專利名稱：高效輪式螺旋槳的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種螺旋槳，特別是涉及一種有輪邊的螺旋槳。
現(xiàn)有的螺旋槳或稱槳扇一般由轉(zhuǎn)軸及固定在其上的槳葉所組成。它的主要工作區(qū)在0.7個(gè)葉長(zhǎng)處，從0.7葉長(zhǎng)處到葉端是運(yùn)動(dòng)速度最快的區(qū)域，按面積該區(qū)域占整個(gè)槳扇旋轉(zhuǎn)面積的一半左右，按產(chǎn)生的作用力，該區(qū)域占75％以上。普通的螺旋槳在這一區(qū)域，由于葉端損失，槳葉正壓面與負(fù)壓面的壓差反而下降，在葉端處幾乎降到0。葉端是槳葉運(yùn)動(dòng)速度最快的位置，但卻是普通槳扇損耗最大有效功率貢獻(xiàn)為零的位置，葉端損失嚴(yán)重，因此現(xiàn)有槳扇的旋轉(zhuǎn)能量轉(zhuǎn)化為流體軸向動(dòng)能的效率較低，并且還有槳葉厚，原材料用量大，葉端正負(fù)壓葉面之間以及與周?chē)橘|(zhì)之間均無(wú)穩(wěn)固界面易受外界條件影響的缺點(diǎn)。
本發(fā)明的目的是提供一種高效輪式螺旋槳，它能彌補(bǔ)現(xiàn)有螺旋槳的上述不足。
本發(fā)明的螺旋槳，有輪轂、槳葉，其特征是各槳葉葉尖上固定著葉尖片，各葉尖片之間由邊條相聯(lián)。
本螺旋槳具有小的誘導(dǎo)阻力損耗，槳葉的最大壓力輸出在葉端(普通螺旋槳在0.7葉長(zhǎng)處，涵道風(fēng)扇在0.8葉長(zhǎng)處)，有效槳葉面積大，因此，增加槳葉面積，降低排出流體速度和溫度，而不增加誘導(dǎo)阻力，使效率相對(duì)目前技術(shù)提高5％-60％左右(相對(duì)渦輪風(fēng)扇提高20％-60％；螺旋槳提高10％-40％；流體輸送，提高5％-20％左右)。它還具有推力大，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，承載能力大，形狀穩(wěn)定，流體動(dòng)力性能穩(wěn)定，噪音低，抗槳葉顫振，波阻小等特性。
下面通過(guò)實(shí)施例和附圖進(jìn)一步說(shuō)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為推進(jìn)型螺旋槳的輪邊結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖3為風(fēng)扇型螺旋槳的輪邊結(jié)構(gòu)示意圖。
本發(fā)明的螺旋槳，有輪轂(2)、槳葉(3)，其特征是各槳葉(3)葉尖上固定著葉尖片(1)，各葉尖片(1)之間由邊條(4)相聯(lián)。葉尖片(1)和邊條(4)構(gòu)成的環(huán)稱為輪邊。
本螺旋槳在槳葉(3)的葉端有減小誘導(dǎo)阻力的葉尖片(1)，使槳葉(3)的流體動(dòng)力特性趨向展弦比為無(wú)窮大的槳葉特性，使本螺旋槳的最大壓力輸出擴(kuò)展到槳葉葉端(普通螺旋槳在0.7葉長(zhǎng)處，涵道風(fēng)扇在0.8葉長(zhǎng)處)，增加部分處于螺旋槳運(yùn)動(dòng)速度最快部位，因此，在相同條件下，相對(duì)于涵道風(fēng)扇或普通螺旋槳來(lái)說(shuō)，其槳葉的有效作用面積增大，作用效果提高。在這些特性條件下，再應(yīng)用增加槳葉面積，降低排出流體速度和溫度，減少流體帶走的動(dòng)能和熱能的方法，以及其它節(jié)能技術(shù)(見(jiàn)后)，使本螺旋槳相對(duì)目前技術(shù)提高效率5％-60％左右(在用于推力情況下，相對(duì)于渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)效率提高20％-60％左右，相對(duì)于螺旋槳提高10％-40％左右，在用于流體輸送領(lǐng)域時(shí)，提高5％-20％左右)。
