高效轮式螺旋桨的制作方法

专利名称高效轮式螺旋桨的制作方法
技术领域本发明涉及一种螺旋桨，特别是涉及一种有轮边的螺旋桨。
现有的螺旋桨或称桨扇一般由转轴及固定在其上的桨叶所组成。它的主要工作区在0.7个叶长处，从0.7叶长处到叶端是运动速度最快的区域，按面积该区域占整个桨扇旋转面积的一半左右，按产生的作用力，该区域占75％以上。普通的螺旋桨在这一区域，由于叶端损失，桨叶正压面与负压面的压差反而下降，在叶端处几乎降到0。叶端是桨叶运动速度最快的位置，但却是普通桨扇损耗最大有效功率贡献为零的位置，叶端损失严重，因此现有桨扇的旋转能量转化为流体轴向动能的效率较低，并且还有桨叶厚，原材料用量大，叶端正负压叶面之间以及与周围介质之间均无稳固界面易受外界条件影响的缺点。
本发明的目的是提供一种高效轮式螺旋桨，它能弥补现有螺旋桨的上述不足。
本发明的螺旋桨，有轮毂、桨叶，其特征是各桨叶叶尖上固定着叶尖片，各叶尖片之间由边条相联。
本螺旋桨具有小的诱导阻力损耗，桨叶的最大压力输出在叶端(普通螺旋桨在0.7叶长处，涵道风扇在0.8叶长处)，有效桨叶面积大，因此，增加桨叶面积，降低排出流体速度和温度，而不增加诱导阻力，使效率相对目前技术提高5％-60％左右(相对涡轮风扇提高20％-60％；螺旋桨提高10％-40％；流体输送，提高5％-20％左右)。它还具有推力大，结构强度高，承载能力大，形状稳定，流体动力性能稳定，噪音低，抗桨叶颤振，波阻小等特性。
下面通过实施例和附图进一步说明本发明。
附附图说明

图1为本发明的螺旋桨的结构示意图。
附图2为推进型螺旋桨的轮边结构示意图。
附图3为风扇型螺旋桨的轮边结构示意图。
本发明的螺旋桨，有轮毂(2)、桨叶(3)，其特征是各桨叶(3)叶尖上固定着叶尖片(1)，各叶尖片(1)之间由边条(4)相联。叶尖片(1)和边条(4)构成的环称为轮边。
本螺旋桨在桨叶(3)的叶端有减小诱导阻力的叶尖片(1)，使桨叶(3)的流体动力特性趋向展弦比为无穷大的桨叶特性，使本螺旋桨的最大压力输出扩展到桨叶叶端(普通螺旋桨在0.7叶长处，涵道风扇在0.8叶长处)，增加部分处于螺旋桨运动速度最快部位，因此，在相同条件下，相对于涵道风扇或普通螺旋桨来说，其桨叶的有效作用面积增大，作用效果提高。在这些特性条件下，再应用增加桨叶面积，降低排出流体速度和温度，减少流体带走的动能和热能的方法，以及其它节能技术(见后)，使本螺旋桨相对目前技术提高效率5％-60％左右(在用于推力情况下，相对于涡轮风扇发动机效率提高20％-60％左右，相对于螺旋桨提高10％-40％左右，在用于流体输送领域时，提高5％-20％左右)。
本螺旋桨的叶尖片(1)和边条(4)包围的空间为流体流通面，这是根据减小诱导阻力，同时又有一定流量的流体通过流通面的要求设计的，既能减小诱导阻力，又不影响流体按要求通过流通面流动。试验证明本螺旋桨周边径向流体补充数量，对螺旋桨产生的推力或输送流体的数量以及螺旋桨的效率影响很大。桨叶(3)正压面的诱导阻力损耗，即流体在压差力作用下的径向运动，消耗大量能量，这一部分流体又在惯性力作用下，在径向周边，有减小流体向螺旋桨补充的作用，所以本螺旋桨既减小诱导阻力损耗，又增加了与螺旋桨作用流体的补充数量，相应增加了推力。边条(4)还有增加本螺旋桨结构强度的作用。由于流体不断通过流通面被吸入，轮边表面转为湍流的流体也同时被吸走，使轮边表面在很大速度范围能保持层流状态，从而减小了轮边的摩擦阻力(层流摩擦阻力为湍流摩擦阻力的1/5～1/6左右)。
