CN101772453B - 螺旋桨 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于在流体媒介中转换机械能的装置，其可用在发动机和推进器的水力和空气螺旋件的形式中，并使得可以简化螺旋桨叶片的制造方法、减小尺寸和材料消耗、并同时增加由此所产生的推力，而并不降低其强度和效率。本发明的螺旋桨包括至少两个半月形叶片(4)，所述叶片的基本区段(6)固定至驱动轴(2)的毂部(1)。每个叶片(4)的基本区段(6)是直半月形的、其中所述叶片(4)的前缘相对于旋转的方向和平面向后弯曲，并且逐渐地融合到相反的半月形结束区段(8)中，叶片(4)的前缘相对于旋转的方向和平面向前弯曲，并且各叶片(4)沿螺旋桨轴线设置，并借助于结束区段(8)被紧固成形成轴向对称结构。螺旋桨的所有叶片(4)的渐开线的形状为单个整体平坦结构的形式，其设有一个或多个孔(5)，所述孔对应于驱动轴(2)的毂部(1)的联接尺寸。

Description

螺旋桨
技术领域
本发明涉及用于在诸如液体或气体的流体媒介中转换机械能的螺旋桨（“螺旋件”）及其改型，并且本发明可用于轮船、飞机、驾驶器（飞艇）、风车、家用风扇以及其它家用电器、玩具和其它物品的发动机和推进器的水力与空气螺旋件中。 
背景技术
在现有技术中已经知道的是，流体媒介推进器包括具有一单面的Mobius表面（茂比乌斯表面）的弹性带形叶片，其连接至垂直于驱动轴的径向杆（USSR Certificate of Authorship No.1305430，IPC FO3D1/06，publ.09.30.85）。然而，这种装置的特征在于结构复杂性、低效或高能量成本（COE）以及噪音，这是由于并不参与产生有用的空气动力的径向杆的设置。 
目前，认为具有悬臂装配式半月形叶片的多叶片式螺旋件为最高效的。所述叶片的非连接端部相对于旋转的方向和平面向后弯曲（USSR Certificate of Authorship No.1711664,IPC B64C 11/00,publ.10.24.86）。然而，这种螺旋件的特征在于不足的可靠性以及制造的复杂性，这是由于半月形叶片的一侧悬臂式连接，具有很大的伸长率和曲率、操作过程中的显著噪音、每单位叶片面积的低COE以及较大的质量（以及较大的结构的总体尺寸）。 
所提出的本发明的技术效果旨在实现简化螺旋桨叶片制造工艺、减小叶片的尺寸以及因此金属含量，而同时在不减小它们的强度高效性的前提下增加它们的推力。 
发明内容
本发明涉及用于在流体媒介中转换机械能的螺旋桨及其改型，并 且可以以水力和空气螺旋件的形式用于发动机和推进器，使得可以简化螺旋桨叶片的制造方法，减少螺旋桨叶片的尺寸和材料消耗，并且同时增加由此产生的推力，而并不减小螺旋桨的强度和效率。本发明的螺旋桨包括至少两个半月形叶片，所述叶片的基本区段固定至驱动轴的毂部。每个叶片的基本区段是直的且半月形的，其中叶片的前缘相对于旋转的方向和平面向后弯曲，并逐渐地变形到相反的、半月形结束区段中。而且，叶片的前缘相对于旋转的方向和平面向前弯曲。各叶片沿螺旋桨轴线设置，并且借助于结束区段被紧固成形成轴向对称结构。螺旋桨的所有叶片的渐开线的形状为单个整体平坦结构的形式，其设有一个或多个孔(5)，所述孔对应于驱动轴的毂部的联接尺寸。 
附图说明
在图1至12中示出了本发明的基本思想。 
图1示出了三叶片式螺旋桨； 
图2示出了三叶片式螺旋桨的轴向视图； 
图3至6示出了具有不同类型的连接叶片端部的二叶片式螺旋桨； 
图7示出了二叶片式螺旋桨的轴向视图； 
图8至12示出了用于两种螺旋桨改型的螺旋桨叶片的平面展开结构的实施例。 
具体实施方式
