RU2509683C2

RU2509683C2 - Propeller (versions)

Info

Publication number: RU2509683C2
Application number: RU2012106998/11A
Authority: RU
Inventors: Андрей Леонидович Шпади
Original assignee: Андрей Леонидович Шпади
Priority date: 2012-02-27
Filing date: 2012-02-27
Publication date: 2014-03-20
Also published as: RU2012106998A

Abstract

FIELD: transport.

SUBSTANCE: set of invention relates to devices intended for converting mechanical energy into fluid flow power. In compliance with first version, propeller comprises blades with straight and inverted scimitar sections, each blade is secured by its root to drive shaft hub. In compliance with second version, propeller features definite shape of the blade front surface.

EFFECT: simplified design.

3 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам преобразования механической энергии в энергию текучей жидкости или газа и может быть использовано в качестве движителей - гребных и воздушных винтов кораблей и летательных аппаратов.The invention relates to a device for converting mechanical energy into energy of a fluid liquid or gas and can be used as propulsors - propellers and propellers of ships and aircraft.

Известны многолопастные винты с саблевидными лопастями, у которых комлевые части закреплены комлевой частью консольно на ступице приводного вала. Незакрепленные концы лопастей отогнуты назад по отношению к направлению вращения и оси винтовой линии, образующей фронтальную или рабочую поверхность такой лопасти. Такие винты в отличие от обычных прямолинейных лопастей могут эффективно работать на больших оборотах (5000-6000 об/мин, при диаметре 1,5-2,5 м и числе Маха более 1,3) [см. Я.И. Левинсон, Аэродинамика больших скоростей. Оборонгиз, М. 1948 г., стр.325. Авторское свидетельство СССР №1711664, МПК В64С 11/00, 24.10.88 г.].Known multi-blade screws with saber-shaped blades, in which the butt parts are fixed by the butt part cantilever on the hub of the drive shaft. The loose ends of the blades are bent backward with respect to the direction of rotation and the axis of the helical line forming the frontal or working surface of such a blade. Such screws, unlike ordinary rectilinear blades, can efficiently operate at high speeds (5000-6000 rpm, with a diameter of 1.5-2.5 m and a Mach number of more than 1.3) [see ME AND. Levinson, High Speed Aerodynamics. Oborongiz, M. 1948, p. 325. USSR copyright certificate No. 1711664, IPC ВСС 11/00, 10.24.88].

Однако их существенным недостатком является низкая надежность и сложность изготовления, обусловленные односторонним консольным креплением комлевой части саблевидных лопастей с осевой круткой, большим удлинением и кривизной их линейчатой, но не развертываемой на плоскость винтовой поверхности.However, their significant drawback is the low reliability and complexity of manufacturing, due to the one-sided cantilever mounting of the butt part of the saber-shaped blades with axial twist, large elongation and curvature of their ruled, but not deployable on the plane of the helical surface.

Известны также пропеллеры с петлевыми лопастями на основе других линейчатых поверхностей, в частности пропеллер Шпади с лопастями из поверхности Мебиуса, которые удовлетворительно развертываются только в дальней зоне - за пределами петли Мебиуса и благодаря надежному двустороннему креплению таких лопастей с участками прямой и обратной саблевидности обладают меньшим шумом и диаметром [Патент РФ №233071, МКИ В64С 11/20, 28.03.2006 г.]Propellers with loop blades based on other ruled surfaces are also known, in particular, the Spadi propeller with blades from the Moebius surface, which satisfactorily deploy only in the far zone — outside the Moebius loop and, thanks to the reliable bilateral fastening of such blades with forward and reverse saber sections, have less noise and diameter [RF Patent No. 233071, MKI B64C 11/20, 03/28/2006]

К сожалению, на больших оборотах под воздействием центробежных сил петлевые лопасти начинают опасно деформироваться и вытягиваться в радиальном направлении, чти заметно ухудшает их аэродинамические характеристики и безопасность эксплуатации.Unfortunately, at high speeds under the influence of centrifugal forces, the loop blades begin to deform dangerously and extend in the radial direction, which significantly worsens their aerodynamic characteristics and operational safety.

Технической задачей изобретения является упрощение технологии конструирования и изготовления петлевых и сплошных лопастей пропеллера за счет обеспечения их полной развертываемости на плоскость и работы преимущественно на растяжение, а не на изгиб.An object of the invention is to simplify the technology of designing and manufacturing looped and continuous propeller blades by ensuring their full deployability to the plane and work primarily in tension rather than bending.

