винтовой движитель

Формула изобретения

1. Винтовой движитель, включающий ступицу с пустотелыми лопастями, соединенными через внутренний канал с внешней средой, имеющими на засасывающей поверхности локальную систему выпускных отверстий и снабженными внутренними ребрами жесткости, отличающийся тем, что канал любой геометрии, соединяющий полость лопасти с внешней средой - наружный и расположен в корне лопасти, при этом вектор направления потока среды в полость - тангенциальный, а систему выпускных отверстий любой геометрии распределяют по всей площади засасывающей поверхности лопасти винта.

2. Винтовой движитель по п. 1, отличающийся тем, что треугольный канал, одной из сторон которого является входящая кромка нагнетательной поверхности лопасти, расположен на засасывающей поверхности лопасти.

3. Винтовой движитель по п. 1, отличающийся тем, что канал щелевидной формы, стенками которого являются обе поверхности лопасти, располагают в торце корня лопасти.

4. Винтовой движитель по п. 1, отличающийся тем, что лопасти имеют внутреннюю систему перфорированных ребер жесткости.

Описание изобретения к патенту

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

Изобретение раскрывается конструкцией гребного винта многоцелевого назначения, включающего основные режимы работы и суперскоростные его варианты.

В заявке приводится два варианта возможной практической применимости движителя: с пустотелыми лопастями (при небольших упорных характеристиках) и снабженных внутренними перфорированными ребрами жесткости, для винтов с большими механическими нагрузками.

Известна "Пустотелая лопасть судового гребного винта" (см. пат. Швеции 302884, В 63 Н 1/14, 1971), включающая переднюю и заднюю стенки, соединенные между собой и образующие соответственно нагнетательную и засасывающую поверхности, снабженные внутренними ребрами жесткости.

Известный гребной винт не нашел практического применения, так как имеет значительное гидравлическое сопротивление, низкий КПД, а его скоростные варианты подвержены быстрому кавитационному разрушению.

Известен "Каветирующий гребной винт для быстроходных судов" (см. а.с. СССР 353866, В 63 Н 1/14, 1972), включающий ступицу с литыми лопастями, имеющими радиальные прорези с профилированными кромками.

Известный гребной винт практически не применяется, так как во время работы, при перепаде статического давления между нагнетательной и засасывающей сторонами, происходит перетек части внешней среды через прорезь в лопасти в область последней, на что затрачивается значительная часть энергии и, как следствие, потеря упора. Следовательно, кавитационная защита напрямую связана с уменьшением КПД винта. При этом данное решение не устраняет кавитационное разрушение материала винта, а лишь снижает его интенсивность. Гидравлическое сопротивление винта остается достаточно большим, а КПД минимильным.

Известен "Судовой гребной винт с минимум двумя перфорированными полыми лопастями" (см. пат. Великобритании 2110307 А, В 63 Н 1/14, 1983), где каждая из них снабжена выпускными отверстиями, расположенными на засасывающей поверхности и соединена через внутренний канал в ступице с напорной стороной винта, благодаря чему при его вращении происходит перемещение внешней среды с этой стороны в зону низкого давления.

Гребные винты по пат. 2110307 А и а.с. 353866 функционально идентичны и различаются только конструктивно. Поэтому декларативно заявленное повышение его КПД теоретически не имеет обоснования и поэтому практически не может быть достигнуто. При этом создание локальной демпферной подушки на низкой стороне не исключает кавитационного разрушения тонкостенных лопастей на других участках, поэтому в скоростных вариантах известный гребной винт не применим. При этом гидравлическое сопротивление профиля лопасти остается достаточно большим, а его КПД минимальным. Именно по этим причинам данный движитель к практическому использованию не востребован.

Заявитель отмечает, что все приведенные аналоги прямого отношения к заявленному решению не имеют, так как отражают различные изобретательские цели и теоретические обоснования.

Заявленное решение обеспечивает достижение следующих технических результатов:

- система отверстий любой геометрии на засасыващей поверхности лопасти является необходимым и достаточным условием для создания в области, примыкающей к засасывающей поверхности в пределах пограничного слоя, статического давления, равного гидростатическому в данной точке;

- гидравлическое сопротивление лопасти является функцией от угловой скорости вращения винта и при угловом ускорении стремится к нулю, т.е. в пределе гидравлическое сопротивление теряется;

- полное исключение возникновения кавитационного процесса, а отсюда и эрозии материала лопасти при работе винта на закритических скоростях;

- при адекватных условиях и идентичных параметрах механический КПД винта увеличивается как минимум в два раза, т. е. на 100% и более;

- работа винта во всем диапазоне скоростей остается бесшумной;

- отсутствие деаэрационного следа при работе винта при любых скоростных режимах;

- возможность создания суперскоростных износоустойчивых, "вечных", винтов из обычной коррозионно-устойчивой стали, что значительно снизит их стоимость, а также расходы на профилактику и судоремонт;

- за счет кардинального изменения процесса обтекания потоком среды засасывающей стороны лопасти, достигается значительное уменьшение силы вязкого трения в этой области (теоретически в два раза);

- исключение вихревых потоков вокруг лопастей, вызванных эффектом Жуковского;

- значительная экономия топлива позитивно отразится как на экономике морских перевозок, так и на экологии акваторий;

- при определенной скорости быстроходного судна небольшой массы, например прогулочного катера, будет наблюдаться необычный эффект: гребной винт начнет ввинчиваться в окружающую несжимаемую среду подобно буравчику.