本螺旋槳的葉尖片(1)和邊條(4)包圍的空間為流體流通面，這是根據(jù)減小誘導(dǎo)阻力，同時(shí)又有一定流量的流體通過(guò)流通面的要求設(shè)計(jì)的，既能減小誘導(dǎo)阻力，又不影響流體按要求通過(guò)流通面流動(dòng)。試驗(yàn)證明本螺旋槳周邊徑向流體補(bǔ)充數(shù)量，對(duì)螺旋槳產(chǎn)生的推力或輸送流體的數(shù)量以及螺旋槳的效率影響很大。槳葉(3)正壓面的誘導(dǎo)阻力損耗，即流體在壓差力作用下的徑向運(yùn)動(dòng)，消耗大量能量，這一部分流體又在慣性力作用下，在徑向周邊，有減小流體向螺旋槳補(bǔ)充的作用，所以本螺旋槳既減小誘導(dǎo)阻力損耗，又增加了與螺旋槳作用流體的補(bǔ)充數(shù)量，相應(yīng)增加了推力。邊條(4)還有增加本螺旋槳結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的作用。由于流體不斷通過(guò)流通面被吸入，輪邊表面轉(zhuǎn)為湍流的流體也同時(shí)被吸走，使輪邊表面在很大速度范圍能保持層流狀態(tài)，從而減小了輪邊的摩擦阻力(層流摩擦阻力為湍流摩擦阻力的1/5～1/6左右)。
普通螺旋槳的設(shè)計(jì)基本采用機(jī)翼升力理論，但實(shí)際應(yīng)用中它們的工作條件有一定差別，主要為與機(jī)翼作用的流體作用前基本是相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)的，起碼在與機(jī)翼作用前處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。而與渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇作用的流體大部分與前漿葉作用后，補(bǔ)充過(guò)來(lái)的流體。補(bǔ)充過(guò)來(lái)的流體的狀態(tài)和數(shù)量對(duì)后一槳葉的影響非常大。本螺旋槳通過(guò)改變流通面的面積，形狀，和位置，可以控制本螺旋槳周邊徑向流體補(bǔ)充的位置、方向和數(shù)量，使補(bǔ)充的流體既能滿足本螺旋槳產(chǎn)生推力的需求，又不會(huì)破壞槳葉葉面建立的壓力場(chǎng)已產(chǎn)生的作用力。在產(chǎn)生推力情況下，流通面與槳葉吸力面采用最佳距離，使補(bǔ)充的流體不會(huì)使吸力面負(fù)壓損失太大，又有盡可能多的流體通過(guò)流通面進(jìn)入螺旋槳。對(duì)槳葉正壓面葉尖片(1)各處寬度的要求是恰好維持住葉面壓力。
在各葉尖片(1)之間有數(shù)條邊條(4)相連。邊條(4)的作用主要是加強(qiáng)本螺旋槳的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，提高載荷能力，穩(wěn)固形狀。邊條通過(guò)葉尖片(1)將相鄰的二只槳葉(3)相連接，構(gòu)成穩(wěn)定性很高的三角形。由邊條(4)和葉尖片(1)構(gòu)成的輪邊與槳葉是T形結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能有效的穩(wěn)定槳葉的沖角，因此，本螺旋槳不會(huì)輕易產(chǎn)生變形，脫離設(shè)計(jì)工作狀態(tài)，使性能降低。由于本螺旋槳結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，所以它的槳葉(3)厚度能夠比普通螺旋槳減小很多，這使本螺旋槳能夠減輕自重，減小波阻。本螺旋槳葉尖片(1)和邊條(4)可以有不同的減阻形狀，如截面形狀為流線形，菱形，圓形等等。