CN2420228Y - 高性能螺旋桨 - Google Patents

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Abstract

一种高性能螺旋桨,有轮毂,桨叶,其特征是各桨叶叶端有弧形叶边或单边弧形叶边。在桨叶和轮毂之间,或桨叶之间有加强筋。本实用新型的螺旋桨具有小的诱导阻力损耗,能将离心力转换为有效推力,提高桨叶叶端附近的压力输出,增大桨叶的作用力,提高有效桨叶面积,螺旋桨的流体动力特性趋向展弦比为无穷大的桨叶特性,因此增加桨叶面积,降低排出流体速度和温度,以及应用其他节能原理,效果有较大幅度提高,相对目前技术,效率有大幅度的提高。

Description

高性能螺旋桨
本发明涉及一种螺旋桨，特别是涉及一种桨叶叶端有弧形叶边或单边弧形叶边的螺旋桨。
现有的螺旋桨桨叶由于诱导阻力的影响，最大压力点在0.7叶长附近，主要工作区在0.7叶长附近。从0.7叶长到叶端是桨叶运动速度最快的区域，按面积，该区域占整个螺旋桨旋转面积的一半左右，按产生的作用力，该区域应产生70％左右的作用力。普通螺旋桨在这一区域，由于叶端损失的影响，桨叶正压力面与负压力面的压差反而下降。在叶端，压差几乎降到零，有效作用力贡献几乎为零的位置。叶端是桨叶运动速度最快的位置，但却是普通螺旋桨损耗最大。现有螺旋桨桨叶正压力面与负压力面之间，以及与周围介质之间没有一个稳固的界面，造成叶端损失严重，有效能量转换效率低。现有较大展弦比的桨叶增加叶边的设计型式，由于桨叶本身诱导阻力相对比较小，叶展较长，力臂长，力矩大，桨叶易变形，易使叶边产生大的形状阻力，节能效果相对较小。现有桨叶有叶边的设计型式，叶边没有倾角，叶边影响流体的补充，减少与螺旋桨作用流体的数量。
本发明的目的是提供一种高性能螺旋桨，它能弥补现有螺旋桨的上述不足。
本发明的螺旋桨有一个轮毂和多个桨叶，其特征是各桨叶的叶端有弧形叶边或单边弧形叶边。
本发明的螺旋桨具有小的诱导阻力损耗，能将离心力转换为有效推力，提高桨叶叶端附近的压力输出，增大桨叶的作用力。本发明的螺旋桨的弧形叶边1或单边弧形叶边9，几乎没有形状阻力，而且，使桨叶3流体动力特性趋向展弦比为无穷大的桨叶特性，在这特性条件下，增加桨叶弦长，提高桨叶抗变形能力，增加桨叶面积，诱导阻力不会增加。因此，应用增加桨叶面积，降低排出流体速度和温度，以及其它节能原理，相对目前技术，能较大幅度的提高效率。本发明螺旋桨相对螺旋桨轴向有倾角的弧形叶边1或单边弧形叶边9，能够增加与桨叶作用流体的数量，增加产生的作用力或增加流体输送量。
下面通过附图和实施例进一步说明本发明。
附图1为本发明的螺旋桨的结构示意图。
附图2为其桨叶叶端结构示意图
附图3为有环形加强筋的本发明的螺旋桨结构示意图。
附图4为有外倾角的单边弧形叶边结构示意图。
附图5为生涡带的结构和位置示意图。
附图6为有环形加强筋的本发明的螺旋桨叶端展开图。
实施例一：在空气中使用的推进用途高性能螺旋桨
本发明的螺旋桨如图3所示，有轮毂2和多只桨叶3，其特点是各桨叶3叶端固定有弧形叶边1。在桨叶3之间有环形加强筋8。本发明的螺旋桨的弧形叶边1，使桨叶3流体动力特性趋向展弦比为无穷大的桨叶特性，因此认为桨叶展弦比为无穷大(λ≈∞)。
本发明的螺旋桨直径0.8米，有效冲角14度，升力系数L取1，形状展弦比为4，桨叶面积与螺旋桨旋转面积相等，弧形叶边高度平均为桨叶弦长的26％，弧形叶边没有外倾角，环形加强筋8位置在旋桨叶端，桨叶轴向宽度之外，如图6所示。弧形叶边和环形加强筋面积占螺旋桨叶端旋转面积的50％。根据计算和测试结果证明，采用环形加强筋，提高螺旋桨结构强度70％。桨叶没有振颤。
