PL232934B1 - Pędnik - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest pędnik, zwłaszcza dla wszelkiego rodzaju jednostek pływających.

Znany jest z publikacji zgłoszenia patentowego US 3936228 A, pędnik do statku, który zawiera wał i pojedynczą łopatę, rozciągającą się spiralnie wokół wału, przy czym łopata posiada faliste obrzeże, które rozciąga się na zewnątrz a następnie do wewnątrz wału tworząc trzy łopatki. Wierzchołek każdej łopatki jest oddalony o 120° od wierzchołka sąsiedniej łopatki, a obrzeże każdej łopatki ma kształt sinusoidalny, oraz każda łopatka łączy się płynnie z powierzchnią wału, przy czym stosunek osiowego wymiaru każdej łopatki do promieniowego wymiaru pomiędzy wałem a wierzchołkiem łopatki mieści się w zakresie od około 4 do 1 do około 5 do 1.

Znany jest także z publikacji zgłoszenia patentowego FR 27 49 558 A1 pędnik statku w kształcie śruby, który zawiera wał oraz pojedynczą spiralną łopatę usytuowaną wokół obwodu wału. Korzystnie, łopata wykonana jest z syntetycznej gumy a wał wykonany jest ze stali nierdzewnej.

Znany jest z publikacji US1371610A dwu-łopatowy pędnik, którego symetrycznie wobec siebie umieszczone łopaty o eliptycznym wysklepieniu okręcają spiralnie wał, przy czym krawędź natarcia łopat pędnika zakreśla wokół wału kształt wydłużonej elipsoidy obrotowej.

Znany jest z publikacji US 2011081244 młyn wodny lub wiatrowy, którego wydłużone łopaty w większości przykładów wykonania są ciasno i wielokrotnie spiralnie zwinięte wokół wału, a w jednym przykładzie łopaty zwinięte są nieznacznie a ich skok jest wielokrotnie większy od długości odcinka wału do którego przylegają, przy czym ich zewnętrzna krawędź nie tworzy krawędzi natarcia łopaty, bowiem jest ona oddalona o względnie stałą odległość od wału na całej długości łopaty.

Znany jest z publikacji WO03056139A1 jedno lub wielo-łopatowy pędnik lub impeller (turbina zamieniająca energię kinetyczną ruchu ośrodka na moment obrotowy jej wału), w którym krzywizna łopat określana jest przez zależności logarytmiczne znane pod nazwą Złotego Podziału, przy czym łopaty są ukształtowane w taki sposób że powodują skupienie strumienia czynnika w obszarze za pędnikiem, wał pędnika nie jest przedłużany poza ich obręb - przypominające skorupy łopaty stanowią zakończenie pędnika.

Znany jest z publikacji US3975469A mieszacz do zbiorników, zaopatrzony w mieszadło o kilku a najlepiej o trzech łopatach, spiralnie owiniętych wokół pustego wału, którym dostarczane jest do zbiornika powietrze, przy czym łopaty owijając się co najmniej raz wokół wału posiadają krawędź natarcia o owalnym obrysie, a ich wydłużenie, rozumiane jako odległość krawędzi natarcia od osi wału rośnie wzdłuż wału, choć przyrosty mają coraz mniejszą wartość, przez co figura geometryczna zakreślana wokół wału przez krawędź natarcia przypomina wydłużoną elipsoidę, podobnie jak w pędniku z wzmiankowanej publikacji US1371610A.

Celem wynalazku jest ograniczenie lub wyeliminowanie szkodliwego zjawiska kawitacji, powodującego przy wyższych prędkościach obrotowych zwykłych pędników nadmierny szum, korozję powierzchni łopat oraz znaczny spadek sprawności.

