PL244708B1 - Śmigło - Google Patents

Abstract

Śmigło składające się z piasty oraz co najmniej dwóch połączonych z nią łopat o zmiennym profilu od nasady po końcówkę, charakteryzuje się tym, że piasta (2) posiada wlot (2a) i przedni otwór a łopaty (1) posiadają wydrążony kanał wewnętrzny, ponadto piasta (2) wyposażona jest w otwór piasty (2) a łopata (1) posiada wlot korespondujący z otworem piasty (2) oraz wylot w postaci szczeliny, przy czym kanał wewnętrzny w nasadzie ma kształt kołowy, w ok. 25% rozpiętości przechodzi w przekrój profilu, tworząc profil cienkościenny aż do końca łopaty (1).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest śmigło, zwłaszcza do pojazdów powietrznych.

Klasyczne śmigło posiada łopaty umocowane na piaście tworzącej wspólną oś obrotu. Piasta osłonięta jest kołpakiem a opływające je powietrze kierowane jest na bliskie mocowaniu części łopat, które nie wytwarzają znaczącej części ciągu całego śmigła, gdyż obracają się one ze zbyt małą prędkością ze względu na mały promień.

Z publikacji WO2019200941A1 znane jest śmigło szczelinowe o wielosekcyjnej zmienności kąta natarcia. Na każdej łopacie śmigła utworzona jest jedna lub więcej pasmowych szczelin do przepuszczania strumienia powietrza w kierunku średnicy śruby napędowej a szczeliny są rozmieszczone przelotowo od strony nawietrznej do zawietrznej strony łopatek. Ponieważ szczeliny utworzone są na obracających się łopatkach, powietrze najpierw przepływa przez łopatki z większym kątem nachylenia na przednich końcach szczelin i gromadzone jest w szczelinach, aby utworzyć strumień powietrza o pewnym kącie spłukiwania w dół. Następnie strumień powietrza przechodzi przez łopatki z większym kątem nachylenia na tylnych końcach szczelin, aby utworzyć strumień powietrza do spłukiwania pod większym kątem; a im większy kąt przepływu powietrza dolotowego, tym większa siła ciągu śruby napędowej. Dlatego też, gdy statek powietrzny korzysta z tej śruby, można zmniejszyć zużycie energii przez statek powietrzny oraz wydłużyć czas przelotu i poprawić zdolność ładowania.

Z opisu patentowego US6796533B2 znany jest sposób i urządzenie do ponownego mocowania warstwy przyściennej przy użyciu piezoelektrycznych, syntetycznych siłowników strumieniowych. Jednak płyn używany do tego urządzenia nie pochodzi z układu wydechowego maszyny termicznej, a jego funkcją nie jest obniżenie ciśnienia wstecznego za turbiną.

Z opisu US7946801B2 znana jest turbina gazowa w której powietrze pobierane ze sprężarki kierowane jest do wnętrza wydrążonej łopatki turbiny, z wgłębieniami, przez które wyrzucane powietrze tworzy warstwę ochronną dla łopatki turbiny. Jednak jego funkcją nie jest obniżenie ciśnienia wstecznego za turbiną.

US20120027568A1 przedstawia niskociśnieniową turbinę parową i sposób jej działania. Nowa konstrukcja śmigła lub wirnika poprawiająca sprawność silnika i sprawność napędu składa się z łopatki lub szeregu łopatek, które mają otwory lub szczeliny po stronie ssącej. Łopatki są połączone z termicznym układem wydechowym silnika za pomocą rur i złączy obrotowych. Wewnątrz łopatki znajduje się rura, która umożliwia przepływ spalin w kierunku szczelin lub otworów. Zawory kierują spaliny w stronę łopatek wirnika lub śmigła regulując przepływ spalin wewnątrz łopat śmigła.

Na najszybciej przemieszczających się końcówkach łopat śmigła występuje zjawisko wyrównywania się ciśnień na dolnej i górnej stronie końcówki łopaty co powoduje dodatkowy opór indukowan y łopaty i zwiększa wymagany moment obrotowy potrzebny do napędu śmigła oraz formowanie się wiru krawędziowego na końcówce łopaty. Duże prędkości zmniejszają lokalny kąt natarcia tej części łopaty oraz zmniejszenie siły nośnej w tym rejonie łopat śmigła, a co za tym idzie zmniejszenie ciągu śmigła oraz jego efektywności.

