Лопасть воздушного винта, парабола в аэродинамике

Изобретение относится к области авиации. Лопасть характеризуется тем, что передняя и задняя кромки плоскости образованы пересечением двух парабол или трех парабол, касающихся окружности под острым углом на передней и задней кромках, сопряженных на задней и передней кромке с полуокружностями. Предусмотрена стабилизирующая плоскость, которая представляет собой сегмент с начальной величиной на конце пера, плавно уменьшающийся до нуля на 1/3 длины от начала лопасти. Передняя и задняя острые кромки закруглены. Технический результат - увеличение подъемной силы. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Область техники.

Изобретение относится к области авиации.

Известна лопасть воздушного винта (Патент 2228882 от 20 мая 2004 г.), профиль нижней и верхней лопасти которой образуются пересечением двух парабол: У₁=К₁x^1/2; У₂=2R_o+К₂Х^1/2.

Эти плоскости пересекаются под острым углом на нижней кромке и сопрягаются на задней кромке полуокружностью радиусом R_o. Передняя кромка лопасти воздушного винта образуется по параболе У₃=К₃Х^1/2, задняя кромка имеет стабилизирующую плоскость. Недостатком является низкий КПД при ограниченной длине лопасти.

Раскрытие изобретения

Для повышения эффективности лопасти воздушного винта (1) передняя и задняя кромки образуются по формуле двух и более парабол: У₁= K₁X^1/2; У₂=2R_o+K₂X^1/2; У₃=-K₃X² (приведенная парабола) (фиг.1) или У₁= K₁X^1/2; У₂=2R_o+K₂X^1/2; (фиг.2), касающиеся в обоих случаях окружности радиусом R≥2R_o, центр которой находится на расстоянии l≥²/₃L, где, L - проекция длины лопасти на координату X, R_o - радиус окружности в начале координат. Профиль нижней и верхней лопасти образуются пересечением двух парабол (1): У₄=K₄X^1/2; У₅=2R_o+K₅X^1/2; при этом эти плоскости пересекаются под острым углом на задней (фиг.1) или передней (фиг.2) кромке. В первом случае - предусматривается "режущая" (фиг.1) передняя плоскость на передней кромке, во втором случае - задняя кромка имеет стабилизирующую плоскость, которые, в свою очередь, являются касательными к передней (фиг.1), задней (фиг.2) плоскости и представляют собой сегмент плоскости с начальной величиной l≥R_o в конце пера, и уменьшающиеся плавно до нуля на 1/3 длины лопасти винта.

Передняя острая кромка (фиг.2) закруглена на расстоянии R_i от точки пересечения парабол дугой радиусом R_i для улучшения обтекаемости на дозвуковой скорости; задняя кромка (фиг.1) закруглена таким же образом для повышения прочности.

Текущая координата длины лопасти L_i определяется расчетным путем. Текущий радиус R_i определяется по формуле: R_i=L_i/K_b;

Коэффициенты выбираются из следующих величин:

К₃≥1; К₄≥1; K₅≥(0,6÷0,8)K₄; К₆÷7/К₄.

Коэффициенты K₁ и K₂ рассчитываются по формулам:

K₁=У_1А/Х_1А ^1/2; где К₂=(У_2В-2R_o)/Х_2В ^1/2,

где Х_1А; У_1А; Х_2В; У_2В - координаты точек касания парабол У₁ и У₂ с окружностью радиусом R.

Для нахождения точек касания парабол с окружностью задают исходные параметры для построения лопасти:

- угол атаки α≥7°;

- радиусы R_o и R;

- проекцию лопасти на координату Х-L.

Зная, что центр окружности находится на расстоянии l≥²/₃L, восстанавливают из этой точки перпендикуляр. Точка пересечения перпендикуляра с пролонгированной линией угла атаки α≥7° будет нижней точкой касания параболы У₁ с окружностью - точка A(X_1A; У_1A). Проводим окружность радиусом R через точку А с центром, лежащим на восстановленном перпендикуляре. Получаем вторую точку пересечения перпендикуляра с окружностью - точку В(Х_2В; У_2В). Эта точка будет точкой касания параболы У₂ с окружностью. Далее производится расчет коэффициентов K₁, К₂ по вышеприведенным формулам.

Для уменьшения свободных колебаний лопастей воздушного винта (лопаток турбины, компрессора, вентилятора и т.д.) ограниченной радиальной длины до 1,5 м необходимо концы пера механически соединить по всей окружности направляющим кольцом; образовывать предельный профиль лопасти по параболе: У₁=К₁Х^1/2 /фиг.2а/. Лопасть воздушного винта имеет загиб пера вниз на угол β≥60°, что позволяет использовать центробежный поток воздуха для увеличения подъемной силы (фиг.1, 2).

Толщина лопасти параболы выбирается из необходимой механической прочности.

