Усовершенствованная лопасть для перемещения текучей среды и механизм вращения

1 Область техники, к которой относится изобретение Настоящее изобретение относится к лопастям, воздействующим на текучую среду, в частности к лопастям судового движителя, и возможно также к лопастям, воздействующим на текучую среду в насосах. Настоящее изобретение относится, в частности, к лопастям судового движителя, воздействующим на воду в механизмах вращения, таких, например, как гребные винты приводов стационарных, подвесных и кормовых моторов малотоннажных судов, например прогулочных катеров, гребные винты катеров и судов среднего водоизмещения, рабочие колеса реактивных движителей. Данное изобретение может также применяться к воздушным винтам для перемещения воздуха, например, в самолетах, судах на воздушной подушке и роторах вертолета. Кроме того, настоящее изобретение может использоваться в рабочих колесах насосов и турбин, и т.п. Предпосылки создания изобретения Проблема, с которой сталкиваются разработчики при создании судового гребного винта,состоит в том, что при возрастании скорости вращения гребного винта, эффективность его работы уменьшается. Большая часть потерь связана с вращательным движением лопастей гребного винта, передающих вращательное движение воде, и способствующих росту турбуленции, завихрений и проскальзыванию. При дальнейшем росте скорости вращения гребного винта можно наблюдать еще более неблагоприятный эффект, который известен как кавитация. В настоящем изобретении сделана попытка решить эту проблему. Краткое описание изобретения В соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения, лопасть механизма вращения, воздействующая на текучую среду, имеет две плоскости с каждой из своих сторон, по крайней мере, одна из которых воздействует на названную текучую среду, при этом названная лопасть имеет сквозные отверстия, выполненные по всей ее поверхности перпендикулярно направлению вращения лопасти; указанные отверстия равномерно распределены по поверхности лопасти. В предпочтительном варианте изобретения площадь сечения этих отверстий составляет до 50% общей площади поверхности лопасти. В предпочтительном варианте изобретения площадь сечения этих отверстий составляет до 20% общей площади поверхности лопасти. В предпочтительном варианте изобретения площадь сечения этих отверстий составляет до 10% общей площади поверхности лопасти. В предпочтительном варианте изобретения площадь сечения этих отверстий составляет до 5% общей площади поверхности лопасти. 2 В предпочтительном варианте изобретения площадь сечения этих отверстий составляет от 1 до 3% общей площади поверхности лопасти. В предпочтительном варианте изобретения площадь сечения этих отверстий составляет около 2% общей площади поверхности лопасти. В предпочтительном варианте изобретения отверстия имеют соотношение диаметров до 1:10. Отверстия могут быть прямоугольной или эллиптической формы с таким соотношением сторон (диаметров). В предпочтительном варианте изобретения отверстия имеют соотношение диаметров до 1:4. В предпочтительном варианте изобретения отверстия имеют соотношение диаметров до 1:2. В предпочтительном варианте изобретения отверстия выполняются круглыми с соотношением диаметров 1:1. В предпочтительном варианте изобретения отверстия имеют скос со стороны передней поверхности лопасти. Размер отверстий зависит от таких факторов, как скорость прохождения лопасти через текучую среду. В этой связи для лопасти гребного винта катера подходят отверстия размером от 2,5 до 3,5 мм. При увеличении скорости вращения или при уменьшении шага гребного винта размер отверстий может быть увеличен. Кроме того, если эта лопасть относится к гребному винту с уменьшенным шагом или увеличенной скоростью вращения, то площадь сечения отверстий по отношению к площади поверхности лопасти может быть увеличена. В случае, если речь идет о гребном винте,то в предпочтительном варианте изобретения размер отверстий увеличивается в направлении от центра гребного винта к его периферии (где линейная скорость возрастает). В предпочтительном варианте изобретения размер отверстий меняется постепенно или поэтапно, уменьшаясь при этом по направлению от периферии к центру гребного винта. Для стационарно установленного гребного винта катера или подвесного мотора размер отверстия на периферии лопасти может составлять от 2,8 до 3,0 мм, в то время как размер отверстий, расположенных в непосредственной близости от центра гребного винта, может составлять от 2,0 до 2,2 мм. Размер отверстий постепенно уменьшается по направлению от периферии лопасти к центру винта. В самом предпочтительном варианте изобретения размер отверстий от периферии лопасти к центру винта подбирается так, чтобы расход воды,проходящей через каждое отверстие, оставался постоянным по сечению лопасти с тем, чтобы момент движения, передаваемый текучей среде,равномерно распределялся по всему гребному винту. В