普通螺旋桨的设计基本采用机翼升力理论，但实际应用中它们的工作条件有一定差别，主要为与机翼作用的流体作用前基本是相对静止状态的，起码在与机翼作用前处于相对稳定状态。而与涡轮风扇发动机风扇作用的流体大部分与前浆叶作用后，补充过来的流体。补充过来的流体的状态和数量对后一桨叶的影响非常大。本螺旋桨通过改变流通面的面积，形状，和位置，可以控制本螺旋桨周边径向流体补充的位置、方向和数量，使补充的流体既能满足本螺旋桨产生推力的需求，又不会破坏桨叶叶面建立的压力场已产生的作用力。在产生推力情况下，流通面与桨叶吸力面采用最佳距离，使补充的流体不会使吸力面负压损失太大，又有尽可能多的流体通过流通面进入螺旋桨。对桨叶正压面叶尖片(1)各处宽度的要求是恰好维持住叶面压力。
在各叶尖片(1)之间有数条边条(4)相连。边条(4)的作用主要是加强本螺旋桨的结构强度，提高载荷能力，稳固形状。边条通过叶尖片(1)将相邻的二只桨叶(3)相连接，构成稳定性很高的三角形。由边条(4)和叶尖片(1)构成的轮边与桨叶是T形结构，这种结构能有效的稳定桨叶的冲角，因此，本螺旋桨不会轻易产生变形，脱离设计工作状态，使性能降低。由于本螺旋桨结构强度高，所以它的桨叶(3)厚度能够比普通螺旋桨减小很多，这使本螺旋桨能够减轻自重，减小波阻。本螺旋桨叶尖片(1)和边条(4)可以有不同的减阻形状，如截面形状为流线形，菱形，圆形等等。边条(4)的形状和位置根据结构强度和流通面的要求确定，边条(4)可以部分或全部在桨叶(3)宽度之外位置，以增加流通面面积。边条(4)可以制造成一个内经与螺旋桨直径相等的完整圆环。叶尖片(1)相对本螺旋桨轴向可以有一定角度，例如叶尖片(1)在轴向有6度外倾角，以增加吸入流体的作用。本螺旋桨在涵道中应用时，轮边外侧可有密封功能形状，如迷宫封严结构，密封圈结构，密封圈槽结构等等。根据不同用途，只在桨叶的压力面或吸力面一侧设置叶尖片(1)，例如做风扇用时，仅在桨叶(3)的压力面一侧有叶尖片(1)；做为吸气设备时，只有吸力面一侧有叶尖片(1)。
在水槽中做的试验结果为在相同旋转半径，相同桨叶面积和形状的条件下，本螺旋桨产生的推力比普通螺旋桨大，普通螺旋桨的推力又比有涵道风扇大，推力相差的量值以百分之十量级记。根据试验，这是由于涵道减小了与风扇作用流体的数量造成的，而且，涵道还产生一定摩擦阻力，有叶尖间隙损失。目前，航空发动机广泛应用涵道风扇。在压气机中，涵道是必不可少的。但在涡轮风扇发动机中。产生推力的涵道风扇的涵道，目前，还没有发现它的良好作用和特性以及使用必要性的资料和数据。鉴于目前情况，需要对涵道风扇的涵道的作用，包括它的减小噪音，机械包容作用进行评估，因为，涵道风扇的涵道越来越大(最大的涵道直径已超过3米)，它的重量，产生的阻力也相应增大。在50年代，美国国防部做过关于涵道螺旋桨的研究，当时，涡轮风扇发动机尚未出现，当年的研究结论是否适合当今涵道风扇 这些超出了本专利说明的范围，但与本专利技术实施有关。高效轮式螺旋桨主要技术特性1．提高桨叶性能，桨叶流体动力特性趋向于展弦比无穷大桨叶的特性，桨叶产生升力的作用能提高百分之四十二左右。