邊條(4)的形狀和位置根據(jù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和流通面的要求確定，邊條(4)可以部分或全部在槳葉(3)寬度之外位置，以增加流通面面積。邊條(4)可以制造成一個(gè)內(nèi)經(jīng)與螺旋槳直徑相等的完整圓環(huán)。葉尖片(1)相對(duì)本螺旋槳軸向可以有一定角度，例如葉尖片(1)在軸向有6度外傾角，以增加吸入流體的作用。本螺旋槳在涵道中應(yīng)用時(shí)，輪邊外側(cè)可有密封功能形狀，如迷宮封嚴(yán)結(jié)構(gòu)，密封圈結(jié)構(gòu)，密封圈槽結(jié)構(gòu)等等。根據(jù)不同用途，只在槳葉的壓力面或吸力面一側(cè)設(shè)置葉尖片(1)，例如做風(fēng)扇用時(shí)，僅在槳葉(3)的壓力面一側(cè)有葉尖片(1)；做為吸氣設(shè)備時(shí)，只有吸力面一側(cè)有葉尖片(1)。
在水槽中做的試驗(yàn)結(jié)果為在相同旋轉(zhuǎn)半徑，相同槳葉面積和形狀的條件下，本螺旋槳產(chǎn)生的推力比普通螺旋槳大，普通螺旋槳的推力又比有涵道風(fēng)扇大，推力相差的量值以百分之十量級(jí)記。根據(jù)試驗(yàn)，這是由于涵道減小了與風(fēng)扇作用流體的數(shù)量造成的，而且，涵道還產(chǎn)生一定摩擦阻力，有葉尖間隙損失。目前，航空發(fā)動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用涵道風(fēng)扇。在壓氣機(jī)中，涵道是必不可少的。但在渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)中。產(chǎn)生推力的涵道風(fēng)扇的涵道，目前，還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)它的良好作用和特性以及使用必要性的資料和數(shù)據(jù)。鑒于目前情況，需要對(duì)涵道風(fēng)扇的涵道的作用，包括它的減小噪音，機(jī)械包容作用進(jìn)行評(píng)估，因?yàn)?，涵道風(fēng)扇的涵道越來(lái)越大(最大的涵道直徑已超過(guò)3米)，它的重量，產(chǎn)生的阻力也相應(yīng)增大。在50年代，美國(guó)國(guó)防部做過(guò)關(guān)于涵道螺旋槳的研究，當(dāng)時(shí)，渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)尚未出現(xiàn)，當(dāng)年的研究結(jié)論是否適合當(dāng)今涵道風(fēng)扇 這些超出了本專利說(shuō)明的范圍，但與本專利技術(shù)實(shí)施有關(guān)。高效輪式螺旋槳主要技術(shù)特性1．提高槳葉性能，槳葉流體動(dòng)力特性趨向于展弦比無(wú)窮大槳葉的特性，槳葉產(chǎn)生升力的作用能提高百分之四十二左右。
2．減小、消除誘導(dǎo)阻力、互誘阻力。
3．改善槳扇的工作特性，使本螺旋槳在使用中，工作在高升阻比區(qū)的機(jī)率比較高。
4．無(wú)須變槳距機(jī)構(gòu)。
5．減小流體離心力產(chǎn)生的流體徑向運(yùn)動(dòng)消耗的能量增加槳葉有效作用面積，降低葉尖速度，提高槳扇效率。
6．結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，形狀穩(wěn)定，承載能力大?？箻~顫振，相對(duì)重量輕。
7．能夠在超音速條件下高效率的產(chǎn)生推力。
8．摩擦阻力小。
10．噪音小。
11．減小污染，減小氮氧化物的排放。
12．本螺旋槳在結(jié)構(gòu)上有很好的剛性。在壓氣機(jī)方面應(yīng)用時(shí)，能夠使壓氣機(jī)具有很好的抗喘振和抗失速性能。
