RU2482010C2 - Method of producing flapping motion and flapping screw to this end - Google Patents
Method of producing flapping motion and flapping screw to this end Download PDFInfo
- Publication number
- RU2482010C2 RU2482010C2 RU2010144758/11A RU2010144758A RU2482010C2 RU 2482010 C2 RU2482010 C2 RU 2482010C2 RU 2010144758/11 A RU2010144758/11 A RU 2010144758/11A RU 2010144758 A RU2010144758 A RU 2010144758A RU 2482010 C2 RU2482010 C2 RU 2482010C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- blades
- hub
- rotation
- screw
- blade
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Transmission Devices (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к движителям для надводного и подводного самоходного транспорта, а также может применяться в потокообразователях, вентиляторах, авиационной технике.The invention relates to propulsion devices for surface and underwater self-propelled vehicles, and can also be used in flow generators, fans, aircraft.
У судового винта наряду с достоинствами имеются и серьезные недостатки, например, для достижения максимального КПД необходимо согласовывать диаметр винта, шаг, форму, профиль и количество лопастей, частоту вращения и мощность силовой установки, осадку и обводы корпуса и т.д., что на практике соблюсти довольно трудно. Поэтому на малых судах КПД реальных винтов может составлять около 45%. К тому же плоскость вращения судового винта расположена перпендикулярно к направлению движения, поэтому винт обладает заметным собственным сопротивлением движению. В этом плане плавниковый движитель обладает повышенными достоинствами по созданию тяги. Исследователи отмечают более высокую эффективность машущего движителя.The ship propeller, along with its advantages, has serious drawbacks, for example, to achieve maximum efficiency it is necessary to coordinate the screw diameter, pitch, shape, profile and number of blades, rotational speed and power of the power plant, draft and bypass of the hull, etc., which practice is pretty hard to follow. Therefore, on small vessels, the efficiency of real propellers can be about 45%. In addition, the plane of rotation of the ship's propeller is perpendicular to the direction of movement, so the propeller has a noticeable inherent resistance to movement. In this regard, the fin mover has enhanced traction advantages. Researchers note the higher efficiency of the flapping propulsion.
Известен «Корабль с плавниковым движителем» (Патент №RU 2360831 С2 от 10.07.2009 г., МПК В63Н 1/36, опубликован 10.07.2009), в котором движителем корабля является плавник, состоящий из последовательности гибких полосовых поверхностей с жесткими ребрами, выполняющими перемещения в цепной сцепке, задающей углы наклона жестких ребер по касательной к бегущей синусоиде, что в разные моменты времени образует геометрически сложные седловые поверхности со строго заданными скоростями деформации поверхности машущего крыла, при этом для приведения в движение цепной линии плавника строго по синусоидальному закону, применимы различные механизмы на основе коленчатого вала, гибкой шарнирной плети или линейных шаговых электродвигателей. Предполагается, что плавниковый движитель обеспечит требуемую тягу для поддержания высокой скорости хода и повышенную проходимость в сложных и штормовых условиях плавания.The famous ship with a fin mover (Patent No.RU 2360831 C2 dated July 10, 2009, IPC
Недостатком этого решения является сложность конструкции движителя, требующая наличия большого количества шарниров и сенсоров для улавливания волны, т.к. бегущая волна способна не только уменьшать сопротивление, но и увеличивать его, поэтому следует иметь довольно сложную конструкцию, чтобы подстроиться под параметры волны с целью уменьшить сопротивление. К тому же, перемещения плавника выполняются в возвратно-поступательном режиме, что влечет за собой большие инерционные нагрузки и импульсные реактивные воздействия на корпус судна.The disadvantage of this solution is the complexity of the propulsion structure, requiring a large number of hinges and sensors to capture the wave, because a traveling wave is capable of not only decreasing the resistance, but also increasing it; therefore, one should have a rather complicated design in order to adapt to the wave parameters in order to reduce the resistance. In addition, the movements of the fin are performed in a reciprocating mode, which entails large inertial loads and pulsed reactive actions on the ship's hull.
Известен «Способ движения несущей поверхности в текучей среде и устройство для его осуществления» (RU 2147545 С1; МПК7 В64С 33/00, F03D 3/06; Опубликовано: 20.04.2000), выбранный в качестве прототипа, который характеризуется тем, что и "маховое", и "угловое" движение несущей поверхности осуществляют равномерно на протяжении всего цикла вращения. Несущую поверхность с постоянной угловой скоростью равномерно вращают вокруг собственной оси "углового" вращения. Ось "углового" вращения поворачивают с постоянной угловой скоростью вокруг оси "махового" вращения, неподвижной в системе отсчета. Отношение величин угловых скоростей "углового" и "махового" вращения равно 1:2. Угол между векторами угловых скоростей составляет 90-180°. При первом варианте реализации устройства для осуществления этого способа каждая лопасть гребного колеса имеет возможность вращения вокруг собственной оси, параллельной оси колеса, и снабжена звеном-сателлитом планетарного механизма, а при втором варианте каждая лопасть гребного винта имеет такую возможность вращения вокруг собственной оси, перпендикулярной оси винта, и звену-сателлиту планетарного механизма. Планетарный механизм обеспечивает соответствие одному обороту лопасти вокруг оси колеса или гребного винта пол-оборота лопасти вокруг собственной оси. У гребного колеса лопасть вокруг собственной оси вращается в противоположном направлении. Предполагается, что технический результат от реализации изобретения позволит повысить эксплуатационные качества устройства, работающего по указанному способу.The well-known "Method of movement of a bearing surface in a fluid and a device for its implementation" (RU 2147545 C1; IPC 7 ВСС 33/00, F03D 3/06; Published: 04/20/2000), selected as a prototype, which is characterized by the fact that "fly", and "angular" movement of the bearing surface is carried out uniformly throughout the entire rotation cycle. The bearing surface with constant angular velocity is uniformly rotated around its own axis of "angular" rotation. The axis of "angular" rotation is rotated with a constant angular velocity around the axis of the "fly" rotation, which is stationary in the reference system. The ratio of the angular velocities of the "angular" and "fly" rotation is 1: 2. The angle between the angular velocity vectors is 90-180 °. In the first embodiment of the device for implementing this method, each blade of the propeller wheel has the ability to rotate around its own axis parallel to the axis of the wheel, and is equipped with a satellite link of the planetary mechanism, and in the second embodiment, each blade of the propeller has such a possibility of rotation around its own axis perpendicular to the axis screw, and the satellite link of the planetary mechanism. The planetary mechanism ensures that one rotation of the blade around the axis of the wheel or propeller half a revolution of the blade around its own axis. At the propeller wheel, the blade rotates in the opposite direction around its own axis. It is assumed that the technical result from the implementation of the invention will improve the performance of a device operating in the specified way.
Анализ описанного способа показывает, что вращение лопасти в два раза медленнее ступицы и в противоположную сторону создает условия для уменьшения эффективной рабочей площади лопасти за один оборот за счет циклического изменения ее угла атаки, значит при вращении лопасть, даже при ее расположении параллельно оси вращения колеса (при угле наклона α равным нулю), не сможет обеспечить эффективность по созданию тяги более 50%. Наклон лопасти к оси вращения колеса предусмотрен в пределах угла α от 0° до 90°, что соответствует, согласно изобретению, «углу между векторами угловых скоростей от 90° до 180°», т.е. при увеличении угла наклона лопастей к оси вращения колеса, выталкивание среды лопастью будет направлено еще и в осевом направлении движителя, что дополнительно снизит его эффективность в плоскости вращения колеса и не обеспечит высокую эффективность в осевой плоскости, и с увеличением угла наклона эффективность будет снижаться как в осевом направлении, так и в перпендикулярном ему, потому что эффективная рабочая поверхность лопастей при контакте со средой будет меняться от нуля до максимума за каждые пол-оборота колеса, и контакт со средой к тому же будет происходить под углом наклона лопасти, что приведет к скольжению лопасти, скосу потока, его рассеиванию вокруг движителя и потере общей эффективности. В данном изобретении описана возможность установки лопастей под углом наклона к оси вращения колеса в интервале между 0° и 90°, но механизм, позволяющий иметь эти углы наклона, не раскрыт.An analysis of the described method shows that the rotation of the blade is twice as slow as the hub and in the opposite direction creates the conditions for reducing the effective working area of the blade per revolution due to the cyclical change of its angle of attack, which means that when the blade rotates, even when it is parallel to the axis of rotation of the wheel ( at an angle of inclination α equal to zero), it will not be able to provide efficiency for creating traction more than 50%. The inclination of the blade to the axis of rotation of the wheel is provided within the angle α from 0 ° to 90 °, which corresponds, according to the invention, to the "angle between the angular velocity vectors from 90 ° to 180 °", i.e. when the angle of inclination of the blades to the axis of rotation of the wheel increases, the ejection of the medium by the blade will also be directed in the axial direction of the propeller, which will further reduce its efficiency in the plane of rotation of the wheel and will not provide high efficiency in the axial plane, and with an increase in the angle of inclination, the efficiency will decrease as in axial direction, and perpendicular to it, because the effective working surface of the blades in contact with the medium will change from zero to maximum for every half-turn of the wheel, and contact with food will also occur at an angle of inclination of the blade, which will lead to the sliding of the blade, the bevel of the flow, its dispersion around the mover and loss of overall efficiency. The present invention describes the possibility of installing the blades at an angle of inclination to the axis of rotation of the wheel in the range between 0 ° and 90 °, but the mechanism that allows these angles of inclination is not disclosed.
