Лопастный винт - RU2742113C2
Код документа: RU2742113C2
Чертежи
Описание
Область техники, к которой относится изобретение
[0001]Изобретение относится к лопастным винтам, которые могут быть использованы, например, для летательных аппаратов, плавательных средств, турбин, беспилотных летательных аппаратов и устройств циркуляции воздуха.
Сущность изобретения
[0002] Варианты выполнения обеспечивают лопастный винт, который имеет множество лопастей и средство для создания неаксиальной подъемной силы, которое создает неаксиальный поток текучей среды, и средство для изменения направления неаксиального потока текучей среды чтобы создавать аксиальное движение текучей среды или тягу. Лопастный винт может иметь ступицу или иметь форму обода или ʺбез ступицыʺ. Множество лопастей либо продолжается наружу из ступицы, либо внутрь от обода. Каждая лопасть может образовывать петлеобразную структуру, которая может быть открыта или закрыта, и иметь впускной участок и выпускной участок и концевой участок, продолжающийся радиально наружу от ступицы или внутрь от обода или формы «без ступицы». Средством для создания неаксиальной подъемной силы и неаксиального потока текучей среды, чтобы создать осевую тягу, может быть конфигурация лопастей, в которой в вертикальном сечении каждого из множества лопастей расстояние от оси вращения до переднего края лопасти больше, чем расстояние от оси вращения до заднего края лопасти в по меньшей мере части концевого участка.
[0003] Лопасти могут иметь впускной участок, выпускной участок и концевой участок, который соединяет впускной и выпускной участки, но не обязательно является дискретным элементом. Лопастный винт имеет впускной хвостовик и выпускной хвостовик, которые находятся либо на ободе, либо на ступице, например. Концевой участок может включать в себя угол крена на девяносто градусов, при этом угол крена равен нулю на впускном хвостовике. Вертикальный угол и шаговый угол концевого участка могут быть положительными повсюду. В примерном варианте выполнения концевой участок производит большую неаксиальную подъемную силу, чем либо впускной, либо выпускной участок.
[0004] В иллюстративном варианте выполнения переход от впускного участка к концевому участку происходит, когда величина неаксиальной подъемной силы, создаваемой данным параметрическим сечением лопасти, больше, чем произведенная осевая подъемная сила.
ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0005] Для более подробной информации относительно иллюстративных вариантов выполнения раскрытого лопастного винта делается ссылка на подробное описание, представленное ниже, в сочетании со следующими иллюстрациями. Все фигуры являются иллюстративными вариантами выполнения раскрытого лопастного винта.
[0006] На фигурах 1A-E изображены различные виды иллюстративного лопастного винта.
[0007] На фиг. 2 показаны параметрические сечения, определяющие лопасть лопастного винта.
[0008] На фиг. 3 показана геометрия параметрического сечения лопасти.
[0009] На фиг. 4A-F показаны измерения скоса на конце лопасти винта для параметрических сечений на впускном участке, концевом участке и выпускном участке лопасти лопастного винта.
[00010] На фиг. 5A-F показаны измерения для угла перекоса и вертикального угла параметрических сечений на впускном участке, концевом участке и выпускном участке лопасти лопастного винта.
[00011] На фиг. 6 показан пример потока текучей среды вокруг лопастей лопастного винта.
[00012] На фиг. 7A-D показаны примеры значений альфа и радиуса для выбранных параметрических сечений.
[00013] На фиг. 8A-H показаны иллюстративные значения или относительные значения различных параметров, которые определяют параметрическое сечение или лопасть.
[00014] На фиг. 9A-F показаны шаговые углы для выбранных параметрических сечений лопастей.
[00015] На фиг. 10A-B показаны виды турбовентилятора.
[00016] На фиг. 11 показан беспилотный летательный аппарат.
[00017] На фиг. 12A-c показан угол крена для выбранных параметрических сечений.
[00018] На фиг. 13A-F показан лопастный винт без ступицы и имеющий кольцо, от которого продолжаются лопасти лопастного винта.
[00019] На фиг. 14А-Б показан двухлопастный лопастный винт и его сечение.
[00020] На фиг. 15А-Б показан трехлопастный лопастный винт и его сечение.
[00021] На фиг. 16A-B показан пятилопастный лопастный винт и его сечение.
[00022] На фиг. 17A-B показан семилопастный лопастный винт и его сечение.
[00023] На фиг. 18A-F показан иллюстративный вариант выполнения лопастного винта с высоким скосом.
[00024] На фиг. 19А-F показан еще один иллюстративный вариант выполнения лопастного винта с высоким скосом для впуска и выпуска.
[00025] На фиг. 20A-I показан внутренний лопастный винт.
[00026] На фиг. 21A-F показан лопастный винт с выпуском через ступицу.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[00027] На фиг. 1A-E показан лопастный винт 100 согласно иллюстративному варианту выполнения. На фиг. 1A показан вид в перспективе лопастного винта 100. На фиг. 1В показан вид сбоку лопастного винта 100, а на фиг. 1С показана противоположная сторона лопастного винта 100. На фиг. 1D и 1E показан вид сверху (спереди) и снизу (сзади), соответственно, лопастного винта 100. Лопастный винт 100 включает в себя множество лопастей 102, 104, 106, каждая из которых имеет, концевой участок 122, впускной участок 124 и выпускной участок 126. В этом иллюстративном варианте лопасти 102, 104 и 106 продолжаются от ступицы 128. Каждая из лопастей 102, 104, 106 имеет срединную линию 108, 110, 112 соответственно. Лопасти 102, 104, 106 вращаются вокруг оси 103 ступицы. Для простоты термин "ступица" может использоваться для обозначения любой оси вращения, даже если физическая ступица отсутствует.
[00028] Лопасти имеют средство для создания неаксиальной подъемной силы и неаксиального потока текучей среды и средство для изменения направления неаксиального потока текучей среды на аксиальный поток текучей среды. В иллюстративных вариантах выполнения изобретения средством для создания неаксиальной подъемной силы и неаксиального потока текучей среды является конфигурация концевого участка лопасти, которая будет описана ниже. В иллюстративных вариантах выполнения средство изменения направления неаксиального потока текучей среды на аксиальный поток текучей среды представляет собой конфигурацию концевого участка и впускного участка, а также может включать выпускной участок, который также будет описан более подробно ниже.