Эта задача решается путем изготовления петлевой лопасти со средней линией, совпадающей по форме с центробежной цепной линией, то есть формой тяжелой цепи, которую она принимает в векторном поле действия радиально расходящихся центробежных сил, а не параллельных сил гравитационного поля Земли. При этом фронтальная или рабочая поверхность лопастей предлагаемого пропеллера получается из идеально развертываемой биконической поверхности с общей вершиной и направляющей в виде эксцентрично смещенной винтовой линии или вышеуказанной центробежной цепной линии.This problem is solved by making a loop blade with a middle line matching in shape with a centrifugal chain line, that is, the shape of a heavy chain that it takes in a vector field of action of radially diverging centrifugal forces, and not parallel forces of the Earth's gravitational field. In this case, the frontal or working surface of the blades of the proposed propeller is obtained from an ideally deployable biconical surface with a common apex and a guide in the form of an eccentrically displaced helical line or the above centrifugal chain line.

Согласно вышесказанному заявляется:According to the above, it is stated:

Пропеллер, по 1 варианту, содержащий лопасти с участками прямой и обратной саблевидности, каждая из которых закреплена комлевыми частями на ступице приводного вала и образована из линейчатой фронтальной поверхности с профилированной тыльной поверхностью, отличающийся тем, что у каждой петлевой лопасти фронтальная поверхность образована пространственным движением линейной образующей, у которой одна контрольная точка расположена в неподвижной вершине, лежащей на оси вращения пропеллера, параллельной эксцентрично расположенной оси винтовой направляющей линии, где находится другая подвижная контрольная точка линейной образующей биконической фронтальной поверхности лопасти из сопряженных участков прямой и обратной саблевидности.The propeller, according to 1 embodiment, containing blades with sections of direct and reverse saber, each of which is fixed with butt parts on the hub of the drive shaft and is formed from a ruled front surface with a profiled rear surface, characterized in that the front surface of each loop blade is formed by the spatial movement of the linear generatrix, in which one control point is located in a fixed vertex lying on the axis of rotation of the propeller parallel to the eccentric axis tovoy guide line, where there is another mobile control point linear generatrix biconical front surface of the blade portions of the conjugate forward and reverse saber.

Пропеллер, по 2 варианту, содержащий вместо эксцентричной винтовой направляющей - центробежную цепную линию, расположенную эквидистантно между внешней и внутренней кромками каждой лопасти так, что ее концы лежат на противоположных сторонах продольного сечения ступицы пропеллера.The propeller, according to option 2, containing instead of an eccentric helical guide, a centrifugal chain line located equidistantly between the outer and inner edges of each blade so that its ends lie on opposite sides of the longitudinal section of the propeller hub.

Пропеллер, по 3 варианту, в частном случае сплошной широкохордовой лопасти, имеет внутреннею кромку лопасти, уменьшенную до размера точки, лежащей на поверхности ступицы.The propeller, according to option 3, in the particular case of a continuous wide-chordate blade, has an inner edge of the blade, reduced to the size of a point lying on the surface of the hub.

Сущность изобретения поясняется чертежом где:The invention is illustrated in the drawing where:

на фигуре 1 показано изометрическое построение фронтальной (рабочей) поверхности лопасти с эксцентричной винтовой направляющей;the figure 1 shows an isometric construction of the front (working) surface of the blade with an eccentric screw guide;

на фиг. 2 - построение центробежной цепной линии, закрепленной своими концами на миделе продольного сечения ступицы пропеллера;in FIG. 2 - construction of a centrifugal chain line, fixed with its ends on the midsection of the longitudinal section of the propeller hub;

на фиг. 3 представлен внешний вид предлагаемого пропеллера с петлевыми лопастями;in FIG. 3 shows the appearance of the proposed propeller with loop blades;

на фиг. 4 - пропеллер со сплошными развертываемыми лопастями.in FIG. 4 - propeller with continuous deployable blades.

Предлагаемый пропеллер содержит лопасти, у которых фронтальная (рабочая) поверхность образована при помощи пространственного движения образующей прямой линии 1 (фиг. 1).The proposed propeller contains blades, in which the front (working) surface is formed by the spatial movement of the generatrix of a straight line 1 (Fig. 1).

Одна контрольная точка этой прямой линии расположена в неподвижной вершине 0¹, лежащей на оси вращения пропеллера O₁-O₁, параллельной эксцентричной оси O-O винтовой направляющей линии 2, где расположена другая подвижная контрольная точка линейной образующей 1 биконической фронтальной поверхности с общим перпендикуляром к обеим осям, длина которого равна величине эксцентриситета E между ними. Причем оптимальным является равенство этого эксцентриситета E радиусу R винтовой линии, потому что в результате такого построения получается простейшая развертываемая поверхность, состоящая из двух сопряженных по линии эксцентриситета конусов с общей вершиной и винтовым основанием.One control point of this straight line is located at a fixed vertex 0 ¹ lying on the axis of rotation of the propeller O ₁ -O ₁ parallel to the eccentric axis OO of the helical guide line 2, where another movable control point of the linear generatrix 1 of the biconical front surface with a common perpendicular to both axes whose length is equal to the value of the eccentricity E between them. Moreover, the equality of this eccentricity E to the radius R of the helical line is optimal, because as a result of such a construction, the simplest deployable surface consists of two cones conjugated along the eccentricity line with a common vertex and a helical base.