13．本螺旋槳在大流量流體軸流輸送機(jī)械方面應(yīng)用，如做風(fēng)扇用，具有能耗低，輸送量大，輸送面積大等特性。
14．減小空泡影響，減小螺旋槳汽蝕。
15．本螺旋槳方向性好能夠作矢量應(yīng)用。
16．本螺旋槳的輪邊有防護(hù)作用，對(duì)船只航行區(qū)的水生動(dòng)物有一定保護(hù)作用，對(duì)在淺水或冰區(qū)航行船只的螺旋槳本身也有一定保護(hù)作用。
實(shí)施例一空氣中用于推進(jìn)的高效輪式螺旋槳一只直經(jīng)0.8米的螺旋槳，寬度為0.1米，有效沖角14度，升力系數(shù)L取1.槳葉面積與螺旋槳旋轉(zhuǎn)面積相等，取海平面以上大氣條件，用美國(guó)IHPTET計(jì)劃要達(dá)到的，壓氣機(jī)葉尖速度550(米/秒)的技術(shù)指標(biāo)。不考慮氣體可壓縮性的影響，計(jì)算本螺旋槳理論上能產(chǎn)生的靜態(tài)推力F為
F=推力(公斤力)，r=轉(zhuǎn)速550(米/秒)/πR=219(轉(zhuǎn)/秒)ρ=空氣密度0.125(公斤.秒2/米4)R=本螺旋槳半徑0.4(米)；A=本螺旋槳面積0.5(平方米)V(m)=葉尖部速度550(米/秒)L=1升力系數(shù)本螺旋槳產(chǎn)生的推力FF=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牛頓力應(yīng)用平板阻力計(jì)算公式，計(jì)算輪邊產(chǎn)生的阻力Z，對(duì)輪邊損耗做大概的定量分析。估算輪邊損耗占輸出功率的比例數(shù)。{設(shè)輪邊與流體作用部分形狀為流線形，阻力近似平板摩擦阻力，因此，按輪邊的面積，計(jì)算摩擦阻力，去掉流通面積部分阻力，得實(shí)際摩擦阻力。這里設(shè)流通面積占總面積的50％}計(jì)算本螺旋槳輪邊產(chǎn)生的阻力ZZ=輪邊阻力(公斤力)；Я=雷諾數(shù)，C=阻力系數(shù)，V(m)=輪邊線速度550(米/秒)，ρ=空氣密度0.125(公斤.秒2/米4)，M=輪邊面積0.25(平方米)0=輪邊周長(zhǎng)2.5(米)，空氣的粘性系數(shù)1.45×0.00001(米2/秒)求雷諾數(shù) 求阻力系數(shù) Z=0.5CρV2(m)M=0.5×0.0021×0.125×550×550×0.25=9.925(公斤力)葉尖片(1)阻力與總推力之比
計(jì)算本螺旋槳減少誘導(dǎo)阻力損失的量值，設(shè)本螺旋槳沒(méi)有葉尖片(1)，展弦比為λ=4計(jì)算誘導(dǎo)阻力RI螺旋槳面積A=0.5(平方米)；展弦比為λ=4，葉尖部速度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公斤力誘導(dǎo)阻力與推力之比752/4726=0.13本螺旋槳在此條件下可以減小相當(dāng)于推力13％的誘導(dǎo)阻力。由于，消耗的功率為力乘距離，誘導(dǎo)阻力乘葉尖部速度接近為誘導(dǎo)阻力消耗的功率，而推力消耗的功率為槳葉各點(diǎn)的推力乘速度在作用面上的積分，普通螺旋槳由于葉端誘導(dǎo)阻力的影響，實(shí)際值很難計(jì)算，不考慮葉端誘導(dǎo)阻力影響的值沒(méi)意義，如果按普遍公認(rèn)的最大壓力點(diǎn)在0，7葉長(zhǎng)計(jì)算，誘導(dǎo)阻力消耗的功率與推力消耗的功率之比大約在0.20左右，如果槳葉的升力系數(shù)為1.4或展弦比為2，誘導(dǎo)阻力消耗的功率將增加一倍，達(dá)到推力消耗的功率的40％左右。降低排氣速度是節(jié)能的方向之一，增加槳葉面積是降低排氣速度的有效方法，寬槳葉是增加槳葉面積的有效途徑，而且，寬槳葉能夠增加對(duì)流體軸向作用的距離，增加被作用流體的數(shù)量，對(duì)增加推力，提高效率非常有利。