CN106163915B - 高螺距抗失速螺旋桨 - Google Patents

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Abstract

一种螺旋桨，沿漩涡的线条形成，也就是斐波那契螺旋线投影到由正方形双曲线形成的表面上。流体沿该螺旋桨的长度均匀流动具有较少湍流，使得其无失速运转于较高螺距，并且使得对于给定流速功率需求下降。漩涡的下面的几何图形形状为等角的对数螺旋线，也称之为黄金螺旋线或斐波那契螺旋线，常见于范围从海洋贝壳到螺旋星系自然物体中。当作三维观察时，漩涡中的流体流动能够画作黄金螺旋线到正方形双曲线的旋转面上的投影，其中顶点等于1而焦点等于2的平方根。

Description

高螺距抗失速螺旋桨
技术领域
本发明涉及螺旋桨，特别涉及高螺距抗失速螺旋桨。
背景技术
螺旋桨是用于转换转矩为推力的装置，从而通过轴向加速流体转换旋转运动为直线运动。为了螺旋桨用最小额的轴功率输入生成最大额的推力，高叶片螺距和低转速的结合是有益的。
能够应用至螺旋桨的最大螺距在实践中受限于其运转于其中的流体的速度。如果进入的流体速度低或为零，螺旋桨叶片在太高螺距角时将经历失速并且完全不移动流体。因此运转于零速度环境中的风扇或推进器能够以何种效率运转是受限制的，由于螺距角的限制。
本发明的目的在于提供一种螺旋桨，能够以高叶片螺距角在零流体速度流入环境下无失速运转，与常规类型螺旋桨比较以显著减少的功率输入水平递送相等的推力，或者至少向公众提供一种对于常规螺旋桨的有用的供替代的选择。
发明内容
在第一方面，本发明包括一种螺旋桨叶片，其具有通过自起点至三维螺旋线的表面线条的投影所限定的表面几何图形，其中该螺旋线通过二维螺旋线在由双曲线所限定的旋转面上投影形成。
优选的，该二维螺旋线为斐波那契螺旋线。
优选的，该双曲线为正方形双曲线，并且该双曲线的顶点等于1，而该双曲线的焦点等于2的平方根。
优选的，该叶片的前部和后部为对称的，或者为了在一个方向增加性能，该前部小于该后部。
优选的，该叶片的厚度为一致的。
在另外的方面，本发明包括具有许多如上所描述的螺旋桨叶片的螺旋桨。
可以理解，任一上述的技术方案，可以包括上述任意其它技术方案的任意特征，并且根据情况还可以包括下面所描述实施例的任意特征。
附图说明
本发明的优选特征，实施例和变化可以通过下面的具体实施方式了解，对于熟知本领域的技术人员提供了充分的信息来执行本发明。具体实施方式不视为以任何方式限制前述发明内容的范围。具体实施方式将提到如下若干附图。
图1绘示螺旋线到用于确定本发明的螺旋桨叶片的几何图形的双曲线的旋转面上的投影。包含了网状物以帮助3d可视化。
图2绘示没有网状物的图1。
图3绘示构建自图2的投影的三维表面，表现螺旋桨叶片的半面几何图形。
图4绘示复制图3的面并且旋转以产生完整的螺旋桨叶片表面几何图形。
图5绘示第一螺旋桨叶片轮廓投影到图4的面上以形成第一螺旋桨叶片。
图6绘示由图5的三个叶片环绕中心毂间隔形成的第一螺旋桨。
图7绘示第二螺旋桨叶片轮廓投影到图4的面上以形成第二螺旋桨叶片。
图8绘示由图7的三个叶片环绕中心毂间隔形成的第二螺旋桨。
图9绘示用不对称轮廓形成的第三螺旋桨。
图10绘示形成的第四螺旋桨，与图11现有技术的螺旋桨作比较。
图11绘示用于比较目的的现有技术的螺旋桨。
具体实施方式