2．减小、消除诱导阻力、互诱阻力。
3．改善桨扇的工作特性，使本螺旋桨在使用中，工作在高升阻比区的机率比较高。
4．无须变桨距机构。
5．减小流体离心力产生的流体径向运动消耗的能量增加桨叶有效作用面积，降低叶尖速度，提高桨扇效率。
6．结构强度高，形状稳定，承载能力大。抗桨叶颤振，相对重量轻。
7．能够在超音速条件下高效率的产生推力。
8．摩擦阻力小。
10．噪音小。
11．减小污染，减小氮氧化物的排放。
12．本螺旋桨在结构上有很好的刚性。在压气机方面应用时，能够使压气机具有很好的抗喘振和抗失速性能。
13．本螺旋桨在大流量流体轴流输送机械方面应用，如做风扇用，具有能耗低，输送量大，输送面积大等特性。
14．减小空泡影响，减小螺旋桨汽蚀。
15．本螺旋桨方向性好能够作矢量应用。
16．本螺旋桨的轮边有防护作用，对船只航行区的水生动物有一定保护作用，对在浅水或冰区航行船只的螺旋桨本身也有一定保护作用。
实施例一空气中用于推进的高效轮式螺旋桨一只直经0.8米的螺旋桨，宽度为0.1米，有效冲角14度，升力系数L取1.桨叶面积与螺旋桨旋转面积相等，取海平面以上大气条件，用美国IHPTET计划要达到的，压气机叶尖速度550(米/秒)的技术指标。不考虑气体可压缩性的影响，计算本螺旋桨理论上能产生的静态推力F为
F=推力(公斤力)，r=转速550(米/秒)/πR=219(转/秒)ρ=空气密度0.125(公斤.秒2/米4)R=本螺旋桨半径0.4(米)；A=本螺旋桨面积0.5(平方米)V(m)=叶尖部速度550(米/秒)L=1升力系数本螺旋桨产生的推力FF=0.25LρAV2(m)=4726(公斤力)=46320(牛顿力)如果升力系数取1.6，面积系数取1.4，那么F=1037568牛顿力应用平板阻力计算公式，计算轮边产生的阻力Z，对轮边损耗做大概的定量分析。估算轮边损耗占输出功率的比例数。{设轮边与流体作用部分形状为流线形，阻力近似平板摩擦阻力，因此，按轮边的面积，计算摩擦阻力，去掉流通面积部分阻力，得实际摩擦阻力。这里设流通面积占总面积的50％}计算本螺旋桨轮边产生的阻力ZZ=轮边阻力(公斤力)；Я=雷诺数，C=阻力系数，V(m)=轮边线速度550(米/秒)，ρ=空气密度0.125(公斤.秒2/米4)，M=轮边面积0.25(平方米)0=轮边周长2.5(米)，空气的粘性系数1.45×0.00001(米2/秒)求雷诺数 求阻力系数 Z=0.5CρV2(m)M=0.5×0.0021×0.125×550×550×0.25=9.925(公斤力)叶尖片(1)阻力与总推力之比
计算本螺旋桨减少诱导阻力损失的量值，设本螺旋桨没有叶尖片(1)，展弦比为λ=4计算诱导阻力RI螺旋桨面积A=0.5(平方米)；展弦比为λ=4，叶尖部速度V(m)=550(米/秒)；升力系数L=1求诱导阻力系数CICI=L2/πλ=1/12.6=0.0796求诱导阻力RIRI=0.5CIρAV2(m)=752公斤力诱导阻力与推力之比752/4726=0.13本螺旋桨在此条件下可以减小相当于推力13％的诱导阻力。