Pędnik posiadający wał napędowy, zaopatrzony w co najmniej jedną łopatę przytwierdzoną do wału i okręcającą go spiralnie, której powierzchnia nachylona jest do kierunku przepływu czynnika pod pewnym kątem, zawierający strefę rozpędzania przepływającego przez łopatę czynnika, według wynalazku charakteryzuje się tym, że łopata jest tak ukształtowana, że jej przekroje w płaszczyźnie prostopadłej do osi wału w strefie rozpędzania czynnika mają kształt sierpowaty a kąt zawarty pomiędzy rzutami odcinków łączących końcówki jej przekrojów poprzecznych do osi wału, z osią wału, dla każdej pary następujących po sobie przekrojów oddalonych od siebie wzdłuż osi wału o tę samą wartość, zachowuje stałą wartość, oraz długość wału w strefie rozpędzania czynnika jest większa od największej odległości końcówki sierpowatego przekroju łopaty od osi wału, przy czym odległość ta w strefie rozpędzania rośnie wzdłuż wału od strony jego nasady, osiągając maksymalną wartość a następnie nagle maleje w miejscu, gdzie rozpoczyna się strefa wyrzutu czynnika i krawędź natarcia przechodzi w krawędź spływu, przy czym długość strefy rozpędzania czynnika jest większa od długości strefy wyrzutu oraz krawędź natarcia w strefie rozpędzania czynnika i krawędź spływu w strefie wyrzutu czynnika tworzą z osią wału kąt o zmiennym nachyleniu i stałej wartości bezwzględnej, przy czym dla krawędzi natarcia wartość bezwzględna tego kąta jest mniejsza niż 45°, natomiast dla krawędzi spływu większa niż 45°, przy czym długość strefy rozpędzania mierzona wzdłuż osi wału, zawiera się w przedziale od 1 do albo od 2 do 3 albo większej niż 3, długości promienia pędnika, mierzonego w największej odległości krawędzi łopaty od osi wału.

PL 232 934 B1

Korzystnie, za strefą wyrzutu czynnika odległość końcówki sierpowatego przekroju łopaty od osi wału nagle maleje w miejscu, gdzie rozpoczyna się strefa ogonowa pędnika.

Korzystnie, odległość końcówki sierpowatego przekroju łopaty od osi wału w strefie ogonowej ma wymiar mniejszy od 1/3 jej największego wymiaru w strefie rozpędzania.

Korzystnie, przekrój poprzeczny łopaty względem osi wału w strefie ogonowej ma kształt zbliżony do trójkątnego.

Korzystnie, krawędź zewnętrzna i wewnętrzna sierpowatego przekroju poprzecznego łopaty w strefie rozpędzania czynnika ma kształt półokręgu lub zbliżonej do półokręgu elipsy.

Korzystnie, skok łopat pędnika jest mniejszy niż dwie długości jego wału. Wał może mieć ma kształt walcowy albo w całości lub częściowo stożkowy lub zbliżony do stożka.

W zależności od potrzeb, pędnik może posiadać do ośmiu łopat.

Pędnik według wynalazku zapewnia zminimalizowanie niekorzystnego zjawiska kawitacji. Ponadto, pędnik charakteryzuje się względnie dużą sprawnością w dużym zakresie prędkości postępowych jednostki pływającej i prędkości obrotowych wału.

Wynalazek przedstawiono przykładowo na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia pędnik w widoku z boku dwiema łopatami, fig. 2 - pędnik w widoku z tyłu z dwiema łopatami, fig. 3 - pędnik w widoku z boku z trzema łopatami, fig. 4 - pędnik w widoku z tyłu z trzema łopatami, fig. 5 - pędnik w widoku z boku z czterema łopatami, fig. 6 - pędnik w widoku z tyłu z czterema łopatami, fig. 7 - pędnik w widoku z boku z trzema łopatami o słabym wysklepieniu, fig. 8 - widok pochylony pędnika, jak na fig. 7, fig. 9 przekrój poprzeczny pędnika w widoku, fig. 10 - widok pędnika z przodu , jak na fig. 7, fig. 11 - widok pędnika z tyłu, jak na fig. 7, fig. 12 - pędnik w widoku z boku z trzema łopatami o stałym silnym wysklepieniu, fig. 13 - widok pędnika z tyłu, jak na fig. 12, fig. 14 - widok pędnika z przodu, jak na fig. 12, fig. 15 - przekrój poprzeczny pędnika w widoku, jak na fig. 12, fig. 16 - widok pochylony pędnika, jak na fig. 12, fig. 17 - pędnik w widoku z boku z trzema łopatami o zmiennym wysklepieniu, spadającym wraz z długością wału i wzrostem średnicy, fig. 18 - widok pędnika z tyłu, jak na fig. 17, fig. 19 - widok pędnika z przodu, jak na fig. 17, fig. 20 - przekrój poprzeczny pędnika w widoku, jak na fig. 17, fig. 21 - widok pochylony pędnika, jak na fig. 17, fig. 22 - pędnik bezogonowy z wałem stożkowym o dużej średnicy względnej u nasady łopat, z trzema łopatami, w widoku, fig. 23 - widok pochylony pędnika z tyłu, jak na fig. 22, fig. 24 - widok pochylony pędnika z boku, jak na fig. 22, fig. 25 - przekrój poprzeczny pędnika w widoku, jak na fig. 22, fig. 26 - widok pędnika z tyłu, jak na fig. 22, fig. 27 - widok pędnika z przodu, jak na fig. 22, fig. 28 - widok pochylony przekrojów pędnika w płaszczyznach prostopadłych do osi wału, jak na fig. 3, fig. 29 - widok z boku przekrojów pędnika wzdłuż wału, jak na fig. 28, fig. 30 - widok z przodu przekrojów pędnika wzdłuż wału, jak na fig. 28, fig. 31 - pędnik w widoku z boku z trzema łopatami, fig. 32 - krzywa, zakreślana w przestrzeni przez krawędź łopaty, w widoku z boku, fig. 33 - krzywa, zakreślana w przestrzeni przez krawędź łopaty, w widoku z góry, fig. 34 - widok pochylony przekrojów pędnika w płaszczyznach prostopadłych do osi wału, fig. 35 - odległość przekrojów pędnika, jak na fig. 34, w płaszczyźnie równoległej do osi wału, fig. 36 - widok rzutów przekrojów, jak na fig. 34, na płaszczyznę prostopadłą do osi wału z zaznaczeniem kątów pomiędzy dwiema parami sąsiadujących przekrojów.