下面结合附图来对本发明进行详细说明。在整个附图和下面的说明中，如果可能，相同的标号将用来指示相同或相近的部分。附图中所示特定部分的尺寸可能因清晰或图解的目的而被修改和/或夸大。
本发明描述的螺旋桨，包括用对数标度的叶片，它们的表面轮廓得自于自然漩涡中固有的流动轮廓。现已发现，以这种方式构造的螺旋桨能够以高叶片螺距角在零流体速度流入环境下无失速运转，与常规类型螺旋桨比较以显著减少的功率输入水平递送相等的推力。
在漩涡漏斗之中的流体流动依照清楚限定的几何图形参数以自我组织的方式出现。漩涡中，流体流动无湍流并且具有更大的速度。本发明所描述的螺旋桨叶片，具有得自于漩涡流线几何图形的表面轮廓，使得螺旋桨抵抗表面湍流的形成并且产生穿过它们表面的均匀且连贯的流体流动。作为结果，螺旋桨能够以陡螺距角在低流体流入速度环境下无失速运转。通过在较低转速以相同的空气体积输送率运转，消耗显著较少的轴功率并且由于叶片叶尖速度减少，噪音也减少。或者，与常规螺旋桨相比，可以使用定额的功率来输送较高体积的空气。
漩涡的下面的几何图形形状为等角的对数螺旋线，也称之为黄金螺旋线或斐波那契螺旋线，常见于范围从海洋贝壳到螺旋星系自然物体中。当作三维观察时，漩涡中的流体流动能够画作黄金螺旋线到正方形双曲线的旋转面上的投影，其中顶点等于1而焦点等于2的平方根。
图1绘示用于限定根据本发明的螺旋桨叶片的表面的基础几何图形成分。正方形双曲线如10所绘示，并且20绘示当该双曲线旋转360°以形成旋转面时形成的底部。临近该双曲线起点的黄金螺旋线30投影到该旋转面上以形成与漩涡中的流体流动一致的3d螺旋线40。图1使用网格绘示以帮助可视化。图2中未使用网格绘示了进一步的几何图形表示。
图3中通过网状物绘示螺旋桨叶片的第一半面几何图形50，其由开始于(该螺旋线和该双曲线的)起点并且终止于该3d螺旋线40上的线条形成。
图4中复制并且旋转该面50以产生第二面60。该些面一起形成具有发散和会聚的流动轮廓的连续面70。
图5中第一叶片轮廓绘示为80。该叶片轮廓投影到该面70上以形成第一螺旋桨叶片90。
图6中绘示第一完整螺旋桨100，并且包括环绕毂95均匀间隔的叶片90及两相同的复制品91和92。
穿过该第一螺旋桨叶片的XY水平横截面的对称轮廓在该螺旋桨旋转的两个方向都提供了同等的性能。
该叶片轮廓可以根据美学或性能考虑变化，并且该叶片也可以延伸或可以不延伸至该螺旋桨的毂。这样的变化表现出对性能有最小的影响。
图7中第二对称的叶片轮廓绘示为105。该叶片轮廓投影到面上以形成第二螺旋桨叶片106；图8中绘示其结合两另外的叶片形成第二螺旋桨101。
在本发明供选择的实施例中，在图4的面上使用不对称的投影以产生不对称的叶片轮廓。图9中包含这样的叶片轮廓的螺旋桨绘示为102。这样的螺旋桨在第一方向运转相较于图6和图8的对称的螺旋桨具有较大的效率，因为较低的叶片高度减少阻力。该螺旋桨也运转于反向，尽管具有较低的效率。
图6的螺旋桨100在风洞测试中已经表现出穿过该叶片的整个长度具有均匀和一致的导向其效率的空速。相反的，常规轮廓的风扇在大约其直径2/3处具有最高的空速，朝向中央和末端减小至零。
生产出本发明的工作样机并与具有1.1米直径的常规吊扇相比较。在每分钟转数150的轴速度下该标准风扇使用9.8瓦功率输送107立方米/分钟空气。作为比较，本发明的风扇运转于每分钟转数100的轴速度下，使用5.7瓦功率输送114立方米/分钟空气。这表示效率增加46％。不同叶片直径和速度的进一步测试和模拟已表现出可比较的改进。也可以证明在所有速度下该螺距是最理想的。不同于常规的螺旋桨具有取决于速度的最理想螺距。这废除了螺距控制机制的需求，具有明显的简易和成本优势。通过单独改变螺旋桨的速度来调节空气流量，实施相对简单。由于能够以较低速度产生相同的空气流量，螺旋桨运转安静许多，测试表明离叶片30厘米测量噪音从92分贝减少至83分贝。
根据本发明制造的另外的不对称的螺旋桨在图10中绘示为103。这个螺旋桨的轮廓不一直延伸至毂。这个螺旋桨已经彻底模制并且与图11中绘示为200的市面上的现有技术螺旋桨的较佳执行实例其中之一进行比较。
速度追踪通过螺旋桨的空气流动，表现出直接的连贯的空气流动通过本发明的螺旋桨103，但是紊乱的空气流动通过现有技术螺旋桨200。螺旋桨的压力图表现出最小的高压区域在该螺旋桨103的外部前面后缘上，但是显著的高压区域沿该螺旋桨200的整个前面后缘上和整个后面前缘上。因此，产生891立方米/分钟空气流量所需要的轴功率，使用1.5米直径风扇，对于风扇103仅为1.198千瓦，相比于现有技术风扇200需要1.832千瓦。
该螺旋桨也不同于许多传统螺旋桨，原因在于其不需要充当机翼并因而其能够制成一致的厚度。这是有益的，由于其大大简化了构造螺旋桨，因为可以从金属板冲压制作。螺旋桨也可以非常薄以减少阻力。
在本发明另外的实施例中，未绘示，螺旋桨的前部和后部制成不对称的。已发现具有较陡前轮廓的螺旋桨可提供甚至更大的性能优势。
读者可以理解本发明提供了一种螺旋桨，能够以高叶片螺距角在零流体速度流入环境下无失速运转，与常规类型螺旋桨比较以显著减少的功率输入水平递送相等的推力。
在不偏离本发明的范围的情况下，可以使本发明具有进一步的优点和改进。尽管本发明已经通过被认为是最实用和优选的实施例来显示和描述，但其并不是限制本发明为所揭露的细节，而是为了与权利要求的全部范围一致，从而包括任一和所有的等同装置和设备，可以理解，在不脱离本发明精神和范围的情况下可以作出各种改变。整个说明书中任何现有技术的讨论绝不应认为是承认这样的现有技术是众所周知的或者形成本领域公知常识的一部分。
在当前说明书和权利要求中(若有的话)，单词“包括(现在进行时)”及其包含“包括(一般现在时单数形式)”和“包括(一般现在时原形)”的衍生词包含每个所陈述的整体，但是并不排除一或更多的整体。

Claims (8)

1.一种螺旋桨叶片，包括一前部和一后部，其特征在于，其具有通过自起点至三维螺旋线的表面线条的投影所限定的表面几何图形，其中该螺旋线通过二维螺旋线在由双曲线所限定的旋转面上投影形成。
2.如权利要求1所述螺旋桨叶片，其中该二维螺旋线为斐波那契螺旋线。
3.如权利要求1所述螺旋桨叶片，其中该双曲线为正方形双曲线。
4.如权利要求3所述的螺旋桨叶片，其中该双曲线的顶点等于1，而该双曲线的焦点等于2的平方根。
5.如权利要求1所述的螺旋桨叶片，其中该叶片的前部和后部为对称的。
6.如权利要求1所述的螺旋桨叶片，其中该前部小于该后部。
7.如权利要求1所述的螺旋桨叶片，其中该叶片的厚度为一致的。
8.一种螺旋桨，其特征在于包括许多根据权利要求1的螺旋桨叶片。
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