Вместо отрезка винтовой линии может быть использована центробежная цепная линия 3 (фиг. 2), построенная на компьютере в виде ожерелья из тяжелых круглых бусинок, к каждой из которых приложена своя радиально расходящаяся центробежная сила F₁. Через центры этих бусинок и проходит новая направляющая, по которой перемещается образующая фронтальную поверхность прямая линия 4. При этом концы цепной линии закреплены в максимально удаленных точках ступицы 5 наибольшего и наименьшего радиуса ее продольного сечения YOZ. Построенная таким образом фронтальная поверхность также является абсолютно развертываемой на плоскость, что значительно облегчает изготовление лопастей из листового материала, у которых необходимо профилировать лишь одну тыльную поверхность и согнуть всю лопасть по теоретическому шаблону фронтальной поверхности.Instead of a segment of a helical line, a centrifugal chain line 3 can be used (Fig. 2), built on a computer in the form of a necklace of heavy round beads, each of which has its own radially diverging centrifugal force F ₁ . A new guide passes through the centers of these beads, along which the straight line 4 forming the frontal surface moves. The ends of the chain line are fixed at the most remote points of the hub 5 of the largest and smallest radius of its longitudinal section YOZ. The front surface constructed in this way is also absolutely expandable onto the plane, which greatly facilitates the manufacture of blades from sheet material, for which it is necessary to profile only one back surface and bend the entire blade according to the theoretical template of the front surface.

При этом развертки петлевых лопастей скроены так, что их средняя линия, соединяющая центры тяжести поперечных сечений лопасти, совпадает с центробежной цепной линией (фиг. 2) или с ее фронтальной проекцией на биконическую поверхность на основе эксцентричной винтовой линии.In this case, the sweeps of the looped blades are tailored so that their midline connecting the centers of gravity of the cross sections of the blade coincides with the centrifugal chain line (Fig. 2) or with its frontal projection onto the biconical surface based on an eccentric helical line.

Предлагаемый пропеллер с тремя такими петлевыми лопастями 6 (фиг. 3) эквивалентен многолопастному пропеллеру с шестью саблевидными лопастями прямой и обратной саблевидности, которые попарно сгруппированы в дуги с надежным двухсторонним креплением к слабоконической ступице 7 приводного вала (на чертеже не показан). У каждой лопасти имеется фронтальная линейчатая поверхность 8 и профилированная тыльная поверхность 9, которая образована движением вдоль средней линии лопасти полуовала какого-либо стандартного профиля или простым округлением задних кромок лопасти.The proposed propeller with three such loop blades 6 (Fig. 3) is equivalent to a multi-blade propeller with six saber-shaped forward and reverse saber blades, which are pairwise grouped into arcs with reliable two-sided fastening to the weakly conical hub 7 of the drive shaft (not shown in the drawing). Each blade has a front ruled surface 8 and a profiled back surface 9, which is formed by the movement along the midline of the blade half-formed of a standard profile or by simple rounding of the trailing edges of the blade.

В частном случае уменьшения длины внутренней кромки до нуля петлевая лопасть становится сплошной 10, но сохраняет свойства развертываемой поверхности и контуры обычной винтовой лопасти.In the particular case of reducing the length of the inner edge to zero, the loop blade becomes solid 10, but retains the properties of the deployable surface and the contours of a conventional helical blade.

Для этого, конечно, точечная внутренняя кромка лопасти 11 должна лежать на поверхности обтекаемой ступицы 12, а наружная кромка лопасти максимально совпадать с центробежной цепной линией 13 такой же длины (фиг. 4). Это очень важное преимущество винтовой биконической поверхности, так как у поверхности Мебиуса такое построение сплошной лопасти математически невозможно.For this, of course, the dotted inner edge of the blade 11 must lie on the surface of the streamlined hub 12, and the outer edge of the blade should match the centrifugal chain line 13 of the same length as much as possible (Fig. 4). This is a very important advantage of a helical biconical surface, since at the Moebius surface such a construction of a solid blade is mathematically impossible.

Работа заявленного пропеллера в качестве гребного винта происходит следующим образом.The operation of the claimed propeller as a propeller is as follows.

