WO2023113651A1 - Винт потоковый - Google Patents

Винт потоковый Download PDF

Info

Publication number
WO2023113651A1
WO2023113651A1 PCT/RU2022/050394 RU2022050394W WO2023113651A1 WO 2023113651 A1 WO2023113651 A1 WO 2023113651A1 RU 2022050394 W RU2022050394 W RU 2022050394W WO 2023113651 A1 WO2023113651 A1 WO 2023113651A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
flow
blades
propeller
blade
screw
Prior art date
Application number
PCT/RU2022/050394
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Владимир Александрович ВЬЮРКОВ
Роман Дмитриевич ЛЕБЕДЕВ
Original Assignee
Акционерное общество "ЗЕНТОРН"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from RU2021136924A external-priority patent/RU2778584C1/ru
Application filed by Акционерное общество "ЗЕНТОРН" filed Critical Акционерное общество "ЗЕНТОРН"
Publication of WO2023113651A1 publication Critical patent/WO2023113651A1/ru

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H1/00—Propulsive elements directly acting on water
    • B63H1/02—Propulsive elements directly acting on water of rotary type
    • B63H1/12—Propulsive elements directly acting on water of rotary type with rotation axis substantially in propulsive direction
    • B63H1/14—Propellers
    • B63H1/26—Blades
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C11/00—Propellers, e.g. of ducted type; Features common to propellers and rotors for rotorcraft
    • B64C11/16—Blades
    • B64C11/20—Constructional features

Definitions

  • the invention relates to shipbuilding and aircraft engineering, namely to water and air ship propellers, and can also be used as a generator of water and air flows into electrical energy.
  • the amplitude and pitch of deviations of the profile of the trailing edge of the blade from the calculated value in height is maximum at the hub and minimal or equal to zero at the maximum diameter of the blade, and on each subsequent blade the beginning of the waviness at the hub is displaced relative to the beginning of the waviness of the previous blade by the value T/z, where T - step of the first wave, az - number of blades. Achieved a minimum run-off or deviation of the flow along the radius, improving the flow characteristics of the blade (RU 2524511, IPC V63N 1/26; V64S 11/00).
  • Known adjustable-pitch propeller mounted on the propeller shaft and includes a hub with blades fixed on it to ensure their rotation relative to the hub.
  • the blades are made composite and consist of at least two parts. Each part of the blade has an independent ability to turn (RU 2658199, IPC V63N 3/04; V64S 11/00).
  • Known aerodynamic propeller contains butt part, which is made uniform for all blades.
  • the inner and outer surfaces of the blades are parallel to each other.
  • the leading edge of the blades is made with chamfers from the surfaces and the radius of the middle part, and the trailing edge is made with a bevel from the outer surface at a bevel angle of 10...15° and a radius facing the inner surface.
  • the perimeter of the feathers of the blades is determined by the line of the curve of equal width.
  • the task facing the authors is to create an optimal flow of water or air, and use it, when changing the trajectory of the flow, the emerging force to organize a translational force on the axis of the screw, during its rotation, to maximize the use of forces arising from the operation of the screw (increase in efficiency , propeller power).
  • the problem is solved due to the device of the inventive screw, which is a shaft with blades fixed around it, each of which is a % torus and has the shape of a spiral with a variable pitch.
  • the essence of the claimed invention is the ability to create a smooth change in the flow trajectory from 0° to 90° using the resulting centrifugal force of the flow, which allows the most efficient use of force, thanks to the operation of the inventive propeller, the blades of which are % of the torus, spun around the shaft, with In this case, the blades are made in the form of a spiral with a variable pitch.
  • FIG. 1 shows a four-bladed flow propeller, top view.
  • FIG. 2 shows a four-bladed flow propeller, side view.