[00029] Термин "лопастный винт", используемый в настоящем документе, может включать в себя вращающиеся лопастные устройства, которые могут использоваться для вытеснения текучей среды для приведения в движение устройства, или которые используются в стационарном устройстве, таком как, например, охлаждающий или другой циркуляционный вентилятор, который перемещает текучую среду, такую как воздух через него или вокруг него.
[00030] Лопастный винт 100 имеет три лопасти 102, 104, 106, расположенные с равными приращениями вокруг ступицы 128. Раскрытые варианты выполнения лопастного винта могут иметь, например, две, три, четыре, пять, шесть, семь или восемь лопастей, вращающихся в одной плоскости. Число лопастей в общем будет зависеть от применения лопастного винта. Например, дополнительные лопасти могут быть полезны для увеличения веса лодки или самолета, в которых используется лопастный винт для увеличения площади лопастей, тем самым уменьшая нагрузку на лопасти.
[00031] Лопасти 102, 104, 106 могут быть выполнены для вращения вокруг оси, соответствующей оси ступицы 103, но в устройстве, в котором нет ступицы, например, в конфигурации, в которой лопасти продолжаются внутрь от вращающейся опоры. Вращение опоры может быть вызвано электромагнитным полем. Ступица 128 также может быть полой и иметь отверстия на своей поверхности, например, в центробежном вентиляторе.
[00032] На фиг. 2 изображена лопасть 200, имеющая параметрические сечения 1-29, причем параметрическое сечение 1 в непосредственной близости от впускного хвостовика 204, и параметрическое сечение 29 в непосредственной близости от выпускного хвостовика 206. Каждое параметрическое сечение представляет собой набор физических свойств или измерений, значения которых определяют характеристики области лопасти. Параметрические сечения как группа определяют форму лопасти 200 и ее поведение. Параметрические сечения равномерно распределены в примерном варианте выполнения, но могут быть выбраны с неравными интервалами. Фиг. 2 служит только для иллюстрации того, как параметрические сечения лопасти могут быть расположены для определения геометрии лопасти. Параметрические сечения представляют собой форму и ориентацию лопасти 200 в определенном месте вдоль лопасти. Для создания лопасти между параметрическими сечениями формируется плавный переход. Используемый здесь термин «ориентация» может включать местоположение. В иллюстративном варианте выполнения изобретения на фиг. 2, сечения 1-29 лопастей представляют собой плоские сечения, расположенные вдоль нерегулярной спиральной срединной линии 202. «Нерегулярная спираль» используется здесь для обозначения варьирования от математической формулы, определяющей спираль, или в виде спирали в трехмерном пространстве, где угол между касательной линией в любой точке спирали и осью лопастного винта не является постоянным. Лопасть может иметь по меньшей мере частично нерегулярную, не спиральную срединную линию, или срединная линия может представлять собой нерегулярную спираль повсюду.
[00033] Хотя 29 сечений лопастей, показаны на фиг. 2, для определения лопасти может быть использовано больше или меньше сечений. Кроме того, внутри или частично внутри ступицы могут находиться сечения, которые не показаны или полностью не показаны. Лопасти могут быть ограничены плоскостными или цилиндрическими параметрическими сечениями.
[00034] Параметрические сечения 1-29 определяются, например, переменными ориентации, такими как угол крена и вертикальный угол (альфа), и могут включать переменные местоположения; и переменные формы, такие как длина хорды, толщина и кривизна. Дополнительная иллюстративная ориентация или переменная местоположения включают скос, угол перекоса и радиус. Некоторые или более переменных могут изменяться через лопасть или участок лопасти, а некоторые могут быть везде постоянными. Ориентационные переменные могут быть измерены относительно системы координат X-Y-Z. Система координат X-Y-Z имеет начало координат в центральной линии вала и генерирующую линию, перпендикулярную оси вала или оси 103 ступицы. Ось X расположена вдоль оси 103 ступицы, положительной по ходу движения. Ось Y направлена вдоль генерирующей линии, а ось Z положительна для порта для правостороннего лопастного винта. Левосторонний лопастный винт создается путем переключения оси Z и создания левосторонней системы координат.
[00035] Параметрические сечения могут быть расположены по их хордовой (нос-к-хвосту) промежуточной точке, например, с использованием радиуса, скоса и перекоса. Параметрические сечения может быть ориентированы с использованием углов Phi, Psi и Alfa, как будет описано ниже.
[00036] На фиг. 3 изображена геометрия параметрического сечения лопасти по отношению к профилю поперечного сечения лопасти, который может быть параметрическим сечением. Иллюстративное параметрическое сечение 300. Параметрическое сечение 300 имеет форму несимметричного аэродинамического профиля. Аэродинамический профиль ограничен криволинейной поверхностью 302 лопасти и, как правило, плоской поверхностью 304 лопасти с закругленным носом 306 на переднем крае 310 параметрического сечения и заостренным или менее закругленным хвостом 308 на заднем крае 312 параметрического сечения 300. Параметрические сечения также могут иметь форму симметричного аэродинамического профиля. Дополнительные формы параметрического сечения включают в себя, например, форму, имеющую параллельные линии 302, 304 поверхности лопасти. Линии 302, 304 поверхности лопастей также могут быть линейными и под углом друг к другу. Концы носа и хвоста могут быть закругленными, оба быть плоскими (перпендикулярно одной или двум линиям 302, 304 поверхности лопасти) или либо нос, либо хвост может быть закруглен, а другой из двух быть плоским. Лопасть, образованная из листового материала, например, в общем демонстрирует линии 302, 304 параллельные поверхности лопасти. В иллюстративном примере лопасти, образованной из листа, передний край лопасти закруглен, а задний край является плоским или менее округлым, хотя оба края, впускной и задний, могут быть округлены.
[00037] Иллюстративные переменные формы для параметрических сечений определяются следующим образом;
[00038] Радиус: Термин «радиус» используют для определения формы параметрического сечения и его ориентации относительно системы координат X-Y-Z. Что касается формы параметрического сечения, радиус может относиться, например, к кривизне носа 306 параметрического сечения 300 и, следовательно, будет называться «радиусом носа». Другие точки на параметрическом сечении 300 могут использоваться для вычисления радиуса. В качестве примера радиус переднего края параметрического сечения может быть рассчитан на основе максимальной толщины 316 и длины хорды 314.
[00039] Хорда: Хорда представляет собой линию 314 «нос-к-хвосту» параметрического сечения.
[00040] Толщина: Различные измерения толщины могут ограничивать параметрическое сечение, например, максимальная толщина 316. Еще одним наглядным примером является толщина заднего края, которая может быть рассчитана в процентах от максимальной толщины 316. Например, толщина заднего края может составлять 8% от максимальной толщины 316 параметрического сечения 300.
[00041] Кривизна: Кривизна 318 определяет кривизну параметрического сечения.
[00042] Иллюстративные переменные ориентации включают:
[00043] Скос: Скос представляет собой аксиальное положение середины хорды параметрического сечения.
[00044] Под «аксиальным расположением» в данном случае подразумевается ось X, совпадающая с осью вращения лопастного винта. Иллюстративные измерения скоса показаны на фиг. 4A-F для различных параметрических сечений. Каждая из фиг. 4A-F показывает координаты X, Y и Z, при этом ось X совпадает с осью вращения лопастного винта, а ось Y и ось Z перпендикулярны оси X, и три оси взаимно перпендикулярны. Параметры измеряют от начала системы координат. В иллюстративном варианте выполнения нулевая точка системы координат расположена вдоль оси вращения лопастного винта и ближе к впускному хвостовику, чем к выпускному хвостовику. Иллюстративно, значения вдоль оси X по направлению к впускному хвостовику являются отрицательными, а к выпускному хвостовику - положительными. В общем случае система координат расположена так, как требуется, и все параметры или геометрия измеряются от начала выбранной системы координат.
[00045] На фиг. 4а и 4Б изображен скос для параметрических сечений 412, 414 на впускном участке 402 лопасти 400. Параметрическое сечение 412 на фиг. 4А направлено к концевому участку 404 лопасти 400. Параметрическое сечение 414 направлено к впускному хвостовику 406. Скос измеряется вдоль оси вращения лопастного винта или вдоль линии, параллельной оси вращения. На иллюстративных примерах фиг. 4A, 4B, скос представляет собой расстояние от точки A при X, равном нулю, до координаты X точки B, при этом точка B находится в промежуточной точке 410 хорды параметрических сечений 412, 414. Значение координаты X точки B представлено посредством Bx на фиг. 4A-F.
[00046] На фиг. 4C и 4D изображен скос для параметрических сечений 418, 420 на концевом участке 404 лопасти 400. Параметрическое сечение 418 на фиг. 4С находится в первом положении на концевом участке 404 лопасти 400, где значение крена (описанное ниже) больше нуля и меньше 90 градусов. Параметрическое сечение 420 на фиг. 4D находится во втором положении на концевом участке 404, где значение крена равно или больше 90 градусов. На иллюстративных примерах на фиг. 4C, 4D, скос - это расстояние от точки A при X равно нулю до значения координаты X, Bx, точки B, где точка B находится в промежуточной точке 410 хорды параметрических сечений 418, 420. На фиг. 4E и 4F изображен скос для параметрических сечений 422, 424 на выпускном участке 426 лопасти 400. Параметрическое сечение 422 на фиг. 4E направлено к концевому участку 404 лопасти 400. Параметрическое сечение 424 направлено к выпускному участку 428. На иллюстративных примерах фиг. 4E, 4F, скос представляет собой расстояние от точки A при X, равном нулю, до значения координаты X точки B, при этом точка B находится в промежуточной точке 410 хорды параметрических сечений 422, 424.
[00047] Шаговый угол: Шаговый угол представляет собой угол между хордовой линией параметрического сечения и плоскостью, перпендикулярной оси X. Шаговый угол может быть рассчитан на основании величины шага и радиуса лопасти. Примеры шаговых углов параметрических сечений приведены на фиг. 4A и 4C. На фиг. 4A и 4c показан шаговый угол для параметрических сечений 412 и 418, соответственно.
[00048] Радиус: Радиус ориентации - это расстояние от центра ступицы 208 до промежуточной точки 320 хорды 314 параметрического сечения. Хорда 314 может также упоминаться как линия нос-к-хвосту. Радиус, описанный в этом параграфе, будет называться радиусом ориентации параметрического сечения, чтобы отличать его от радиуса носа или других радиусов формы параметрического сечения, которые не измеряются относительно системы координат X-Y-Z. Промежуточная точка 320 хорды 314 представляет собой точку на линии хорды параметрического сечения, через которую будет проходить срединная линия 202. Это проиллюстрировано на фиг. 2 линией R, которая продолжается от центра 208 ступицы до промежуточной точки хорды параметрического сечения 5. Обратите внимание, что хорда параметрического сечения 5 и промежуточная точка специально не показаны на фиг. 2.
[00049] На фиг. 5A-F изображена лопасть 400, просматриваемая вдоль оси вращения лопасти X. Фиг. 5A-F определяют репрезентативные радиусы параметрического сечения и угол перекоса. На фиг. 5А изображен радиус параметрического сечения 412 на впускном участке 402 лопасти 400. Фиг. 5B показывает радиус параметрического сечения 414, параметрического сечения на впускном участке 402 лопасти 400 дальше от впускного хвостовика 406, чем параметрическое сечение 412. На фиг. 5C и 5D изображены радиусы для параметрических сечений 418 и 420 соответственно, при этом параметрические сечения 418, 420 находятся на концевом участке 404. На фиг. 5e и 5F изображены радиусы для выпускного параметрического сечения 422 и 424 , соответственно, оба внутри выпускного участка 426. Положение параметрических сечений 412, 414, 418, 420, 422 и 424, находящихся во впускном участке 402, концевом участке 404 или выпускного участка 426, предусмотрено только для удобства обсуждения. Фактические значения параметров и результирующий поток текучей среды могут определять положение сечений в ином случае.
[00050] Фиг. 5A-F дополнительно показывает угол перекоса параметрических сечений 412, 414, 418, 420, 422, 424.
Угол перекоса представляет собой проецируемый угол от линии через промежуточную точку 410 хорды 314 до генерирующей линии, причем в этом иллюстративном варианте выполнения ось Y смотрит вдоль оси 103 ступицы (ось X).
[00051] На фиг. 7A-D в дополнение к изображению угла перекоса и радиуса, изображают вертикальный угол параметрического сечения, Альфа, обозначенный на каждой из фиг. 7A-D. Вертикальный угол можно также назвать «углом подъемной силы». Альфа представляет собой угол поворота параметрического сечения относительно линии, перпендикулярной линии перекоса, которая обозначена на фиг. 6A-D и описана ниже. Вышеупомянутая линия перекоса относится к линии вместе с нулевой линией перекоса, которая образует угол перекоса. В зависимости от значения Альфа, нос параметрического сечения будет либо «поднят», либо «опущен» от линейного перпендикуляра к линии перекоса, которая образует угол перекоса относительно нулевой линии перекоса, где нулевая линия перекоса совпадает с осью Y системы координат, идентифицированной на фиг. 7A-D.
[00052] Отмечается, что фиг. 5A-F не определяют Альфа, потому что Альфа равна нулю. Когда Альфа равна нулю, линия хорды параметрического сечения перпендикулярна нулевой линии перекоса. Это видно посредством сравнения фиг. 5A-F с фиг. 7А-D.
[00053] Крен: Крен представляет собой угол поворота параметрического сечения вокруг своей линии хорды. Как описано здесь, нулевое значение крена находится в плоскости, параллельной оси ступицы. В иллюстративном варианте выполнения крен в впускном хвостовике 132 имеет нулевое значение, крен во выпускном хвостовике 134 составляет 180 градусов, а крен 90 градусов расположен внутри концевого участка 122.
[00054] Различные иллюстративные варианты выполнения будут описаны комбинациями характеристик. Раскрытый лопастный винт включает в себя различные комбинации характеристик, эквиваленты элементов, а также может включать варианты, в которых включены не все характеристики.
[00055] В иллюстративном варианте выполнения лопастного винта, лопастный винт включает в себя множество лопастей в форме петли, как правило, как показано на фиг. 1A-E. Лопастный винт на фиг. 1A упоминается только как общая ссылка на то, чтобы приравнивать данные к зонам лопастного винта. Фактическая форма лопастей лопастного винта будет варьироваться согласно параметрам и в пределах указанных диапазонов.
[00056] Каждая лопасть 102, 104, 106 лопастного винта 100 включает в себя концевой участок 122, впускной участок 124 и выпускной участок 126. В иллюстративном варианте выполнения впускной участок составляет 0-45% от лопасти, концевой участок составляет 30%-75% от лопасти, а выпускной участок составляет от 50 процентов до 90 процентов лопасти.
[00057] Лопастный винт 100 может иметь различное количество лопастей, предпочтительно с одинаковыми характеристиками и параметрами, хотя вариации между лопастями находятся в рамках вариантов выполнения. Иллюстративное число лопастей составляет от двух до двенадцати, хотя в одном лопастном винте может быть больше лопастей. В конкретных вариантах выполнения лопастный винт может иметь три, четыре, пять, семь или одиннадцать лопастей. В варианте выполнения лопастного винта, имеющего петельные лопасти, лопасти имеют впускной хвостовик 132 в ступице 128 и выпускной хвостовик 134 в ступице 128. Впускной участок 124, концевой участок 122 и выпускной участок 126 совместно могут образовывать закрытую петлю или петля может быть открыта на впускном "хвостовике" или выпускном "хвостовике."
[00058] Крен: Угол крена (Psi) представляет собой угол ориентации вокруг хорды 314, например. Возвращаясь к фиг. 1A-F, впускной участок 124 продолжается от ступицы 128 обычно наружу для лопастного винта с ступицей 128. Впускной участок 124 может иметь нулевой крен на впускном хвостовике 132. Впускной участок 124 выполнен с возможностью создания только аксиальной подъемной силы или большей аксиальной подъемной силы, чем неаксиальная подъемная сила. Значение крена для всех параметрических сечений на впускном участке 124 может быть нулевым. Иллюстративные диапазоны значений крена для параметрических сечений на впускном участке 124 включают в себя ноль на впускном хвостовике 132, составляющем от около 1 до 35 градусов, где впускной участок 124 переходит в концевой участок 122. Дополнительные диапазоны значения вращения для впускного участка 124 от впускного хвостовика 132 до концевого участка 122 включают в себя: от нуля до около 5-25 градусов и от нуля до около 10-20 градусов.
[00060] Концевой участок 122 также может быть определен с помощью впускного конца концевого участка, начинающегося с первого отклонения от нуля значения крена и продолжающегося до конца выпускного участка, который начинается со значения крена 90 градусов или чуть больше 90 градусов. Концевой участок 122 выполнен для генерирования только неаксиальной подъемной силы, большей неаксиальной подъемной силы, чем аксиальная подъемная сила, или большей неаксиальной подъемной силы, чем впускной участок 124. Значение крена параметрических сечений на концевом участке 122 будет переходить от менее 90 градусов до более 90 градусов. Иллюстративные диапазоны значений крена на концевом участке 122 включают в себя от 1 до 46 градусов при переходе от впускного участка 124 между 91 и 150 градусами, где концевой участок переходит в выпускной участок 126. Дополнительные иллюстративные диапазоны значений крена концевого участка 122 включают начало при переходе от впускного участка 124 между 5 и 25 градусами и переход к крену в пределах 110-135 градусов.
[00061] В иллюстративном варианте выполнения переход от впускного участка 124 к концевому участку 122 происходит, когда величина неаксиальной подъемной силы, создаваемой данным параметрическим сечением, больше, чем аксиальная подъемная сила. В конкретном варианте выполнения изобретения этот переход имеет место, когда крен равен 45 градусам, или когда крен находится в диапазоне от 40 градусов до 50 градусов.
[00062] Выпускной участок 126 выполнен с возможностью генерировать меньшую неаксиальную подъемную силу, чем концевой участок 122. В иллюстративном варианте выполнения изобретения лопасть выполнена таким образом, что средняя неаксиальная подъемная сила является наибольшей на концевом участке 122 по сравнению с либо впускным участком 124, либо выпускным участком 126. В иллюстративном варианте лопасть выполнена таким образом, чтобы средняя неаксиальная подъемная сила, если таковая имеется, была больше на выпускном участке 126, чем на впускном участке 124. Иллюстративные диапазоны значений крена выпускного участка 126 включают в себя между 91 градусами и 150 градусами при переходе от концевого участка 122 к выпускному участку 126 через 180 градусов на выпускном хвостовике 134. Дополнительные иллюстративные диапазоны включают начало при переходе от концевого участка 122, между 91 градусами и 135 градусами и переход к крену в 180 градусов на выпускном хвостовике 134.
[00063] На фиг. 8A-H показаны иллюстративные значения или относительные значения различных параметров, которые определяют параметрическое сечение или лопасть. На фиг. 8А показаны иллюстративные значения крена от впускного хвостовика лопасти к выпускному хвостовику. В иллюстративном варианте выполнения, начиная с впускного хвостовика 132 через выпускной хвостовик 134, крен параметрического сечения переходит от нуля до 5 градусов по сравнению с первыми 25 процентами лопасти, от около 5 градусов до около 162 градусов над следующими 50 процентами лопасти, и от около 165 градусов до около 180 градусов по сравнению с последними 25 процентами лопасти.
[00064] В иллюстративном варианте выполнения неаксиальная подъемная сила создается 10-90 процентами лопасти. Дополнительные иллюстративные диапазоны включают от 10 до 75 процентов и от 25 до 50 процентов.
[00065] На фиг. 6 показан иллюстративный пример лопастного винта 600 с потоком текучей среды вокруг лопастей 602, 604. Впускные участки 606, 608 показывают поток текучей среды в осевом направлении на впускных участках 606, 608 лопастей 602, 604, соответственно. Поток текучей среды остается осевым, когда лопастный винт перемещается вперед или текучая среда перемещается через лопасти 602, 604. Поток текучей среды остается аксиальным, так как отходит от выпускных участков 610, 612 лопастей 602, 604, соответственно.
[00066] В пределах концевого участка лопастей 602 осевая тяга 604 генерируется из неаксиальной подъемной силы. Неаксиальная подъемная сила приводит к потоку текучей среды в лопасти лопастного винта, например, внутри внутренней части петли. Текучая среда встречает передний край концевого участка 610, 612 неаксиально. По мере того как текучая среда втягивается концевыми участками 610, 612, она перенаправляется по направлению к аксиальному направлению в петлях лопастей 602, 604. Неаксиальная подъемная сила может вызвать качание, которое создается концевым участком. Когда текучая среда проходит задний край лопастей 602, 604 в концевых участках 610, 612 она направлена по ходу аксиального направления или еще далее по ходу аксиального направления, чем когда она входит внутрь петель лопастей 602, 604.
[00067] В иллюстративном варианте выполнения лопастный винт 600 выполнен с возможностью создания смеси свободного потока и струйного потока текучей среды задней части лопастного винта, причем область смешивания больше диаметра лопастного винта, где диаметр лопастного винта в этом случае представляет собой измерение самого большого пролета лопастного винта через ось ступицы.
[00068] Возвращаясь к фиг. 1A-F, концевой участок 122, впускные участки 124 и выпускные участки 126 не обязательно продолжают равные расстояния, например, вдоль срединных линий 108, 110, 112. В иллюстративном варианте выполнения, впускные участки 124 включают более короткое расстояние, чем выпускные участки 126. Следовательно, расстояние по срединной линии 108, 110, 112, на котором лопасть выполнена с возможностью перенаправления аксиальной подъемной силы на неаксиальную подъемную силу, продолжается большее от выпускного хвостовика 134, чем от впускного хвостовика 132. В иллюстративном варианте выполнения впускной участок 124 продолжается на расстояние в диапазоне от 10 до 50 процентов от длины срединной линии, выпускной участок 126 продолжается на расстояние в диапазоне от 10 до 60 процентов от длины срединной линии; и концевой участок 122 продолжается на расстояние от 5 до 60 процентов от длины срединной линии.
[00069] На фиг. 8B изображены иллюстративные относительные значения шагового угла от впускного хвостовика лопасти к выпускному хвостовику. В иллюстративном варианте выполнения, начиная с впускного хвостовика 132 через выпускной хвостовик 134, шаговый угол параметрического сечения переходит от около 70 градусов до около 35 градусов, в течение следующих 50 процентов шагового угла лопасти переходит от около 35 до около 25 градусов и по сравнению с последними 25 процентами лопасти, шаговый угол переходит от около 25 градусов до около 75 градусов. В иллюстративном варианте выполнения изобретения концевой участок 122 имеет ненулевой шаговый угол по всей длине. В примерном варианте осуществления изобретения концевой участок 122 изобретения определен как и выполнен так, чтобы иметь ненулевой шаг и перенаправить неаксиальную подъемную силу для создания осевой тяги.
[00070] Фиг. 8C изображает вертикальный угол, Альфа, от впускного хвостовика лопасти к выпускному хвостовику согласно иллюстративному варианту выполнения. Вертикальный угол ориентирует параметрические сечения от перпендикулярного к перекосу. В иллюстративном варианте выполнения вертикальный угол равен нулю для всех параметрических сечений. В дальнейшем варианте выполнения вертикальный угол для впускного участка и концевого участка положителен для всех параметрических сечений, а вертикальный угол для выпускного участка отрицателен для всех параметрических сечений. В еще одном варианте выполнения концевой участок 122 может иметь по меньшей мере одно параметрическое сечение с ненулевым вертикальным углом. В других вариантах выполнения средний вертикальный угол для концевого участка и впускной участок больше среднего вертикального угла выпускного участка.
[00071] В иллюстративном варианте выполнения средний вертикальный угол для параметрических сечений в выпускном участке 126 больше среднего вертикального угла для параметрических сечений во впускном участке 124.
[00072] Иллюстративные диапазоны вертикального угла концевого участка 122 включают в себя от 0 до 1 градуса, 1 градус до 10 градусов; 4 градуса до 6 градусов; от нуля до 5 градусов; 1 градус до 4 градусов; и от 2 до 3 градусов. Вертикальный угол также может быть равен нулю по всей лопасти. Вертикальный угол на концевом участке может привести к тому, что текучая среда будет втягиваться внутрь петли лопасти и, таким образом, может вызывать качание. Вертикальный угол на концевом участке также может создавать поток текучей среды, который находится вне оси от направления движения, который перенаправляется на осевой поток текучей среды внутри петли. Чем больше вертикальный угол в концевой зоне, тем больше величина неаксиальной подъемной силы и, как результат, больше величина неаксиальной текучей среды течет в лопастный винт. Вертикальный угол параметрических сечений на концевом участке 122 может создать неаксиальную подъемную силу и качание в непосредственной близости. В иллюстративных вариантах выполнения вертикальный угол составляет от -45 градусов до 45 градусов по всей лопасти; от -25 градусов до 25 градусов или от -15 градусов до 15 градусов по всей лопасти.
[00073] На фиг. 8D изображены иллюстративные относительные значения радиуса от впускного хвостовика лопасти к выпускному хвостовику. В иллюстративном варианте выполнения радиус параметрических сечений увеличивается на протяжении первых 60-80 процентов лопасти, начиная с впускного хвостовика 132, а затем уменьшается через параметрические сечения до выпускного хвостовика 134. Как использовано в данном параграфе и в других местах, переходы параметров через параметрические сечения соответствуют переходам через лопасть.
[00074] На фиг. 8Е показаны иллюстративные значения скоса от впускного хвостовика лопасти до выпускного хвостовика. Скос в примерном варианте выполнения может быть по возрастанию отрицательным от впускного хвостовика 132 через первые 30 процентов до 40 процентов лопасти. Затем скос может увеличиться в течение следующих 10-15 процентов лопасти, пока не достигнет положительных значений. Затем скос может продолжать увеличиваться еще на 20-40 процентов лопасти, а затем выравниваться для остальной части лопасти или уменьшаться. Скос также может быть линейными от впускного хвостовика из нулевого положения до положительного значения выпускного хвостовика.
[00075] На фиг. 8F показаны иллюстративные относительные значения перекоса от впускного хвостовика лопасти к выпускному хвостовику. В иллюстративном варианте выполнения величина перекоса непрерывно увеличивается от впускного хвостовика 132 через выпускной хвостовик 134. В другом иллюстративном варианте выполнения величина перекоса может постоянно уменьшаться, поэтому выпускной участок находится впереди впускного участка и концевого участка плоскости вращения. Хорда 314 параметрического сечения может быть нормальной к линии перекоса по всей лопасти или в части лопасти, при этом линия перекоса, которой хорда 314 перпендикулярна, является линией перекоса, образующей угол перекоса с нулевой линией перекоса.
[00076] На фиг. 8G показаны иллюстративные относительные значения кривизны от впускного хвостовика лопасти к выпускному хвостовику. В иллюстративном варианте выполнения кривизна параметрических сечений переходит от положительного значения на впускном хвостовике 132 к отрицательному значению на выпускном хвостовике 134, в котором спинка лопасти переходит в корыто лопасти вблизи перехода от концевого участка к участку выпуска на стыке положительной кривизны с отрицательной кривизной.
[00077] На фиг. 8H изображено иллюстративное относительные значение хорды от впускного хвостовика лопасти к выпускному хвостовику. В иллюстративном варианте выполнения хорда уменьшается от впускного хвостовика 132 и затем начинает увеличиваться в направлении к выпускному участку 126 и продолжает увеличиваться до выпускного хвостовика 134. В других иллюстративных вариантах выполнения хорда увеличивается от впускного хвостовика 132, а затем уменьшается по направлению к выпускному участку 126 и продолжает уменьшаться до выпускного хвостовика 134.
[00078] В иллюстративных вариантах выполнения концевой участок 122 от впускного конца концевого участка к выпускному концу концевого участка имеет одну или несколько из следующих характеристик:
средняя неаксиальная подъемная сила больше, чем средняя аксиальная подъемная сила;.
неаксиальная подъемная сила от впускного конца концевого участка до выпускного конца концевого участка;
везде нулевое значение альфа;
везде положительный шаговый угол;
везде положительная величина шага
положительный шаговый угол на всем участке между 70% и 95% концевого участка 122
максимальное значение радиуса лопасти внутри концевого участка, продолжающееся от параметрического сечения, имеющее значение крена 80 градусов, до параметрического сечения, имеющего значение крена 95 градусов.
[00079] На диаграмме ниже приведены иллюстративные значения для выбранных параметрических сечений. Параметрические сечения 2, 6, 11, 19, 25 и 29 от лопасти определяют 30 параметрическими сечениями. Параметрическое сечение 2 является ближайшим из выбранных параметрических сечений к впускному хвостовику 132. Параметрическое сечение 29 является ближайшим из выбранных параметрических сечений к выпускному хвостовику 134.
[00080] Фиг. 5A-F обеспечивают схематическое представление параметрических сечений 2, 6, 11, 19, 25 и 29 соответственно. Как отмечалось выше, фиг. 5A-F изображают параметрические сечения, имеющие нулевое значение Альфа. В иллюстративном варианте выполнения эти параметрические сечения могут входить в группу параметрических сечений, имеющих нулевое значение Альфа, образующих лопасть лопастного винта.
[00081] Ссылаясь на фиг. 5A-F, видно, что радиус увеличивается от параметрического сечения 2 через параметрическое сечение 19, а затем уменьшается в параметрическом сечении 25 через параметрическое сечение 29. Шаг, перекос и крен увеличиваются по всем параметрическим сечениям 2, 6, 11, 19, 25 и 29. Шаговый угол уменьшается от параметрического сечения 2 через параметрическое сечение 25 и после этого показывает рост на параметрическом сечении 29.
[00082] Фиг. 9A-F обеспечивают схематическое представление шагового угла для параметрических сечений 2, 6, 11, 19, 25 и 29, соответственно. Шаговый угол изменяется по всей лопасти с наибольшими значениями, происходящими на впускных и выпускных хвостовиках.