Obecnie stosowane śmigła nie wykorzystują przepływu wewnątrz łopat a jedynymi urządzeniami w których następuje przepływ są łopatki turbin a przepływ wewnętrzny służy głównie do chłodzenia wnętrza łopaty oraz wytwarzaniu filmu chłodzącego.

Przedmiotem wynalazku jest śmigło zbudowane z wydrążonej piasty śmigła z kołpakiem w postaci wlotu powietrza i zamocowanych do piasty wydrążonych łopat śmigła z wylotami powietrza na końcówce lub tylnej zawietrznej części łopaty. Śmigło napędzane jest bezpośrednio przez silnik lub poprzez przekładnię (reduktor).

Śmigło według wynalazku składa się z piasty z przednim otworem, przez który wlatuje powietrze oraz co najmniej dwóch łopat wydrążonych wewnątrz, przez które przepływa powietrze wlatując przez piastę do wnętrza łopaty i wylatując poprzez wylot umiejscowiony na końcówce lub na tylnej części łopaty, w zależności od rodzaju modyfikacji opływu łopaty jaki chce się uzyskać.

Śmigło może przyjmować różne kształty, zarówno jeśli chodzi o ukształtowanie piasty i łopat oraz ich liczbę.

Łopaty śmigła są wydrążone w postaci co najmniej jednego kanału począwszy od swojej nasady aż po wylot. Łopata ma zmienny profil od nasady po końcówkę, zmienia się również lokalny kąt natarcia zgodnie z wymaganiami projektowymi śmigła. Przy nasadzie łopata ma profil symetryczny, na końcówce płasko-wypukły. Kanał wewnętrzny w nasadzie ma kształt kołowy, w ok. 25% rozpiętości przechodzi w przekrój profilu, tworząc profil cienkościenny aż do końca łopaty.

Zmienność pola przekroju kanału wewnętrznego może być dopuszczona w celu zwiększenia lub zmniejszenia lokalnej prędkości przepływu w łopacie. Grubość ścianki łopaty zależy od użytego materiału, profilu oraz prędkości obrotowej. Kanały wewnątrz łopaty mogą mieć różne kształty, korzystnie są to profile cienkościenne, rury wieloobwodowe o powiększonej sztywności na skręcanie lub osobne kanały drążone wewnątrz łopaty. Odrębne kanały w łopacie mogą być wykorzystane w celu odpowiedniej dystrybucji powietrza na wylocie.

Wylot powietrza z łopaty może być umiejscowiony na jej końcówce lub na zewnętrznej powierzchni łopaty w postaci szczeliny w pionie lub poziomie.

Korzystne jest wydrążenie kanału przez całą długość łopaty. Łopata może nie być wydrążona na końcówce gdy wylot powietrza jest umiejscowiony wcześniej.

Dodatkowy wlot powietrza do łopat korzystnie jest umieszczony w samych łopatach, na krawędzi natarcia w odcinkach bliskich nasady łopaty.

Mocowanie łopat do piasty można zrealizować na różne sposoby w zależności od potrzeby regulacji skoku ogólnego łopat. Śmigło może posiadać stały skok łopat, nadaje się również do śmigła o łopatach przestawianych na postoju ręcznie podczas regulacji. Proponowane rozwiązanie można również wykorzystać do regulacji skoku łopat w trakcie lotu, gdzie łopaty są łożyskowane w piaście w taki sposób, że mogą się obracać wokół swojej osi podłużnej, czyli zmieniać kąt natarcia. Łopaty są wówczas połączone z popychaczem zmiany skoku łopat. Zmiana położenia popychacza w przód lub w tył pociąga ze sobą kąt zmiany łopat. Oś popychacza jest przeprowadzona przez otwór centralny w piaście co powoduje, że piasta musi być napędzana przez przekładnię i nie może być podłączona bezpośrednio do silnika.

Ilość powietrza wpadającego do łopat powinna być skorelowana z faktycznymi możliwościami przetłoczenia tego ośrodka przez kanały wewnątrz łopaty. Równowaga zależna jest od wielu czynników, takich jak prędkość obrotowa i postępowa, stosunek wielkość wlotu do piasty do sumy przekrojów poprzecznych kanałów w łopatach, wielkości strat przepływów przez kanały i inne dlatego wiele parametrów geometrycznych śmigła musi być wynikiem iteracyjnego procesu projektowania dla konkretnego punktu pracy. Równowaga może być również ustanowiona dzięki wprowadzeniu do konstrukcji możliwości regulowania ilości powietrza wpływającego do łopat. Piastę można wyposażyć w regulację ilości powietrza wlatującego do piasty lub upusty nadmiarowego powietrza, które wleciało do piasty a nie zostało skierowane do łopat. Regulacja ilości powietrza wpadającego do wlotu może przyjmować postać wysuwanego stożka, którego położenie w kierunku przód/tył przysłania lub odsłania wlot do piast lub w postaci regulowanych żaluzji, których położenie kątowe odsłania lub przysłania wlot. Napęd stożka regulacyjnego i żaluzji jest realizowany podobnie jak popychacz zmiany skoku łopat.

