ВИНТОВОЙ ДВИЖИТЕЛЬ

Изобретение относится к судо- и авиастроению, т.е. водному и воздушному транспорту, касается конструирования гребных и воздушных винтов с возможно- стью их использования на судах, вертолётах и винтовых самолетах любых типов и назначений.

Известна большая серия классических винтовых движителей с закругленной передней кромкой лопастей. Передняя плоскость лопасти тянущего винта с такой кромкой обладает отрицательным углом атаки относительно набегающего потока в плоскости вращения аналогично верхней плоскости крыла с классическим профилем, также имеющим закругленную переднюю кромку, разделяющую набегающий поток и направляющую его на верхнюю и нижнюю плоскости [С.М.Горлин. Экспериментальная аэродинамика. М., Высшая школа, 1970, с.371]. Эта особенность геометрии винта накладывает на него предел тяги воздушного винта. Классические воздушные винты достигают предельной тяги при частоте вращения винта п=2500-3000 об/мин, а дальнейшее увеличение частоты вращения сопровождается уменьшением тяги. Именно геометрическое несовершенство классического винтового профиля сдерживало и сдерживает сегодня развитие нереактивного воздушного транспорта, превосходящего реактивный воздушный транспорт в несколько раз по экономичности и экологичности, но уступающий ему по скорости за счет низкой эффективности винта.

Известен несущий винт для вертолетов, лопасти которого представляют вращающиеся крылья с классическим профилем, характеризующимся передней затупленной и задней острой кромками, отрицательным углом атаки по верхнему контуру. Диаметры этих винтов достигают 20-37 метров, винты обладают большой массой и очень большой инерционностью, обусловленной тем, что центр массы лопасти отстоит далеко от оси вращения винта при радиусе в 5-6 метров. При этом частота вращения этих винтов имеет жёсткое ограничение (300-500 об/мин) ввиду того, что при достижении круговой скорости на концах лопастей М = 0, 9-1,3, на верхней плоскости начинается отрывное течение потока, развивается сильное волновое сопротивление и флаттер, грозящие разрушением лопастей (Вертолёты стран мира, под ред. В.Г. Лебедя. М. 1994). Известен гребной винт для водного транспорта, состоящий из вала, ступицы и ряда лопастей, насаженных на ступицу под определенным углом к оси вала ( http://www.lodka.com.ua). И в данном случае проблемы гребных винтов аналогичны проблемам вышеописанных винтовых движителей и связаны с тем, что они имеют ограничения по числу оборотов и вследствие этого - ограничение предельной величины силы тяги.

Наиболее близким по технической сущности, к заявленному винтовому движителю, является несущий винт вертолёта по американскому патенту 1\1?3706430, опуб. 19 декабря 1972г, взятый в качестве прототипа. Передняя треть лопасти винта представлена остроугольным клином с углом расхождения верхнего и нижнего контуров в интервале от 3° до 11°, т.е. верхняя и нижняя плоскости винта расположены под углом к оси вращения винта. При этом длина хорды по верхнему контуру винта превосходит внешнюю хорду нижнего контура по клину более чем в 2 раза, а миделево сечение верхнего контура (hB) превосходит миделево сечение нижнего контура (hH) в среднем в 3 раза. Вследствие этого, набегающий поток делится почти поровну на верхний и нижний контуры, поскольку они оба имеют положительный угол атаки почти равной величины. Такой винт имеет очень низкую величину силы тяги, поскольку у винта с таким профилем набегающий поток формирует две силы:

- подъёмную силу по нижнему контуру (Y), согласно формуле:

Y = 2 -s -sin ан 12 = pv2 -L -Ън -sinaH / 2, , где () L - размах крыла, V - скорость ЛА, м/с, Р - плотность воздуха, кг/м 3, Ъ - хорда, и

- антиподъёмную силу по верхнему контуру (-Y), направленную вертикально вниз и формируемую верхним контуром (-Y) согласно формуле:

-Y = pv 2 -L-be -smaB 12,Н (2)

Из сравнения этих формул очевидно, что антиподъёмная сила верхнего контура больше подъемной силы нижнего контура во столько раз, во сколько Ьв больше Ьн , т.е. в к= Ьв/ Ь„«2,5 раза, поскольку все остальные величины в формулах (1) и (2) равны между собой или почти равны. При таких условиях сомнительно, чтобы вертолёт взлетел.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение величины предельной тяги винтовых движителей. Поставленная задача решается за счёт того, что у винтового движителя, имеющего установленные с возможностью вращения вокруг оси лопасти, каждая из которых имеет переднюю плоскость с прямолинейным участком и заднюю плоскость, переднюю острую кромку и заднюю кромку,

каждая лопасть установлена так, что указанный прямолинейный участок её передней плоскости перпендикулярен оси вращения лопасти.