Zgodnie z wynalazkiem, przykładowy pędnik posiada wał napędowy 1 oraz trzy łopaty 2 (fig. 3, fig. 4), z których każda jest tak ukształtowana, że jej przekroje w płaszczyźnie prostopadłej do osi wału 1 w strefie rozpędzania „a” mają kształt sierpowaty, co pokazano na fig. 9, 15, 20. Kąt (α1, a2) zawarty pomiędzy rzutami odcinków łączących końcówki jej przekrojów poprzecznych do osi wału 1, z osią wału 1 , dla każdej pary następujących po sobie przekrojów oddalonych od siebie wzdłuż osi wału 1 o tę samą wartość, zachowuje stałą wartość, co przedstawiono na fig. 35 i 36. Krzywa zakreślana w przestrzeni przez krawędź łopaty jest szczególnym rodzajem helisy, której parametry trzykrotnie zmieniają się skokowo na jej długości, co pokazano na fig. 32, 33. Parametry helisy opisuje kąt pomiędzy styczną do krawędzi natarcia i/lub spływu i/lub ogona a równoległą do osi pędnika, który to kąt odzwierciedla geometria stożków o równej wysokości, utworzonych przez obrót odcinka należącego do tej stycznej, pokazanych na fig. 32, 33.

Promień tych stożków jest mniejszy od ich wysokości na odcinku krawędzi łopaty odpowiadającym krawędzi natarcia, w obszarze rozpędzania czynnika „a”, jest większy od wysokości na odcinku krawędzi spływu, w obszarze wyrzutu czynnika „b”, i znów mniejszy od wysokości stożka w obszarze ogonowym pędnika „c”.

Długość wału 1 jest większa od promienia mierzonego w największej odległości końcówki sierpowatego przekroju łopaty 2 od osi wału 1, przy czym odległość końcówki sierpowatego przekroju łopaty 2 od osi

PL 232 934 B1 wału 1 w strefie rozpędzania „a” rośnie wzdłuż wału 1 od strony nasady wału 1 osiągając maksymalną wartość a następnie nagle maleje w miejscu, gdzie rozpoczyna się strefa wyrzutu „b” czynnika i krawędź natarcia 3 przechodzi w krawędź spływu 4, co pokazano na fig. 3, 7, 12, 17, 22. Długość strefy rozpędzania „a” czynnika jest większa od długości strefy wyrzutu „b” oraz krawędź natarcia 3 i krawędź spływu 4 tworzą z osią wału w każdej ze stref 1 kąt o zmiennym nachyleniu i stałej wartości bezwzględnej, przy czym dla krawędzi natarcia 3 wartość bezwzględna tego kąta jest mniejsza niż 45°, natomiast dla krawędzi spływu 4 większa niż 45°.