предпочтительном варианте изобретения оси отверстий располагаются под углом до 75 к 3 плоскости вращения лопасти вокруг оси гребного винта. В предпочтительном варианте изобретения оси отверстий располагаются под углом до 60 к плоскости вращения лопасти вокруг оси гребного винта. В предпочтительном варианте изобретения оси отверстий располагаются под углом до 45 к плоскости вращения лопасти вокруг оси гребного винта. В предпочтительном варианте изобретения оси отверстий располагаются под углом до 30 к плоскости вращения лопасти вокруг оси гребного винта. В предпочтительном варианте изобретения оси отверстий располагаются под углом до 20 к плоскости вращения лопасти вокруг оси гребного винта. В предпочтительном варианте изобретения оси отверстий располагаются под углом до 10 к плоскости вращения лопасти вокруг оси гребного винта. В предпочтительном варианте изобретения оси отверстий располагаются под углом до 5 к плоскости вращения лопасти вокруг оси гребного винта. В предпочтительном варианте изобретения оси отверстий располагаются в плоскости вращения лопасти вокруг оси гребного винта. Упомянутый выше угол является углом наклона отверстий к плоскости вращения вокруг оси гребного винта и не включает никаких составляющих, выведенных из момента движения,сообщенного лопастью. В том случае, если лопасти на гребном винте установлены с меньшим шагом, то этот угол должен быть больше 20. Чем меньше шаг гребного винта, тем больше должен быть угол наклона отверстий. В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения предлагается механизм вращения, на котором установлена хотя бы одна лопасть, описание которой приводится выше. Для того, чтобы выполнить балансировку механизма вращения, в предпочтительном варианте изобретения предусматриваются две или большее число названных лопастей. На практике используется динамически сбалансированная конфигурация, в состав которой входят три или большее число лопастей. Следует иметь в виду, что под механизмами вращения понимаются гребные винты приводов стационарных, подвесных и кормовых моторов таких судов, как прогулочные катера,гребные винты судов среднего водоизмещения,или рабочие колеса реактивных движителей для катеров с водометом. Под механизмом вращения может также пониматься рабочее колесо насоса, турбины гидроэлектростанции. Следует также иметь в виду, что под механизмом вращения может пониматься воздушный винт самолета или ротор вертолета. 4 Краткое описание чертежей Далее настоящее изобретение описывается в одном конкретном исполнении со ссылками на чертежи. На фиг. 1 изображен вид спереди на гребной винт навесного мотора в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения. На фиг. 2 показано сечение одной лопасти гребного винта, изображенного на фиг. 1. На фиг. 3 показан горизонтальный разрез одной лопасти, изображенной на фиг. 1. Описание примера осуществления настоящего изобретения На фиг. 1 показан механизм вращения в виде гребного винта 11. Этот гребной винт имеет пять лопастей 13 с рабочими плоскостями 15,расположенными в плоскости чертежа, установленными на ступице 14. Гребной винт 11 является винтом с правой навивкой, который создает реактивную силу для сообщения катеру движения вперед при вращении по часовой стрелке. Площадь каждой плоскости лопасти 15 составляет около 4000 мм 2 при длине лопасти 80 мм и ее ширине 50 мм. В лопасти 13 выполнено тридцать одно отверстие 19, которые проходят с ее передней плоскости 15 к ее задней плоскости 17. Диаметр отверстий, расположенных на периферии гребного винта, составляет 2,8 мм, а диаметр отверстий, расположенных в центральной части гребного винта, составляет 2,2 мм. Диаметр отверстий, расположенных в центральной зоне гребного винта на расстоянии от 28 до 50 мм от внешнего края, составляет 2,5 мм. Оси отверстий 19 расположены в плоскости вращения лопастей 13 вокруг оси гребного винта 11. Для упрощения изготовления отверстия 16 выполнены прямолинейными, хотя в другом примере отверстия могут быть изогнуты дугой, чтобы соответствовать угловой траектории движения гребного винта. Отверстия 19 расположены по нормали как к радиусу гребного винта 11, так и к его оси. Каждое отверстие 19 имеет фаску в виде углубленного скоса 21, выполненного на передней поверхности 15. Этот углубленный скос 21 может быть образован при снятии заусенцев с кромки отверстия 19 и способствует направлению потока текучей среды через плоскость лопасти (и через отверстие 19), хотя в другом примере этот скос 21 может отсутствовать. Гребной винт по настоящему примеру предназначен для использования на навесном моторе мощностью две лошадиные силы, который устанавливается на маленькой алюминиевой шлюпке. Поток воды, проходящий через отверстия 19, взаимодействует с турбулентным потоком на задней поверхности 17 лопасти гребного винта 11 и таким образом повышает КПД гребного винта. 