Można również stosować piastę z regulowanym upustem. Tego rodzaju piasta posiada upust powietrza umieszczony za łopatami. Powietrze, które nie może zostać przetłoczone przez łopaty może wówczas opuścić piastę bez wywierania nadmiernego ciśnienia na tylną ścianę piasty co spowodowałoby dodatkowy opór. Otwory upustowe mogą być wyposażone w żaluzje regulujące ilość powietrza upuszczanego lub mieć stałą geometrię.

Zwiększenie przepływu przez łopaty można uzyskać przez płaską płytę, która zagarnia powietrze od wlotu do kanału wewnętrznego łopaty. Innym urządzeniem, produkującym dodatkowo siłę ciągu jest sprężarka odśrodkowa. Oba urządzenia są zamocowane sztywno na piaście.

W proponowanym rozwiązaniu powietrze wyrzucane jest promieniowo lub osiowo do tyłu w stosunku do kierunku lotu w celu oddzielenia warstw powietrza opływających dolną i górną powierzchnię końcówki łopaty. Taki separator w postaci kurtyny powietrznej przeszkadza w formowaniu się wiru krawędziowego na końcówce łopaty śmigła i zmniejsza opór indukowany. Dodatkowo zmniejszeniu ulega całkowity opór śmigła gdyż powietrze trafiające w kołpak jest usuwane i nie jest zmuszone do jego opływania. Zmniejszenie intensywności wiru krawędziowego powoduje także ograniczenie jego wpływu na opływ łopaty oraz zwiększenie jej rzeczywistego kąta natarcia. Wytrzymałość proponowanych łopat drążonych nie odbiega od obecnie stosowanych, gdyż kanały doprowadzające powietrze do wylotów mogą mieć różne kształty i przebiega najbardziej optymalnym przekrojem poprzecznym łopaty jest rura wieloobwodowa, charakteryzująca się wysoką wytrzymałością na zginanie w obu płaszczyznach i wysoką sztywnością na skręcanie.

Przedmiot wynalazku przedstawiony jest na rysunku, na którym:

Fig. 1 przedstawia schemat ogólny przepływu wewnętrznego przez kołpak i łopatę śmigła a) wypływ w kierunku ruchu, b) wypływ prostopadle do kierunku ruchu,

Fig. 2 przedstawia części składowe śmigła z wydrążonymi łopatami i wpływ wypływu powietrza przez końcówkę łopaty na tworzenie się wiru na końcówce: a) łopata bez wypływu w celach porównawczych, b) łopata z wypływem promieniowym, c) łopata z wypływem osiowym,

Fig. 3 przedstawia widok ogólny śmigła z wydrążonymi łopatami,

Fig. 4 przedstawia przekrój przez urządzenie, widok na kanały przepływu powietrza wewnątrz śmigła,

Fig. 5 przedstawia zmianę przekroju poprzecznego w zależności od współrzędnej radialnej: A w połowie łopaty, B - w jednej czwartej łopaty, C - u nasady łopaty, D - kanał dolotowy od strony piasty, Fig. 6 przedstawia kształt kanałów wewnątrz łopaty: A - łopata jako skorupa cienkościenna, B rura wieloobwodowa, C - przewody okrągłe,

Fig. 7 przedstawia części składowe śmigła z wydrążonymi łopatami,

Fig. 8 przedstawia umiejscowienie wylotu powietrza: na końcówce łopaty: A - radialnie, B - na dolnej stronie profilu, C - pod kątem, oraz poniżej końcówki: D - równolegle do przepływu, E - prostopadle do przepływu,

Fig. 9 przedstawia pomocnicze wloty powietrza do wnętrza łopaty umieszczone na łopatach,

Fig. 10 przedstawia śmigło z regulowanym kątem łopat i popychaczem,

Fig. 11 A i 11 B przedstawiają schemat głównych elementów śmigła z regulowanym kątem łopat i popychaczem,