所要实现的所提出的发明的技术效果是简化螺旋桨叶片的制造工艺、减小叶片的尺寸以及因而金属含量，而同时在不减小它们的强度高效性的前提下增加它们的推力。该技术效果由这样的事实实现，即螺旋桨(改型1)具有半月形叶片，所述叶片的开始区段连接至驱动轴毂部，新的技术特征在于，螺旋桨具有至少两个叶片。每个叶片的开始区段是直的、半月形的，其中叶片的前缘相对于旋转的方向和平面向后弯曲。开始区段逐渐地融合(blend)到叶片的前缘相对于旋转的方向和平面向前弯曲的、相反的半月形结束区段中。各叶片沿螺旋 桨轴线设置，并且它们的结束区段彼此相连，形成轴向对称的结构。 
在这样一种螺旋桨(改型2)中，其中所述螺旋桨包括具有连接至驱动轴毂部的开始区段的半月形叶片，新的技术特征在于，螺旋桨具有三个或多个叶片。每个叶片的开始区段是直的、半月形的，其中叶片的前缘相对于旋转的方向和平面向后弯曲。开始区段逐渐融合到叶片的前缘相对于旋转的方向和平面向前弯曲的、相反的半月形结束区段中。各叶片沿螺旋桨的轴线设置，并且它们的结束区段彼此相连，形成轴向对称的结构，而每个叶片的开始区段和结束区段以特定的入射角度相连。各叶片的结束区段借助于环形衬套彼此相连。对于发动机，每个叶片的开始区段的入射角度大于对应的叶片的结束区段的入射角度。对于推进器，每个叶片的开始区段的入射角度小于对应的叶片的结束区段的入射角度。叶片的外缘的轨迹总和形成一扫描区域，其形状主要为椭圆形并沿螺旋桨轴线是细长的。 
在这样一种螺旋桨(改型3)中，其中所述螺旋桨包括具有连接至驱动轴毂部的开始区段的半月形叶片，新技术特征在于，螺旋桨具有两个叶片。每个叶片的开始区段是直的、半月形的、其中叶片的前缘相对于旋转的方向和平面向后弯曲。开始区段逐渐地融合到叶片的前缘相对于旋转的方向和平面向前弯曲的、相反的半月形结束区段中。各叶片沿螺旋桨轴线设置，并且它们的结束区段彼此相连，形成轴向对称的结构。各叶片的结束区段连接至单个部件，而两个叶片的表面之间逐渐融合，从而两个叶片形成具有单弯曲结构的单个单面的表面。在连接点处，每个叶片的开始和结束区段的表面彼此相对旋转90度。螺旋桨轴线与两个叶片的结束区段表面位于同一平面内。叶片的外缘的轨迹总和形成一扫描区域，其主要为椭圆回转形状并沿螺旋桨轴线是细长的。各叶片的结束区段直接彼此相连，或者各叶片的结束区段借助于环形衬套或驱动轴彼此相连。 
改进的螺旋桨叶片其特征在于，各螺旋桨叶片的整体是一单一件式平坦结构，包括至少两个螺旋形元件，它们形成具有一个或多个孔的对称结构，所述孔具有用于螺旋桨驱动轴毂部的联接尺寸(couplingdimension)。螺旋形元件具有轴向孔，所述轴向孔具有用于螺旋桨驱动 轴毂部的联接尺寸。在它们的开口端部处，螺旋形元件具有孔，所述孔具有用于螺旋桨驱动轴毂部的联接尺寸。包括两个螺旋形元件的该改型是一双焦点螺旋线结构，其相对于其中间横截面中与平坦结构边缘垂直切向的直线对称，在开口端部具有孔，所述孔具有用于螺旋桨驱动轴毂部的联接尺寸。 
最佳改型 
用于流体媒介发动机和推进器的所提出的螺旋桨包括具有驱动轴2的毂部1；安装螺旋件3以及半月形叶片4。毂部1或叶片4借助于轴向孔5安装在轴2上，确保了在叶片4的开始区段6处的直半月形形状以及入射角度α。直半月形形状的特征在于，叶片4的前缘7相对于旋转的方向和平面向后弯曲，并且对应于传统制造的半月形叶片。直半月形的开始区段6逐渐地融合到相反的半月形的结束区段8中，也就是，确保了叶片4的前缘7相对于旋转的方向和平面向前弯曲(图1和2)。叶片4在它们的结束区段8处利用任何已知的方法彼此刚性相连，确保了叶片的结束区段的入射角度β并不等于叶片的开始区段的入射角度α。用于连接的方法是基于制造性能(利用在叶片4的端部处的孔9的螺纹连接；钎焊；铆接；利用辅助环形衬套10)。 