Отличительными существенными признаками заявленного винтового движителя является:

- ступица с тонкостенными пустотелыми лопастями, засасывающая поверхность которых имеет систему выпускных отверстий любой геометрии, а также с лопастями, имеющими к тому же перфорированные ребра жесткости;

- систему отверстий распределяют по всей площади засасывающей поверхности, что обеспечивает достаточную стационарную циркуляцию среды за пределы полости лопасти и создание сплошной демпферной подушки, блокирующей всю ее поверхность;

- канал любой геометрии, соединяющий полость лопасти с внешней средой, - наружный и расположен в корне входящей стороны лопасти, например треугольный, где одной из сторон является входящая кромка нагнетательной поверхности, с расположением площади канала на засасывающей поверхности;

- щелевидный, с расположением в торце лопасти, стенками которого являются обе поверхности лопасти;

- вектор направления потока среды, входящего в полость, - тангенциальный.

Рассмотрим связи между существенными признаками заявленного решения и достигаемыми при этом техническими результатами.

Известно, что сила, действующая на помещеное в поток среды тело, складывается из разности давлений перед и за телом, а также силы вязкого трения слоев среды, прилегающих к его поверхности. При этом разность давлений перед и за телом называют гидравлическим сопротивлением, а их сумму (с трением) - лобовым сопротивлением тела в потоке среды. Из определения следует, что если за телом каким-то способом создать давление, равное перед ним, то его гидравлическое сопротивление обращается в нуль, а лобовое будет равно силе вязкого трения, т.е. резко падает. При этом на дозвуковых скоростях, когда сжимаемостью среды можно пренебречь, полное давление перед движущимся телом, согласно уравнению Бернулли всегда будет равно гидростатическому в данной точке покоящейся жидкости. Следовательно, чтобы гидравлическое сопротивление движущегося тела превратилось в нуль, необходимо создать за ним (телом) давление, равное гидростатическому в данной точке.

К этому необходимо добавить, что равенство нулю гидравлического сопротивления твердого тела, движущегося в идеальной среде, впервые было теоретически обосновано французским ученым Ж. Даламбером и в связи с этим получило название "Парадокс Даламбера". Данное изобретение позволяет использовать выводы "парадокса" на практике, в реальных вязких средах.

В предлагаемой конструкции частицы жидкости из вращающихся полых лопастей выбрасываются через систему отверстий на засасывающей стороне лопасти в окружающую наружную среду под действием разности сил давления: центробежного (внутри лопасти) и наружного, являющегося статической составляющей полного давления потока, обтекающего лопасть винта. При этом с увеличением угловой скорости вращения винта внутреннее (центробежное) давление растет, а наружное (статическое) падает, вследствие увеличения относительной скорости обтекания внешней средой лопастей, а также растяжения примыкающих к засасывающей поверхности ее слоев. Отсюда модуль вектора относительной скорости выбрасываемых частиц, направленный по нормали в точке засасывающей поверхности, увеличивается. Если учесть, что вектор направления переносной скорости частиц совпадает с вектором линейной скорости вращения лопасти, то нетрудно убедиться, что вектор направления абсолютной скорости частиц будет направлен против направления вектора скорости внешнего, набегающего, потока среды, вызванного относительным перемещением судна. Как видим, характер обтекания лопастей винта внешней средой кардинально изменился, поэтому вместо возникновения кавитационной каверны на закритических скоростях, образовалась сплошная демпфирующая подушка с положительным статическим давлением, полностью блокирующая всю засасывающую поверхность лопасти. Разумеется, в этих условиях развитие кавитационного процесса полностью исключается. Становится невозможным возникновение циркуляционных потоков вокруг лопастей, на что уходит весомая часть энергии.

Рассмотрим процесс возникновения и стационарного сохранения гидростатического давления в данной точке, равного пьезометрической составляющей полного давления, в области, примыкающей к засасывающей поверхности, т.е. пограничной зоны.

Выброшенные под избыточным давлением из полости вращающейся лопасти частицы жидкости, имеющие определенную массу и скорость, несут в себе определенный "кинетический заряд" - импульс, равный произведению суммарной массы частиц на их среднюю скорость, и относительно окружающей среды они (частицы) находятся в неравновесном состоянии, где в итоге процесса релаксации частицы отдадут избыток энергии окружающей среде. Так, например, часть избыточной энергии уйдет на преодоление силы вязкого трения, а остальная на динамическое взаимодействие с частицами встречного, набегающего потока и т.д. Но по закону сохранения энергии ее кинетическая составляющая должна перейти в иное качество. Следствием закона сохранения механической энергии для потока жидкости является уравнение Бернулли, которое утверждает, что в стационарном потоке сумма статического и динамического давлений остается постоянной и соответствует гидростатическому давлению в покоящейся жидкости. Следовательно, процесс релаксации неминуемо приведет к повышению статического давления до величины гидростатического в данной точке.