Fig. 12 przedstawia piastę z regulowanym wlotem powietrza z przesuwanym stożkiem: A - stożek wysunięty, wlot zamknięty, brak przepływu przez łopaty śmigła, B - stożek częściowo wsunięty, częściowy przepływ przez łopaty śmigła, C - stożek całkowicie schowany, maksymalny przepływ przez łopaty,

Fig. 13 przedstawia piastę wyposażoną w żaluzje regulujące ilość powietrza dopływającego do łopat, A - żaluzje częściowo otwarte, B - żaluzje zamknięte, C - żaluzje otwarte,

Fig. 14 przedstawia piastę wyposażoną w upusty nadmiarowego powietrza za mocowaniem łopat, Fig. 15 przedstawia centralną kierownicę powietrza, zwiększająca dopływ powietrza do łopat, Fig. 16 przedstawia sprężarkę odśrodkową w roli kierownicy powietrza, zwiększająca dopływ powietrza do łopat.

Przykład 1.

Śmigło składa się z piasty 2 z wlotem 2a i przednim otworem 2b, przez który wlatuje powietrze oraz dwóch łopat 1 z wydrążonym kanałem wewnętrznym 1d, przez które przepływa powietrze wlatując przez piastę 2 do wnętrza łopaty 1 poprzez otwór 2b i 2c piasty 2 oraz wlot 1a łopaty 1. Powietrze wylatuje poprzez wylot 1b umiejscowiony na końcówce łopaty 1. Łopaty 1 śmigła są wydrążone w postaci jednego kanału począwszy od swojej nasady aż po wylot 1b. Łopata 1 ma zmienny profil od nasady po końcówkę, zmienia się również lokalny kąt natarcia zgodnie z wymaganiami projektowymi śmigła. Przy nasadzie łopata 1 ma profil symetryczny, na końcówce płasko-wypukły. Kanał wewnętrzny 1d w nasadzie ma kształt kołowy, w ok. 25% rozpiętości przechodzi w przekrój profilu, tworząc profil cienkościenny aż do końca łopaty. Zmienność pola przekroju kanału wewnętrznego 1b może być dopuszczona w celu zwiększenia lub zmniejszenia lokalnej prędkości przepływu w łopacie 1. Grubość ścianki łopaty 1 zależy od użytego materiału, profilu oraz prędkości obrotowej, w tym przypadku 0,85 mm. Wylot 1b powietrza z łopaty 1 jest umiejscowiony na jej końcówce w postaci szczeliny. Wlot 2a mocowany jest do piasty 2 za pomocą śrub 8. Piasta 2 połączona jest z silnikiem 3 tuleją zaciskową 5 z nakrętką zaciskową 4 i nakrętką 6 z podkładką 7.

Ilość powietrza wpadającego do łopat 1 powinna być skorelowana z faktycznymi możliwościami przetłoczenia tego ośrodka przez kanały wewnętrzne 1d łopat 1. Równowaga zależna jest od wielu czynników, takich jak prędkość obrotowa i postępowa, stosunek wielkość wlotu 2a do piasty 2 do sumy przekrojów poprzecznych kanałów wewnętrznych 1d w łopatach 1, wielkości strat przepływów przez kanały 1d i inne dlatego wiele parametrów geometrycznych śmigła musi być wynikiem iteracyjnego procesu projektowania dla konkretnego punktu pracy.

P r z y k ł a d 2.

Śmigło ma analogiczną budowę jak w przykładzie 1, przy czym stosowano wymiennie różne kanały wewnętrzne 1d a mianowicie profile cienkościenne lub rury wieloobwodowe. Ponadto zmieniano położenie wylotów 1a z łopaty 1 umiejscawiając je na jej końcówce lub na zewnętrznej powierzchni łopaty 1 w postaci szczeliny w pionie lub poziomie.

Przykład 3.

Śmigło ma analogiczną budowę jak w przykładzie 1 lub 2, przy czym wspomagająco w samych łopatach 1, na krawędzi natarcia, w odcinkach bliskich nasady łopaty 1, znajdują się dodatkowe wloty 1c.

Przykład 4.

Śmigło ma analogiczną budowę jak w przykładzie 1 lub kombinacjach z przykładu 2 do 3, przy czym łopaty 1 są połączone z popychaczem 1e zmiany skoku łopat 1. Zmiana położenia popychacza 1e w przód lub w tył pociąga ze sobą kąt zmiany łopat 1. Oś popychacza 1e jest przeprowadzona przez otwór centralny w piaście 2 co powoduje, że piasta 2 musi być napędzana przez przekładnię i nie może być podłączona bezpośrednio do silnika 3.