在二叶片式螺旋桨中，叶片4的开始区段6在毂部1上安装，利用了孔5并利用螺纹件3固定。在连接至毂部的点上，各叶片4的表面12垂直于螺旋桨轴线。在彼此相连的点上，各叶片4的表面13相对于表面12转向90度，与螺旋桨轴线处于同一平面内，并且彼此刚性相连，形成了轴向对称的结构。例如，各叶片4的表面13利用点焊的方式重叠并连接(图3、7)。叶片4的结束区段8的连接提供了一种刚性与坚固的结构，甚至在利用薄钢片金属、塑料或复合材料时。叶片4的形状(它们的表面的逐渐融合)逐渐地改变了入射角度以及在叶片4的端部处流体媒介的入射流从最大至最小的阻滞(drag)。与实现同一功能的已知的装置相比，这种流的再分配提供了在宽速度范围内的更大的COE。在组装二叶片式螺旋桨时，各叶片4的结束区段8利用环形衬套10或轴延伸部11沿螺旋桨轴线相连，这使得更容易地 在毂部1上安装叶片4。 
紧固件的尺寸并不改变叶片的空气动力性(图4、5)。在所要求保护的螺旋桨的两个叶片4的结束区段8直接紧固时，各叶片形成了Mobius表面。因此，螺旋桨的两个叶片4可以单次弯曲一个平面螺旋形部件而被制成，其中在所述部件的端部处具有孔，以便将所述部件在毂部1上紧固，形成两个叶片(图6)。 
在图8和9的改进的平面视图中示出了这种叶片4的结构。图8的平面视图结构包括两个螺旋形元件，它们形成了轴向对称的结构，而在螺旋形元件的开口端部处具有孔5，所述孔具有用于螺旋桨驱动轴2毂部1的联接尺寸。图9示出了二叶片式螺旋桨的改进的平坦结构，其中所述螺旋桨包括两个螺旋形元件，其形状为双焦点螺旋线结构，其相对于其中间横截面中与平坦结构边缘的切向垂直的直线对称，在螺旋形元件的开口端部处具有孔5，所述孔具有用于螺旋桨驱动轴2毂部1的联接尺寸。 
通过具有如图10所示改进结构的平面部件可获得类似的螺旋桨结构。改进结构包括两个螺旋形元件，它们形成具有轴向孔5的轴向对称结构，所述轴向孔具有用于螺旋桨驱动轴2毂部1的联接尺寸，而结构端部处的孔9用于将叶片4的结束区段彼此相连。各叶片4的螺旋形表面确保了：具有逐渐改变的入射角度的叶片形状；叶片的结构强度；在COE同时、显著增加情况下的螺旋桨的整体尺寸和质量的减小；并确保了实际上无噪音的操作；扫描区域直径被减小。在三叶片式螺旋桨(图1)中，各叶片4的结束区段也在螺旋桨轴线附近借助于环形衬套10共轴线地相连，这在一方面使得很容易触及毂部1的紧固装置(图2)，而另一方面，并不改变叶片4的空气动力性；还使得可以以特定的入射角度紧固各叶片4的结束区段8，所述入射角度的选择满足实际标准。考虑到例如在风车中从叶片4至轴2的能量转换的类型或者在将旋转转移至叶片4时，三叶片式螺旋桨可以具有α>β或β>α的入射角度，其中α是叶片的开始区段6的入射角度，而β是叶片4的结束区段8的入射角度。 
螺旋桨如下工作：在驱动轴2与毂部1旋转时，各叶片4的直半 月形区段6(其具有比相反的半月形区段8更小的入射角度(α<β))开始与流体媒介相互作用。这导致了周围流体媒介的逐渐加速，所述流体媒介以最大速度聚集，并且在叶片4的端部处排出。各叶片4的外缘的轨迹总和形成了一大体椭圆形结构，其沿螺旋桨轴线是细长的。螺旋桨沿轴线的伸长率越长，则媒介利用螺旋桨就越逐渐加速。因为各叶片4在两端相连——开始区段6与毂部1并且结束区段8彼此相连，所以尽管沿旋转轴线O-O′的伸长率较大，但是所得到的结构相当轻并且坚固。伸长率确保了流体媒介中较低分布的压力梯度，并且因而确保了较低级别的噪音、空穴和紊流，这显著地增加了COE并且积极地影响了所提出的装置的技术效果。可以利用诸如浇铸或锻造的任何已知的制造方法制造螺旋桨。从生产上讲，很容易从平坦薄片材料例如金属(图11、12)弯曲三叶式螺旋桨，其中所述材料的形状为这样一种部件，所述部件是单一件式平坦结构，其包括螺旋形元件，所述螺旋形元件形成了轴向对称结构，所述轴向对称结构包括一个轴向孔5，其具有用于螺旋桨驱动轴毂部的联接尺寸；以及安装孔9。为了产生螺旋线结构，可以使用阿基米德螺旋线、双曲线与对数螺旋线、渐开线、摆线和其它合适的曲线，它们的选择取决于所提出的装置的具体的目的。 