  • FIG. 3 shows the direction, movement of the flow (shown by arrows) of a gas or liquid, with forced rotation of the screw.
  • the direction of flow movement (shown by arrows) of a gas or liquid is shown for the operation of a propeller used as an electricity generator under the dynamic pressure of a gas or liquid flow.
  • FIG. 4 shows a regular, constant-pitch helix.
  • FIG. 5 shows the physical implementation of a spiral with a variable pitch (changeable inclination of the flow with respect to the axis of the spiral)
  • FIG. 6 shows the action of the centrifugal forces of the flow, when moving in a circle.
  • the device consists of
  • the flow screw is a shaft 1 with at least two blades 2 fixed on it.
  • Each blade of the screw is a % part of the torus, twisted around the shaft 1, while the blades are made in the form of a spiral with a variable pitch (changeable angle of flow direction), which allows you to change the direction of the passing flow by 90 °.
  • changes in the movement of the flow occur not only in one plane, as on ordinary blades (along the axis and in width), but also in another plane (in depth).
  • a complete change in the angle of the direction of flow and in all three planes, gives us an increase in the power of the blades.
  • the spiral can be described by an equation in parametric form, given in three coordinates X, Y, Z:
  • R is the radius of the spiral; w - frequency; t - time;
  • the Z axis is the helix axis.
  • a ⁇ u003d then we have a circle and the angle of inclination of the coil will be perpendicular to the Z axis, that is, 90 °.
  • a ⁇ u003d oc we have a straight line and the inclination of the spiral turns is 0 ° to the Z axis. Or the angles are vice versa, if considered in relation to the base of the nozzle.
  • the blades direct the flow in a spiral with a variable pitch (changeable angle of inclination of the flow path, in relation to the axis of the screw).
  • the operation of the proposed device can be described by the example of forced rotation of the screw to create a flow, or the occurrence of dynamic pressure of the surrounding space of gas or water content to create rotation of the screw.
  • the propeller shaft 1 When implementing this method of operation, the propeller shaft 1 is driven by the operation of the engine of the watercraft or aircraft on which the propeller is installed. As a result of the rotation of the screw, the blades 2 create flows of gas or liquid, the resulting flow will move along a quarter-circle section, while creating centrifugal force. Thus, due to the shape of the propeller blades 2, a smooth change in the flow path from 0° to 90° is created using the centrifugal force of the flow that occurs in this case.
  • An example of the operation of a screw used as an electricity generator under the dynamic pressure of a gas or liquid flow (Fig. 3a).
  • the propeller shaft 1 installed on the power generator is set in motion by external influence on the blades 2 of the flow of water (for example, a flowing river) or gas, which create forces in the propeller that make it rotate.
  • the propeller shaft 1 is set in motion by external influence on the blades 2 of the flow of water (for example, a flowing river) or gas, which create forces in the propeller that make it rotate.
  • a smooth change in the flow path from 0° to 90° is created using the centrifugal force of the flow that occurs in this case.
  • electricity is generated.
  • the resistance force of the blade to the flow is a special case of the centrifugal force of the flow and is limited by the area of contact between the blade and the flow, and the angle of deviation of the flow trajectory.
  • R is the radius of the length of the flow section
  • S is the area of the inlet of the flow section
  • L is the length of the flow section
  • the comparative tables show an example of calculating the propeller of the Yak-52 and Yak-55 aircraft (table No. 1), (table No. 2), in comparison with the claimed flow propeller, for different propeller revolutions.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Ocean & Marine Engineering (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Hydraulic Turbines (AREA)
  • Other Liquid Machine Or Engine Such As Wave Power Use (AREA)