При вращении пропеллера по 1 варианту с текучей средой начинают взаимодействовать участки прямой саблевидности петлевых лопастей 6, которые плавно переходят в участки лопасти с обратной саблевидностью. Благодаря значительному осевому расстоянию между комлевыми точками крепления этих лопастей происходит плавное ускорение окружающей среды, которая набирает максимальную скорость только на выходе из сметаемой пропеллером поверхности вращения. При этом на фронтальной стороне 8 каждой лопасти происходят, в основном, процессы сжатия текучей среды, а на ее профилированной тыльной поверхности 9 - более сложные процессы разрежения и ускорения, аналогичные процессам обтекания крыла плоско-выпуклого профиля вплоть до сверхзвуковых скоростей движения наружных концов этих лопастей, которые фактически не меняют своей формы под воздействием центробежных сил, поскольку работают лишь на растяжение своей средней линии без изменения своих аэродинамических характеристик.When the propeller is rotated according to embodiment 1, sections of the direct saber-shaped loops of the blades 6 begin to interact with the fluid, which smoothly pass into the sections of the blades with reverse saber-shaped. Due to the significant axial distance between the butt points of attachment of these blades, a smooth acceleration of the environment occurs, which picks up maximum speed only at the exit of the surface of rotation swept away by the propeller. In this case, on the front side 8 of each blade, mainly processes of compression of the fluid occur, and on its profiled rear surface 9, more complex processes of rarefaction and acceleration similar to the processes flowing around a wing of a plano-convex profile up to supersonic speeds of the outer ends of these blades which do not actually change their shape under the influence of centrifugal forces, since they work only to stretch their midline without changing their aerodynamic characteristics.

Работа пропеллера по 2 и 3 варианту в принципе не отличается от работы аналогичного винта такого же диаметра (фиг. 4), только вместо шага у такого пропеллера следует нормировать соответствующие углы атаки в сечении 0,75 максимального радиуса сплошной лопасти, поскольку шаг в каждом сечении биконической фронтальной поверхности получается различный.The operation of the propeller according to option 2 and 3 does not, in principle, differ from the operation of a similar screw of the same diameter (Fig. 4), only instead of a step for such a propeller, the corresponding angles of attack should be normalized in section 0.75 of the maximum radius of a continuous blade, since there is a step in each section the biconical front surface is different.

За счет использования линейчатой развертываемой поверхности лопасти предлагаемого пропеллера могут серийно изготавливаться штамповкой с последующей приваркой к ступице в технологическом кондукторе. Это значительно упрощает и удешевляет производство предлагаемых пропеллеров, особенно с петлевыми лопастями, у которых эффект "запирания" силы тяги наступает при гораздо более высоких скоростях вращения, чем у обычных винтов.Due to the use of a ruled deployable surface, the blades of the proposed propeller can be mass-produced by stamping, followed by welding to the hub in the technological conductor. This greatly simplifies and reduces the cost of production of the proposed propellers, especially with hinged blades, in which the effect of "locking" the thrust occurs at much higher rotational speeds than conventional screws.

Приведенные данные подтверждаются результатами натурных и виртуальных испытаний на компьютерных симуляторах, что позволяет наладить гибкое производство предлагаемых пропеллеров на любом судоремонтном заводе или частной мастерской, занимающейся изготовлением малошумящих винтов самолетов, яхт или бытовых вентиляторов.The data presented are confirmed by the results of full-scale and virtual tests on computer simulators, which allows us to establish a flexible production of the proposed propellers at any ship repair plant or private workshop engaged in the manufacture of low-noise propellers for aircraft, yachts or domestic fans.

Claims

1. The propeller containing the blades with sections of direct and reverse saber, each of which is fixed with butt parts on the hub of the drive shaft and is formed from a ruled front surface with a profiled back surface, characterized in that the front surface of each loop blade is formed by the spatial movement of the linear generatrix, in which one control point is located in a fixed vertex lying on the axis of rotation of the propeller parallel to the eccentric axis of the screw head an important line, where there is another movable control point of the linear generatrix of the biconical frontal surface of the blade, consisting of the conjugate sections of the forward and reverse saber.

2. The propeller containing the blades with sections of direct and reverse saber, each of which is fixed with butt parts on the hub of the drive shaft and is formed from a ruled front surface with a profiled rear surface, characterized in that the front surface of each blade is formed by the spatial movement of the linear generatrix, in which one control point is located in a fixed vertex lying on an eccentric axis parallel to the axis of rotation of the propeller, and the other moves centrifugally catenary situated equidistant between the outer and inner edges of each blade so that its ends lie on diametrically opposite sides of the longitudinal section of the hub.

3. A propeller containing blades with outer edges of direct and reverse saber, each of which is fixed on the hub of the drive shaft and is formed from a ruled front surface with a profiled back surface, characterized in that for each blade the front surface is formed by the spatial movement of the linear generatrix, in which one control point is located in a fixed vertex lying on the axis of rotation of the propeller parallel to the eccentric axis of the helical guide line, where there is another movable control point of the linear generatrix of the front surface of the screw eccentric cone with an inner edge reduced to the size of a point lying on the surface of the hub conjugated with a solid front surface of the blade.