工业实用性 
上述信息已经由基于平面改型(图9、10、11)的家用风扇的模型全尺寸测试证实，其中所述改型提供了具有最大6000RPM低噪音级别以及低生产成本的窄聚集空气喷流，这对于任何个人以及因而制造用于舰船、风车、飞机等的低噪音螺旋件的厂商而言是可付得起的。

Claims (13)

1.一种螺旋桨，包括半月形叶片，所述叶片的开始区段连接至驱动轴毂部，其特征在于，每个叶片的开始区段是直半月形的、其中所述叶片的前缘相对于旋转的方向和平面向后弯曲，并且所述叶片的开始区段逐渐地融合到所述叶片的前缘相对于旋转的方向和轴线向前弯曲的、相反的半月形结束区段中，所述叶片沿螺旋桨的轴线扭转，提供了沿整个叶片的逐渐改变的入射角度，并且在所述叶片的结束区段连接至所述螺旋桨的轴线，所述叶片的开始区段和结束区段以不同的入射角度相连。
2.根据权利要求1所述的螺旋桨，其特征在于，所述叶片的表面的平面展开结构是螺旋形状。
3.一种螺旋桨，包括半月形叶片，所述叶片的开始区段连接至驱动轴毂部，其特征在于，所述螺旋桨包括三个或更多个叶片，每个叶片的开始区段是直半月形的、其中所述叶片的前缘相对于旋转的方向和平面向后弯曲，并且逐渐地融合到所述叶片的前缘相对于旋转的方向和平面向前弯曲的、相反的半月形结束区段中，各所述叶片沿螺旋桨轴线扭转，提供了沿整个叶片的逐渐改变的入射角度，并且在所述叶片的结束区段处连接至所述螺旋桨轴线，其中所述叶片的开始区段和结束区段以不同的入射角度相连。
4.根据权利要求3所述的螺旋桨，其特征在于，所述叶片的结束区段借助于环形衬套彼此相连。
5.根据权利要求3所述的螺旋桨，其特征在于，在应用于发动机时，每个叶片的开始区段的入射角度大于对应的叶片的结束区段的入射角度。
6.根据权利要求3所述的螺旋桨，其特征在于，在应用于推进器时，每个叶片的开始区段的入射角度小于对应的叶片的结束区段的入射角度。
7.根据权利要求3所述的螺旋桨，其特征在于，所述叶片表面的平面展开结构是螺旋形状。
8.根据权利要求3所述的螺旋桨，其特征在于，所述叶片的外缘的轨迹总和形成一扫描区域，所述扫描区域为椭圆形、沿螺旋桨轴线是细长的。
9.一种螺旋桨，包括半月形叶片，所述叶片的开始区段连接至驱动轴毂部，其特征在于，所述螺旋桨包括两个叶片，每个叶片的开始区段是直半月形的、其中所述叶片的前缘相对于旋转的方向和平面向后弯曲，并且逐渐地融合到所述叶片的前缘相对于旋转的方向和平面向前弯曲的相反的半月形结束区段中，所述叶片沿螺旋桨轴线扭转，提供了沿整个叶片的逐渐改变的入射角度，所述叶片通过它们的结束区段相连，形成一轴向对称结构，每个叶片的开始区段和结束区段以不同的入射角度相连，并利用单次弯曲连接成单个单面的Mobius表面，其中在连接点处，每个叶片的开始区段和结束区段的表面彼此相对旋转90度，而螺旋桨轴线与两个叶片的结束区段表面处于同一平面中。
10.根据权利要求9所述的螺旋桨，其特征在于，所述叶片表面的平面展开结构是螺旋形状。
11.根据权利要求9所述的螺旋桨，其特征在于，所述叶片的外缘的轨迹总和形成一扫描区域，所述扫描区域为椭圆回转形状、沿螺旋桨轴线是细长的。
12.根据权利要求9所述的螺旋桨，其特征在于，所述叶片的结束区段彼此直接相连。
13.根据权利要求9所述的螺旋桨，其特征在于，所述叶片的结束区段借助于环形衬套或驱动轴彼此相连。
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