由于，消耗的功率为力乘距离，诱导阻力乘叶尖部速度接近为诱导阻力消耗的功率，而推力消耗的功率为桨叶各点的推力乘速度在作用面上的积分，普通螺旋桨由于叶端诱导阻力的影响，实际值很难计算，不考虑叶端诱导阻力影响的值没意义，如果按普遍公认的最大压力点在0，7叶长计算，诱导阻力消耗的功率与推力消耗的功率之比大约在0.20左右，如果桨叶的升力系数为1.4或展弦比为2，诱导阻力消耗的功率将增加一倍，达到推力消耗的功率的40％左右。降低排气速度是节能的方向之一，增加桨叶面积是降低排气速度的有效方法，宽桨叶是增加桨叶面积的有效途径，而且，宽桨叶能够增加对流体轴向作用的距离，增加被作用流体的数量，对增加推力，提高效率非常有利。如果不能减小诱导阻力损耗，宽桨叶增加面积的节能效果将被诱导阻力的增加抵消。因此本螺旋桨是减小诱导阻力和增加桨叶面积降低排气速度的有效装置。实例二通过本实施例说明本螺旋桨作为普通电风扇用途的效率和效果。用直径400毫米的普通电风扇为例，设桨叶无扭转，冲角相同，计算普通电风扇的诱导阻力损耗，这一部分就是本螺旋桨节省的能量。由于风扇用途的螺旋桨仅有桨叶正压力面的诱导阻力损耗，设它占总诱导阻力损耗的比例为0.4。
计算普通电风扇的诱导阻力损耗本螺旋桨的转速=25(转/秒)；叶尖部速度V(m)=31(米/秒)ρ=空气密度0.125(公斤.秒2/米4)；R=螺旋桨半径0.4(米)螺旋桨面积A=0.1(平方米)展弦比为λ=1.2升力系数L=1 F=推力(公斤力)求诱导阻力系数CICI=L2/πλ=1/3.76=0.265计算诱导阻力RI=0.5(0.4)CIρAV2(m)=0.636公斤力求推力FF=0.25LρAV2(m)=3公斤力诱导阻力RI与推力F之比RI/F=0.636/3=0.212由此可以说明，在此设定条件下，本螺旋桨比普通电风扇能够节能20％左右，根据本螺旋桨特性，此时最大风速在叶端(普通风扇在0.7叶长处)，因此有效输送面积相应增加，最大风速增加30％，输送的风量相应增加。注意驱动风扇的电机功率也要相应增加，减小诱导阻力节省的功率为20％，增加风速和风量增加的功率为50％，所以，要增加30％以上的驱动功率。这时，400毫米直径的本螺旋桨风扇的送扇风面积和输送风量，相当500毫米直径普通电风扇的送扇风面积和输送风量。而500毫米直径的普通电风扇消耗的功率比400毫米直径的本螺旋桨风扇要大30％左右。
权利要求
1．一种高效轮式螺旋桨，有轮毂(2)、桨叶(3)，其特征是各桨叶(3)叶尖上固定着叶尖片(1)，各叶尖片(1)之间由边条(4)相联。
2．如权利要求1所述的螺旋桨，其特征是所述的叶尖片(1)设在桨叶(3)的压力面或吸力面一侧。
全文摘要
一种高效轮式螺旋桨,有轮毂(2)、桨叶(3),其特征是各桨叶(3)叶尖上固定着叶尖片(1),各叶尖片(1)之间由边条(4)相联。本螺旋桨具有小的诱导阻力损耗,桨叶的最大压力输出在叶端,有效桨叶面积大,降低排出流体速度和温度,而不增加诱导阻力,使效率提高5%－60%左右。它还具有推力大,结构强度高,承载能力大,形状稳定,流体动力性能稳定,噪音低,抗桨叶颤振,波阻小等特性。
文档编号B64C11/02GK1283572SQ99112360
公开日2001年2月14日 申请日期1999年8月9日 优先权日1999年8月9日
发明者韩玮, 李远灵, 孙连云, 辛崇华, 李向宇 申请人:韩玮