет, как минимум, две лопасти 2. В качестве примера представлен двухлопастной винт.The blade screw 1 has at least two blades 2. An example is a two-blade screw.

Каждая из лопастей 2 на своих концах имеет лопатку 3. Лопатка 3 выполнена по отношению к плоскости вращения винта 1 радиусной и симметричной. По форме лопатка 3 соответствует внешнему радиусу вращения винта 1 и перпендикулярна по отношению к плоскости вращения винта 1.Each of the blades 2 at its ends has a blade 3. The blade 3 is made with respect to the plane of rotation of the screw 1 radial and symmetrical. The shape of the blade 3 corresponds to the outer radius of rotation of the screw 1 and is perpendicular to the plane of rotation of the screw 1.

Широко известны устройства для увеличения тяги винта в виде винта в кольце. Такие устройства имеют большую эффективность, однако конструкция их довольно громоздка, монтаж сложен и основная проблема - выставление точного зазора между внутренней поверхностью кольца и концевыми частями лопасти.Widely known devices for increasing the thrust of the screw in the form of a screw in the ring. Such devices have great efficiency, but their design is rather cumbersome, installation is complicated and the main problem is setting the exact gap between the inner surface of the ring and the end parts of the blade.

При вращении заявляемый лопастной винт 1 с лопаткой имитирует кольцевую беззазорную насадку, таким образом увеличивая тягу винта.When rotating, the inventive blade screw 1 with a blade simulates an annular gapless nozzle, thereby increasing the thrust of the screw.

Высота лопатки 3 лопастного винта 1 соответствует максимальному шагу винта h (см. фиг.5.), ширина лопатки 3 соответствует ширине лопасти b, а толщина d лопатки 3 выбирается в зависимости от условий работы винта в среде данной плотности и заданной скорости вращательного и осевого поступательного движения винта, при этом d=f(ρ, ω, V_o),The height of the blade 3 of the blade screw 1 corresponds to the maximum pitch of the screw h (see Fig. 5), the width of the blade 3 corresponds to the width of the blade b, and the thickness d of the blade 3 is selected depending on the operating conditions of the screw in a medium of a given density and a given rotational and axial speed translational motion of the screw, with d = f (ρ, ω, V _o ),

где f - функциональная зависимость;where f is the functional dependence;

ρ - плотность среды;ρ is the density of the medium;

ω - угловая скорость вращения винта;ω is the angular velocity of rotation of the screw;

V_o - скорость поступательного движения винта.V _o - the speed of translational motion of the screw.

Высота лопаток 3 лопастного винта 2 относительно фронтальной 4 и тыльной 5 поверхностей лопасти 2 в вертикальном к плоскости сечения лопасти 2 направлении равновелика вверх и вниз, а углы лопаток выполнены скругленными.The height of the blades 3 of the blade screw 2 relative to the front 4 and the back 5 of the surfaces of the blade 2 in the vertical direction to the plane of the section of the blade 2 is the same up and down, and the corners of the blades are rounded.

Высота лопаток 3 лопастного винта 2 относительно фронтальной и тыльной поверхностей лопасти 2 (см. фиг.3) одинакова.The height of the blades 3 of the blade screw 2 relative to the front and back surfaces of the blade 2 (see figure 3) is the same.

Высота лопаток 3 над поверхностью лопасти 2 согласуется с максимальным шагом h лопастного винта 1 (см фиг.3).The height of the blades 3 above the surface of the blade 2 is consistent with the maximum pitch h of the blade screw 1 (see figure 3).

На фигуре 4 изображена схема сил, действующих на элемент лопасти 2 лопастного винта 1 на примере авиационного винта.The figure 4 shows a diagram of the forces acting on the element of the blade 2 of the blade screw 1 on the example of an aircraft propeller.

Где V1 - индуктивная скорость,Where V1 is the inductive speed,

W1 - скорость набегающего на профиль потока,W1 is the velocity of the flow incident on the profile,

- угол притекания потока к элементу лопасти (под которым воздух притекает к лопасти). - the angle of flow to the element of the blade (under which air flows to the blade).

Каждый элемент лопасти обдувается потоком со скоростью W1, поэтому по законам аэродинамики можно записать:Each element of the blade is blown by a stream at a speed of W1, therefore, according to the laws of aerodynamics, you can write:

где bdr=ds - площадь элемента лопасти (С_х - коэффициент подъемной силы);wherein bdr = ds - area of the blade element (C _x - lift coefficient);

b - хорда лопасти,b is the chord of the blade,

dy_e - подъемная сила,dy _e - lifting force,

dQ_e - сила сопротивления,dQ _e is the resistance force,

φ - угол установки лопасти,φ is the angle of the blade,

ω - угловая скорость вращения.ω is the angular velocity of rotation.