如果不能減小誘導(dǎo)阻力損耗，寬槳葉增加面積的節(jié)能效果將被誘導(dǎo)阻力的增加抵消。因此本螺旋槳是減小誘導(dǎo)阻力和增加槳葉面積降低排氣速度的有效裝置。實(shí)例二通過(guò)本實(shí)施例說(shuō)明本螺旋槳作為普通電風(fēng)扇用途的效率和效果。用直徑400毫米的普通電風(fēng)扇為例，設(shè)槳葉無(wú)扭轉(zhuǎn)，沖角相同，計(jì)算普通電風(fēng)扇的誘導(dǎo)阻力損耗，這一部分就是本螺旋槳節(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)阻力損耗的比例為0.4。
計(jì)算普通電風(fēng)扇的誘導(dǎo)阻力損耗本螺旋槳的轉(zhuǎn)速=25(轉(zhuǎn)/秒)；葉尖部速度V(m)=31(米/秒)ρ=空氣密度0.125(公斤.秒2/米4)；R=螺旋槳半徑0.4(米)螺旋槳面積A=0.1(平方米)展弦比為λ=1.2升力系數(shù)L=1 F=推力(公斤力)求誘導(dǎo)阻力系數(shù)CICI=L2/πλ=1/3.76=0.265計(jì)算誘導(dǎo)阻力RI=0.5(0.4)CIρAV2(m)=0.636公斤力求推力FF=0.25LρAV2(m)=3公斤力誘導(dǎo)阻力RI與推力F之比RI/F=0.636/3=0.212由此可以說(shuō)明，在此設(shè)定條件下，本螺旋槳比普通電風(fēng)扇能夠節(jié)能20％左右，根據(jù)本螺旋槳特性，此時(shí)最大風(fēng)速在葉端(普通風(fēng)扇在0.7葉長(zhǎng)處)，因此有效輸送面積相應(yīng)增加，最大風(fēng)速增加30％，輸送的風(fēng)量相應(yīng)增加。注意驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的電機(jī)功率也要相應(yīng)增加，減小誘導(dǎo)阻力節(jié)省的功率為20％，增加風(fēng)速和風(fēng)量增加的功率為50％，所以，要增加30％以上的驅(qū)動(dòng)功率。這時(shí)，400毫米直徑的本螺旋槳風(fēng)扇的送扇風(fēng)面積和輸送風(fēng)量，相當(dāng)500毫米直徑普通電風(fēng)扇的送扇風(fēng)面積和輸送風(fēng)量。而500毫米直徑的普通電風(fēng)扇消耗的功率比400毫米直徑的本螺旋槳風(fēng)扇要大30％左右。
權(quán)利要求
1．一種高效輪式螺旋槳，有輪轂(2)、槳葉(3)，其特征是各槳葉(3)葉尖上固定著葉尖片(1)，各葉尖片(1)之間由邊條(4)相聯(lián)。
2．如權(quán)利要求1所述的螺旋槳，其特征是所述的葉尖片(1)設(shè)在槳葉(3)的壓力面或吸力面一側(cè)。
全文摘要
一種高效輪式螺旋槳,有輪轂(2)、槳葉(3),其特征是各槳葉(3)葉尖上固定著葉尖片(1),各葉尖片(1)之間由邊條(4)相聯(lián)。本螺旋槳具有小的誘導(dǎo)阻力損耗,槳葉的最大壓力輸出在葉端,有效槳葉面積大,降低排出流體速度和溫度,而不增加誘導(dǎo)阻力,使效率提高5%－60%左右。它還具有推力大,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高,承載能力大,形狀穩(wěn)定,流體動(dòng)力性能穩(wěn)定,噪音低,抗槳葉顫振,波阻小等特性。
文檔編號(hào)B64C11/02GK1283572SQ99112360
公開(kāi)日2001年2月14日 申請(qǐng)日期1999年8月9日 優(yōu)先權(quán)日1999年8月9日
發(fā)明者韓瑋, 李遠(yuǎn)靈, 孫連云, 辛崇華, 李向宇 申請(qǐng)人:韓瑋