CN104854310A - 螺旋桨 - Google Patents

Abstract

螺旋桨，具有一个中心柱，连接一个或多个叶片。这些叶片被配置和装配为从螺旋桨的侧面向螺旋桨的旋转轴吸入空气，在螺旋桨的旋转轴的中心附近区域内形成压力，用于产生推力。

Description

螺旋桨

背景技术

本发明涉及一种叶片装置，如螺旋桨。

通常，螺旋桨被使用在如飞机、船只、涡轮机的设备中和广泛多样配置的其它类似装置，用于通过将旋转运动转换成推力或流体流动来传送动力。

螺旋桨通常由两个或两个以上连接到中心柱或毂的叶片构成，随着叶片弯曲、扭曲、或其它的变形，在叶片的前、后表面之间产生压力差，用以推动流体(如水或空气)流过叶片。叶片的形状、侧伏角和扭曲是螺旋桨的工作效率所有因素。

已经有不少的尝试，通过改变叶片设计来提高螺旋桨性能。这样的方法已经在一定程度上成功了，但往往导致螺旋桨具有性能局限，例如限制可实现的斜度和侧伏角。这有必要提供一种螺旋桨，其与传统的螺旋桨相比较，具有改进的性能。

发明内容

本发明的实施例提供了一个螺旋桨，其从叶片的侧面部分向螺旋桨的旋转轴和从螺旋桨的前面向后面向内拉动空气。螺旋桨具有与旋转轴重合的中心柱，和一个或多个叶片配置在中心柱周围。每个叶片具有远端和近端。叶片包括顶部部分、底部部分和侧面部分，侧面部分配置在远端或朝向远端。一个或多个叶片的顶部部分和底部部分在它们的近端连接在一起，并从中心柱径向向外延伸。在中心柱与叶片的顶部部分和底部部分的连接处之间，有一个间隙，其中，一旦螺旋桨旋转，空气即被压缩。叶片顶部部分与中心柱在叶片顶部部分交角处与中心柱相交，叶片底部部分在叶片底部部分交角处与中心柱相交。当从垂直于螺旋桨纵轴的线测量时，叶片底部部分交角大于叶片顶部部分交角。顶部叶片部分与底部叶片部分可以是非对称的。

螺旋桨叶片可以是环形的，其中，每个环形叶片在同一旋转平面上旋转。至少一个叶片部分可以展示出非零叶片角。叶片的横截面可以是翼型的。叶片在其远端比在其近端更宽。叶片具有可以是直线的或者弯曲的中间线，与叶片的扭曲不相关。