5 В случае гребного винта, установленного на моторе большей мощности, отверстия направляют поток воды с передней плоскости гребного винта на заднюю его плоскость, где могли бы образоваться области разрежения и пузыри воздуха. Этот эффект известен как кавитация и приводит к проскальзыванию (или потере сцепления) и может также вызывать коррозию на поверхности лопасти. В других примерах по настоящему изобретению там, где гребной винт может иметь более мелкий шаг, отверстия проходят лопасть насквозь до задней плоскости лопасти под углом до 45 к нормали, или даже от 60 до 75 для гребных винтов с очень мелким шагом, при этом имеется в виду угол наклона оси отверстия к оси гребного винта, а ось отверстия расположена перпендикулярно радиусу, восстановленному из оси гребного винта. Следует иметь в виду, что область применения изобретения не ограничивается приведенными примерами. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Лопасть механизма вращения, воздействующая на текучую среду, имеющая две плоскости по одной с каждой стороны, по крайней мере, одна плоскость воздействует на названную текучую среду, при этом между двумя названными плоскостями лопасти выполнены сквозные отверстия, выполненные по нормали к радиусу, восстановленному из оси механизма вращения; при этом названные отверстия равномерно рассредоточены по поверхности лопасти. 2. Лопасть по п.1, в которой площадь сечения названных отверстий составляет до 50% площади поверхности всей лопасти. 3. Лопасть по п.1, в которой площадь сечения названных отверстий составляет до 20% площади поверхности всей лопасти. 4. Лопасть по п.1, в которой площадь сечения названных отверстий составляет до 10% площади поверхности всей лопасти. 5. Лопасть по п.1, в которой площадь сечения названных отверстий составляет до 5% площади поверхности всей лопасти. 6. Лопасть по п.1, в которой площадь сечения названных отверстий составляет от 1 до 3% площади поверхности всей лопасти. 7. Лопасть по п.1, в которой площадь названных отверстий составляет около 2% площади поверхности всей лопасти. 8. Лопасть по одному из предыдущих пунктов, в которой названные отверстия имеют прямоугольную или эллиптическую форму. 9. Лопасть по п.8, в которой соотношение диаметров отверстия составляет до 1:10. 10. Лопасть по п.8, в которой соотношение диаметров отверстия составляет до 1:4. 6 11. Лопасть по п.8, в которой соотношение сторон диаметров отверстия составляет до 1:2. 12. Лопасть по любому из пп.1-7, в которой названные отверстия имеют круглое или квадратное сечение. 13. Лопасть по одному из предыдущих пунктов, в которой отверстия со стороны передней плоскости имеют скос. 14. Лопасть по одному из предыдущих пунктов, в которой оси названных отверстий расположены под углом до 75 по отношению к плоскости вращения лопасти в потоке текучей среды. 15. Лопасть по п.14, в которой оси названных отверстий расположены под углом до 60 по отношению к плоскости вращения лопасти в потоке текучей среды. 16. Лопасть по п.14, в которой оси названных отверстий расположены под углом до 45 по отношению к плоскости вращения лопасти в потоке текучей среды. 17. Лопасть по п.14, в которой оси названных отверстий расположены под углом до 30 по отношению к плоскости вращения лопасти в потоке текучей среды. 18. Лопасть по п.14, в которой оси названных отверстий расположены под углом до 20 по отношению к плоскости вращения лопасти в потоке текучей среды. 19. Лопасть по п.14, в которой оси названных отверстий расположены под углом до 10 по отношению к плоскости вращения лопасти в потоке текучей среды. 20. Лопасть по п.14, в которой оси названных отверстий расположены под углом до 5 по отношению к плоскости вращения лопасти в потоке текучей среды. 21. Лопасть по п.14, в которой оси названных отверстий расположены в плоскости вращения лопасти в потоке текучей среды. 22. Механизм вращения, например гребной винт, или рабочее колесо, или что-то подобное,содержащий, по крайней мере, одну лопасть по любому из предыдущих пунктов. 23. Механизм вращения по п.22, в котором имеется множество лопастей, образующих динамически сбалансированную конфигурацию. 24. Механизм вращения по п.22 или 23, в котором размер названных отверстий на периферии [лопасти] больше размера отверстий,расположенных ближе к центру винта. 25. Механизм вращения по п.24, в котором размер названных отверстий изменяется постепенно или ступенчато, при этом он уменьшается в направлении от периферии механизма вращения к его центру. 26. Механизм вращения по п.25, в котором размер названных отверстий между периферией лопасти и центром винта подбирается таким образом, что расход текучей среды, проходящей по каждому отверстию, остается постоянным по сечению лопасти с тем, чтобы момент движе 7 ния, передаваемый текучей среде, равномерно распределялся по механизму вращения. 27. Гребной винт, приведенный на чертежах. 8 28. Лопасть механизма вращения для воздействия на текучую среду с отверстиями, выполненными согласно приведенному описанию.