Krawędź zewnętrzna i wewnętrzna sierpowatego przekroju poprzecznego łopaty 2 w strefie rozpędzania „a” czynnika ma kształt półokręgu lub zbliżonej do półokręgu elipsy. W jednym wykonania wynalazku łopata 2 opisana wyżej posiada stałe słabe wysklepienie 5, co pokazano na fig. 7 do 11, w innym wykonaniu łopata 2 posiada stałe silne wysklepienie 6, co pokazano na fig. 12 do 16, a jeszcze w innym wykonaniu, łopata 2 posiada zmienne wysklepienie, spadające od silnego wysklepienia 6 wraz z długością wału 1 i wzrostem średnicy pędnika do słabego wysklepienia 5, co pokazano na fig. 17 do 20.

W jednej z wersji wykonania wynalazku, pędnik za strefą „b” wyrzutu posiada ogonową strefę stabilizacyjną „c”. Wówczas za strefą wyrzutu „b” czynnika odległość końcówki sierpowatego przekroju łopaty 2 od osi wału 1 nagle maleje do 1/3 jej największego wymiaru w strefie rozpędzania „a” i w miejscu tym rozpoczyna się ogonowa strefa stabilizacyjna „c”, co pokazano na fig. 3, 7, 12, 17. Przekrój poprzeczny łopaty względem osi wału 1 w ogonowej strefie stabilizacyjnej „c” ma kształt zbliżony do trójkątnego, co pokazano na fig. 28.

W innej wersji wykonania wynalazku pędnik nie posiada stabilizacyjnej strefy ogonowej, co pokazano na fig. 22 do 27.

W innych wersjach wykonania wynalazku pędnik posiada dwie łopaty 2, opisane wyżej, co pokazano na fig. 1 i 2, albo cztery łopaty, co pokazano na fig. 5 i 6, albo pięć, sześć, siedem lub osiem łopat 2 (nie pokazane na rysunku).

Dla wyżej opisanych wersji wynalazku, wał 1 może mieć kształt walcowy (fig. 1 do 21 ) albo stożkowy lub zbliżony do stożka w całości (fig. 22 do 27) lub częściowo walcowy a częściowo stożkowy lub zbliżony do stożka.

W jednej z wersji wykonania wynalazku opisanych wyżej, długość strefy rozpędzania „a” mierzona wzdłuż osi wału 1, zawiera się w przedziale od 1 do 2 długości promienia pędnika, mierzonego w największej odległości końcówki sierpowatego przekroju łopaty 2 od osi wału 1, a w innej wersji odległość ta zawiera się w przedziale od 2 do 3, a w jeszcze innej większej niż 3.

Wytwarzanie ciągu uzyskuje się poprzez stopniowe rozpędzanie wzdłuż wału 1 coraz większej ilości czynnika, wpływającego w obszar roboczy. Powierzchnia przez którą przepływa czynnik wpadający do obszaru roboczego jest ponad dwukrotnie większa od powierzchni przez którą opuszcza pędnik czynnik rozpędzony. Proporcje te powodują, że silne rozpędzenie czynnika może zachodzić pomimo względnie małej różnicy ciśnienia czynnika na wlocie i wylocie pędnika, co pomaga uniknięciu tworzenia się strefy podciśnienia na zewnętrznych powierzchniach łopat 2, a co za tym idzie szkodliwej kawitacji. W obszarze rozpędzania „a” krawędź natarcia 3 stale oddala się od osi pędnika, a rozpędzana woda o prędkości większej niż woda opływająca pędnik porusza się od miejsca styku z krawędzią natarcia 3 do wnętrza wysklepionej łopaty 2, przy czym kierunek przepływu cieczy względem wału 1 pędnika jest styczny do helisy o kształcie zbliżonym do krawędzi natarcia 3 pędnika, lecz o niższej wartości jej kąta nachylenia względem stycznej równoległej do wału 1. W obszarze wyrzutu „b”, krawędź natarcia 3 przechodzi w krawędź spływu 4, jej kąt względem stycznej do wału 1 pędnika ulega załamaniu, a odległość końcówki sierpowatego przekroju łopaty od osi wału 1 zaczyna się zmniejszać, wraz ze skracaniem się cięciwy sierpowatych profili przekrojów łopaty.