Abstract

Изобретение относится к судостроению и авиастроению, а именно к водным и воздушным судовым потоковым винтам, также может найти применение в качестве генератора водных и воздушных потоков в электрическую энергию. Потоковый винт представляет собой вал 1 с закрепленными нем, не менее чем двумя, лопастями 2. Каждая лопасть винта представляет собой ¼ части тора, закрученную вокруг вала 1, при этом лопасти выполнены в форме спирали с изменяемым шагом (изменяемым углом направления потока), что позволяет изменить направление проходящего потока на 90º. При этом, изменения движения потока идет не только в одной плоскости, как на обычных лопастях (вдоль оси и по ширине), но и в другой плоскости (по глубине). Полное изменение угла направления потока и во всех трех плоскостях, дает нам прибавку мощности лопастей.

Description

ВИНТ потоковый
Изобретение относится к судостроению и авиастроению, а именно к водным и воздушным судовым потоковым винтам, также может найти применение в качестве генератора водных и воздушных потоков в электрическую энергию.
Известен движитель (винт) содержащий ступицу, лопасти с входными и выходными участками, амплитуду и шаг отклонения профиля выходной кромки лопасти. Выходные участки лопастей по всей высоте, начиная от х/г длины профиля у ступицы и з длины профиля на периферии, выполнены с периодическими отклонениями угла профиля с образованием волнистой поверхности выходной части лопасти и волнистой выходной кромки относительно расчетного значения угла лопасти в каждом цилиндрическом сечении. Амплитуда и шаг отклонений профиля выходной кромки лопасти от расчетного значения по высоте максимальна у ступицы и минимальна или равна нулю на максимальном диаметре лопасти, и на каждой последующей лопасти начало волнистости у ступицы смещено относительно начала волнистости предыдущей лопасти на величину T/z, где Т - шаг первой волны, a z - число лопастей. Достигается минимальное сбегание или отклонение потока по радиусу, улучшение проточных характеристик лопасти (RU 2524511, МПК В63Н 1/26; В64С 11/00).
Известен гребной винт регулируемого шага, установленный на гребном валу и включающий в себя ступицу с закрепленными на ней лопастями с обеспечением их поворота относительно ступицы. Лопасти выполнены составными и состоят, по меньшей мере, из двух частей. Каждая часть лопасти имеет самостоятельную возможность поворота (RU 2658199, МПК В63Н 3/04; В64С 11/00).
Известен аэродинамический винт содержит комлевую часть, которая выполнена единой для всех лопастей. Внутренняя и внешняя поверхности лопастей параллельны друг другу. Передняя кромка лопастей выполнена с фасками от поверхностей и радиусом средней части, а задняя кромка выполнена со скосом с внешней поверхности при угле скоса, равном 10... 15°, и радиусом, выходящим на внутреннюю поверхность. Лопасти расположены с образованием конуса а=120... 170°. Периметр перьев лопастей определен по линии кривой равной ширины. Перья лопастей могут быть разделены по линии выполнения отрезка кривой равной ширины, или по линии, параллельной линии выполнения отрезка кривой равной ширины, расположенной по всей ширине лопасти. Каждое перо расположено в единой плоскости с разворотом передней кромки от образующего конуса на угол Р=О... ЗОО. По периметру винта могут быть расположены лопасти с чередованием полных, разделенных и срезанных перьев (RU 2441805; МПК В64С 11/00).
Все существующие на сегодняшний момент винты основываются на использовании силы сопротивления потока лопастям винта. Винты отталкиваются лопастями от потока, при вращении винта, или еще добавляют силу, возникающую в лопасти, описанную уравнения Бернулли. При этом изменение траектории потока организуется резко и на небольшом участке, что выражается в силе сопротивления лопасти потоку.
Задача, стоящая перед авторами состоит в создании оптимального потока воды или воздуха, и использование его, при изменении траектории потока, возникающей силы для организации поступательной силы на ось винта, при его вращении, для максимально эффективного использования сил, возникающих при работе винта (повышение КПД, мощности винта).
Задача решается за счет устройства заявляемого винта, представляющего собой вал с закрепленными вокруг него лопастями, каждая из которых представляет собой % тора и имеет форму спирали с изменяемым шагом.
Сущностью заявляемого изобретения является возможность создания плавного изменения траектории потока от 0° до 90° с использованием, возникающей при этом, центробежной силы потока, позволяющей максимально эффективно использовать силу, благодаря работе заявляемого винта, лопасти которого представляют собой % тора, закрученные вокруг вала, при этом лопасти выполнены в форме спирали с изменяемым шагом.
На фиг. 1 показан винт потоковый с четырьмя лопастями, вид сверху.
На фиг. 2 показан винт потоковый с четырьмя лопастями, вид сбоку.
На фиг. 3 изображено направление, движения потока (показано стрелочками) газа или жидкости, при принудительном вращения винта. На фиг. За изображено направление, движения потока (показано стрелочками) газа или жидкости, при работе винта, используемого в качестве генератора электроэнергии, под динамическим давлением потока газа или жидкости.
На фиг. 4 показана обычная, с постоянным шагом, спираль.
На фиг. 5 показана физическая реализация спирали с изменяемым шагом (изменяемым наклоном потока по отношению к оси спирали)
На фиг. 6 показаны действия центробежных сил потока, при движении по окружности.
Устройство состоит