取海平面以上大气条件，用美国IHPTET计划要达到的，压气机叶端速度550(米/秒)的技术指标，不考虑气体可压缩性的影响，计算本发明的螺旋桨理论上能产生的静态推力F为：
F=推力(公斤力)               A=本发明的螺旋桨桨叶面积0.5(平方米)
r=转速219(转/秒)             V(m)=叶端部速度550(米/秒)ρ=空气密度0.125(公斤.秒2/米4)    L=1升力系数R=本发明的螺旋桨半径0.4(米)本发明的螺旋桨产生的推力F为：推力F=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]计算本发明的螺旋桨弧形叶边和环形加强筋产生的摩擦阻力Z：
本发明的螺旋桨比普通螺旋桨增加了弧形叶边和环形加强筋部分的摩擦阻力，下面计算弧形叶边和环形加强筋产生的摩擦阻力，以及相对推力的比例数，评估影响。
应用平板阻力计算公式，计算弧形叶边和环形加强筋产生的摩擦阻力Z。设弧形叶边和环形加强筋形状为流线形，阻力近似平板摩擦阻力，这里按弧形叶边和环形加强筋面积为本发明的螺旋桨叶端旋转面积的50％计算摩擦阻力。Z=弧形叶边和环形加强筋摩擦阻力(公斤力)         Я=雷诺数M=弧形叶边和环形加强筋表面积0.125(平方米)       C=阻力系数V(m)=弧形叶边线速度550(米/秒)    ρ=空气密度0.125(公斤.秒2/米4)γ=空气的粘性系数1.45×0.00001(米2/秒)
Figure 0021363100051
计算弧形叶边和环形加强筋摩擦阻力：
Z=0.5CρMV2 (m)=0.5×0.0021×0.125×0.125×550×550=4.9625(公斤力)弧形叶边和环形加强筋摩擦阻力与本发明的螺旋桨推力之比：
Figure 0021363100052
因此，弧形叶边和环形加强筋摩擦阻力对本发明的螺旋桨的影响是很小的。比较本发明的螺旋桨与普通螺旋桨的诱导阻力损失：1．计算本发明的螺旋桨的诱导阻力损失的量值：螺旋桨面积A=0.5(平方米)                      展弦比为λ≈∞桨叶叶端部速度V(m)=550(米/秒)                 升力系数L=1求诱导阻力系数CI：
            CI=L2/πλ=1/π∞≈0求诱导阻力RI：
            RI=0.5CIρAV2 (m)=02．计算普通螺旋桨诱导阻力损失的量值，
螺旋桨面积    A=0.5(平方米)              展弦比为λ=4
桨叶叶端部速度V(m)=550(米/秒)            升力系数L=1求诱导阻力系数CI：
            CI=L2/πλ=1/12.6=0.0796求诱导阻力RI：
            RI=0.5CIρAV2 (m)=752公斤力本发明的螺旋桨的诱导阻力与推力之比：0/4726=0普通螺旋桨诱导阻力与推力之比：752/4726=0.13
本发明的螺旋桨在此条件下可以减小相当推力13％的诱导阻力损耗。实例二普通电风扇用高性能螺旋桨
[通过本实施例说明高性能螺旋桨作为普通电风扇用途的效率和节能效果，用直径400毫米的普通电风扇为比较对象，普通电风扇桨叶与本发明的螺旋桨桨叶除没有单边弧形叶边9外，其它形状、尺寸，冲角相同。]