Коэффициенты выбираются из следующих величин:

К₁≥0,5; К₂≥1; К₃≥0,7.

Для уменьшения свободных колебаний лопасти механически могут соединяться по окружности.

На фиг.1, 2 изображены лопасти воздушного винта, причем на фиг.1 - передняя кромка закруглена радиусом R_o и имеет острую заднюю кромку; передняя кромка снабжена "режущей" плоскостью 1. На фиг.2 имеется острая передняя кромка, а задняя закруглена радиусом Ro и имеет стабилизирующую плоскость 1. Обе лопасти имеют загиб конца пера на угол β≥60° для направления центробежного потока, повышающего подъемную силу (силу тяги), на фиг.2а - продольный профиль лопасти.

Работа воздушного винта

Скорость набегающего потока линейно возрастает от комеля к периферии и достигает максимальной величины на конце пера. Так как профиль сопротивления воздушного винта по преодолению сопротивления при создании подъемной силы (силы тяги) искусственно возрастает с увеличением текущего радиуса R>2R₀, то возрастает подъемная сила, одновременно возрастает продольное усилие по передаче подъемной силы (силы тяги) на увеличенное плечо. Поэтому предусматриваются следующие способы уменьшения свободных колебаний:

1) параболообразный поперечный и продольный профиль лопасти;

2) применение материалов с повышенным внутренним затуханием и др.

Скорость набегающего потока на передней плоскости создает разрежение, а на задней плоскости - давление, после ухода лопасти воздушного винта эти два потока встречаются на стабилизирующей плоскости (фиг.2) или на остром пересечении плоскостей парабол (фиг.1) и создается подъемная сила.

При этом для уменьшения лобового сопротивления лопасти воздушного винта предусматривается "режущая" плоскость (фиг.1), которая на конце пера имеет размер l≥R_o и плавно уменьшающаяся до нуля примерно на 1/3 длины лопасти. Загиб конца пера на угол β≥60° дополнительно направляет центробежный воздушный поток (фиг.1, 2), увеличивая подъемную силу. Заостренная передняя кромка (фиг.2) и режущая плоскость (фиг.1) снижают лобовое сопротивление воздушного винта. В результате перечисленных конструктивных отличий резко повышается КПД воздушного винта при ограниченной длине.

Проведенные сравнительные испытания на изготовленных макетах при R=2R₀ показали следующие преимущества по сравнению с (1) - подъемная сила (сила тяги) увеличивается примерно на 30%.

1. Лопасть воздушного винта, отличающаяся тем, что передняя и задняя кромки плоскости образованы пересечением двух парабол У₁=K₁X^1/2, У₂=2R₀+K₂X^1/2 или

трех парабол У₁=K₁X^1/2, У₂=2R₀+K₂X^1/2, У₃=К₃Х²,

касающихся окружности радиусом R≥R₀, центр которой находится на расстоянии l≥2/3L,

где L - проекция длины лопасти на координату X;

R₀ - радиус окружности в начале координат;

профиль сформирован пересечением двух парабол

У₄=К₄Х^1/2, У₅=2R₀+K₅X^1/2,

под острым углом на передней и задней кромках, сопряженных на задней и передней кромках с полуокружностями радиусом R₀, при этом предусмотрена стабилизирующая плоскость, которая представляет собой сегмент плоскости с начальной величиной на конце пера l≥R₀ и плавно уменьшающаяся до нуля на 1/3 длины от начала лопасти винта, передняя острая кромка закруглена на расстоянии R_i от точки пересечения парабол дугой радиусом R_i для улучшения обтекаемости на дозвуковой скорости, задняя острая кромка закруглена таким же образом для повышения прочности, текущая длина лопасти L_i определена расчетным путем, текущий радиус лопасти определен по формуле

R_i=L_i/K₆,

где коэффициенты выбраны из следующих величин:

К₃≥1, К₄≥1, К₅=К₄(0,6÷0,8), К₆≥7/К₄,

коэффициенты K₁ и К₂ рассчитаны по формулам

K₁=У_1А/X_1A ^1/2, К₂=(У_2В-2R₀)/Х_2В ^1/2,

где Х_1а, У_1а, Х_2В, У_2В - координаты точек касания парабол У₁ и У₂ с окружностью радиусом R, угол атаки α≥7° и R₀, R, L заданы изначально.

2. Лопасть воздушного винта по п.1, отличающаяся тем, что для уменьшения свободных колебаний конец лопасти длиной до 1,5 м механически замкнут кольцом по всей окружности, а продольный профиль лопасти длиной более 1,5 м образован параболой У₁=K₁X^1/2, где K₁≥0,7.

3. Лопасть воздушного винта по п.2, отличающаяся тем, что имеет загиб вниз на угол не менее 60° для увеличения подъемной силы.