螺旋桨可以围绕旋转轴具有一对或多对彼此相对的叶片。一对相对的叶片可以形成单一的、连续的环。相对的叶片之间相对于旋转轴的交角可以是不同的。

螺旋桨可以一个在一个之上于其间有空间或无空间的被堆叠。而且，螺旋桨可以由围绕中心柱螺旋配置的多个叶片组成。

螺旋桨叶片在旋转轴附近可以具有大致的侧伏角，从旋转轴径向向外延伸并减少侧伏角。叶片的侧面部分展示出非零侧伏角。

本发明也包括一个具有任何披露的螺旋桨的设备。

本发明进一步包括螺旋桨的制造方法，包括：选择气流的所需方向，选择所需数值的推力，和选择叶片曲率，叶片和叶片交角的组合，以产生选择的气流和推力。

附图说明

有关本发明的示例性实施例进一步的详情，结合以下图解，可参考如下提供的详细描述：

图1是表示根据本发明示例性实施例的螺旋桨的原理侧视图。

图2描绘了根据本发明示例性实施例的具有两个相对叶片的螺旋桨。

图3A是根据本发明示例性实施例的环形叶片的侧视图。

图3B和3C是根据本发明示例性实施例的如图3A所示的叶片的选择性剖视图。

图3D和3E是根据本发明示例性实施例的图3所示的叶片的选择性视图。

图4是根据本发明示例性实施例的具有两个相对的叶片的螺旋桨的剖视图。

图5描绘了根据本发明示例性实施例的具有连接上、下叶片部分的支柱的螺旋桨。

图6A示出了根据本发明示例性实施例的三环螺旋桨。

图6B描绘了根据本发明示例性实施例的三环螺旋桨的侧视图。

图7A描绘了根据本发明示例性实施例的四环螺旋桨。

图7B是根据本发明示例性实施例的四环螺旋桨的侧视图。

图8示出了根据本发明示例性实施例的多环螺旋桨。

图9是底部叶片部分未连接的两环螺旋桨的等轴视图。

图10是根据本发明示例性实施例的堆叠的螺旋桨的等轴视图。

图11描绘了根据本发明示例性实施例的螺旋桨。

图12描绘了根据本发明示例性实施例的堆叠的螺旋桨。

图13A-B分别描绘了根据本发明示例性实施例的具有开放环叶片的螺旋桨的顶视图和侧视图。

具体实施方式

通常，本发明包括具有一个或多个“叶片”的螺旋桨，其中，叶片被制成产生从螺旋桨侧面向旋转轴的向内的气流的形状，例如，在垂直于旋转轴的平面上，也可以在旋转轴的纵向上产生一个气流，比如从螺旋桨的“前”到“后”。叶片被制成以下形状：使得空气通过叶片的外部或“支撑”被向内拉动，并且在螺旋桨中心的附近被压缩。从而，当螺旋桨旋转时，叶片依次在中心区产生压力，其产生较大的推力。相反地，在相反的旋转方向上旋转时，螺旋桨将产生反推力。在本发明的示例性实施例中，反推力的数值可以与推力产生的值不相等。

在此使用的术语“叶片”仅仅是指定一个组件，该组件围绕轴旋转，用以产生所需的气流，并不是要表示一个特定的形状，比如一个扁片。

在本发明示例性实施例中，叶片包括三个部分：顶部、底部和侧面。作为螺旋桨可以以不同角度布置，使用这些术语的例子如图1所示，值得留意的是，例如，如果螺旋桨102在垂直面内旋转，“顶部”和“底部”则不能与这些术语的传统意义相关联。螺旋桨102具有两个叶片104，106。叶片106具有顶部部分、与顶部108相对的底部部分110、和侧面112。侧面部分112位于叶片108的远端，并连接顶部部分108和底部部分110。在这个特定的实施例中，侧面部分112是顶部部分和底部部分之间的叶片的一般区域。在其他实施例中，叶片的侧面部分可以是叶片的独立部分，如图5中的侧面部分516。

当使用在以度测量时，术语“叶片角”被定义为叶片的横向的横截面和旋转面的角度。术语“侧伏角”在此与“叶片角”可交换的被使用。本发明的实施例提供一种具有至少一个部分展示出非零的叶片角的叶片。

当关于螺旋桨使用时，术语“前”是指定螺旋桨的侧面/表面，在被查看时，其将显示逆时针方向运动的螺旋桨。术语“后”是相对的一侧。当螺旋桨旋转时，气流方向优选是由前向后。

在本发明的示例性实施例中，从中心柱到叶片前缘114的远端的长度大于从中心柱到叶片后缘116的远端的长度。与无此特征的类似螺旋桨设计相比，从叶片的前远端边缘的长度到叶片的后远端边缘的长度的叶片长度的减少，可以产生更大的空气压缩和更大的推力。

图2是根据本发明示例性实施例的螺旋桨的正视图。这个实施例包括两个彼此相对的环形叶片202，204。这里使用的“环”限定了叶片具有连续的弯曲表面。螺旋桨包括与叶片连接的中心柱206。中心柱与螺旋桨的旋转轴重合。值得留意的是，在此使用的术语“柱”不是表示一个特定形状或结构，仅仅是表示一个与叶片连接的组件，或叶片与其彼此固定的组件。在这个示例性实施例中，每个环的近端部分210的宽度小于远端部分212的宽度。宽度比的一个说明性的例子是大约为2：1。如图，如曲线箭头所示，螺旋桨逆时针方向旋转。这产生了从侧面向螺旋桨中心的空气流，如图中右边和左边三个箭头所示。对于示出的螺旋桨逆时针方向旋转的结构，空气也会流到页面中(由前到后)。

如图所示的多个例子，与平叶片相比，通过提供弯曲叶片，空气流动会更直接。虽然图中显示叶片通常为全环形式，但是叶片可在较小的程度上弯曲，使得不形成闭合环，只要产生所需的气流。

图3A描绘了根据本发明示例性实施例的环形的叶片。图3A描绘了根据本发明示例性实施例的与螺旋桨的中心柱306连接的叶片302。本实施例中，叶片302的旋转轴与中央柱306的纵轴线重合。叶片302具有顶部部分308和底部部分310。叶片中间线302被限定为在叶片的前缘312和叶片的后缘314之间的中间点的轨迹，如图所示，虚线316从叶片302的近端318到远端320延伸。对于一些叶片结构，中心线从顶部部分经由侧面部分至底部部分可以是不连续的。叶片302的中间线是弯曲的，为叶片部分提供一个弯曲的外观。在其它实施例中，叶片部分可以是弧形的或其他方式的弯曲、有角度的或平的、以及它们的组合。例如，下面将进一步讨论，图5描绘了一个实施例，其中，叶片部分具有大体上的线型的、并且可能是非连续的中间线。

空气被压缩在中心柱306附近，用于螺旋桨旋转。如图3B所示，叶片的底部部分310和顶部部分312之间的间隙342与如果没有间隙存在相比，允许更大体积的空气被压缩。当叶片的外表面302运行用于向螺旋桨的后面推动空气时，空气在叶片302的内表面被拦截，因此，如上所述，吸入空气并从侧面产生气流。

图3B和3C分别描绘了叶片302沿着图3A中的线A-A和B-B的横截面。横截面B-B示出了一个类似飞机机翼的横截面的翼形形状。如图3C所示，叶片302的表面332是弯曲的，然而相对的表面330大体上是平的。叶片302的横截面横向是锥形的，因此，第一个区域334比相对的第二个区域336薄，这也类似于飞机机翼。本发明范围内的其他叶片结构在一定程度上将取决于螺旋桨上所需的负载。

关于图3B，叶片302与中心柱306在第一叶片交点338处和第二叶片交点340处相交。在本发明的示例性实施例中，第一和第二叶片交点338，340与中心柱306可以是以大约相同的角度θ相交，角度θ是从垂直于中心柱306纵轴的线以逆时针方向测量的，其中，在图3B中，指定的参考线呈现为“水平的”线。说明性的交角是大约25°，说明性的范围是大约10°到35°。进一步说明性的交角的范围是大约15°到25°。

本发明的典型的实施例中，叶片的底部部分与中心柱的交角比叶片的顶部部分的交角更极端(extreme)。通常，交角可以是在大约1°至大约89°的范围内。“极端”意味着更接近垂直。叶片的顶部部分的交角与叶片的底部部分的交角相比，说明性的差异是大约10°。说明性的范围是大约5°至大约20°，并且进一步说明性的范围是大约7°至大约15°。在本发明特定的实施例中，叶片的顶部部分的交点角度是大约30°，并且叶片的底部部分的交点角度是大约40°。在本发明的进一步实施例中，叶片的顶部部分的交角是大约75°，并且叶片的底部部分的交角是大约85°。

如图3A-C所示，叶片302展示出在旋转轴的附近的一个大致的叶片角、或侧伏角，侧伏角从旋转轴径向向外减小。尽管这样向下渐变，叶片的最外点仍然会展示出非零的侧伏角。在本发明的另一个实施例中，叶片在距离旋转轴的最远点可以有更多的叶片角度。

图3D和3E描绘了所示的叶片302，因此中央柱306垂直于纸面。在图3D中，叶片302将顺时针方向旋转，并且具有前缘346和后缘344。在图3E中，叶片302将逆时针方向旋转。

在两个叶片彼此相对的实施例中，例如图2中的叶片202和204，旋转轴每一侧的相对的叶片交叉体(intersections)的侧伏角与另一侧的不同。因此，例如在图4中，具有一个第一叶片402，其具有角度θ_A的第一叶片交叉体404和角度θ_B的第二叶片交叉体406，以及一个相对的叶片，其分别具有第一叶片交角θ_A±x和第二叶片交角θ_B±x。因此，也就是说，相对的叶片交叉体的侧伏角是不同的。相对的叶片交叉体之间的侧伏角说明性的差值是大约50°，其中例如，一个叶片交叉体具有25°的侧伏角，并且相对的叶片交叉体具有负25°侧伏角。差值可以分配为相等的或不等的。相对的叶片的侧伏角之间的通常范围差值是大约40°到大约60°。相对的叶片交叉体的侧伏角不需要从旋转面起相等，如前面的例子。

图5描绘了示例性实施例，其包括带有大体上不弯曲中间线的两个叶片502，504。叶片502的顶部叶片部分508的中间线506和底部叶片部分512的中间线510大体上是直线，并且可以平行或不平行。叶片504也具有大体上是直线的中间线。一个或多个大体上垂直的翼段514，516从中心柱518开始相隔一定距离连接顶部叶片部分508和底部叶片部分510，一直到但不一定包括叶片502的远端520。叶片504可以具有类似或相同的垂直段。虽然，叶片在一定程度上是平的，而且不一定会被考虑为一个具有连续表面的“环”，但是，随着翼段514，516的添加，或两者兼而有之，所需的气流仍然能够产生。当螺旋桨旋转时,翼段514，516从侧面向中心柱518吸入空气，从而产生所需的气流。

在本发明进一步的实施例中，如图11所示，顶部叶片部分1102和底部叶片部分1104是不对称的。通过如下步骤来完成，例如，底部部分1104比顶部部分1102长，随着使侧部部分1106向着螺旋桨的前面折成角度，用以连接短的顶部部分1102。这可以促进气流从侧面部分被吸入，推动叶片向前。总之，叶片的侧面部分和顶部部分之间的更极端的角度将导致更大的推力和用于叶片的顶部部分的更高的向前倾斜。

根据本发明的一个示例性实施例，图6A和6B示出了具有三环形叶片602，604，606的螺旋桨。图6A是螺旋桨旋转的视图，因而，逆时针方向旋转将引起气流进入纸面，图6B是该螺旋桨的侧视图。叶片602，604，606从中心柱608伸展。叶片602，604，606通常是共平面的。任意数量的环可以被组合用以获得所需的气流。例如，参考图7A，7B是四个叶片的，图8是八个叶片的。

螺旋桨可以被“堆叠”，因此它们在不同的平面上旋转。“堆叠”并不意味着它们一定是相邻的。堆叠的螺旋桨彼此之间会有间隙。在垂直于旋转平面上，从后到前，它们可以是在一个方向上统一尺寸或从小到大渐变，或在这个方向上从大到小。例如，图10示出具有第一旋转平面的八环螺旋桨1002，堆叠在具有第二旋转平面的另一个八环螺旋桨1004上。螺旋桨1002的叶片连接至中心柱1006，并且螺旋桨1004的叶片连接至中心柱1008。虽然图10示例了两个独立的中心柱1006和1008，螺旋桨也可以被堆叠在单一的中心柱上。

图12描绘了堆叠的螺旋桨的进一步的实施例。叶片以螺旋形式围绕中心柱被配置。

根据本发明的示例性实施例，图7A和7B描绘了一个具有四个叶片702，704，706，708的螺旋桨。叶片702，704，706，708从中心柱710伸展，其中叶片702，704，706，708通常如其它叶片一样在同一平面旋转。在图7A中可以看出，在这个示例性实施例中，每个叶片的顶部部分和每个叶片的底部部分的连接位置之间，沿着与旋转轴重合的中心柱710，具有“间隙”712。在此使用的术语“间隙”是描述叶片与中心柱相交的中心之间的围绕旋转轴的空间，当叶片的顶部和底部部分被连接在沿中心柱或旋转轴的不同纵向位置时，形成该空间。图3B描绘了间隙的位置，如线340所示。在本发明某些实施例中，叶片底部部分可以不与中心柱连接，例如图9和图13A-B所示，在这种情况下，间隙是它们之间的距离：顶部叶片部分与中心柱相交的中心和底部叶片部分如果其延伸并接触到中心柱并将与中心柱相交的中心。

当螺旋桨旋转时，空气朝向间隙712附近被拉动并被压缩。螺旋桨可以设计为多种间隙的尺寸。一个说明性的间隙的尺寸范围大约是螺旋桨的长度的大约2％到55％。另一个说明性的间隙的尺寸范围是螺旋桨叶片长度的大约20％至螺旋桨叶片的大约35％。第三个说明性的间隙的尺寸范围是螺旋桨叶片长度的大约30％至螺旋桨叶片长度的大约55％。通常，随着间隙的增大，更大体积的空气可以被压缩，从而增加螺旋桨的推力性能。

叶片是否有弯曲或直的中间线，叶片都可能被扭曲，例如中间线。扭曲可以如图5所示中看到。叶片502的顶部部分508和底部部分512都具有明显的扭曲。弯曲的叶片也可以被额外扭曲，例如从图7A-B中可以看到，或将会导致叶片交角θ的不同，如图4所示。在本发明示例性实施例中，螺旋桨具有形成叶片的曲率或相对的叶片的相关曲率的扭曲，该扭曲是大约35度。扭曲的说明性的范围是大约30度至大约40度。扭曲的其他度数都在本发明的范围内，并可以产生多种度数和气流的方向。

图8描绘了具有八个“叶片”802，804，806，808，810，812，814，816的本发明示例性实施例，是由四个圆圈制成的，四个圆圈都略有偏转角度但没有转体半周。

在本发明的示例性实施例中，至少环的前边缘要很薄便于切割穿过空气，但其他边缘的形状可以是有利于实现所需的空气流动形式。一般来说，环的特定的形状、数量和布局可以被选择用于产生所需的空气流动形式。

图9描绘了具有环形彼此相对的叶片902，904的螺旋桨，其中，叶片902，904的底部叶片部分906，908没有连接至中心柱910。相反地，“支架”912灵活地将底部叶片部分906连接至顶部叶片部分914。同样地，支架916灵活地将底部叶片部分908连接至顶部叶片部分918。在此使用的“支架”是叶片组件，用于灵活地连接不同的叶片部分。该支架可由钢、铝、复合材料：如碳和玻璃纤维，或任何其他合适的叶片材料制成。支架912，916与旋转平面形成角度，在螺旋桨旋转时，用于将空气拉向旋转轴，从而产生阻力。支架可以以如叶片的侧面部分同样的方式被折成角度，以达到预期的空气流。此外，支架的厚度、长度、宽度、和其他这样的特性被设计用于实现特定叶片应用的需要的操作，通过一个例子，如：飞行。叶片902，904相对于中心柱910以这种方式被配置，用以提供调整它们侧伏角的灵活性。通过举例的方式，但不是限制，当用作飞机螺旋桨时，在如起飞，飞行，或降落活动时，支架允许叶片902，904可以被操纵以改变侧伏角。螺旋桨可以包括一个调整机构，用于允许分别形成在顶部叶片部分914，918和底部叶片部分906，908之间的间隙4可选择的变化。

图13A-B分别描绘了根据本发明示例性实施例的具有开放环叶片的螺旋桨的进一步实施例的俯视图和侧视图。这个版本没包括提供在图9中的支架。

本发明包括具有在此使用的公开的螺旋桨的多种实施例的多种设备。例如，本发明包括以下说明性的设备：飞机、船舶、风机、冷却装置、加热装置、汽车发动机、和空气循环装置。本发明还包括根据在此描述的、描画的或要求保护的实施例的螺旋桨的制造方法；一种包括上述任何螺旋桨的设备的制造方法；一种制造产品的方法，其中该方法包括安装包括上述任何螺旋桨的设备。

本发明的各种实施例已被描述，每一个都有元素的不同组合。本发明不局限于具体的实施例公开，并可以包括的这些披露的元素的或一些元素的省略，和这种结构的等同物的不同组合。

当本发明已经通过示例性实施例被描述，对于本领域技术人员，将出现附加的优点和修改。因此，在更广泛的方面，本发明不局限于本文的具体细节显示和描述。例如，叶片的数量和叶片的曲率，可以在不脱离本发明的精神和范围进行修改。因此，本发明不局限于特定的示例性实施例中，但可以在附加的要求和对应的等同物的完全范围内被解读。

Claims (26)

1.一种螺旋桨，包括：

中心柱，与旋转轴重合；

一个或多个叶片，每个具有远端和近端；

每个一个或多个叶片包括顶部部件、底部部件和侧面部件，侧面部件配置在或朝向远端；

每个一个或多个叶片的顶部部分和底部部分在近端连接，并从中心柱径向向外延伸；

间隙，位于中心柱与至少一个一个或多个叶片的顶部部分和底部部分连接处之间，其中，随着螺旋桨的旋转，空气就被压缩；和

一个或多个叶片配置和装配用于向内拉动空气，从叶片的侧面部分向螺旋桨的旋转轴和从螺旋桨的前面向其后面。

2.如权利要求1的螺旋桨，其中，叶片是环形的，其中每个环形的叶片在相同的旋转平面上旋转。

3.如权利要求1的螺旋桨，其中，至少一个叶片部分展示出非零叶片角度。

4.如权利要求1的螺旋桨，其中，一个或多个叶片的至少一个顶部部分或底部部分的横截面被制成为大体上像机翼的形状。

5.如权利要求1的螺旋桨，包括至少一对围绕旋转轴彼此相对的叶片。

6.如权利要求5的螺旋桨，其中，一对相对的叶片形成一个单一的、连续的环。

7.如权利要求5的螺旋桨，其中，所述一对叶片具有与中心柱在第一叶片交叉体相交的第一叶片，和与中心柱在第二叶片交叉体相交的第二相对的叶片；和

其中，第一叶片交叉体相对于旋转轴的角度与第二叶片交叉体相对于旋转轴的角度不相同。

8.如权利要求7的螺旋桨，其中，第一叶片交叉体相对于旋转轴的角度和第二叶片交叉体相对于旋转轴的角度之间的差值范围是在大约40°至大约60°的范围。

9.如权利要求1的螺旋桨，其中，一个或多个叶片的至少一个，其远端比其近端更宽。

10.如权利要求1的螺旋桨，其中，一个或多个叶片的至少一个叶片的顶部部分、底部部分或侧面部分的至少一个具有弯曲的中间线。

11.如权利要求10的螺旋桨，其中，一个或多个叶片的至少一个每个顶部部分、底部部分或侧面部分是弯曲的。

12.如权利要求10的螺旋桨，其中，形成叶片曲率的扭曲的范围是在大约30度至大约40度。

13.如权利要求12的螺旋桨，其中，形成叶片曲率的扭曲是大约35度。

14.如权利要求1的螺旋桨，还包括一个或多个附加叶片，相对于螺旋桨以堆叠形式配置。

15.如权利要求10的螺旋桨，其中，叶片在横向穿过叶片的厚度上是渐变的。

16.如权利要求15的螺旋桨，其中，从近端的较小宽度至远端的较大宽度，叶片的宽度在是渐变的。

17.如权利要求1的螺旋桨，其中，至少顶部和底部叶片部分展示出在旋转轴附加的大致的侧伏角，并且从旋转轴径向向外延伸减小侧伏角。

18.如权利要求1的螺旋桨，其中，侧面部分展示出非零侧伏角。

19.如权利要求1的螺旋桨，其中，至少一个叶片的至少顶部和底部部分具有大体上直线的中间线。

20.如权利要求18的螺旋桨，包括与每个叶片的顶部和底部部分连接的翼段，其中翼段从中心柱处辐射状被间隔的成形和配置，用于向内拉动空气至旋转轴的中心。

21.如权利要求1的螺旋桨，其中，顶部叶片部分与底部叶片部分是不对称的。

22.如权利要求1的螺旋桨，其中，叶片顶部部分与中心柱在叶片顶部部分交角处相交，叶片底部部分与中心柱在叶片底部部分交角处相交，和其中，当从垂直于螺旋桨纵轴的线测量时，叶片底部部分交角大于叶片顶部部分交角。

23.如权利要求22的螺旋桨，其中，顶部叶片部分和底部叶片部分之间的交角的差值是在5°至大约20°的范围。

24.如权利要求22的螺旋桨，其中，叶片顶部部分交角是大约20°，叶片底部部分交角是15°。

25.一种设备，选自由飞机、船舶、风机、冷却装置、加热装置、汽车发动机、空气循环装置组成的组，该设备具有至少一个根据权利要求1的螺旋桨。

26.一种制造螺旋桨的方法，包括：

选择气流的所需方向；

选择所需数值的推力；

选择叶片曲率，叶片和叶片交角的组合，用于产生选择的气流和推力。