При вращении угол φ превращается в угол атаки, под которым воздух притекает к лопасти и обеспечивает подвод воздуха к профилю со скоростью V1.During rotation, the angle φ turns into an angle of attack, under which air flows to the blades and provides air supply to the profile with a speed V1.

Переходя к коэффициентам C_т и m_k, характеризующим тягу и крутящий момент, можно записать:Turning to the coefficients C _t and m _k, characterizing the thrust and torque, can be written:

где Т - тяга винта.where T is the thrust of the screw.

М_к - крутящий момент, создаваемый двигателем,M _to - the torque created by the engine,

m_к - потребление мощности винтом.m _to - power consumption of the screw.

Коэффициент полезного действия винта:Screw Efficiency:

где N - мощность, затрачиваемая на вращение винта (в л.с.),where N is the power spent on the rotation of the screw (in hp),

L - мощность, затрачиваемая на перемещение;L is the power spent on moving;

Т - тяга винта;T - propeller thrust;

V_o - скорость осевого перемещения.V _o - axial displacement speed.

Коэффициенты С_т и m_к характеризуют работу винта данной геометрической формы и могут быть найдены для каждого значения относительной скорости V_o путем эксперимента.The coefficients C _t and m _k characterize the operation of a screw of a given geometric shape and can be found for each value of the relative speed V _o by experiment.

В предлагаемом лопастном винте 1 установка лопаток 3 не только меняет характер вихревого течения на конце лопасти 2, но и увеличивает эффективную площадь винта, что влияет на величину коэффициентов С_т и m_к, при неизменном внешнем радиусе винта R.In the proposed blade screw 1, the installation of the blades 3 not only changes the nature of the vortex flow at the end of the blade 2, but also increases the effective area of the screw, which affects the magnitude of the coefficients C _t and m _k , with the constant external radius of the screw R.

Чем шире лопасть на конце и чем больше у нее угол атаки, тем больше величина ΔR (ΔR неэффективная часть радиуса лопасти, не создающая силы тяги, см. фиг.6, 7).The wider the blade at the end and the larger the angle of attack, the greater the ΔR value (ΔR is the ineffective part of the radius of the blade that does not create traction, see Fig.6, 7).

Коэффициент ½ получается у лопасти с округлым концом.The coefficient ½ is obtained for a blade with a rounded end.

При прямоугольном конце лопасти он возрастает примерно до единицы. Неэффективная часть не создает силы тяги.At the rectangular end of the blade, it grows to about unity. The ineffective part does not create traction.

У работающего винта заштрихованная часть ометаемой площади силы тяги не дает (см. фиг.6, 7).In the working screw the shaded part of the swept area does not give traction (see Fig.6, 7).

F_ом - ометаемая площадь винта по внешнему радиусу R.F _ohm - swept area of the screw along the outer radius R.

Эффективная площадь винта меньше ометаемой площади наThe effective screw area is less than the swept area by

где F_ом1 - эффективная площадь винта.where F _ohm1 is the effective area of the screw.

Эту величину называют коэффициентом концевых потерь или коэффициентом использования ометаемой площади и обозначаютThis value is called the coefficient of end losses or the utilization of the swept area and denote

Иногда пользуются более удобной формулой:Sometimes they use a more convenient formula:

где К - количество лопастей.where K is the number of blades.

Обычно (из экспериментальных данных) С_т≈0,008; К=3 (количество лопастей);Usually (from experimental data) With _t ≈0.008; K = 3 (number of blades);

В случае прямоугольных лопастей на конце, χ нужно еще уменьшить на 0,01-0,003.In the case of rectangular blades at the end, χ must be further reduced by 0.01-0.003.

Таким образом, в предлагаемом лопастном винте 1 установка лопаток 3 не только меняет характер вихревого течения на конце лопасти 2, но и увеличивает эффективную площадь лопастного винта 1, что влияет на величину коэффициентов С_т и m_к, т.е. увеличивает коэффициент тяги, а следовательно, коэффициент полезного действия винта без увеличения радиуса лопастного винта 1.Thus, in the proposed blade screw 1, the installation of the blades 3 not only changes the nature of the vortex flow at the end of the blade 2, but also increases the effective area of the blade screw 1, which affects the value of the coefficients С _t and m _k , i.e. increases the thrust coefficient, and therefore, the efficiency of the screw without increasing the radius of the blade screw 1.