Потоковый винт представляет собой вал 1 с закрепленными на нем, не менее чем двумя, лопастями 2. Каждая лопасть винта представляет собой % части тора, закрученную вокруг вала 1, при этом лопасти выполнены в форме спирали с изменяемым шагом (изменяемым углом направления потока), что позволяет изменить направление проходящего потока на 90°. При этом, изменения движения потока идет не только в одной плоскости, как на обычных лопастях (вдоль оси и по ширине), но и в другой плоскости (по глубине). Полное изменение угла направления потока и во всех трех плоскостях, дает нам прибавку мощности лопастей.
Математическая модель спирали и обоснование движения потоков при работе заявляемого винта фиг. 4.
Спираль можно описать уравнением в параметрической форме, заданное по трем координатам X, Y, Z:
X = R*cos(w*t);
¥ = R*sin(w*t);
Z = A*t;
R - радиус спирали; w - частота; t - время;
A - шаг спирали;
Ось Z является осью спирали. Первая производная по Z , является скоростью A Z/dt = А, вторая производная по Z , является ускорением AAZ/dt = 0. Для того, чтобы AAZ/dt не было равно нулю, нужно, чтобы скорость точки двигающейся по спирали была функцией А = F(t). Если эта функция положительна, интервал [0;оо],то шаг спирали увеличивается, соответственно и угол наклона спирали изменяется. Если А = 0, то у нас есть круг и угол наклона витка будет перпендикулярен оси Z, то есть 90°. А если А = ос, то у нас прямая и наклон витков спирали 0° к оси Z. Или углы наоборот, если рассматривать по отношению основанию сопла.
Физическая реализация математической модели.
И так согласно математической модели спирали, чтобы спираль имела ускорение надо менять угол наклона спирали от 90° до 0° по отношению к оси спирали (фиг. 5).
Было предложено, что только % часть окружности меняет угол касательной к ней, в таком интервале. Соответственно была взята % часть траектории по окружности и свернута в цилиндр, при этом траектория витков совпадает с разных сторон (лево и право).
Для расчетов достаточно использовать общеизвестный расчет центробежной силы возникающей при движении массы по % окружности (фиг. 6). Таким образом, лопасти направляют поток по спирали с изменяемым шагом (изменяемым углом наклона траектории потока, по отношении к оси винта).
Способ работы заявляемого винта.
Работу заявляемого устройства можно описать на примере принудительного вращения винта для создания потока, или возникновения динамического давления окружающего пространства газового или водного содержания для создания вращения винта.
Пример работы винта, установленного на водном (подводном) или воздушном судне, при его принудительном вращении (фиг. 3).
При осуществлении данного способа работы, вал 1 винта приводится в движение при помощи работы двигателя водного или воздушного судна, на котором установлен винт. В результате вращения винта, лопасти 2 создают потоки газа или жидкости, образовавшийся поток будет двигаться по участку в четверть окружности, при этом создавая центробежную силу. Таким образом, благодаря форме лопастей 2 винта, создается плавное изменение траектории потока от 0° до 90° с использованием, возникающей при этом, центробежной силы потока. Пример работы винта, используемого в качестве генератора электроэнергии, под динамическим давлением потока газа или жидкости (фиг.За).
При осуществлении данного способа работы, вал 1 винта, установленный на генераторе электроэнергии, приводится в движение при помощи внешнего воздействия на лопасти 2 потока воды (например, проточной реки) или газа, которые создают в винте силы, заставляющие его вращаться. Таким образом, благодаря форме лопастей 2 винта, создается плавное изменение траектории потока от 0° до 90° с использованием, возникающей при этом, центробежной силы потока. В результате такого вращения винта, генерируется электроэнергия.
Сила сопротивления лопасти потоку является частным случаем центробежной силы потока и ограничена участком соприкосновения лопасти с потоком, и углом отклонения траектории движения потока. Мы же используем весь угол отклонения траектории движения потока, равный 90°, с плавным изменением по всей длине потока.
F = m*v2/R [1], где:
F - Центробежная сила; m - Масса потока на лопасти; v - Скорость потока;
R - Радиус длины участка потока;
При этом, сила не будет зависеть от радиуса длины участка, так как: in = p*S*L
L = l/4*2*n*R = n*R/2, где
S - Площадь входа участка потока;
L - Длина участка потока;
Подставляем в формулу [1] и получаем:
F = m*v2/R = p*S*L*v2/R = p*S* n*R*v2/(R*2);
Сокращаем R и получаем: F = p*S* n*v2/2;
Так как у нас четыре лопасти 2, умножаем на четыре и сила направлена под углом 45° к оси или перпендикулярной плоскости, то еще умножаем на sin(45°). Итого:
F = 2*p*S* n*v2*sin(45°);
На сравнительных таблицах показан пример расчета винта самолета Як-52 и Як-55 (таблица №1), (таблица №2), в сравнении с заявляемым винтом потоковым, для разных оборотов винта.
Таблица №1
Figure imgf000008_0001
Как видно из расчетов, при использовании винта поточного, сила тяги возрастет на 65%. Кроме того, так как кончики обычного винта узкие, то потоки от него, расходясь по конусу, создают громкий звук, при вращении винта. В качестве дополнительного технического эффекта можно сказать, что при использовании заявляемого изобретения, поточный звук работающего винта будет ниже, так как потоки выходящие, имеют диаметр намного больше. Винт поточный можно использовать как для создания вектора тяги в воздушных, водных, подводных судах, так и в ветряных и гидроэлектростанциях.
Таким образом, поставленная перед автором задача, выполнена.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Винт потоковый, представляющий собой вал с закрепленными на нем, не менее чем двумя, лопастями, закрученными вокруг вала, отличающийся тем, что каждая лопасть представляет собой % части тора без внутренней части и имеет форму спирали с изменяемым шагом.
8
PCT/RU2022/050394 2021-12-14 2022-12-14 Винт потоковый WO2023113651A1 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021136924A RU2778584C1 (ru) 2021-12-14 Винт потоковый
RU2021136924 2021-12-14