Цель изобретения состоит в увеличении эффективности машущего движителя.The purpose of the invention is to increase the efficiency of the waving propulsion.
Сущность изобретения состоит в том, что:The invention consists in that:
I. Способ образования махов установленными на ступице винта лопастями, сочетающий два вращения лопастей: а) вращательное движение лопастей вокруг оси вращения ступицы; б) вращение лопастей вокруг своих продольных осей в направлении, противоположном вращению ступицы, при этом винт оборудуют, по крайней мере, одной лопастью, продольную ось каждой лопасти устанавливают по отношению к оси вращения ступицы с наклоном от 0° до 90° в одной плоскости или со скрещиванием в параллельных или скрещивающихся плоскостях с углами скрещивания от 0° до 90°, вращение лопастей осуществляют со скоростью, равной скорости вращения ступицы, но в противоположную сторону относительно направления вращения ступицы, при необходимости винт оборудуют механизмом прерывистого движения, обеспечивающим за один оборот ступицы совершение n-го количества доворотов лопасти через каждые 360/n° поворота центральной шестерни или шестерни привода лопасти на установленный угол, предпочтительно 360/n°, по ходу или против хода вращения ступицы.I. The method of formation of the blades mounted on the hub of the screw blades, combining two rotations of the blades: a) the rotational movement of the blades around the axis of rotation of the hub; b) the rotation of the blades around their longitudinal axes in the direction opposite to the rotation of the hub, while the screw is equipped with at least one blade, the longitudinal axis of each blade is set relative to the axis of rotation of the hub with an inclination from 0 ° to 90 ° in one plane or with crossing in parallel or crossing planes with crossing angles from 0 ° to 90 °, the rotation of the blades is carried out at a speed equal to the speed of rotation of the hub, but in the opposite direction relative to the direction of rotation of the hub, if necessary this screw is equipped with an intermittent movement mechanism that ensures that the nth number of blade revolutions is performed every 360 / n ° of rotation of the central gear or blade drive gear by a set angle, preferably 360 / n °, in the direction of rotation of the hub.
II. Винт с установленными на ступице лопастями, сочетающий два вращения лопастей: а) вращательное движение лопастей вокруг оси вращения ступицы; б) вращение лопастей вокруг своих продольных осей в направлении, противоположном вращению ступицы, при этом винт оборудован, по крайней мере, одной лопастью, продольные оси каждой лопасти установлены по отношению к оси вращения ступицы с наклоном от 0° до 90° в одной плоскости или со скрещиванием в параллельных или скрещивающихся плоскостях с углами скрещивания от 0° до 90°, угловые скорости вращения каждой лопасти вокруг своих продольных осей равны скорости вращения ступицы, но вращаются в противоположном направлении относительно направления вращения ступицы, винт может оборудоваться дополнительными механизмами, обеспечивающими регулируемый наклон лопастей относительно оси вращения ступицы и/или прерывистое движение лопастей и/или направляющими устройствами для потоков среды; в качестве механизма прерывистого движения использован механизм мальтийского креста с n-м количеством пазов, посредством которого за один оборот ступицы совершается n-е количество доворотов лопасти через каждые 360/n° на угол 360/n° по ходу или против хода вращения ступицы; в качестве механизма вращения лопастей использован планетарный механизм Фергюссона; лопасти выполнены в плоскости продольного сечения в виде, преимущественно, осесимметричных прямоугольных, округлых или трапецеидальных фигур с линейными и/или округленными концами; лопасти выполнены в плоскости поперечного сечения в виде осесимметричных и/или пропорциональных фигур с линейными или округленными концами, плоским или пространственным, например с профилем двояковыпуклым сегментным, ледокольным, авиационным несимметричным или симметричным, угловым, выпукло-вогнутым, сегментным плоско-выпуклым, клиновым, многореберным, Z- или S-образным и др; устройство изменения углов наклона лопастей выполнено посредством зубчатого механизма со сферическим зацеплением; механизм удержания сферических шестерен в зацеплении представляет собой подвижный фигурный рычаг-водило, установленный одной точкой в шарнире на вращающейся втулке с внутренней или тыльной стороны сферической шестерни в центре перемещения сферической промежуточной шестерни по дуге, а вторым концом также с тыльной стороны на шарнире вращающейся втулки, установленной в выбранной точке перемещения сферической промежуточной шестерни, причем фигурный рычаг-водило посредством шарнира соединен с водилом, удерживающим сателлит и шестерню вращения вала лопасти; механизм удержания сферических шестерен в зацеплении представляет собой дугообразную направляющую-водило, установленную с рабочей стороны сферических шестерен, вращающуюся на центральном вале и движущуюся вместе с поступательно движущейся промежуточной сферической шестерней вокруг центрального вала, при этом скользящий шарнир промежуточной шестерни, установленный на оси шестерни в точке, которая находится на траектории дуги направляющей, входит в зацепление с направляющей-водилом; плоская лопасть имеет серповидное продольное сечение; направляющее устройство выполнено в виде контрвинта и/или контрпропеллера и/или кольцевой насадки; направляющее устройство в виде контрпропеллера оборудовано фигурным выступом, направленным к ступице; направляющее устройство в виде контрпропеллера оборудовано, по крайней мере, одним обтекаемым ребром, либо взаимно перекрещивающимися или параллельными обтекаемыми ребрами в количестве более одного ребра; направляющее устройство выполнено в виде кольцевой вращающейся насадки, соединенной с концевыми участками лопастей или их валов вращения, оборудованных шарнирами, установленными в кронштейнах насадки; лопасти устанавливают с произвольным углом ориентации; в качестве механизма вращения лопастей использована зубчатая передача; в качестве механизма вращения лопастей использован привод с гибкой связью в виде цепи, ремня или каната; лопасти установлены на ступице с возможностью отклонения либо на шарнире, либо посредством собственной гибкости.II. A screw with blades mounted on the hub, combining two rotations of the blades: a) rotational movement of the blades around the axis of rotation of the hub; b) the rotation of the blades around their longitudinal axes in the direction opposite to the rotation of the hub, while the screw is equipped with at least one blade, the longitudinal axis of each blade is set relative to the axis of rotation of the hub with an inclination from 0 ° to 90 ° in one plane or with crossing in parallel or crossing planes with crossing angles from 0 ° to 90 °, the angular speeds of rotation of each blade around its longitudinal axes are equal to the speed of rotation of the hub, but rotate in the opposite direction relative to the direction Nia rotation of the hub, the screw may be provided with additional arrangements providing adjustable inclination of the blades relative to the hub axis of rotation and / or intermittent movement of the blades and / or guide means for the medium flow; as a mechanism of intermittent movement, the mechanism of the Maltese cross with the nth number of grooves is used, through which the nth number of blade revolutions is made every 360 / n ° at an angle of 360 / n ° during or against the direction of rotation of the hub during one revolution of the hub; as the mechanism of rotation of the blades used the planetary mechanism of Ferguson; the blades are made in the plane of the longitudinal section in the form of mainly axisymmetric rectangular, rounded or trapezoidal figures with linear and / or rounded ends; the blades are made in the plane of the cross section in the form of axisymmetric and / or proportional figures with linear or rounded ends, flat or spatial, for example, with a biconvex segmented profile, ice-breaker, aircraft asymmetric or symmetrical, angular, convex-concave, segmented convex, wedge-shaped, multi-ribbed, Z- or S-shaped, etc. a device for changing the angle of inclination of the blades is made by means of a gear mechanism with spherical engagement; the mechanism for retaining the spherical gears in engagement is a movable shaped carrier carrier mounted at a single point in the hinge on the rotating sleeve from the inside or back of the spherical gear in the center of movement of the spherical intermediate gear along the arc, and with the second end also from the back on the hinge of the rotating sleeve, installed at the selected point of movement of the spherical intermediate gear, and the figured carrier carrier by means of a hinge connected to a carrier that holds the satellite and gear rotation of the shaft of the blade; the mechanism for holding the spherical gears in engagement is an arc-shaped guide carrier mounted on the working side of the spherical gears, rotating on the central shaft and moving together with the progressively moving intermediate spherical gear around the central shaft, while the sliding hinge of the intermediate gear mounted on the gear axis at a point , which is on the path of the guide rail, engages with the guide rail; a flat blade has a sickle-shaped longitudinal section; the guiding device is made in the form of a counter-screw and / or counter-propeller and / or ring nozzle; a guiding device in the form of a counter-propeller is equipped with a figured protrusion directed to the hub; a guiding device in the form of a counter-propeller is equipped with at least one streamlined rib, or mutually intersecting or parallel streamlined ribs in an amount of more than one rib; the guiding device is made in the form of an annular rotating nozzle connected to the end sections of the blades or their rotation shafts, equipped with hinges installed in the brackets of the nozzle; the blades are set with an arbitrary angle of orientation; as the mechanism of rotation of the blades used gear; as the mechanism of rotation of the blades used a drive with a flexible connection in the form of a chain, belt or rope; the blades are mounted on the hub with the possibility of deviation either on the hinge, or by means of its own flexibility.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых показаны:The invention is illustrated by drawings, which show:
Фиг.1 - принцип махового движения.Figure 1 - the principle of swing movement.
Фиг.2 - принцип осуществления машущего движения лопасти при 2 махах.Figure 2 - the principle of the waving motion of the blade at 2 max.
Фиг.3 - принцип осуществления машущего движения лопасти при 4 махах.Figure 3 - the principle of the waving motion of the blade at 4 max.
Фиг.4 - принципиальная кинематическая схема механического привода машущего винта с фиксированным наклоном лопастей.Figure 4 is a schematic kinematic diagram of the mechanical drive of a moving screw with a fixed inclination of the blades.
Фиг.5 - принципиальная кинематическая схема механического привода машущего винта с регулируемым наклоном лопастей и механизмом прерывистого движения.Figure 5 is a schematic kinematic diagram of a mechanical drive of a flapping screw with an adjustable inclination of the blades and an intermittent movement mechanism.
Фиг.6 - принципиальная кинематическая схема механизма отклонения лопастей.6 is a schematic kinematic diagram of a blade deflection mechanism.
Фиг.7, Фиг.8 - схема работы механизма со скрещивающимися осями.Fig.7, Fig.8 is a diagram of the operation of the mechanism with intersecting axes.
Фиг.9 - виды поперечных профилей лопастей.Fig.9 - types of transverse profiles of the blades.
Технический результат от реализации изобретения состоит в том, что винт позволяет обеспечить:The technical result from the implementation of the invention is that the screw allows you to provide:
1. Увеличение контакта лопасти со средой на протяжении всего оборота винта.1. Increased contact of the blade with the medium throughout the entire revolution of the screw.
2. Высокий КПД машущего винта.2. High efficiency of the moving screw.
3. Бесшумность надводного и подводного движения.3. Noiseless surface and underwater movement.
4. Уменьшение сопротивления машущего винта движению судна.4. Reducing the resistance of the propeller to the movement of the vessel.
5. Уменьшение эффекта закручивания воды винтом.5. Reducing the effect of twisting the water with a screw.
6. Снижение проявлений кильватерного следа.6. Reduced manifestations of the wake trace.
7. Расширение арсенала машущих движителей.7. Expansion of the arsenal of waving propulsion.
Тело гидробионтов в результате эволюции приспособления к окружающей среде способно улавливать малейшие колебания среды и максимально приспосабливаться к создаваемой телом волне, что позволяет им развивать большую скорость и при этом экономно расходовать энергию. Как известно, периодическое колебание плавника приводит к появлению как силы тяги, так и силы торможения, например, горизонтально ориентированный плавник или лопасть при махе вниз создает силу тяги только от верхнего положения до средины амплитуды маха - это сектор создания тяги. Механизм создания тяги таков: при начале маха вниз, т.е. начале гребка плавником, снизу плавника создается увеличенное давление, созданное плавником, от которого отталкивается плавник и толкает судно. Дальнейшее движение плавника ниже средины амплитуды маха уже является торможением - это сектор торможения, т.к. плавник становится поперек потока, но это движение необходимо для осуществления замаха, чтобы далее произвести гребок. Гидробионты проблему торможения решают путем гибкости плавника и тела, подстраиваясь под волну, при этом почти неизбежным следствием является рыскание передней части головы рыбы (рострума). Решение же задачи движения при помощи маховых движений техническими средствами требует очень сложного механизма, и полное копирование движения гидробионтов экономически нецелесообразно. Но в природе (за исключением некоторых микроорганизмов) отсутствует полноценное вращательное движение, а скорость возвратно-поступательных движений частей тела ограничивают инерционные силы, что, в свою очередь, ограничивает скорость движения. Предлагаемое техническое решение позволяет соединить вращательное движение ступицы винта и махи лопастей таким образом, который позволит, при применении механизма доворота, осуществлять маховые движения лопастей без замаха и без входа лопастей в сектор торможения, что эффективнее любых других способов махового движения.As a result of the evolution of adaptation to the environment, the body of hydrobionts is able to pick up the slightest vibrations of the medium and adapt as much as possible to the wave created by the body, which allows them to develop high speed and at the same time economically consume energy. As you know, the periodic oscillation of the fin leads to the appearance of both traction and braking forces, for example, a horizontally oriented fin or blade with a swing down creates a traction force only from the upper position to the middle of the swing amplitude - this is the sector for creating traction. The mechanism for creating traction is as follows: at the beginning of the swing down, i.e. at the beginning of the fin stroke, the increased pressure created by the fin is created from the bottom of the fin, from which the fin pushes off and pushes the ship. Further movement of the fin below the midpoint of the amplitude of the Mach is already braking - this is the braking sector, because the fin becomes transverse to the flow, but this movement is necessary for swinging to further stroke. Hydrobionts solve the problem of braking by the flexibility of the fin and body, adjusting to the wave, while an almost inevitable consequence is yawing the front of the fish's head (rostrum). The solution of the problem of movement with the help of swing movements by technical means requires a very complex mechanism, and the complete copying of the movement of hydrobionts is not economically feasible. But in nature (with the exception of some microorganisms) there is no full-fledged rotational movement, and the speed of the reciprocating movements of body parts is limited by inertial forces, which, in turn, limits the speed of movement. The proposed technical solution allows you to connect the rotational movement of the hub of the screw and the sweep of the blades in such a way that, when applying the back-turn mechanism, it can carry out sweeping movements of the blades without a swing and without the blades entering the braking sector, which is more effective than any other methods of swing movement.
Машущий винт содержит, в основном, следующие механизмы: силовую установку в виде теплового или электрического двигателя; трансмиссию; планетарный механизм Фергюссона, зубчатую или гибкую передачу; механизм доворота лопастей, содержащий механизм прерывистого движения, например, механизм мальтийского креста; механизм наклона лопастей; направляющее поток устройство в виде насадки, контрвинта и/или контрпропеллера; ступицу винта; лопасти; систему контроля и управления; электо-, гидро- или механические приводы; корпус; поворотное устройство и другие механизмы, необходимые для полноценной работы движителя.The propeller contains mainly the following mechanisms: a power plant in the form of a heat or electric motor; transmission Ferguson planetary gear, gear or flexible transmission; a mechanism for the rotation of the blades containing the mechanism of intermittent movement, for example, the mechanism of the Maltese cross; blade tilt mechanism; a flow guiding device in the form of a nozzle, counter-screw and / or counter-propeller; screw hub; blades; control and management system; electric, hydro or mechanical drives; housing; rotary device and other mechanisms necessary for the full operation of the propulsion device.
Детально на иллюстрациях машущего винта обозначено:In detail, the illustrations of the flapping screw indicate:
1. лопасть; 2. ступица винта; 3. силовая установка; 4. силовой вал; 5. поворотная стойка; 6. коническая шестерня силового вала привода ступицы; 7. коническая шестерня привода центрального вала; 8. коническая шестерня силового вала привода центрального вала; 9. гондола; 10. центральный вал; 11. коническая шестерня привода ступицы; 12. полый вал ступицы винта; 13. шестерня вращения лопасти; 14. вал вращения лопастей; 15. кронштейн насадки; 16. центральная шестерня; 17. спрямляющее устройство; 18. насадка; 19. пилон насадки; 20. коническая шестерня привода водила мальтийского креста; 21. электромагнит или цилиндр отключения мальтийского механизма; 22. цилиндр механизма изменения угла наклона лопастей; 23. вал привода водила мальтийского креста; 24. водило мальтийского механизма; 25. крест мальтийского механизма; 26. сферический сателлит в положении отклонения лопастей под углом 0°; 27. центральная сферическая шестерня при отклонении лопастей под углом 0°; 28. сферический шарнир; 29. водило; 30. положение центральной шестерни при наклоне лопастей 90°; 31. положение центральной шестерни при наклоне лопастей 45°; 32. скользящий шарнир; 33. сферический сателлит при отклонении в 45°; 34. направляющая-водило; 35. положение скользящего шарнира при отклонении сферического сателлита под углом 45°; 36. сферический сателлит в положении отклонения лопастей под углом 90°; 37. скользящий шарнир в положении отклонения лопастей 90°; 38. вращающаяся втулка крепления направляющей-водила; 39. вращающаяся втулка крепления фигурного рычага-водила; 40. шарнир фигурного рычага-водила; 41. фигурный рычаг-водило; 42,43. положения фигурного рычага-водила при отклонении сферических сателлитов; 44. вращающаяся втулка водила с шарниром крепления фигурного рычага-водила; 45. сателлит прямой; 46. Гребковая лопасть верхняя; 47. Приводная лопасть верхняя; 48. Приводная лопасть нижняя; 49. Гребковая лопасть нижняя; Профили лопастей: 50. Ледокольный профиль; 51. Двояковыпуклый сегментный; 52. Авиационный симметричный; 53. Авиационный несимметричный; 54. Выпукло-вогнутый; 55. Угловой; 56. Плоско-выгнутый; 57. Клиновой; 58. Крестовый; 59. Шестиреберный; 60. Многореберный; 61. Z- образный; 62. S-образный.1. blade; 2. screw hub; 3. powerplant; 4. power shaft; 5. swivel stand; 6. bevel gear of the power shaft of the hub drive; 7. bevel gear drive of the central shaft; 8. bevel gear of the power shaft of the drive of the Central shaft; 9. gondola; 10. central shaft; 11. bevel gear drive hub; 12. the hollow shaft of the hub of the screw; 13. gear rotation of the blade; 14. shaft of rotation of the blades; 15. nozzle bracket; 16. central gear; 17. straightening device; 18. nozzle; 19. pylon nozzles; 20. bevel gear drive drove the Maltese cross; 21. an electromagnet or cylinder for tripping the Maltese mechanism; 22. cylinder mechanism for changing the angle of inclination of the blades; 23. the drive shaft drove the Maltese cross; 24. drove the Maltese mechanism; 25. the cross of the Maltese mechanism; 26. spherical satellite in the position of the deflection of the blades at an angle of 0 °; 27. central spherical gear when the blades are deflected at an angle of 0 °; 28. spherical joint; 29. drove; 30. position of the central gear when the blades are tilted 90 °; 31. the position of the Central gear with a tilt of the
О - центр вращения ступицы. O-O - ось вращения ступицы. В-В и Б-Б - оси вращения лопастей. А1,2,3 - шестерни механизма Фергюссона.O is the center of rotation of the hub. OO - axis of rotation of the hub. BB and BB are the axis of rotation of the blades. And 1,2,3 - Ferguson gears.
Симметричные детали относительно оси вращения винта имеют ту же нумерацию.Symmetrical parts relative to the axis of rotation of the screw have the same numbering.
Углы: Угол α - угол наклона продольных осей лопастей к оси вращения ступицы. Угол β - угол ориентации лопасти в пространстве, т.е. угол наклона поперечной оси лопасти к оси Y. Угол γ - угол атаки лопасти, образованный лопастью по ходу ее вращения между ее плоскостью и касательной к окружности вращения; если передняя кромка направлена наружу - угол атаки положительный, и наоборот. Т.к. лопасть имеет радиально-постоянный шаг, то угол атаки при повороте лопасти вдоль продольной оси будет одинаков на любом ее участке. Угол δ - угол скрещивания продольной оси лопасти к оси вращения ступицы.Angles: Angle α is the angle of inclination of the longitudinal axes of the blades to the axis of rotation of the hub. Angle β is the angle of orientation of the blade in space, i.e. the angle of inclination of the transverse axis of the blade to the Y axis. Angle γ is the angle of attack of the blade formed by the blade along its rotation between its plane and tangent to the circle of rotation; if the leading edge is outward, the angle of attack is positive, and vice versa. Because the blade has a radially constant step, then the angle of attack when the blade is rotated along the longitudinal axis will be the same in any of its sections. Angle δ is the angle of intersection of the longitudinal axis of the blade to the axis of rotation of the hub.
Стрелками обозначено: Б - направление силы тяги; ∂, е - направления вращения ступицы и лопасти; ж, з - опускание лопасти; и, к, л, м - направление поворота лопасти; н, п, - направления перемещения центрального вала; R1 - радиус перемещения шарнира 45; R2 - радиус перемещения шарнира 33.Arrows indicate: B - direction of traction; ∂, e - direction of rotation of the hub and blade; g, s - lowering of the blade; and, k, l, m - the direction of rotation of the blade; n, p, - the direction of movement of the central shaft; R 1 is the radius of movement of the
Механизмы, примененные в конструкции машущего винта:Mechanisms used in the design of the flapping screw:
1. «Трехзвенный зубчатый механизм со сферическим зацеплением», И.И. Артоболевский «Механизмы в современной технике», изд. Москва «Наука», 1980 г., том IV, стр.29, механизм №2169.1. "Three-link gear mechanism with spherical engagement", II. Artobolevsky "Mechanisms in modern technology", ed. Moscow "Science", 1980, volume IV, p. 29, mechanism No. 2169.
2. «Зубчато-цевочный механизм мальтийского креста с овальной цевкой», там же, стр.299, механизм №2482.2. "Gear-pinwheel mechanism of the Maltese cross with an oval pin", ibid., P. 299, mechanism No. 2482.
3. «Зубчатый планетарный механизм Фергюссона», там же, стр.482, механизм №2714.3. “The gear planetary mechanism of Ferguson”, ibid., P. 482, mechanism No. 2714.
В описании рассматривается применение изобретения, в основном, в судостроении, хотя аналогичный принцип можно применить и в авиатехнике.The description describes the application of the invention, mainly in shipbuilding, although a similar principle can be applied in aircraft.
В предлагаемом винте процесс машущего движения установленных на ступицу лопастей происходит во время вращения ступицы и при этом сами лопасти вращаются в обратную сторону, со скоростью, равной скорости вращения ступицы.In the proposed screw, the process of waving motion of the blades mounted on the hub occurs during the rotation of the hub and the blades themselves rotate in the opposite direction, at a speed equal to the speed of rotation of the hub.
1. Способ осуществления двух махов за один оборот ступицы.1. The method of implementation of two moves in one revolution of the hub.
Для уяснения принципа работы рассмотрим работу винта с одной плоской лопастью при двухмаховом способе создания тяги.To understand the principle of operation, we consider the operation of a screw with one flat blade with a two-way method of creating traction.
Продольная ось лопасти 1 установлена под фиксированным углом наклона α к оси вращения ступицы 2 винта, равным, допустим, 45° в одной плоскости с осью вращения ступицы, а ориентация оси поперечного сечения лопасти находится под углом β, равным 90° (фиг.1 и 2). Способ ориентации лопасти во время вращения винта представляет собой два взаимосогласованных вращения - ступицы и лопасти, осуществляемых следующим образом: ступица вращается вокруг своей продольной оси вращения, а лопасть, установленная на ступице, вращается вокруг собственной продольной оси с соблюдением «парадокса Фергюссона», обеспечивающего соответствие одному обороту лопасти вокруг оси ступицы один оборот лопасти вокруг собственной оси в противоположном направлении - т.е. ориентация всех лопастей на всем обороте ступицы остается одинаковой и имеет угол β, равный 90° (фиг.1, 2; отсчет идет от верхнего участка оси Y с центром вращения «О» по ходу часовой стрелки) и во время вращения ступицы этот угол не изменяется. Таким образом, при рассмотрении винта в проекции на ось Y, лопасть 2, находясь в положении 0° поворота ступицы, ориентирована вверх (положение «а») под углом α, равным 45°, и при повороте ступицы 1 по стрелке «∂» на угол от 0° до 90°, лопасть 2 опускается плашмя по стрелке «е» (в положение «б») и ее угол α в выбранной проекции становится равным 0°, а затем, при повороте ступицы 1 на угол от 90° до 180°, лопасть 2 опускается также плашмя по стрелке «ж» (в положение «в») до угла α, равным минус 45°. В результате, в проекции на ось Y, мы наблюдаем мах лопастью на угол 90°, который оказывает воздействие на среду, вызывая тягу. При дальнейшем вращении ступицы на угол от 180° до 360° происходит аналогичный мах вверх и лопасть 2 перемещается из положения «в» в положение «г» с совершением полумаха, а затем снова в положение «а» тоже с совершением полумаха. Т.о. за один оборот ступицы происходит два полных маха одной лопастью, которые мы наблюдаем в проекции на ось Y. При этом вращение ступицы 1 и лопастей 2 вокруг своих осей снижают инерционные потери на машущий привод, а в случае достаточно быстрого приложения силы со стороны лопасти, вода под ней из-за присущей ей вязкости не успевает растекаться и приобретает свойства твердого тела и именно от нее отталкивается лопасть. В проекции, поперечной оси вращения винта (фиг.1), лопасть 2 скользит по дуге плашмя сначала вправо при повороте ступицы от 0° до 90° с совершением полумаха, а затем влево при повороте ступицы с 90° до 180° также с совершением полумаха. Чтобы лопасть 2 не создавала тормозных сил в секторе торможения на протяжении второй половины маха, имеется два способа устранить это явление: а) она должна изгибаться синусоидально по закону создаваемой волны и, чтобы вписываться в синусоиду этой волны, желательно выполнять лопасти гибкими в продольном сечении, при этом гибкость лопасти может быть пассивной или активной, например, регулироваться посредством изменения давления внутри лопасти - чем выше давление - тем жестче лопасть - тем больше шаг синусоиды; б) перейти на полумаховый принцип создания тяги, описание которого приводится ниже.The longitudinal axis of the
При большем количестве лопастей последние равномерно распределяются по окружности и могут устанавливаться в любой ориентации по углу β, т.к. это совершенно не влияет на процесс создания тяги, просто она переходит в плоскость ориентации лопасти. Количество лопастей может быть любым - от 1 до 10 и более, каждая лопасть увеличивает количество махов пропорционально. И т.к. тяга образуется при любой ориентации плоскости лопасти, то есть смысл делать лопасть с большим количеством плоскостей, например, с крестообразным или подобным ему многореберным пространственным поперечным сечением, это обеспечит создание тяги в осевом направлении сразу в нескольких плоскостях, что кардинально повысит эффективность движителя.With a larger number of blades, the latter are evenly distributed around the circumference and can be installed in any orientation along the angle β, because this does not affect the process of creating traction, it just goes into the plane of orientation of the blade. The number of blades can be any - from 1 to 10 or more, each blade increases the number of swings proportionally. And because traction is formed with any orientation of the plane of the blade, that is, it makes sense to make a blade with a large number of planes, for example, with a cross-shaped or similar multi-rib spatial cross section, this will ensure the creation of traction in the axial direction at once in several planes, which will dramatically increase the efficiency of the propulsion.
Предлагаемый способ махового движения лопастей в текучей среде сочетает в себе винтовой движитель с вращательно-маховым движением лопастей с постоянной ориентацией в одном направлении, осуществляемый согласованно на протяжении полного цикла вращения ступицы, что позволяет посредством лопастей с пространственным поперечным сечением получать постоянный одинаковый упор от лопасти во всех плоскостях ее поперечного сечения, а также регулирование силы тяги посредством изменения угла наклона лопастей к оси вращения ступицы при ее равномерном вращении.The proposed method for the flywheel movement of the blades in a fluid medium combines a screw propeller with rotational-flywheel movement of the blades with a constant orientation in one direction, carried out in concert throughout the complete cycle of rotation of the hub, which allows using blades with a spatial cross section to obtain a constant constant contact from the blade all planes of its cross section, as well as regulation of traction by changing the angle of inclination of the blades to the axis of rotation of the hub when it is equal polar rotation.
При фиксированном угле наклона лопастей к оси вращения ступицы винт может быть оборудован насадкой и/или спрямляющим устройством, которые позволят сосредоточить потоки воды от махов лопастей в осевом направлении.At a fixed angle of inclination of the blades to the axis of rotation of the hub, the screw can be equipped with a nozzle and / or a straightening device that will allow to concentrate the water flows from the blades to the axial direction.
2. Способ осуществления четырех полумахов за один оборот ступицы. Предлагаемый двухмаховый способ создания тяги может быть модернизирован посредством перехода на n-маховый способ.2. The method of implementation of four half-strokes in one revolution of the hub. The proposed two-way method of creating traction can be upgraded by switching to the n-fly method.
Для уяснения принципа работы рассмотрим работу винта с одной лопастью (фиг.3) по четырехполумаховому способу. При наблюдении винта в профиль, т.е. перпендикулярно оси вращения ступицы, аналогично фиг.2, по линии оси X в проекции на ось Y, на ступице винта, выполненной в виде конуса, расположена в верхнем положении «а» лопасть 2 с отклонением вверх относительно оси ступицы под углом, например, α, равным 45°. В первом и третьем квадрантах (отсчет идет от верхнего участка оси Y с центром вращения «О» по ходу часовой стрелки) вращения ступицы ориентация поперечного сечения лопасти расположена горизонтально (угол β равен 90°), а во втором и четвертом β равен 0°, поэтому в профиль по горизонтали будет видно, что при повороте ступицы на 90° лопасть перемещается в вертикальном направлении (т.е. опустится) в положение «б» до угла α, равным 0°, т.е. с позиции наблюдателя произошел полумах лопастью, что вызовет появление силы тяги, затем лопасть 2 резко поворачивается на 90° по ходу вращения ступицы, т.е. происходит ее доворот по стрелке «к», при этом направление маха изменяется с вертикального на горизонтальное, и дальнейший мах надо наблюдать в проекции на ось X. При дальнейшем повороте ступицы до 180° лопасть перемещается в положение «в» и в этом положении снова доворачивается на 90° по стрелке «л», т.е. происходит еще один полумах лопастью 2 уже в горизонтальной плоскости, т.е за один полуоборот ступицы происходит два полумаха или один мах без замахов и входа лопасти в секторы тормозного воздействия. При дальнейшем вращении ступицы происходит перемещение лопасти 2 в положение «г» и доворот ее на 90° по стрелке «м» и перевод направления создания тяги с горизонтального на вертикальный, затем снова лопасть становится в положение «а» и доворачивается по стрелке «и» на 90°, т.е. лопасть 2 делает еще два полумаха вверх в разных направлениях. Т.о. за один оборот ступицы лопасть делает четыре полумаховых движения без перехода лопасти в зоны торможения и без замахов. При большем количестве лопастей последние равномерно распределяются по окружности, но могут устанавливаться в любой ориентации по углу β, т.к это совершенно не влияет на процесс создания тяги, просто она переходит в плоскость ориентации лопасти, при этом количество лопастей также может быть любым - от 1 до 10 и более, каждая лопасть увеличивает количество махов пропорционально количеству остановок механизма прерывистого движения. В данном случае целесообразно применение лопасти с авиационным несимметричным профилем 53 (фиг.9), это уменьшит сопротивление движению лопасти и снизит скольжение.To understand the principle of operation, we consider the operation of a screw with one blade (Fig. 3) using a four-half-fly method. When observing a screw in profile, i.e. perpendicular to the axis of rotation of the hub, similarly to figure 2, along the line of the X axis in the projection onto the Y axis, on the hub of the screw, made in the form of a cone, the
Количество маховых движений может быть изменено посредством применения механизма прерывистого движения, например, механизма мальтийского креста, с другим - n-м - количеством остановок, например, тремя, пятью, шестью, семью и т.д., при этом угол доворота лопастей по ходу или против хода вращения ступицы будет равен 360/n°. При использовании другого механизма прерывистого движения угол доворота лопастей может быть другим. При этом количество лопастей может быть любым и каждая из них может устанавливаться одна относительно другой под любым углом ориентации β. При фиксированном угле наклона лопастей к оси вращения ступицы винт может быть оборудован насадкой, которая позволит сосредоточить потоки воды от махов лопастей в осевом направлении. При регулируемых углах α наклона лопастей к оси вращения ступицы силу тяги можно регулировать уменьшением или увеличением угла α наклона лопастей при равномерном вращении ступицы.The number of swing movements can be changed by applying the mechanism of intermittent movement, for example, the mechanism of the Maltese cross, with another - nth - the number of stops, for example, three, five, six, seven, etc., while the angle of rotation of the blades along the way or against the direction of rotation of the hub will be equal to 360 / n °. When using another mechanism of intermittent movement, the angle of rotation of the blades may be different. Moreover, the number of blades can be any and each of them can be installed one relative to the other at any angle of orientation β. At a fixed angle of inclination of the blades to the axis of rotation of the hub, the screw can be equipped with a nozzle that will allow to concentrate the water flows from the blades of the blades in the axial direction. With adjustable angles α of inclination of the blades to the axis of rotation of the hub, the thrust force can be adjusted by decreasing or increasing the angle α of inclination of the blades with uniform rotation of the hub.
Для реализации необходимого алгоритма вращения лопастей в механическом приводе может быть использован «Зубчатый планетарный механизм Фергюссона», принцип действия которого, для наглядности, представлен на фиг.1, состоящий из центральной шестерни А1, сателлита А2, шестерни привода вала лопасти А3. При вращении ступицы винта 2, которая является водилом для шестерен А2 и А3, центральная шестерня A1 остается неподвижной, а сателлит А2, входящий в зацепление с неподвижной центральной шестерней А1 и шестерней привода вала лопасти А3, обегает шестерню А2, вращаясь по направлению вращения ступицы винта 2, это обеспечивает вращение лопасти 1 на всем обороте ступицы 2 со скоростью вращения, равной скорости вращения ступицы винта 2, только в противоположную сторону. При остановке центральной шестерни А1 и при равных размерах шестерен А1 и А3 получается «парадокс Фергюссона», заключающийся в том, что шестерня А3 совершает круговое поступательное движение, при этом угол ориентации β лопасти на всем обороте ступицы остается постоянным. При установке лопастей 1 под углом 0°<α>90° осуществляется 2 маха за один поворот ступицы 2, т.к. «парадокс Фергюссона» соблюдается на протяжении всего оборота ступицы 2. При этом способе махов механизм прерывистого движения не нужен.To implement the necessary algorithm of rotation of the blades in a mechanical drive, a “Ferguson planetary gear mechanism” can be used, the principle of operation of which, for clarity, is presented in Fig. 1, consisting of a central gear A 1 , a satellite A 2 , a gear drive shaft of the blade A 3 . During rotation of the hub of
Тягу в осевом направлении можно получить (фиг.7, 8) при угле β ориентации гребковых лопастей, равным 0°, если оси Б-Б и В-В вращения гребковых лопастей 46, 49 в плоскости, параллельной оси O-O вращения ступицы, будут отклонены на угол скрещивания 0°>δ>90° и установлены на приводных лопастях 47, 48 - это вынесет лопасти 46, 49 из гидродинамической тени ступицы 2 под углом δ и даст им возможность работать в свободной среде. В данном конкретном случае гребковые лопасти 46, 49 устанавливаются с углом ориентации β, равным 0°, а «парадокс Фергюссона» обеспечивается посредством гибких связей в виде бесконечных ремней (либо цепей), установленных на шкивах (звездочках) с одинаковым диаметром (не показано), при этом центральные шкивы, установленные по оси вращения ступицы 2, находятся в неподвижном положении, а для обеспечения скрещивания лопастей на угол δ, приводные шкивы валов гребковых лопастей повернуты на угол δ - гибкая связь в виде ремня это легко обеспечивает. Угол скрещивания δ образован проекцией осей Б-Б и В-В на ось О-О, образуя оси Б1-Б1 и B1-B1, и измеряется между осями O-O и Б1-Б1 или O-O и В1-В1. Мах образуется при повороте ступицы 2 на 180°, при проекции на ось X это будет выглядеть так, как бы лопасть 46 переместилась в положение лопасти 49. Для усиления возможностей движителя по созданию тяги приводные лопасти 47, 48 устанавливаются с углом атаки по ходу вращения и им придается обтекаемый профиль в виде лопасти винта.Axial thrust can be obtained (Figs. 7, 8) with an angle β of the orientation of the rowing blades equal to 0 ° if the axis B-B and B-B of rotation of the
Угол скрещивания может быть обеспечен как расположением лопастей в параллельных оси вращения ступицы плоскостях, так и в скрещивающихся плоскостях с углами наклона и/или скрещивания от 0° до 90°.The crossing angle can be provided both by the location of the blades in the planes parallel to the axis of rotation of the hub, and in the crossing planes with angles of inclination and / or crossing from 0 ° to 90 °.
Аналогичный эффект можно получить при установке гребковых лопастей 46, 49 параллельно оси О-О без скрещивания, но при возможности отклонения лопастей под действием гидродинамических сил, которые будут отклонять лопасти, установленные либо на шарнирах, либо обладающих гибкостью, на определенный угол наклона α. При вращении ступицы 2 отклоненные лопасти будут толкать воду в осевом направлении.A similar effect can be obtained by installing the
На фиг.4 применена зубчатая передача, которая посредством передаточных отношений взаимодействующих шестерен позволяет соблюсти «парадокс Фергюссона», содержащая центральную шестерню - 16, вращающуюся, например, с удвоенной скоростью в ту же сторону, что и ступица 2, шестерни вращения лопастей 13 при передаточном отношении 1:1 с центральной шестерней вращаются со скоростью вращения ступицы 2, но в обратную сторону. Такая конструкция позволяет уменьшить количество шестерен в ступице 2 и упростить механизм. Крутящий момент от силовой установки 3 передается по силовому валу 4 на коническую шестерню 6 и далее через шестерню 11 (с передаточным отношением 1:1) на полый вал 12, соединенный со ступицей 2. Центральная шестерня 16 установлена на центральный вал 10 и приводится во вращение от конической шестерни 8 с удвоенной скоростью относительно ступицы 2, шестерня 8 вращается от конической шестерни 7 (с передаточным отношением 1:2) в ту же сторону, что и ступица 2. Шестерни 13 оборудованы валами 14 вращения лопастей 1.In Fig. 4, a gear is used, which, through the gear ratios of the interacting gears, allows to observe the “Ferguson paradox”, containing the central gear - 16, rotating, for example, at twice the speed in the same direction as the
Конструктивных решений по компоновке механизма передачи вращения лопастям может быть множество. Например, для создания автономного устройства в качестве замены обычного винта в лодочных моторах, может быть применена схема, при которой центральная шестерня неподвижно крепится на гондолу, а силовой вал лодочного мотора вращает ступицу, в которой установлены сателлиты и шестерни вращения лопастей.There can be many constructive solutions for the arrangement of the mechanism for transmitting rotation of the blades. For example, to create an autonomous device as a replacement for a conventional screw in outboard motors, a scheme can be applied in which the central gear is fixedly mounted on the nacelle, and the power shaft of the outboard motor rotates the hub in which the satellites and gears of rotation of the blades are mounted.
Винт может работать по n-маховому принципу. Рассмотрим механизм, позволяющий организовать четыре полумаха за один поворот ступицы, другие механизмы аналогичны. Четырехполумаховый принцип осуществляется при условии, что «парадокс Фергюссона» соблюдается на протяжении всего оборота ступицы с тем лишь исключением, что через каждые 1/4 оборота ступицы, лопасти поворачиваются, предпочтительно, по направлению вращения, на 90° посредством, в данном случае, мальтийского механизма, при этом скорость вращения лопасти на всем обороте равна скорости вращения ступицы винта, только в противоположную сторону, за исключением участков поворота лопасти на 90°, а водило мальтийского механизма вращается в 4 раза быстрее ступицы в противоположную сторону, чтобы обеспечить полный оборот мальтийского креста по ходу вращения ступицы за один ее оборот.The screw can operate on an n-fly basis. Consider a mechanism that allows you to organize four half-machines in one turn of the hub, other mechanisms are similar. Chetyrehpolumahovy principle carried out under the condition that "paradox Ferguson" observed throughout Kit turn with the exception that after every fourth Kit turnover blade rotate preferably in the direction of rotation by 90 ° by, in this case, Maltese mechanism, while the rotation speed of the blade over the entire revolution is equal to the speed of rotation of the hub of the screw, only in the opposite direction, with the exception of the sections of rotation of the blade by 90 °, and the carrier of the Maltese mechanism rotates 4 times Starter hubs in the opposite direction, to ensure a complete revolution of the Maltese cross along the rotation of the hub in one revolution.
Для осуществления четырех одновременных поворотов лопастей 1 (фиг.4) на 90° за период оборота ступицы 2 по ходу ее вращения, использованы механизм Фергюссона и прерывистого движения в виде «зубчато-цевочного механизма мальтийского креста», в данном случае применен механизм с четырьмя пазами и с овальной цевкой как безударный, но можно применить и другие механизмы и с другим количеством остановок, при применении механизма с n-м количеством пазов - поворотов будет n с углом поворота 360/n°. Водило мальтийского креста 24 вращается в противоположную сторону относительно ступицы 2 с учетверенной скоростью, чтобы за один оборот ступицы винта 2 обеспечить четыре резких поворота центрального вала 10 для смены ориентации направления рабочей поверхности лопасти на 90° через каждые 90° поворота ступицы 2 по ходу ее вращения. Принцип работы мальтийского механизма таков. При вращении ведущего звена - водила 24 его овальная цевка входит в прорезь ведомого звена - креста 25 и, скользя в ней, поворачивает крест, в данном случае, на 90°. После выхода цевки из прорези креста, последний останавливается и остается неподвижным, пока цевка, продолжая свое движение, не сделает оборот и снова войдет в следующую прорезь креста, и т.д. Для фиксации креста, то есть предотвращения самопроизвольного поворота креста во время остановки, ведущее звено снабжено запирающим цилиндрическим выступом с выемкой, а крест очерчен дугами окружностей. Поворот креста возможен только тогда, когда его луч совмещен с выемкой выступа. За один оборот ведущего звена происходит поворот креста на 1/4 часть оборота в противоположную сторону. Поэтому для осуществления четырех оборотов креста за один оборот ступицы водило 24 (фиг.5) должно вращаться в четыре раза быстрее ступицы 2 и в противоположную сторону, если нам необходимо осуществить доворот лопастей по ходу вращения ступицы. Мальтийский механизм включается посредством элекромагнита или цилиндра 21, который, двигая вал 23, вводит коническую шестерню 20 в зацепление с шестерней 6. При этом не имеет значения какова в данный момент ориентация лопастей.To carry out four simultaneous rotations of the blades 1 (Fig. 4) by 90 ° during the rotation period of the
При применении жестких лопастей 1 с фиксированным углом α наклона к оси вращения ступицы, с целью увеличения силы тяги винта, винт может быть оборудован кольцевой насадкой 18, установленной посредством пилона 19 на стойке 5. Либо кольцевая насадка 18 может быть соединена с концами лопастей посредством вращающихся сферических 15 или цилиндрических шарниров, установленных на концевой части лопастей 1, при этом она будет вращаться вместе с винтом. Кольцевая насадка имеет авиационный профиль или обтекаемую форму в направлении преимущественного направления. В насадке 18 может быть установлено спрямляющее поток устройство, например, контрпропеллер в виде нескольких крестообразно или параллельно установленных перегородок с симметричным авиационным профилем 17, а перед винтом может быть установлен контрвинт. Контрпропеллер может быть оборудован конусообразным выступом в сторону ступицы. Эти устройства позволят перенаправить радиально направленные струи воды от маховых движений в осевом направлении.When using
На фиг.4 представлена ступица винта 2 с фиксированным углом α наклона лопастей 1 к оси вращения ступицы 2. Но для лучшего регулирования тяги при неизменных скоростях вращения, а также для снижения гидродинамического сопротивления неработающего винта на судах, оборудованных, например, парусным движителем, необходимо иметь механизм изменения углов наклона. На фиг.5 представлен винт с изменяемым наклоном лопастей к ступице винта, содержащий сферические шестерни - центральную 27 и сателлитную 26. Сателлит 26, перекатываясь вдоль по поверхности центральной шестерни 27, не выходит из зацепления с ней, и тем самым передает крутящий момент под углами от 0° до 90°. Изменение угла наклона лопастей 1 осуществляется путем перемещения центрального вала 10 по стрелкам «n» и «н» посредством, например, электроцилиндра 22, при этом центральная сферическая шестерня 27 перемещается в положение 31 и 32, обеспечивая наклон лопастей 1.Figure 4 shows the hub of the
На фиг.6 представлена кинематическая схема «трехзвенного зубчатого механизма со сферическим зацеплением». Он содержит центральную сферическую шестерню 27, жестко посаженную на центральный вал 10, сферические сателлиты 26, соединенные с прямыми сателлитами 46 и взаимодействующие с шестернями 13 вращения лопастей 1. Шестерни 13 и 45 соединены между собой водилом 29, а сферические шестерни 27 и 26 соединены фигурным рычагом-водилом 41, который установлен на шарнире 40 вращающейся втулки 39 на валу 10. Рычаг-водило 41 в соединении с водилом 29 представляет собой сгибаемое в шарнире 44 водило, удерживающее шестерни 27, 26, 29,13 в зацеплении даже при взаимном угловом смещении. Процесс передачи крутящего момента осуществляется при перекатывании сферической шестерни 26 по сферической поверхности шестерни 27. На фиг.6 показаны промежуточные положения 33 и 36 отклонения сферического сателлита 26 на углы 45° и 90° соответственно, при этом рычаг-водило 41 также занимает соответствующие промежуточные положения 42 и 43, двигаясь по радиусу R1 перемещения шарнира 44, обеспечивая полное зацепление при любом угле отклонения сферического сателлита 26. Вторым альтернативным способом удержания сферического сателлита 26 в зацеплении со сферической шестерней 27 является то, что сферический сателлит 26 оборудован скользящим шарниром 32, взаимодействующим с направляющей-водилом 34, которая также вращается на центральном вале 10 на втулке 38, при этом шарнир 32, при разных углах наклона сателлита 26, перемещается в положения 35 и 37 по радиусу R2 перемещения шарнира 32. Полному зацеплению сферических шестерен способствует шарнир 28, водило 29 и рычаг-водило 41 или направляющая-водило 32, которые лишают взаимодействующие шестерни свободы перемещений в других направлениях, кроме заданного.Figure 6 presents the kinematic diagram of the "three-link gear mechanism with spherical engagement". It contains a central
Наклон сателлита 26 к центральной шестерне 27 осуществляется посредством перемещения центрального вала 10 (фиг.5) по оси «О-О», перемещающему сферическую шестерню 27 в положения 30 и 31 в направлении стрелок: «н» - увеличение угла наклона лопастей к ступице, и «n» - уменьшение угла наклона лопастей к оси вращения ступицы винта.The inclination of the
Для снижения нагрузок на механизм вращения лопастей, последние выполнены с симметричным и/или пропорциональным профилем относительно их продольной оси вращения. Для осуществления двух махов профиль лопасти может быть плоским, таким, как ледокольный 50 (фиг.9), двояковыпуклый сегментный 51 или пространственный в виде многореберного профиля, например, креста прямого 58, Z-образного 61 или S-образного 62, шестиреберного 59 или многореберного 60, и т.д. При работе винта с осуществлением четырех полумахов, для уменьшения бокового скольжения винта, профиль лопастей может быть авиационным несимметричным 53 или симметричным 52, угловым 55, выпукло-вогнутым 54, сегментный плоско-выпуклым 56, клиновым 57, а также с профилями 61, 62 и др.To reduce the loads on the rotation mechanism of the blades, the latter are made with a symmetric and / or proportional profile relative to their longitudinal axis of rotation. To carry out two flights, the profile of the blade can be flat, such as ice-breaking 50 (Fig. 9),
Контур лопастей может иметь любую, предпочтительно, симметричную форму, например, каплана, трапециевидную, эллипсную, прямоугольную и др. При оборудовании винта насадкой и/или при регулируемых углах наклона лопастей концевые и/или корневые участки лопастей желательно выполнять треугольными, пирамидальными или конусными и/или прямыми при фиксированных углах наклона. Лопасти могут быть полностью жесткими, жесткими в поперечном сечении и гибкими в продольном сечении с изменяемой по сечению жесткостью с пассивно или активно деформируемым продольным профилем, это позволит иметь более мягкий ход и бесшумность, увеличит КПД движителя. Продольному профилю плоской лопасти можно придавать серповидный упруго деформируемый профиль, направленной выемкой в сторону совершения маха, это позволит в конце гребка получить выталкивание воды лопастью с большей скоростью.The contour of the blades can have any, preferably, symmetrical shape, for example, a kaplan, trapezoidal, elliptical, rectangular, etc. When equipping a screw with a nozzle and / or with adjustable angles of inclination of the blades, it is desirable to make the end and / or root sections of the blades triangular, pyramidal or conical and / or straight at fixed angles. The blades can be completely rigid, rigid in the cross section and flexible in the longitudinal section with variable stiffness with a passively or actively deformable longitudinal profile, this will allow a softer stroke and noiselessness, and will increase the efficiency of the propulsion. It is possible to give a longitudinal profile of a flat blade to a sickle-shaped elastically deformable profile, directed by a recess in the direction of the swing, this will allow at the end of the stroke to get the ejection of water by the blade with a higher speed.
Привод вращения лопастей можно осуществить посредством передачи с гибкой связью, например, цепью, ремнем, канатом, т.к. лопасть будет работать при любом угле ориентации β, и даже неизбежное проскальзывание гибкой связи в шкивах со смещением угла ориентации не особо повлияет на производительность винта.The rotation of the blades can be carried out by means of a transmission with a flexible connection, for example, a chain, belt, rope, as the blade will work at any orientation angle β, and even the inevitable slipping of the flexible coupling in the pulleys with a shift in the orientation angle will not particularly affect the performance of the screw.
Машущий винт может быть выполнен, как вариант, в виде активного руля или винто-рулевой колонки, представляющей из себя стойку, соединенную с корпусом судна, в котором установлены механический привод или электродвигатель, передающие вращение на ступицу с гребным винтом, стойка соединена с гондолой, в которой расположены механизмы прерывистого движения и органы управления его отключением и перемещения центрального вала, в ступице расположен механизм вращения и наклона лопастей. Вращаясь вокруг своей оси, винт создает упор в осевом направлении, для изменения направления упора он требует поворота рулевой колонки на угол поворота. Винт с устройством изменения угла наклона лопастей к ступице позволяет достигать изменения величины упора без изменения частоты вращения вала приводного двигателя. Для создания сил торможения посредством винта лопасти раскрываются на угол наклона α, близкий или равный 90°.The propeller can be made, as an option, in the form of an active rudder or a helical-steering column, which is a rack connected to the hull of the vessel in which a mechanical drive or electric motor is installed that transmit rotation to the hub with a propeller, the rack is connected to the nacelle, in which the mechanisms of intermittent movement and the controls for turning it off and moving the central shaft are located, the hub rotates and tilts the blades. Rotating around its axis, the screw creates an emphasis in the axial direction, to change the direction of the emphasis, it requires the steering column to be rotated by an angle of rotation. A screw with a device for changing the angle of inclination of the blades to the hub allows you to achieve a change in the stop value without changing the speed of the drive motor shaft. To create braking forces by means of a screw, the blades open at an angle of inclination α, close to or equal to 90 °.