本发明的螺旋桨如图1所示，有轮毂2和多只桨叶3，其特征是各桨叶3叶端固定有单边弧形叶边9。在桨叶3和轮毂2之间有加强筋5。叶边宽10毫米，叶边有30度外倾角，如图4所示。单边弧形叶边与桨叶负压力面叶端连接处及相邻区域由于是非流线型弧面形状(如图4所示)，所以在弧面上有6毫米宽的生涡带7。本发明的螺旋桨有30度外倾角，单边弧形叶边宽10毫米。单边弧形叶边使本发明的螺旋桨风扇直径增加为410毫米。增加的风扇直径恰好将单边弧形叶边节省的能量转换为风量。在原电机功率和消耗电量不变的条件下，试验证明能增加风量10％左右。为增加桨叶强度，在桨叶出流边与轮毂之间有加强筋5，经实验测试证明，减小桨叶弯曲和扭转变形20％左右，对输送风量没有影响，基本没有增加桨叶阻力。本发明的螺旋桨的单边弧形叶边宽仅10毫米，面积也很小，而且只有摩擦阻力，根据“实例一”估计，摩擦阻力比较小，这里予以忽略。
计算普通电风扇的诱导阻力损耗，这一部分就是本发明的螺旋桨节省的能量。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设为0.4。r=风扇转速25(转/秒)                          A=风扇桨叶面积0.1(平方米)V(m)=叶端部速度31(米/秒)                    λ=展弦比为1．2ρ=空气密度0.125(公斤.秒2/米4)            L=升力系数为0.7R=风扇半径0.2(米)                            F=推力(公斤力)计算普通电风扇的诱导阻力损耗RI：求诱导阻力系数CI：
            CI=L2/πλ=(0.7)2/3.76=0.13求阻力RI：
            RI=0.5(0.4)CIρAV2 (m)=0.312公斤力计算普通电风扇的推力F：
            F=0.25LρAV2 (m)=2.1公斤力诱导阻力RI与推力F之比：
            RI／F=0.312/2.1=0.149
由于本发明的螺旋桨的诱导阻力为零，因此在此设定条件下，本发明的螺旋桨比普通电风扇在理论上能够节能最高可达14.9％。
本发明的螺旋桨桨叶弧形叶边1和单边弧形叶边9基本与螺旋桨同圆心，弧形叶边1和单边弧形叶边9在螺旋桨轴向投影的外形轮廓线基本于螺旋桨旋转半径外圆相同。弧形叶边1和单边弧形叶边9几乎只产生摩擦阻力，根据需要，可改变每一只桨叶的弧形叶边1或单边弧形叶边9的圆心与螺旋桨圆心的相对位置，能够改变本发明的螺旋桨的流体吸入量，改变本发明的螺旋桨的桨叶作用效果。
本发明的螺旋桨作为产生推力用途，要求尽量减小诱导阻力损耗，所以，采用弧形叶边1的形式。本发明的螺旋桨作风扇用途，在桨叶负压力面没有减小诱导阻力损耗要求，因此，采用单边弧形叶边9的形式。本发明的螺旋桨在抽吸等方面应用，桨叶正压力面可以没有叶边。
[为便于叙述，以下弧形叶边和单边弧形叶边简称叶边]
本发明的螺旋桨在某些应用场合，在部分诱导阻力较小的桨叶叶端区段，可以没有叶边，如流线型桨叶尾部区段。
本发明的螺旋桨可将叶边设计成美观的形状。这可能对叶边作用效果有一定影响。
本发明的螺旋桨桨叶与叶边的角形结构能提高桨叶的形状稳定性。
本发明的螺旋桨可利用宽弦桨叶的弧形，桨叶与轮毂的结构关系，或选用剖面形状为橛形叶型桨叶，提高桨叶强度，防止或减小因桨叶弯曲或扭转变形，使叶边产生很大的形状阻力损耗。