Лопастной винт 1 работает следующим образом. При вращении лопастного винта 1 лопасти 2 с лопатками 3 захватывают среду и отбрасывают ее назад, создавая тяговую силу. При этом лопастной винт 1 с лопатками 3 при вращении за счет конфигурации, заявленной в предлагаемом техническом решении, имитирует кольцевую беззазорную насадку, таким образом увеличивая тягу винта. Лопатки 3 препятствуют The blade screw 1 operates as follows. When the blade screw 1 rotates, the blades 2 with the blades 3 capture the medium and throw it back, creating a traction force. In this case, the blade screw 1 with blades 3 during rotation due to the configuration claimed in the proposed technical solution, simulates an annular gapless nozzle, thereby increasing the thrust of the screw. Paddles 3 hinder

срыву потока с концов лопастей 2 и увеличивают эффективную площадь струи, что вызывает увеличение тяги без увеличения радиуса лопастного винта 1, т.е. без увеличения длины лопасти (по сравнению с прототипом, где увеличение силы тяги достигается фактическим увеличением радиуса на величину высоты лопатки, умноженной на cos45°.disruption of the flow from the ends of the blades 2 and increase the effective area of the jet, which causes an increase in thrust without increasing the radius of the blade screw 1, i.e. without increasing the length of the blade (compared with the prototype, where an increase in traction is achieved by actually increasing the radius by the height of the blade multiplied by cos45 °.

При вращении заявляемый лопастной винт 1 с лопаткой 3 имитирует кольцевую беззазорную насадку, таким образом увеличивая тягу винта. Именно выполнение лопатки 3 радиусной и симметричной позволяет достигать указанного эффекта по сравнению с прототипом.When rotating, the inventive blade screw 1 with a blade 3 simulates an annular gapless nozzle, thereby increasing the thrust of the screw. It is the implementation of the blades 3 of radial and symmetrical that allows to achieve the specified effect in comparison with the prototype.

Техническая реализация предложенного решения отличается конструктивной и технологической простотой, обеспечивающей его широкое применение в авиастроении, турбиностроении, кораблестроении. Лопатки 3 могут быть выполнены как за одно целое с лопастью 2 без дополнительных элементов крепления, так и в виде самостоятельных конструкций с последующим креплением к лопасти 2.The technical implementation of the proposed solution is distinguished by its structural and technological simplicity, which ensures its widespread use in aircraft construction, turbine engineering, and shipbuilding. The blades 3 can be made in one piece with the blade 2 without additional fastening elements, or in the form of independent structures with subsequent fastening to the blade 2.

Claims (3)

1. Лопастной винт, содержащий, как минимум, две лопасти, каждая из которых имеет на своих концах лопатки, отличающийся тем, что лопатки выполнены по отношению к плоскости вращения винта радиусными и симметричными, по форме соответствующими внешнему радиусу вращения винта и перпендикулярными по отношению к плоскости вращения винта и имитирующие кольцевую беззазорную насадку.1. A blade screw containing at least two blades, each of which has blades at its ends, characterized in that the blades are made with respect to the plane of rotation of the screw radial and symmetrical, in shape corresponding to the external radius of rotation of the screw and perpendicular to planes of rotation of the screw and simulating an annular gapless nozzle. 2. Лопастной винт по п.1, отличающийся тем, что высота лопатки соответствует максимальному шагу винта h, ширина лопатки соответствует ширине лопасти, а толщина лопатки d зависит от условий работы винта в среде данной плотности и заданной скорости вращательного и осевого поступательного движения винта, при этом d=f(ρ,ω,V_o),2. The blade screw according to claim 1, characterized in that the height of the blade corresponds to the maximum pitch of the screw h, the width of the blade corresponds to the width of the blade, and the thickness of the blade d depends on the operating conditions of the screw in an environment of a given density and a given speed of rotational and axial translational motion of the screw, moreover, d = f (ρ, ω, V _o ), где f - функциональная зависимость;where f is the functional dependence; ρ - плотность среды;ρ is the density of the medium; ω - угловая скорость вращения винта;ω is the angular velocity of rotation of the screw; V_o - скорость поступательного движения винта.V _o - the speed of translational motion of the screw. 3. Лопастной винт по п.1, отличающийся тем, что высота лопатки относительно фронтальной и тыльной поверхностей лопасти в вертикальном к плоскости сечения лопасти направлении равновелика вверх и вниз, при этом углы лопаток скруглены.

3. The blade screw according to claim 1, characterized in that the height of the blade relative to the front and back surfaces of the blade in the vertical direction to the plane of the section of the blade is equal up and down, while the corners of the blades are rounded.