Wreszcie w miejscu, gdzie krawędź spływu 4 jest trzy - czterokrotnie bliżej wału 1 pędnika niż w miejscu jego największej średnicy, kąt krawędzi spływu 4 ulega ponownemu załamaniu z powodu małych różnic w zmniejszaniu się przekrojów poprzecznych pędnika. Jest to ogon stabilizacyjny „c”, którego zadaniem jest - dzięki umocowaniu końca w ułożyskowanym jarzmie - równoważenie momentów siły, działających na wał 1 pędnika, a poprzez niego na wał napędowy.

Claims (7)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Pędnik posiadający wał napędowy, zaopatrzony w co najmniej jedną łopatę przytwierdzoną do wału i okręcającą go spiralnie, której powierzchnia nachylona jest do kierunku przepływu czynnika pod pewnym kątem, zawierający strefę rozpędzania przepływającego przez łopatę czynnika, znamienny tym, że łopata (2) jest tak ukształtowana, że przekroje łopaty (2) w płaszczyźnie prostopadłej do osi wału (1) w strefie rozpędzania czynnika mają kształt sierpowaty a kąt (α1, a2) zawarty pomiędzy rzutami odcinków łączących końcówki jej przekrojów poprzecznych do osi wału (1), z osią wału (1), dla każdej pary następujących po sobie przekrojów oddalonych od siebie wzdłuż osi wału (1) o tę samą wartość, zachowuje stałą wartość, oraz długość wału (1) w strefie rozpędzania czynnika jest większa od największej odległości końcówki sierpowatego przekroju łopaty od osi wału, przy czym odległość ta rośnie wzdłuż wału (1) od strony nasady wału (1) osiągając maksymalną wartość a następnie nagle maleje w miejscu, gdzie rozpoczyna się strefa wyrzutu (b) czynnika i krawędź natarcia (3) przechodzi w krawędź spływu (4), przy czym długość strefy rozpędzania (a) czynnika jest większa od długości strefy wyrzutu (b) oraz krawędź natarcia (3) w strefie rozpędzania czynnika i krawędź spływu (4) w strefie wyrzutu czynnika tworzą z osią wału (1) kąt o zmiennym nachyleniu i stałej wartości bezwzględnej, przy czym dla krawędzi natarcia (3) wartość bezwzględna tego kąta jest mniejsza niż 45°, natomiast dla krawędzi spływu (4) większa niż 45°, przy czym długość strefy rozpędzania (a) mierzona wzdłuż osi wału (1), zawiera się w przedziale od 1 do 2 albo od 2 do 3 albo większej niż 3, długości promienia pędnika, mierzonego w największej odległości krawędzi łopaty (2) od osi wału (1).
2. 2. Pędnik według zastrz. 1, znamienny tym, że za strefą wyrzutu (b) czynnika odległość końcówki sierpowatego przekroju łopaty (2) od osi wału (1) nagle maleje w miejscu, gdzie rozpoczyna się ogonowa strefa stabilizacyjna (c).
3. 3. Pędnik według zastrz. 2, znamienny tym, że odległość końcówki sierpowatego przekroju łopaty (2) od osi wału (1) w ogonowej strefie stabilizacyjnej (c) ma wymiar mniejszy od 1/3 jej największego wymiaru w strefie rozpędzania (a).
4. 4. Pędnik według zastrz. 2 albo 3, znamienny tym, że przekrój poprzeczny łopaty względem osi wału (1) w ogonowej strefie stabilizacyjnej (c) ma kształt zbliżony do trójkątnego.
5. 5. Pędnik według zastrz. 1 lub 2 lub 3 lub 4, znamienny tym, że krawędź zewnętrzna i wewnętrzna sierpowatego przekroju poprzecznego łopaty (2) w strefie rozpędzania (a) czynnika ma kształt półokręgu lub zbliżonej do półokręgu elipsy.
6. 6. Pędnik według zastrz. 1 lub 2 lub 3 lub 4 lub 5, znamienny tym, że wał (1) ma kształt walcowy albo w całości lub częściowo stożkowy lub zbliżony do stożka.
7. 7. Pędnik według zastrz. 1 lub 2 lub 3 lub 4 lub 5 lub 6, znamienny tym, że posiada dwie łopaty (2) albo trzy łopaty (2) albo cztery łopaty (2) albo pięć łopat (2), albo sześć łopat (2) albo siedem łopat (2) albo osiem łopat (2).