Przykład 5.

Śmigło ma analogiczną budowę jak w przykładzie 1 lub kombinacjach z przykładu od 2 do 4 przy czym piasta 2 wyposażona jest w regulację ilości powietrza wlatującego do piasty 2 lub upusty nadmiarowego powietrza, które wleciało do piasty 2 a nie zostało skierowane do łopat 1. Regulacja ilości powietrza wpadającego do wlotu 2a piasty 2 może przyjmować postać wysuwanego stożka 9, którego położenie w kierunku przód/tył przysłania lub odsłania wlot 2a do piasty 2 lub w postaci regulowanych żaluzji 10, których położenie kątowe odsłania lub przysłania wlot 2a. Napęd stożka 9 i żaluzji 10 jest realizowany podobnie jak popychacz 1e zmiany skoku łopat 1 z tym, że napęd 1e ma charakter posuwisty, a napęd żaluzji 10 obrotowy.

Przykład 6.

Śmigło ma analogiczną budowę jak w przykładzie 1 lub kombinacjach z przykładu od 2 do 5, przy czym zastosowano piastę 2 z regulowanym upustem. Tego rodzaju piasta 2 posiada upust powietrza 2d umieszczony za łopatami 1. Powietrze, które nie może zostać przetoczone przez łopaty 1 może wówczas opuścić piastę 2 bez wywierania nadmiernego ciśnienia na tylną ścianę piasty 2 co spowodowałoby dodatkowy opór.

P rzy kład 7.

Śmigło ma analogiczną budowę jak w przykładzie 1 lub kombinacjach z przykładu od 2 do 6, przy czym uzyskano zwiększenie przepływu przez łopaty 1 przez płaską płytę 11 zamocowaną sztywno w piaście 2, która zagarnia powietrze od wlotu 2a do kanału wewnętrznego 1d łopaty 1. W roli elementu zagarniającego powietrze do łopat możne zostać wykorzystany także wirnik sprężarki odśrodkowej 12, zintegrowany z piastą 2.

Claims (8)

1. Śmigło składające się z piasty oraz co najmniej dwóch połączonych z nią łopat o zmiennym profilu od nasady po końcówkę, znamienne tym, że piasta (2) posiada wlot (2a) i przedni otwór (2b) a łopaty (1) posiadają wydrążony kanał wewnętrzny (1d), ponadto piasta (2) wyposażona jest w otwór (2c) piasty (2) a łopata (1) posiada wlot (1a) korespondujący z otworem (2c) piasty (2) oraz wylot (1b) w postaci szczeliny, przy czym kanał wewnętrzny (1 d) w nasadzie ma kształt kołowy, w ok. 25% rozpiętości przechodzi w przekrój profilu, tworząc profil cienkościenny aż do końca łopaty (1).

2. Śmigło według zastrz. 1, znamienne tym, że kanały wewnętrzne (1d) mają postać profili cienkościennych lub rury wieloobwodowej.

3. Śmigło według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że wyloty (1b) z łopaty (1) znajdują się na jej końcówce lub na zewnętrznej powierzchni łopaty (1) w postaci szczeliny w pionie lub poziomie.

4. Śmigło według któregokolwiek z poprzednich zastrzeżeń, znamienne tym, że w łopatach (1), na krawędzi natarcia, w odcinkach bliskich nasady łopaty (1), znajdują się dodatkowe wloty (1c).

5. Śmigło według któregokolwiek z poprzednich zastrzeżeń, znamienne tym, że łopaty (1) są połączone z popychaczem (1e) zmiany skoku łopat (1) a oś popychacza (1e) jest przeprowadzona przez otwór centralny w piaście (2).

6. Śmigło według któregokolwiek z poprzednich zastrzeżeń, znamienne tym, że piasta (2) wyposażona jest w wysuwany stożek (9) lub regulowane żaluzje (10).

7. Śmigło według któregokolwiek z poprzednich zastrzeżeń, znamienne tym, że piasta (2) posiada upust powietrza (2d) umieszczony za łopatami (1).

8. Śmigło według któregokolwiek z poprzednich zastrzeżeń, znamienne tym, że w piaście (2) zamocowana jest sztywno płaska płyta (11) lub sprężarka odśrodkowa (12).