[00083] На фиг. 7A-D изображены представления параметрических сечений 6, 11, 19 и 25 из 30 параметрических сечений, определяющих лопасть, показанную в таблице ниже. Эти параметры включают различные значения Альфа. На диаграмме ниже приведены иллюстративные значения для выбранных параметрических сечений.
[00084] Радиус, шаг, перекос, шаговый угол и крен дают такие же значения, как иллюстративный пример, имеющий Альфу, равную нулю. В варианте выполнения, представленном на фиг. 7A-D, Альфа уменьшается через параметрические сечения с 6 по 19 и затем становится отрицательным в месте на лопасти между параметрическими сечениями 19 и 25. Это изменение проиллюстрировано на фиг. 7А-Д.
[00085] Следует отметить, что везде, где значения связаны с параметрическими сечениями, значения могут определять участки лопасти, поскольку каждый из впускного, выпускного участков и концевой участок определяется здесь.
[00086] Иллюстративные варианты выполнения лопастного винта могут иметь одну или несколько из следующих характеристик и любые характеристики, описанные здесь:
по всему по меньшей мере участку концевого участка 122 на стороне впуска на крене 90 градусов, расстояние (N) до носа параметрического сечения, измеренное перпендикулярно от оси ступицы 103, больше, чем расстояние (T) до концевого участка параметрического сечения, измеренное перпендикулярно оси ступицы;
80% концевого участка имеет значение крена менее 90 градусов и N>T для тех же 80% концевого участка;
средний шаговый угол выпускного участка 126 больше среднего шага выпускного участка 124;
шаговый угол меняется по мере того, как меняется крен;
шаговый угол положителен на всей лопасти;
длина всего переднего края лопасти лопастного винта больше длины всего заднего края, при измерении перпендикулярно оси лопастного винта;
первое положение скоса (впускной хвостовик) меньше, чем последнее положение скоса (выпускной хвостовик), таким образом возникает результирующий зазор между впускным хвостовиком и выпускным хвостовиком с выпускным хвостовиком задней части впускного хвостовика;
перекос увеличивается от впускного хвостовика 132 до выпускного хвостовика 134;
впускной хвостовик находится в направлении от выпускного хвостовика, а перекос начинается с нуля и заканчивается положительным значением;
впускной хвостовик находится на задней части выпускного хвостовика, а перекос начинается с нуля и заканчивается отрицательным значением;
весь впускной участок находится впереди выпускного участка, за исключением концевой зоны.
наибольшая толщина сечения лопасти находится между промежуточной точкой хорды и передним краем сечения;
поверхность спинки лопасти продолжает поворачиваться по направлению к концевому участку на впускном участке, а затем становится поверхностью корыта лопасти на выпускном участке;
впускной хвостовик 132 находится на одной линии с выпускным хвостовиком 134, поэтому перекос равен нулю;
существенное перемешивание струйного потока и свободного потока по ходу движения выпуска лопасти по сравнению с традиционными лопастными винтами;
лопасти выполнены на ʺэффективное увеличениеʺ диаметра лопастного винта, увеличением смеси свободного потока и струйного потока;
шаговый угол выпускной лопасти у конца его хвостовика больше, чем шаговый угол впускной лопасти на конце его хвостовика;
концевой участок имеет угол крена 90 градусов, расположенный ближе к выпускному участку, чем к впускному участку;
зазор между хвостовиком впускного участка и хвостовиком выпускного участка;
длина хорды параметрических сечений, изменяющихся по всем лопастям;
параметрические сечения, определяющие лопасть, являются плоскими и перпендикулярными к срединной линии;
Некоторые или все параметрические сечения, определяющие лопасть, являются неплоскими, цилиндрическими по отношению к срединной линии.
отрицательный скос в выпускном участке;
положительный скос в выпускном участке и
лопасти различной конфигурации объединены в один лопастный винт.
[00087] Варианты лопастного винта могут иметь одну и ту же срединную линию, но варьироваться в других параметрах. Ряд лопастных винтов в соответствии с иллюстративными вариантами выполнения изобретения может быть основан на общей срединной линии с переменным шагом параметрического сечения, углом атаки, углом, скосом, площадью поверхности, отношением площади, формой сплайна, профилем сечения, длиной хорды, вертикальным углом, креном и другими параметрами лопасти.
[00088] На фиг. 14A-B, 15A-B, 16A-B и 17A-B изображены виды сбоку и виды в сечении лопастных винтов с двумя лопастями, тремя лопастями, четырьмя лопастями и семью лопастями соответственно. Сечения просматриваются с места расположения лопастного винта вдоль оси вращения. Сечения, в общем, находятся на концевом участке 122 лопасти. Как можно было видеть в каждом из чертежей сечения, для каждого профиля сечения лопасти, расстояние А от оси вращения к переднему краю сечения лопасти больше, чем расстояние В от оси вращения до заднего края сечения лопасти в этих конкретных областях концевого участка 122. В иллюстративном варианте выполнения изобретения A больше B для всего концевого участка 122. В дальнейших иллюстративных вариантах выполнения изобретения A больше, чем B, от 50 до 100 процентов концевого участка 122. В дальнейших вариантах выполнения процент концевого участка 122, который имеет А, больший B, находится в диапазоне от 85 до 90 процентов. В общем, чем больше разница между длиной полосы A B, тем больше текучей среды будет втягиваться из неаксиального направления. Аналогичным образом, чем больше процент лопасти, у которой A больше B, тем больше текучей среды будет втягиваться с неаксиальных направлений.
[00089] Иллюстративные варианты выполнения изображены или описаны как лопастный винт, имеющий ступицу. Лопасти, описанные здесь, могут также использоваться в устройстве лопастного винта без ступицы, как показано на фиг. 13А-G. Фиг. 13A представляет собой вид в перспективе лопастного винта 800 "без ступицы". В этом варианте выполнения имеется семь лопастей 804, каждая из которых имеет свой впускной хвостовик 132 и выпускной хвостовик 134, продолжающийся от обода 802, с концевым участком 122, направленного к центру лопастного винта. На фиг. 13B-G показаны виды сверху, снизу, спереди, сзади, слева и справа соответственно. Термины ʺслеваʺ, ʺсправаʺ, ʺспередиʺ и ʺсзадиʺ используются для целей описания только для того, чтобы отличать виды от интервалов 90 градусов вокруг лопастного винта, но как круговое устройство, не имеют буквального значения. Лопасти следуют тем же или аналогичным характеристикам, что и лопастные винты со ступицами, с некоторыми различными потоками воздуха из-за обода.