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2023113651A1 true WO2023113651A1 (ru) 2023-06-22

Family

ID=86773258

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2022/050394 WO2023113651A1 (ru) 2021-12-14 2022-12-14 Винт потоковый

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2023113651A1 (ru)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6102661A (en) * 1984-12-06 2000-08-15 Spi Ltd Propeller with annular connecting element interconnecting tips of blades
US6406264B1 (en) * 2000-07-26 2002-06-18 Robert D. Paulus Propeller
RU2438917C2 (ru) * 2009-02-16 2012-01-10 Владимир Михайлович Палецких Судовой движитель-концентратор
RU2452653C2 (ru) * 2010-06-08 2012-06-10 Николай Алексеевич Калашников Гребной винт конструкции калашникова
RU2680214C1 (ru) * 2017-04-17 2019-02-18 Евгений Петрович Юриков Способ создания тяги и силовая установка для его реализации

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6102661A (en) * 1984-12-06 2000-08-15 Spi Ltd Propeller with annular connecting element interconnecting tips of blades
US6406264B1 (en) * 2000-07-26 2002-06-18 Robert D. Paulus Propeller
RU2438917C2 (ru) * 2009-02-16 2012-01-10 Владимир Михайлович Палецких Судовой движитель-концентратор
RU2452653C2 (ru) * 2010-06-08 2012-06-10 Николай Алексеевич Калашников Гребной винт конструкции калашникова
RU2680214C1 (ru) * 2017-04-17 2019-02-18 Евгений Петрович Юриков Способ создания тяги и силовая установка для его реализации

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CA2752705C (en) Shrouded turbine blade design
CN104112040B (zh) 高效和大功率密度船用喷水推进泵水力模型的设计方法
EP2547904B1 (en) Propeller blade
US4359311A (en) Wind turbine rotor
US2481330A (en) Variable jet nozzle
US20040009063A1 (en) Oscillating system entraining axial flow devices
RU2551404C2 (ru) Высокоэффективная лопасть винта с увеличенной поверхностью рабочей части
EP2955099B1 (en) Propulsion device for ship
JPWO2018194105A1 (ja) 垂直軸型タービン
US10099761B2 (en) Water turbine propeller
RU2778584C1 (ru) Винт потоковый
WO2023113651A1 (ru) Винт потоковый
JPH0339197B2 (ru)
RU2317225C2 (ru) Судовой движитель (винт)
RU2654662C1 (ru) Устройство ветродвигателя, содержащего лопастные винты разного диаметра, расположенные в параллельных вертикальных плоскостях на общей оси вращения от винта малого диаметра к следующему винту большего диаметра относительно предыдущего с зазором между ними
RU2827522C1 (ru) Винт потоковый
AU2008101143A4 (en) Spinfoil aerodynamic device
RU2405713C2 (ru) Винт с кумулятивным эффектом
US5810288A (en) High velocity propeller
RU2488518C1 (ru) Судовой волновой движитель
JP2023530198A (ja) 自在プロペラ、操作方法、及びその好適な利用
CA1229765A (en) Fluid contacting surfaces and devices incorporating such surfaces
WO1993024360A1 (en) A propeller having optimum efficiency in forward and rearward navigation
RU2684337C2 (ru) Гребной винт Гермова
Catana et al. Global Study of the Performance of a Propeller with a Variable Pitch and a Variable Diameter

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 22908077

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE