專利名稱：高性能螺旋槳的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種螺旋槳，特別是涉及一種槳葉葉端有弧形葉邊或單邊弧形葉邊的螺旋槳。
現(xiàn)有的螺旋槳槳葉由于誘導(dǎo)阻力的影響，最大壓力點在0.7葉長附近，主要工作區(qū)在0.7葉長附近。從0.7葉長到葉端是槳葉運動速度最快的區(qū)域，按面積，該區(qū)域占整個螺旋槳旋轉(zhuǎn)面積的一半左右，按產(chǎn)生的作用力，該區(qū)域應(yīng)產(chǎn)生70％左右的作用力。普通螺旋槳在這一區(qū)域，由于葉端損失的影響，槳葉正壓力面與負(fù)壓力面的壓差反而下降。在葉端，壓差幾乎降到零，有效作用力貢獻幾乎為零的位置。葉端是槳葉運動速度最快的位置，但卻是普通螺旋槳損耗最大?，F(xiàn)有螺旋槳槳葉正壓力面與負(fù)壓力面之間，以及與周圍介質(zhì)之間沒有一個穩(wěn)固的界面，造成葉端損失嚴(yán)重，有效能量轉(zhuǎn)換效率低?，F(xiàn)有較大展弦比的槳葉增加葉邊的設(shè)計型式，由于槳葉本身誘導(dǎo)阻力相對比較小，葉展較長，力臂長，力矩大，槳葉易變形，易使葉邊產(chǎn)生大的形狀阻力，節(jié)能效果相對較小。現(xiàn)有槳葉有葉邊的設(shè)計型式，葉邊沒有傾角，葉邊影響流體的補充，減少與螺旋槳作用流體的數(shù)量。
本發(fā)明的目的是提供一種高性能螺旋槳，它能彌補現(xiàn)有螺旋槳的上述不足。
本發(fā)明的螺旋槳有一個輪轂和多個槳葉，其特征是各槳葉的葉端有弧形葉邊或單邊弧形葉邊。
本發(fā)明的螺旋槳具有小的誘導(dǎo)阻力損耗，能將離心力轉(zhuǎn)換為有效推力，提高槳葉葉端附近的壓力輸出，增大槳葉的作用力。本發(fā)明的螺旋槳的弧形葉邊1或單邊弧形葉邊9，幾乎沒有形狀阻力，而且，使槳葉3流體動力特性趨向展弦比為無窮大的槳葉特性，在這特性條件下，增加槳葉弦長，提高槳葉抗變形能力，增加槳葉面積，誘導(dǎo)阻力不會增加。因此，應(yīng)用增加槳葉面積，降低排出流體速度和溫度，以及其它節(jié)能原理，相對目前技術(shù)，能較大幅度的提高效率。本發(fā)明螺旋槳相對螺旋槳軸向有傾角的弧形葉邊1或單邊弧形葉邊9，能夠增加與槳葉作用流體的數(shù)量，增加產(chǎn)生的作用力或增加流體輸送量。
下面通過附圖和實施例進一步說明本發(fā)明。
附


圖1為本發(fā)明的螺旋槳的結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖2為其槳葉葉端結(jié)構(gòu)示意圖附圖3為有環(huán)形加強筋的本發(fā)明的螺旋槳結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖4為有外傾角的單邊弧形葉邊結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖5為生渦帶的結(jié)構(gòu)和位置示意圖。
附圖6為有環(huán)形加強筋的本發(fā)明的螺旋槳葉端展開圖。
實施例一在空氣中使用的推進用途高性能螺旋槳本發(fā)明的螺旋槳如圖3所示，有輪轂2和多只槳葉3，其特點是各槳葉3葉端固定有弧形葉邊1。在槳葉3之間有環(huán)形加強筋8。本發(fā)明的螺旋槳的弧形葉邊1，使槳葉3流體動力特性趨向展弦比為無窮大的槳葉特性，因此認(rèn)為槳葉展弦比為無窮大(λ≈∞)。
本發(fā)明的螺旋槳直徑0.8米，有效沖角14度，升力系數(shù)L取1，形狀展弦比為4，槳葉面積與螺旋槳旋轉(zhuǎn)面積相等，弧形葉邊高度平均為槳葉弦長的26％，弧形葉邊沒有外傾角，環(huán)形加強筋8位置在旋槳葉端，槳葉軸向?qū)挾戎?，如圖6所示?；⌒稳~邊和環(huán)形加強筋面積占螺旋槳葉端旋轉(zhuǎn)面積的50％。根據(jù)計算和測試結(jié)果證明，采用環(huán)形加強筋，提高螺旋槳結(jié)構(gòu)強度70％。槳葉沒有振顫。
取海平面以上大氣條件，用美國IHPTET計劃要達(dá)到的，壓氣機葉端速度550(米/秒)的技術(shù)指標(biāo)，不考慮氣體可壓縮性的影響，計算本發(fā)明的螺旋槳理論上能產(chǎn)生的靜態(tài)推力F為F=推力(公斤力) A=本發(fā)明的螺旋槳槳葉面積0.5(平方米)r=轉(zhuǎn)速219(轉(zhuǎn)/秒) V(m)=葉端部速度550(米/秒)ρ=空氣密度0.125(公斤.秒2/米4)L=1升力系數(shù)R=本發(fā)明的螺旋槳半徑0.4(米)本發(fā)明的螺旋槳產(chǎn)生的推力F為推力F=0.25LρAV2(m)=4726(公斤力)=46320(牛頓力)[如果升力系數(shù)取1.6面積系數(shù)取1.4，那么F=1037568牛頓力]計算本發(fā)明的螺旋槳弧形葉邊和環(huán)形加強筋產(chǎn)生的摩擦阻力Z本發(fā)明的螺旋槳比普通螺旋槳增加了弧形葉邊和環(huán)形加強筋部分的摩擦阻力，下面計算弧形葉邊和環(huán)形加強筋產(chǎn)生的摩擦阻力，以及相對推力的比例數(shù)，評估影響。
應(yīng)用平板阻力計算公式，計算弧形葉邊和環(huán)形加強筋產(chǎn)生的摩擦阻力Z。設(shè)弧形葉邊和環(huán)形加強筋形狀為流線形，阻力近似平板摩擦阻力，這里按弧形葉邊和環(huán)形加強筋面積為本發(fā)明的螺旋槳葉端旋轉(zhuǎn)面積的50％計算摩擦阻力。Z=弧形葉邊和環(huán)形加強筋摩擦阻力(公斤力) Я=雷諾數(shù)M=弧形葉邊和環(huán)形加強筋表面積0.125(平方米) C=阻力系數(shù)V(m)=弧形葉邊線速度550(米/秒)ρ=空氣密度0.125(公斤.秒2/米4)γ=空氣的粘性系數(shù)1.45×0.00001(米2/秒) 計算弧形葉邊和環(huán)形加強筋摩擦阻力Z=0.5CρMV2(m)=0.5×0.0021×0.125×0.125×550×550=4.9625(公斤力)弧形葉邊和環(huán)形加強筋摩擦阻力與本發(fā)明的螺旋槳推力之比 因此，弧形葉邊和環(huán)形加強筋摩擦阻力對本發(fā)明的螺旋槳的影響是很小的。比較本發(fā)明的螺旋槳與普通螺旋槳的誘導(dǎo)阻力損失1．計算本發(fā)明的螺旋槳的誘導(dǎo)阻力損失的量值螺旋槳面積A=0.5(平方米) 展弦比為λ≈∞槳葉葉端部速度V(m)=550(米/秒) 升力系數(shù)L=1求誘導(dǎo)阻力系數(shù)CICI=L2/πλ=1/π∞≈0求誘導(dǎo)阻力RIRI=0.5CIρAV2(m)=02．計算普通螺旋槳誘導(dǎo)阻力損失的量值，螺旋槳面積A=0.5(平方米) 展弦比為λ=4槳葉葉端部速度V(m)=550(米/秒)升力系數(shù)L=1求誘導(dǎo)阻力系數(shù)CICI=L2/πλ=1/12.6=0.0796求誘導(dǎo)阻力RIRI=0.5CIρAV2(m)=752公斤力本發(fā)明的螺旋槳的誘導(dǎo)阻力與推力之比0/4726=0普通螺旋槳誘導(dǎo)阻力與推力之比752/4726=0.13本發(fā)明的螺旋槳在此條件下可以減小相當(dāng)推力13％的誘導(dǎo)阻力損耗。實例二普通電風(fēng)扇用高性能螺旋槳[通過本實施例說明高性能螺旋槳作為普通電風(fēng)扇用途的效率和節(jié)能效果，用直徑400毫米的普通電風(fēng)扇為比較對象，普通電風(fēng)扇槳葉與本發(fā)明的螺旋槳槳葉除沒有單邊弧形葉邊9外，其它形狀、尺寸，沖角相同。]本發(fā)明的螺旋槳如
圖1所示，有輪轂2和多只槳葉3，其特征是各槳葉3葉端固定有單邊弧形葉邊9。在槳葉3和輪轂2之間有加強筋5。葉邊寬10毫米，葉邊有30度外傾角，如圖4所示。單邊弧形葉邊與槳葉負(fù)壓力面葉端連接處及相鄰區(qū)域由于是非流線型弧面形狀(如圖4所示)，所以在弧面上有6毫米寬的生渦帶7。本發(fā)明的螺旋槳有30度外傾角，單邊弧形葉邊寬10毫米。單邊弧形葉邊使本發(fā)明的螺旋槳風(fēng)扇直徑增加為410毫米。增加的風(fēng)扇直徑恰好將單邊弧形葉邊節(jié)省的能量轉(zhuǎn)換為風(fēng)量。在原電機功率和消耗電量不變的條件下，試驗證明能增加風(fēng)量10％左右。為增加槳葉強度，在槳葉出流邊與輪轂之間有加強筋5，經(jīng)實驗測試證明，減小槳葉彎曲和扭轉(zhuǎn)變形20％左右，對輸送風(fēng)量沒有影響，基本沒有增加槳葉阻力。本發(fā)明的螺旋槳的單邊弧形葉邊寬僅10毫米，面積也很小，而且只有摩擦阻力，根據(jù)“實例一”估計，摩擦阻力比較小，這里予以忽略。
計算普通電風(fēng)扇的誘導(dǎo)阻力損耗，這一部分就是本發(fā)明的螺旋槳節(jié)省的能量。由于風(fēng)扇用途的螺旋槳僅有槳葉正壓力面的誘導(dǎo)阻力損耗，設(shè)它占總誘導(dǎo)阻力損耗的比例設(shè)為0.4。r=風(fēng)扇轉(zhuǎn)速25(轉(zhuǎn)/秒) A=風(fēng)扇槳葉面積0.1(平方米)V(m)=葉端部速度31(米/秒)λ=展弦比為1．2ρ=空氣密度0.125(公斤.秒2/米4)L=升力系數(shù)為0.7R=風(fēng)扇半徑0.2(米)F=推力(公斤力)計算普通電風(fēng)扇的誘導(dǎo)阻力損耗RI求誘導(dǎo)阻力系數(shù)CICI=L2/πλ=(0.7)2/3.76=0.13求阻力RIRI=0.5(0.4)CIρAV2(m)=0.312公斤力計算普通電風(fēng)扇的推力FF=0.25LρAV2(m)=2.1公斤力誘導(dǎo)阻力RI與推力F之比RI／F=0.312/2.1=0.149由于本發(fā)明的螺旋槳的誘導(dǎo)阻力為零，因此在此設(shè)定條件下，本發(fā)明的螺旋槳比普通電風(fēng)扇在理論上能夠節(jié)能最高可達(dá)14.9％。
本發(fā)明的螺旋槳槳葉弧形葉邊1和單邊弧形葉邊9基本與螺旋槳同圓心，弧形葉邊1和單邊弧形葉邊9在螺旋槳軸向投影的外形輪廓線基本于螺旋槳旋轉(zhuǎn)半徑外圓相同?；⌒稳~邊1和單邊弧形葉邊9幾乎只產(chǎn)生摩擦阻力，根據(jù)需要，可改變每一只槳葉的弧形葉邊1或單邊弧形葉邊9的圓心與螺旋槳圓心的相對位置，能夠改變本發(fā)明的螺旋槳的流體吸入量，改變本發(fā)明的螺旋槳的槳葉作用效果。
本發(fā)明的螺旋槳作為產(chǎn)生推力用途，要求盡量減小誘導(dǎo)阻力損耗，所以，采用弧形葉邊1的形式。本發(fā)明的螺旋槳作風(fēng)扇用途，在槳葉負(fù)壓力面沒有減小誘導(dǎo)阻力損耗要求，因此，采用單邊弧形葉邊9的形式。本發(fā)明的螺旋槳在抽吸等方面應(yīng)用，槳葉正壓力面可以沒有葉邊。本發(fā)明的螺旋槳在某些應(yīng)用場合，在部分誘導(dǎo)阻力較小的槳葉葉端區(qū)段，可以沒有葉邊，如流線型槳葉尾部區(qū)段。
本發(fā)明的螺旋槳可將葉邊設(shè)計成美觀的形狀。這可能對葉邊作用效果有一定影響。
本發(fā)明的螺旋槳槳葉與葉邊的角形結(jié)構(gòu)能提高槳葉的形狀穩(wěn)定性。
本發(fā)明的螺旋槳可利用寬弦槳葉的弧形，槳葉與輪轂的結(jié)構(gòu)關(guān)系，或選用剖面形狀為橛形葉型槳葉，提高槳葉強度，防止或減小因槳葉彎曲或扭轉(zhuǎn)變形，使葉邊產(chǎn)生很大的形狀阻力損耗。
本發(fā)明的螺旋槳槳葉的弧形葉邊、單邊弧形葉邊、加強筋可以有不同的截面形狀，如截面形狀近似為機翼形，流線形，菱形，矩形，三角形，梯形，曲邊梯形，橢圓形，弧形，半圓形等等，或在槳葉葉邊或加強筋某一面采用以上形狀。
本發(fā)明的螺旋槳槳葉的弧形葉邊1，可以采用相對螺旋槳軸向有傾角的形式。槳葉正壓力面的弧形葉邊向外傾，可以增加螺旋槳流體吸入量，如附圖4所示。槳葉負(fù)壓力面的弧形葉邊，可以與正壓力面的弧形葉邊有相同傾角角度，但向內(nèi)傾；也可以與正壓力面的弧形葉邊有不同傾角角度，如槳葉負(fù)壓力面的弧形葉邊始終處于螺旋槳軸向平行的角度。如果弧形葉邊外側(cè)采用流線型形狀，可以進一步提高作用效果。
本發(fā)明的螺旋槳做風(fēng)扇類流體輸送機械應(yīng)用，采用單邊弧形葉邊9，單邊弧形葉邊可以相對螺旋槳軸向有一定外傾角(見附圖4)在單邊弧形葉邊與槳葉負(fù)壓力面連接處，沿流體補充流線，采用近似流線型弧面形狀(見附圖4)在葉端徑向，能夠使槳葉負(fù)壓力面流體補充阻力減小，減小槳葉負(fù)壓力面與正壓力面的壓差，降低壓力抵抗，因此，降低了能量消耗。在雷諾數(shù)較高的應(yīng)用情況下，在上述近似流線型弧面或非流線型弧面前，應(yīng)該有一條與槳葉負(fù)壓力面平行的，具有使流體流動狀態(tài)變?yōu)橥牧鞴δ艿纳鷾u帶10，生渦帶就是將一定寬度的葉邊表面加工粗糙，或加工成能使流體流動狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鳡顟B(tài)的表面形狀，如凹槽或劃痕等，以延遲流體分離，減小形狀阻力損耗。
槳葉3的入流邊加強筋4與輪轂2和槳葉3的入流邊相連；槳葉3出流邊的加強筋5、6、7、與輪轂2和槳葉3的出流邊相連。加強筋平面可基本與螺旋槳旋轉(zhuǎn)面平行，加強筋也可有一定沖角，與槳葉成一定角度圓滑連接，但加強筋的沖角角度明顯不同于相鄰槳葉產(chǎn)生有效作用力的沖角角度。加強筋可以與葉邊連接。加強筋的主要作用是提高槳葉和葉邊的結(jié)構(gòu)強度，提高槳葉和葉邊的形狀穩(wěn)定性。
本發(fā)明的螺旋槳在載荷強度較大，結(jié)構(gòu)強度要求高的應(yīng)用場合，宜采用環(huán)形加強筋8把相鄰槳葉或槳葉葉邊連接起來，相鄰槳葉之間的環(huán)形加強筋可以有一到數(shù)條，環(huán)形加強筋位置宜在槳葉葉長的中部或端部，環(huán)形加強筋可以在槳葉軸向?qū)挾戎?見附圖6)，或部分在槳葉軸向?qū)挾戎?，這種結(jié)構(gòu)能夠提高螺旋槳的結(jié)構(gòu)強度和載荷能力，減小槳葉震顫，減小環(huán)形加強筋對流體的阻礙作用。環(huán)形加強筋位置在螺旋槳流體輸出面，還能起到涵道控制流向的作用。
加強筋的形狀、位置和數(shù)量，根據(jù)螺旋槳結(jié)構(gòu)強度的要求確定，可以在槳葉的出流邊和入流邊，或其中一邊有加強筋，或不用加強筋。加強筋的平面形狀可以是三角形，曲邊三角形，矩形等等。不論加強筋為何種形狀，在槳葉的出流邊或入流邊與輪轂之間有加強筋，或在槳葉之間有加強筋，均不超出本發(fā)明范圍。
權(quán)利要求1．一種高性能螺旋槳，有輪轂(2)和多個槳葉(3)，其特征是各槳葉(3)葉端有弧形葉邊(1)或單邊弧形葉邊(9)。
2．如權(quán)利要求1所述的螺旋槳，其特征是所述的槳葉(3)和輪轂之間有加強筋(4)、(5)、(6)、(7)。
3．如權(quán)利要求1所述的螺旋槳，其特征是所述的槳葉(3)剖面形狀為橛形葉型。
4．如權(quán)利要求1所述的螺旋槳，其特征是所述的槳葉(3)展弦比小于3。
5．如權(quán)利要求1所述的螺旋槳，其特征是所述的弧形葉邊(1)或單邊弧形葉邊(9)相對螺旋槳軸向有傾角。
6．如權(quán)利要求1所述的螺旋槳，其特征是所述的槳葉(3)之間有環(huán)形加強筋(8)。
7．如權(quán)利要求1所述的螺旋槳，其特征是所述的單邊弧形葉邊(9)有生渦帶(10)。
專利摘要一種高性能螺旋槳,有輪轂,槳葉,其特征是各槳葉葉端有弧形葉邊或單邊弧形葉邊。在槳葉和輪轂之間,或槳葉之間有加強筋。本實用新型的螺旋槳具有小的誘導(dǎo)阻力損耗,能將離心力轉(zhuǎn)換為有效推力,提高槳葉葉端附近的壓力輸出,增大槳葉的作用力,提高有效槳葉面積,螺旋槳的流體動力特性趨向展弦比為無窮大的槳葉特性,因此增加槳葉面積,降低排出流體速度和溫度,以及應(yīng)用其他節(jié)能原理,效果有較大幅度提高,相對目前技術(shù),效率有大幅度的提高。
文檔編號B63H1/28GK2420228SQ0021363
公開日2001年2月21日 申請日期2000年2月29日 優(yōu)先權(quán)日2000年2月29日
發(fā)明者韓瑋, 李遠(yuǎn)靈, 孫連云, 辛崇華, 李向宇 申請人:韓瑋