Благодаря этому обеспечивается взаимодействие набегающего потока только с задней плоскостью. При этом на передней плоскости отсутствует скоростной поток, поскольку острая передняя кромка в данном случае весь набегающий поток направляет по задней (рабочей) плоскости винта. Ни передняя ни задняя плоскость лопастей винта не имеет кручения аналогичного крутке винта с классическим профилем, т.е. отсутствует пропеллерность. Основная часть передней плоскости прямая, а её задняя часть сходит к задней кромке. Давление на переднюю плоскость практически равно давлению невозмущенного воздуха на высоте полета. Функция формирования подъемной (толкающей) силы винта полностью перекладывается на заднюю плоскость.

При этом достигается :

1) Полное исключение взаимодействия верхней плоскости винта с набегающим потоком среды (газовой или водной)

2) Воздействие среды исключительно на заднюю плоскость винта.

3) Эффективное использование пристенного слоя набегающего потока для увеличения подъемной (толкающей) силы винта.

4) Освобождение винта от волнового сопротивления - непреодолимого дефекта винта с классическим профилем

5) Минимальное лобовое сопротивление винта.

Всё это в сумме позволяет значительно повысить силу тяги винтовых движителей.

При вращении лопастей винтового движителя вдоль задней кромки формируется разрежение и туда устремляется среда, газовая или водная, из невозмущённой области, которая взаимодействует с указанным участком и отражается назад относительно направления вращения винта, передавая энергию отдачи лопасти в направлении её вращения. Для усиления этого эффекта предпочтительнее, чтобы упомянутый прямолинейный участок передней плоскости был соединён с задней кромкой по плавной выпуклой лекальной кривой.

На практике очень сложно выполнить лопасть с максимально острой (клиновидной) передней кромкой, как это показано на фиг. 8 патента-прототипа. Поэтому предпочтительнее, чтобы задняя плоскость лопасти, соединяющая переднюю и заднюю кромки, была выполнена изогнутой по плавной выпуклой лекальной кривой с образованием остроугольной задней кромки.

Изобретение поясняется чертежами, на которых

- на Фиг. 1 представлен фрагмент двухлопастного винтового движителя летательного аппарата (ЛА), у которого прямолинейный участок передней плоскости расположен перпендикулярно оси вращения винта.

- на Фиг. 2 представлен гребной винт по изобретению винта с прямолинейной передней плоскостью расположенной перпендикулярно оси вращения гребного винта.

- на Фиг. 3 представлен фрагмент лопасти винта с криволинейной нижней плоскостью.

Представленный на Фиг. 1 винтовой движитель ЛА характеризуется передней и задней острыми кромками, прямолинейным участком передней плоскости лопасти, которая расположена перпендикулярно оси вращения винта, а рабочая задняя плоскость, соединяющая переднюю и заднюю острые кромки лопасти, изогнута по плавной выпуклой лекальной кривой. Острый угол передней кромки, который можно выполнять в пределах от 0° до 90°, весь набегающий поток направляет на рабочую плоскость лопасти и полностью исключает его попадание на переднюю плоскость. При этом в зависимости от мощности двигателя, максимальной частоты вращения, передаваемой им на вал винта и требуемой тяги для данного ЛА, высоту миделевого сечения можно изменять в широком диапазоне с одновременным изменением длины хорды лопасти, что непременно влечёт изменение и угла расхождения передней и задней плоскостей лопасти винта, т.е. к изменению степени остроконечности передней кромки лопастей винта. Вал винта можно устанавливать как вертикально (на вертолетах), так и горизонтально (на всех остальных видах транспорта). Для выполнения реверса тяги лопасти могут иметь изменяемый шаг