Из вышеизложенного следует, что эффект достижения и сохранения постоянства статического давления на засасывающей стороне винта, равного гидростатическому в данной точке окружающей винт среды, возникает при определенных оборотах, в зависимости от его диаметра и глубины погружения. Расчетная формула, определяющая эту зависимость, является ноу-хау заявителя и не раскрывается. Приводится пример по выполненному расчету.

Для гребного винта диаметром 0,8 м при погружении его оси на глубину 3,0 м минимальное число оборотов для достижения максимального положительного эффекта, т.е, достижения пьезометрического давления, составляет 130 оборотов в минуту, при этом дальнейшее увеличение угловой скорости вращения винта повысить местное гидростатическое давление не может. Именно поэтому этот параметр для данного примера является тем рубежом, при котором характер взаимодействия движителя с окружающей средой кардинально меняется.

Так, сопровождающаяся при этом потеря лопастями гидравлического сопротивления, должна сопровождаться повышением КПД винта. Действительно, мощность, необходимая для движения тела против потока среды, как известно, увеличивается пропорционально третьей степени его (тела) скорости и полностью расходуется на преодоление гидравлического сопротивления, что соответствует (в зависимости от скорости) порядка 70-80% и более общего энергетического баланса. В предлагаемом решении этот расход энергии, с учетом затраты на создание демпферной подушки, составляет в среднем около половины указанной величины. При этом мощность, затрачиваемая для преодоления силы вязкого трения, увеличивается пропорционально квадрату скорости тела и в данном решении теоретически составляет половину этой величины. Если учесть, что мощность для перемещения тела, т.е. совершения полезной работы, увеличивается пропорционально квадрату скорости тела, то можно утверждать, что в первом приближении КПД заявленного винтового движителя как минимум удвоится. К тому же наличие сплошной демпирующей подушки на засасывающей стороне лопасти, с давлением, равным гидростатическому, исключает деаэрационный процесс, сопровождающийся выделением из воды растворенных в ней газов. Отсюда пенный след от работающего винта будет отсутствовать, а невозможность развития процесса кавитации полностью исключает кавитационную вибрацию, что делает вращение винта бесшумным при любых режимах его работы. Особо необходимо отметить, что два последних фактора для подводного военно-морского флота являются проблемами выживания. Полный набор этих, неизвестных ранее позитивных качеств, дает возможность создания высокоскоростных износоустойчивых, "вечных", винтов из обычной коррозионно-устойчивой стали, что значительно снизит их себестоимость и эксплуатационные затраты.

На фиг.1 схематически, в общем виде изображен двухлопастной гребной винт со стороны его засасывающей поверхности, с двумя вариантами выполнения лопастей: верхняя лопасть - пустотелая, нижняя (с частично снятой стенкой) - с внутренними перфорированными (на чертеже не показаны) ребрами жесткости и треугольным каналом для входа наружной среды. Место расположения канала - засасывающая поверхность лопасти. На фиг.2 боковое изображение винта с вариантом щелевидного канала в торце входящей кромки лопасти.

Промышленная применимость заявленного движителя подтверждается описанием его конструкции.

На ступице 1 с пустотелыми лопастями 2, имеющими переднюю и заднюю стенки, соединенные между собой по кромкам и образующие соответственно нагнетательную 3 и засасывающую 4 винтовые поверхности, по всей площади последней распределена система выпускных отверстий 5 любой геометрии. Для увеличения жесткости лопасти 2 снабжены внутренними перфорированными ребрами жесткости 6. В корневой части лопасти 2, с входящей стороны, расположен входной канал 7 любой геометрии.

При вращении винта наружная среда под давлением, образованным как скоростным напором, так и центробежной силой, поступает тангенциально через канал 7 в нижнюю часть полости лопасти 2 и распределяется по всему объему, чему способствуют перфорированные ребра 6, после чего избыточное давление выталкивает среду через отверстия 5 в смежную наружную зону пограничного слоя, в результате чего статическое давление в последнем повышается до величины пьезометрического. При соответствующем соотношении числа отверстий 5 и их суммарной площади живого сечения, приведенные к угловой скорости достаточной для циркуляции определенной массы среды, будет достигнут максимальный положительный эффект, выражающийся в равенстве статических давлений перед и за лопастью, в результате чего произойдет потеря гидравлического сопротивления профиля лопасти 2, а созданная при этом стационарная сплошная демпферная подушка полностью исключит условия возникновения кавитационного процесса. При этом не менее чем в два раза повышается механический КПД винта и достигаются вышеперечисленные технические результаты.

Особо необходимо отметить, что в связи с образованием изотропии по обе стороны винта (чего в известных решениях добиться невозможно), когда внутренние механические свойства окружающей среды приобрели одинаковость в различных направлениях, для скоростных судов небольшой массы, при определенной скорости относительного перемещения создаются теоретические условия, при которых быстро вращающийся винт, при времени периода вращения и релаксации стремящихся к нулю, последний в пределе приобретет свойства буравчика: способность ввинчиваться в окружающую несжимаемую среду.