Механический привод машущего винта может быть исполнен в самой простой форме с любым фиксированным или изменяемым углом наклона лопастей к оси вращения ступицы и механическим приводом. Более сложный механизм винта может обеспечить изменение углов наклона лопастей к ступице и ориентации лопастей по нужному алгоритму.The mechanical drive of the propeller can be performed in the simplest form with any fixed or variable angle of inclination of the blades to the axis of rotation of the hub and a mechanical drive. A more complex screw mechanism can provide a change in the angle of inclination of the blades to the hub and the orientation of the blades according to the desired algorithm.
Согласно настоящему изобретению, предлагается движитель в виде машущего винта, в котором отличительными и новыми элементами являются способы маховых движений, профили лопастей, механизмы для реализации маховых движений, т.е. управлением ориентацией лопастей при их орбитальном движении, а также механизм регулирования наклона лопастей, в частности, способы удержания в зацеплении сферических шестерен, при котором присутствует возможность управления тягой в соответствии с критерием максимальной гидродинамической эффективности, получения лучших характеристик во всем рабочем диапазоне. При этом максимально уменьшаются проблемы, связанные с кавитацией лопастей, движитель работает с максимальной гидродинамической эффективностью в любой ситуации, способный удовлетворить требования, выдвигаемые критерием оптимизации гидродинамики, универсальный, с точки зрения кинематики, и надежный, с точки зрения механики, с длительным сроком службы и не требующий значительного обслуживания, более простой в мелкосерийном производстве.According to the present invention, there is provided a propeller in the form of a waving screw, in which the distinctive and new elements are the methods of swing movements, profiles of the blades, mechanisms for implementing swing movements, i.e. controlling the orientation of the blades during their orbital motion, as well as the mechanism for adjusting the inclination of the blades, in particular, methods of holding spherical gears in engagement, in which there is the possibility of controlling the thrust in accordance with the criterion of maximum hydrodynamic efficiency, obtaining the best characteristics in the entire operating range. At the same time, the problems associated with cavitation of the blades are minimized, the propulsion device works with maximum hydrodynamic efficiency in any situation, able to satisfy the requirements of the optimization criterion of hydrodynamics, universal in terms of kinematics, and reliable in terms of mechanics, with a long service life and low maintenance, simpler in small batch production.
Изложенные выше способы и конструкции механизмов машущего винта являются их иллюстрацией и не исчерпывают всех вариантов конкретного исполнения, не являются ограничением для применения других технических решений, которые без нарушения основной идеи технического решения могут быть использованы на практике.The above methods and designs of the mechanisms of the waving screw are an illustration of them and do not exhaust all variants of a specific design, are not a limitation for the application of other technical solutions, which can be used in practice without violating the basic idea of a technical solution.
Claims (18)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010144758/11A RU2482010C2 (en) | 2010-11-01 | 2010-11-01 | Method of producing flapping motion and flapping screw to this end |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010144758/11A RU2482010C2 (en) | 2010-11-01 | 2010-11-01 | Method of producing flapping motion and flapping screw to this end |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2010144758A RU2010144758A (en) | 2012-05-10 |
| RU2482010C2 true RU2482010C2 (en) | 2013-05-20 |
Family
ID=46311937
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010144758/11A RU2482010C2 (en) | 2010-11-01 | 2010-11-01 | Method of producing flapping motion and flapping screw to this end |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2482010C2 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2537895C1 (en) * | 2013-12-09 | 2015-01-10 | Дмитрий Михайлович Шинаков | Creation of thrust by propeller and pull propeller with drive (versions) |
| WO2016153328A3 (en) * | 2015-03-20 | 2016-12-15 | Алдан Асанович САПАРГАЛИЕВ | Self-moving apparatus and components thereof |
| RU2610324C2 (en) * | 2015-06-19 | 2017-02-09 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Новосибирский Государственный Технический Университет" | Aircraft |
| RU2709962C1 (en) * | 2018-06-22 | 2019-12-23 | Акционерное общество "Центр судоремонта "Звездочка" (АО "ЦС "Звездочка") | Annular electric propulsion device |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2501712C1 (en) | 2012-10-10 | 2013-12-20 | Алексей Александрович Пирогов | Pirogov's flapping propeller with asymmetric rotary blade |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU47908A1 (en) * | 1934-09-24 | 1936-07-31 | П.Е. Ефремов | Ship vane engine |
| GB668593A (en) * | 1950-03-11 | 1952-03-19 | Gaston Antoine Auguste Wiessle | Improvements in aircraft |
| US3700349A (en) * | 1970-06-18 | 1972-10-24 | J M Veith Gmbh | Control system for a blade-wheel propeller |
| RU2147545C1 (en) * | 1998-06-25 | 2000-04-20 | Бешок Михаил Профирьевич | Method of motion of lifting surface in fluid medium and device for realization of this method ("fly" and "fan" versions) |
-
2010
- 2010-11-01 RU RU2010144758/11A patent/RU2482010C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU47908A1 (en) * | 1934-09-24 | 1936-07-31 | П.Е. Ефремов | Ship vane engine |
| GB668593A (en) * | 1950-03-11 | 1952-03-19 | Gaston Antoine Auguste Wiessle | Improvements in aircraft |
| US3700349A (en) * | 1970-06-18 | 1972-10-24 | J M Veith Gmbh | Control system for a blade-wheel propeller |
| RU2147545C1 (en) * | 1998-06-25 | 2000-04-20 | Бешок Михаил Профирьевич | Method of motion of lifting surface in fluid medium and device for realization of this method ("fly" and "fan" versions) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2537895C1 (en) * | 2013-12-09 | 2015-01-10 | Дмитрий Михайлович Шинаков | Creation of thrust by propeller and pull propeller with drive (versions) |
| WO2016153328A3 (en) * | 2015-03-20 | 2016-12-15 | Алдан Асанович САПАРГАЛИЕВ | Self-moving apparatus and components thereof |
| RU2610324C2 (en) * | 2015-06-19 | 2017-02-09 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Новосибирский Государственный Технический Университет" | Aircraft |
| RU2709962C1 (en) * | 2018-06-22 | 2019-12-23 | Акционерное общество "Центр судоремонта "Звездочка" (АО "ЦС "Звездочка") | Annular electric propulsion device |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2010144758A (en) | 2012-05-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4247251A (en) | Cycloidal fluid flow engine | |
| RU2482010C2 (en) | Method of producing flapping motion and flapping screw to this end | |
| RU2631742C1 (en) | Vibrating propulsor | |
| US7841831B2 (en) | Asymmetrically changing rotating blade shape (ACRBS) propeller and its airplane and wind turbine applications | |
| KR101420464B1 (en) | A rotary transverse device including an airfoil and an airfoil, a vibrating device, a force generating device, a flow control device | |
| US6877692B2 (en) | Oscillating foil propulsion system | |
| WO2012129007A2 (en) | Reciprocating wind-powered transducer employing interleaved airfoil arrays | |
| KR20100098684A (en) | A fin propulsion apparatus | |
| US9022738B1 (en) | Marine propulsion-and-control system implementing articulated variable-pitch propellers | |
| CN100534858C (en) | Double-vane propeller | |
| RU2147545C1 (en) | Method of motion of lifting surface in fluid medium and device for realization of this method ("fly" and "fan" versions) | |
| US20250020101A1 (en) | Device comprising an asymmetrical adjustable wing profile | |
| US6352458B2 (en) | Propulsion system and method | |
| CN111806661B (en) | A segmented adjustable oscillating wing plate | |
| US4428712A (en) | Captive water current power system | |
| RU2488518C1 (en) | Marine wave-driven propulsor | |
| RU2349793C2 (en) | Method for formation of wind-powered engine | |
| CN107640306B (en) | Marine propulsion device, ship and running control method thereof | |
| RU2183177C2 (en) | Wave propulsive machine | |
| US20240328327A1 (en) | Rotary-Wing Vehicle, and Rotary-Wing Turbine | |
| RU204567U1 (en) | Finned propulsion and steering device with hydrogenerator | |
| CN105129059B (en) | Electrodeless variable-speed deflecting vertical axis voith schneider propeller | |
| RU2720699C1 (en) | Operating method of vane propulsor and device for implementation thereof | |
| KR102510678B1 (en) | azimuth thruster | |
| RU205263U1 (en) | DEVICE FOR CONVERSION OF RENEWABLE ENERGY INTO ENERGY OF SHIP'S MOTION |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FA92 | Acknowledgement of application withdrawn (lack of supplementary materials submitted) |
Effective date: 20120621 |
|
| FZ9A | Application not withdrawn (correction of the notice of withdrawal) |
Effective date: 20121126 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20151102 |