Представленный на фиг. 2 один из возможных вариантов гребного винта также характеризуется острыми передней и задней кромками, прямолинейным участком передней плоскости лопасти, который расположен перпендикулярно оси вращения винта, При этом рабочая задняя плоскость, соединяющая переднюю и заднюю острые кромки лопасти, изогнута по плавной выпуклой лекальной кривой. Винт имеет несколько таких лопастей, при этом угол расхождения передней плоскости с задней и высота миделя лопасти являются минимальными на краю лопасти и возрастают к ступице, что обусловливает нарастание угла атаки набегающего потока на рабочую плоскость от конца лопасти к ступице, способствуя более равномерному нагружению лопасти по всей ее длине. Лопасть с этим профилем не имеет участка, подверженного кавитационному разрушению при движении вперед. Однако, при повороте лопастей для реверса тяги и создания заднего хода судна, картина изменяется, поскольку в этом режиме работы винта, криволинейный участок передней плоскости становится уязвимым для кавитацион ного разрушения . Этот участок можно защитить от кавитационного разрушения тем, что через тело вала, ступицы и лопасти к нему можно подвести сжатый воздух и через систему отверстий поддерживать над ним нормальное давление, равное давлению воды на глубине расположения винта.

На фиг. 3 показан предпочтительный вариант выполнения лопасти винта, когда прямолинейный участок передней плоскости ADD^ лопасти соединён с задней кромкой лопасти криволинейной плоскостью DCCjDi, и задняя плоскость ACQAx, соединяющая переднюю и заднюю кромки АА} и CCi, также выполнена изогнутой по плавной выпуклой лекальной кривой. Стрелками показано направление потока воздушной или водной среды, рассекаемой острой кромкой и направляемой только на заднюю (рабочую) плоскость (.

Для винтовых движителей с острой передней кромкой, могущих с большим успехом использоваться для создания, как гребных винтов, так и воздушных с эффективной силой тяги, есть одно важное свойство, объединяющее их в единую техническую систему, это - обязательность расположения прямолинейного участка передней плоскости перпендикулярно оси вращения винта. При этом ни передняя, ни задняя плоскость лопастей винта не имеет кручения аналогичного крутке винта с классическим профилем. Угол атаки набегающего потока среды, водной или воздушной, (а) на лопасть винта является переменным вдол ь длины лопасти и фактически равен геометрическому углу расхождения передней и задней плоскостей () лопасти, имеющему минимальное значение на конце лопасти, а максимальное - у комля, что обуславливается ростом высоты миделя (п) от конца лопасти к комлю.

Предлагаемый винт с острой передней кромкой формирует тя гу существенно иначе, чем известные винты с классическим профилем . При этом, как уже упоминалось, лопасти не имеют кручения, пропеллерности. Поэтому определение величины тяги этих винтов основано на новой физической и математической основе, учитывающей плотность среды (р), высоту миделевого сечения лопасти на ее середине (h), линейную ( ) и шаговую (и) скорости молекул воздуха на высоте полета или молекул воды на глубине расположения гребного винта , секундный расход воздуха и воды, геометрические элементы лопастей. При этом радикально новым признаком, вводимым в уравнение тяги винта, является скорость пристенного потока среды на рабочей (задней) плоскости винта ( ит, ) :

V j - линейная скорость молекул воздуха на высоте полета . При t=0°C и

Р0= Ю1325Па. V0=47131,725 м/с [Базиев Д.Х. Основы единой теории физики (ОЕТФ). М ., Педагогика, 1994г., с.619]

и0= 1, 0315148 м/с - скорость блуждания молекул воздуха в нормальных условиях [там же, с. 619]

а = тг / = 1, 61 19 195 Olcmepad = const коэффициент сферичности глобулы, индивидуального пространства молекулы [ОЕТф, с. 11- 12]

Тягу винтового движителя {Р ) и его мощность ( W,) с предлагаемыми профилями рассчитывают согласно следующим уравнениям : где (4) р - плотность воздуха на высоте полета, кг/м3, - скорость пристенного потока по рабочей плоскости винта, м/с, d\ - диаметр ступицы, м,

1\ - длина рабочей части лопасти , м , п\ - частота вращения винта, с" 1,

- высота миделя на середине лопасти, м,

к - число лопастей . -

- коэффициент тяги винтового движителя, (5) где

F - стендовая сила тяги винта при частоте П( , Н , гп - масса винта (ступица + лопасти), кг,

g, - ускорение силы тяжести на высоте полета ЛА, м/с2.

- коэффициент полезного действия винтового движителя. = - ^ ^i + f · ! ·*,· - ' · - i (7)

- мощность, развиваемая винтовым движителем в функции от частоты вращения винта, п,2 ,

Щ = , - Ц (8)

- упрощенная форма для расчета мощности, Вт, где d + /

= 2(-! ) · л,. = г( di + /,·) * nt (g)

- круговая скорость центра лопасти, которая характеризует среднюю скорость набегающего потока на рабочую плоскость винта, м/с.

- секундный расход воздуха или воды винтовым движителем в функции от круговой скорости лопастей, м3/с

При применении указанных винтов - движителей помимо указанных выше преимуществ, дополнительно достигается то, что:

1. Передняя плоскость освобождается от таких негативных аэродинамических явлений винтов с классическим профилем, как отрывное обтекание, флаттер, волновое сопротивление и развитие обратной тяги при приближении круговой скорости концов лопастей к М= 1, при частоте вращения винта п = 2600-3000 об/мин. Для гребных винтов это оборачивается, помимо увеличения силы тяги, избавлением от кавитации и кавитационного разрушения лопастей гребных винтов.

2. Для винтов с новыми профилями не существует предела частоты вращения и предела достигаемой тяги при отсутствии ограничения, обусловленного мощностью двигателя и прочностными характеристиками лопастей.

3. Диаметры несущих винтов для вертолетов, с предлагаемыми профилями, можно сократить до пяти раз с одновременным увеличением частоты вращения, передаваемой на вал винта, до п=3000 об/мин и существенным упрощением группы редукторов.

4. Сокращение диаметра винтов ведет за собой уменьшение массы винтов в несколько раз, сокращение радиуса центра тяжести лопастей в несколько раз и сокращение инерционности винта также в несколько раз.

5. Доля полезного груза вертолетов, оснащенных несущими винтами с предлагаемыми профилями, достигнет 55-60% от взлетной массы. В Институте механики МГУ были проведены исследования динамических характеристик винта по изобретению, выполненного из дюраля с прямой задней плоскостью. При этом полученные результаты подтвердили корректность уравнений (3) - (6). Диаметр данного винта D=0,346 м, высота миделя, одинаковая по всей длине лопастей, п=0,00б м, хорда Ь=0,04 м. С близкими геометрическими размерами были созданы еще два винта, с профилем, показанным на Фиг.З, и классическим профилем NACA-23015. В качестве определяющего динамического параметра была взята удельная тяга винтов,

Н/м2, при близких значениях частоты вращения винтов, п, и круговой скорости середины лопасти, и. Получены следующие экспериментальные значения:

1) Винт по изобретению с прямолинейной задней плоскостью: и = 25,068 м/с; п=34,967 об/с; Fs=248,231 Н/м2. Винт с проф. NACA-23015 : u = 25,917 м/с; п = 38,017 с"1; Fs'=64,772 Н/м2, ki = Fs/Fs'=3,832.

2) Винт по изобретению с прямолинейной задней плоскостью: и = 62,777 м/с; п=87,567 с"1; Fs= 1726,97 Н/м2. Винт с проф. NACA-23015 : u = 62,207 м/с; п=91,25 с 1; Fs'=289,595 Н/м2, k2 = Fs/Fs'=5,963.

3) Винт по изобретению с криволинейной задней плоскостью (Фиг. 3) : и=69,309 м/с; п = 101,бб7 с'1; Fs= 1112,655 Н/м2. Винт с проф. NACA-23015 : u = 69,309 м/с; п = 101,667 с"1; Fs'=355,97 Н/м2, k3 = Fs/Fs'=3, 125.

4) Винт по изобретению с прямолинейной задней плоскостью: и = 56,51 м/с; п = 78,833 с"1; Fs= 1390,09 Н/м2. Винт по изобретению (Фиг. 3) : и = 5б,413 м/с; п=82,75 с 1; Fs'=712,557 Н/м2, k4=Fs/Fs'= l, 950847.

Анализ этих результатов свидетельствует в пользу того, что винты с предлагаемыми профилями создают существенно большую тягу, чем винт с классическим профилем NACA-23015 и винт - прототип.

Цитируемая литература.

Горлин СМ. Экспериментальная аэродинамика. Высшая школа,

1970г.

2. Базиев Д.Х. Основы единой теории физики . Педагогика, М ., 1994г.

3. Вертолёты стран мира/под ред. В. Г. Лебедя, М., 1994г.

4. http://www.lodka.com.ua.