本发明的螺旋桨桨叶的弧形叶边、单边弧形叶边、加强筋可以有不同的截面形状，如截面形状近似为机翼形，流线形，菱形，矩形，三角形，梯形，曲边梯形，椭圆形，弧形，半圆形等等，或在桨叶叶边或加强筋某一面采用以上形状。
本发明的螺旋桨桨叶的弧形叶边1，可以采用相对螺旋桨轴向有倾角的形式。桨叶正压力面的弧形叶边向外倾，可以增加螺旋桨流体吸入量，如附图4所示。桨叶负压力面的弧形叶边，可以与正压力面的弧形叶边有相同倾角角度，但向内倾；也可以与正压力面的弧形叶边有不同倾角角度，如桨叶负压力面的弧形叶边始终处于螺旋桨轴向平行的角度。如果弧形叶边外侧采用流线型形状，可以进一步提高作用效果。
本发明的螺旋桨做风扇类流体输送机械应用，采用单边弧形叶边9，单边弧形叶边可以相对螺旋桨轴向有一定外倾角(见附图4)在单边弧形叶边与桨叶负压力面连接处，沿流体补充流线，采用近似流线型弧面形状(见附图4)在叶端径向，能够使桨叶负压力面流体补充阻力减小，减小桨叶负压力面与正压力面的压差，降低压力抵抗，因此，降低了能量消耗。在雷诺数较高的应用情况下，在上述近似流线型弧面或非流线型弧面前，应该有一条与桨叶负压力面平行的，具有使流体流动状态变为湍流功能的生涡带10，生涡带就是将一定宽度的叶边表面加工粗糙，或加工成能使流体流动状态转变为湍流状态的表面形状，如凹槽或划痕等，以延迟流体分离，减小形状阻力损耗。
桨叶3的入流边加强筋4与轮毂2和桨叶3的入流边相连；桨叶3出流边的加强筋5、6、7、与轮毂2和桨叶3的出流边相连。加强筋平面可基本与螺旋桨旋转面平行，加强筋也可有一定冲角，与桨叶成一定角度圆滑连接，但加强筋的冲角角度明显不同于相邻桨叶产生有效作用力的冲角角度。加强筋可以与叶边连接。加强筋的主要作用是提高桨叶和叶边的结构强度，提高桨叶和叶边的形状稳定性。
本发明的螺旋桨在载荷强度较大，结构强度要求高的应用场合，宜采用环形加强筋8把相邻桨叶或桨叶叶边连接起来，相邻桨叶之间的环形加强筋可以有一到数条，环形加强筋位置宜在桨叶叶长的中部或端部，环形加强筋可以在桨叶轴向宽度之外(见附图6)，或部分在桨叶轴向宽度之外，这种结构能够提高螺旋桨的结构强度和载荷能力，减小桨叶震颤，减小环形加强筋对流体的阻碍作用。环形加强筋位置在螺旋桨流体输出面，还能起到涵道控制流向的作用。
加强筋的形状、位置和数量，根据螺旋桨结构强度的要求确定，可以在桨叶的出流边和入流边，或其中一边有加强筋，或不用加强筋。加强筋的平面形状可以是三角形，曲边三角形，矩形等等。不论加强筋为何种形状，在桨叶的出流边或入流边与轮毂之间有加强筋，或在桨叶之间有加强筋，均不超出本发明范围。

Claims (7)

1．一种高性能螺旋桨，有轮毂(2)和多个桨叶(3)，其特征是各桨叶(3)叶端有弧形叶边(1)或单边弧形叶边(9)。
2．如权利要求1所述的螺旋桨，其特征是所述的桨叶(3)和轮毂之间有加强筋(4)、(5)、(6)、(7)。
3．如权利要求1所述的螺旋桨，其特征是所述的桨叶(3)剖面形状为橛形叶型。
4．如权利要求1所述的螺旋桨，其特征是所述的桨叶(3)展弦比小于3。
5．如权利要求1所述的螺旋桨，其特征是所述的弧形叶边(1)或单边弧形叶边(9)相对螺旋桨轴向有倾角。
6．如权利要求1所述的螺旋桨，其特征是所述的桨叶(3)之间有环形加强筋(8)。
7．如权利要求1所述的螺旋桨，其特征是所述的单边弧形叶边(9)有生涡带(10)。
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