[00090] Далее раскрыт способ создания лопастного винта в соответствии с любым из вариантов выполнения, описанным здесь. В иллюстративном варианте выполнения предусмотрено множество независимо изменяемых переменных ориентации и формы для определения ориентации и формы множества параметрических сечений, образующих лопасть лопастного винта. Переменные формы и ориентации могут быть любой комбинацией тех, которые раскрыты здесь. Параметрические сечения могут быть плоскими или цилиндрическими. В иллюстративном варианте выполнения переменные изменяются для создания прямого и перенаправленного подъема по желанию, как описано здесь. Затем выполненные параметрические сечения используются для формирования лопасти путем экстраполяции между параметрическими сечениями для формирования гладких линий. Способ может быть использован для образования любой лопасти, как описано здесь.
[00091] Изобретение включает несколько различных устройств, имеющих в своем составе раскрытый лопастный винт. Например, изобретение включает в себя следующие иллюстративные устройства: движители, закрытые лопастные винты, герметичные лопастные винты, крыльчатки, летательные аппараты, плавательные средства, турбины, включая ветровые турбины, охлаждающие устройства, нагревательные устройства, автомобильные двигатели, беспилотные летательные аппараты, турбовентиляторы (гидроагрегаты), устройства для циркуляции воздуха, компрессоры, струйные насосы, центробежные вентиляторы, реактивные двигатели и тому подобное. Изобретение также включает в себя способы изготовления и проектирования лопастного винта, включающие любое из вышеперечисленных устройств, в соответствии с любым из вариантов выполнения, описанных, изображенных или заявленных здесь; причем способ изготовления устройства содержит любой из вышеупомянутых лопастных винтов; способ изготовления изделия, в котором способ включает в себя установку устройства, содержащего любой из вышеупомянутых лопастных винтов.
[00092] Отношение крена к расстоянию вдоль средней линии может быть фактором того, подходит ли конкретный лопастный винт для применения. Например, больший крен на заданное расстояние создает более плоский профиль лопасти и, следовательно, может быть более подходящим для применения в качестве вентилятора для охлаждающего или вентиляционного устройства.
[00093] В иллюстративном варианте выполнения лопастный винт, как описано здесь, включен в турбовентилятор, как показано, например, на фиг. 10A и 10B. Турбовентилятор может иметь, например, от восьми до двенадцати лопастей. Отмечается, что лопасти изображенные на фиг. 10A-B, не обязательно относятся к типу, описанному здесь. Фигуры приводятся лишь для указания типа устройства.
[00094] В дальнейшем иллюстративном варианте выполнения изобретения описанный здесь лопастный винт встраивается в беспилотный летательный аппарат или в устройство, как показано, например, на фиг. 11. Отмечается, что лопасти изображенные на фиг. 11, не обязательно относятся к типу, описанному здесь. Фигуры приводятся лишь для указания типа устройства.
[00095] Различные варианты выполнения и вид иллюстративных лопастных винтов представлены на фиг. 18A-F, ФИГ. 19A-F, ФИГ. 20А и фиг. 21A-F. виды, в том числе сверху, снизу, спереди, сзади, слева, справа и перспективные виды, представлены и помечены на чертежах. Термины "слева", ʺсправаʺ, ʺспередиʺ и "сзади" используются только для целей описания, чтобы отличать виды от 90-градусных интервалов вокруг лопастного винта, но как круговое устройство эти термины не имеют значения. На фиг. 18А-F изображен иллюстративный вариант выполнения лопастного винта с высоким значением скоса для впускного участка лопасти. На фиг. 19А-F изображен еще один иллюстративный вариант выполнения лопастного винта с высоким значением скоса для впуска и выпуска. На фиг. 20A-I показан внутренний лопастный винт. На фиг. 21A-F изображен лопастный винт с выпуском через ступицу для подвесного двигателя.
[00096] Описаны различные варианты выполнения изобретения, каждый из которых имеет различное сочетание элементов. Изобретение не ограничивается раскрытыми конкретными вариантами выполнения и может включать в себя различные комбинации раскрытых элементов или упущения некоторых элементов и эквивалентов таких структур. В то время как изобретение было описано иллюстративными вариантами, дополнительные преимущества и изменения произойдут для тех, кто владеет уровнем техники.
[00097] Поэтому изобретение в его более широких аспектах не ограничивается конкретными деталями, показанными и описанными здесь. Модификации, например, количество лопастей и кривизна лопастей, могут производиться без отступления от духа и объема изобретения. Соответственно, предполагается, что изобретение не должно ограничиваться конкретными иллюстративными вариантами выполнения, а должно толковаться в рамках всего объема прилагаемых формул изобретения и их эквивалентов.
Реферат
Лопастный винт для использования с текучими средами, предназначенный для перемещения объекта или человека или для перемещения текучей среды, содержит множество лопастей, средство для создания неаксиальной подъемной силы и неаксиального потока текучей среды, средство для изменения направления неаксиального потока текучей среды на аксиальный поток текучей среды и ось вращения, совпадающую со ступицей. Множество лопастей выступает радиально наружу от оси вращения и расположено вокруг оси вращения. Каждая лопасть формирует петлеобразную структуру и имеет впускной участок, выпускной участок и концевой участок, продолжающийся радиально наружу от оси вращения. Средством генерации неаксиальной подъемной силы и неаксиального потока текучей среды является лопасть. Устройство имеет лопастный винт и выбрано из группы, состоящей из движителей, закрытых лопастных винтов, герметичных лопастных винтов, крыльчаток, летательных аппаратов, плавательных средств, турбин, включая ветровые турбины, охлаждающие устройства, нагревательные устройства, автомобильные двигатели, беспилотные летательные аппараты, турбовентиляторы, гидроагрегаты, устройства циркуляции воздуха, компрессоры и струйные насосы. Группа изобретений направлена на расширение арсенала технических средств. 2 н. и 24 з.п. ф-лы, 21 ил.
