Планетарний гвинт

1. Планетарний гвинт, який являє собою закріплені на привідному валу лопаті у вигляді порожнистих циліндрів, радіально розміщених навколо його осі, який відрізняється тим, що лопаті виконані з шайбами на кінцях та з закріпленими уздовж їх поверхні лопатками, при цьому лопаті шарнірно закріплені на водилі гвинта за допомогою конічних коліс, які закріплені на їх осях, знаходяться в постійному зачепленні з передавальним нерухомим колесом, що дає можливість планетарного обертання лопатей навколо своїх осей та осі привідного вала. 2. Планетарний гвинт за п. 1, який відрізняється тим, що лопаті виконані у вигляді зрізаних конусів. 3. Планетарний гвинт за пп. 1, 2, який відрізняється тим, що лопатки виконані загнутими. Винахід відноситься до гвинтів з планетарним обертанням циліндрів, які призначені для створення аеродинамічної сили і можуть бути використані в літаках, вертольотах, судах, насосах, вентиляторах, компресорах, вітроустановках і т.д. Відомий гвинт, який застосовується в осевих насосах, в якого на ведучому валу закріплені з розрахунковим кутом крилоподібні плоскі лопаті, які мають несиметричний профіль та розташовані в камері, взаємодіють з спрямовуючім апаратом для запобігання розкручуванню потоку. Вал обертається в підшипниках [1]. Середа, яка обтікає профіль лопаті зверху повинна за один ί той же час пройти більший шлях ніж середа, яка обтікає профіль з низу. Різниця тисків яка виникає при обтіканні середою профілів утворює реакцію сил між профілем ί рідиною, яка зумовлює відносний рух рідини. Недоліком є те, що лопаті розвивають найвищу тягу при відповідному відношенні швидкості потоку середи і кута нахилу лопатей, порушення яких приводить до втрати потужності, а при на ближенні до критичних меж з являються кавітаційні процеси в рідині та зриви потоків в повітрі. Найбільш близьким є пристрій, в якого на привідному валі закріплені лопаті, які мають форму порожнистих циліндрів, та вертикально встановлені на нерухомій основі (палубі плавучого корабля), та виконують функції парусів [2]. При обтіканні циліндрів набігаючими потоками повітря з коловою швидкістю циліндрів швидкість яких приблизно дорівнює швидкості набігаючих потоків повітря, при співпаданні яких швидкість обтікаючих потоків середи є більшою, а тиск меншим в порівнянні зі швидкістю протилежної сторони, в якій обертання руху циліндрів було протилежним, в наслідок гальмування потоків середи шляхом тертя стінок циліндрів при обтіканні середою, швидкість буде меншою, а тиск більший. В циліндрі утворюються під’ємна сила, яка примушує рухатись засіб транспорту. Недоліком цього пристрою є те, що для руху судна необхідно мати умову щоб під’ємна сила циліндрів співпадала з напрямком руху судна, а так як під'ємна сила спрямована перпендикулярно (19) UA (11) 86739 (13) (21) 20040503676 (22) 18.05.2004 (24) 25.05.2009 (46) 25.05.2009, Бюл.№ 10, 2009 р. (72) ВОЛКОВ АНАТОЛІЙ ГРИГОРОВИЧ, UA, ФАТЄЄВ ЛЕОНІД ІВАНОВИЧ, UA, ВОЛКОВ МАКСИМ АНАТОЛЬОВИЧ, UA (73) ВОЛКОВ АНАТОЛІЙ ГРИГОРОВИЧ, UA, ФАТЄЄВ ЛЕОНІД ІВАНОВИЧ, UA, ВОЛКОВ МАКСИМ АНАТОЛЬОВИЧ, UA (56) Крайнев А. Механика машин. Фундаментальный словарь. - М.: Машиностроение, 2000. - С. 457-463 SU 1427116, 4 F16H 1/34, 25/22, 30.09.1988 SU 530825, 2 B63H 3/00, 05.10.1976 SU 64385, 28.02.1945 RU 2147545, 7 B64C, F03D 3/06, 20.04.2000 SU 513201, 2 F16H 25/20, 14.06.1976 US 2953320, 20.09.1960 RU 2113624, 6 F04C 2/16, 20.06.1998 US 3794441, B63H 3/04, 26.02.1974 DE 4202755, 6 F16H 25/20, 14.10.1993 C2 1 3 руху набігаючим потокам повітря то ці потоки (вітер) повинні бути бічними, в інших випадках для отримання максимального співпадання необхідно змінювати напрямок руху судна, тобто рухатись по ламаній лінії, що ускладнює рух. При відсутності вітру пересування судна стає неможливим. Метою винаходу є покращення аеродинамічних якостей гвинта. Зазначена мета досягається тим, що лопаті виконані з шайбами на кінцях та з закріпленнями уздовж їх поверхні лопатками. Лопаті шарнірно закріплені на водилі гвинта за допомогою конічних коліс, які закріплені на їх осях та знаходяться в постійному зачепленні з передавальним нерухомим колесом, що дає можливість відносного планетарного обертання лопатей навколо своїх осей та осі приводного вала. Лопаті виконані у вигляді зрізаних конусів, а лопатки виконані загнутими. На Фіг.1 схематично зображений планетарний гвинт з циліндричними та конічними зрізаними циліндрами. На Фіг.2 схематично зображена в розрізі А-А циліндрична гладка поверхня з напрямком струменів обтікання середи. На Фіг.3 схематично зображено в розрізі Б-Б циліндричну поверхню з закріпленими повздовжніми лопатками, з напрямком руху струменів середи та вектором аеродинамічних сил. На Фіг.4 схематично зображено в розрізі Б-Б картину розподілу тисків утворених при обтіканні циліндричної поверхні середою. Будова планетарного гвинта, планетарний гвинт складається з шарнірний радіальнорозміщенних навколо осі привідного вала і порожнистих циліндрів 2, або зрізаних конусів з (Фіг.1) з шайбами 4 на кінцях, з голою поверхнею циліндрів в розрізі А-А (Фіг.2) або з поверхнею на якій прикріплені та рівномірно розміщені радіальні повздовжні лопатки 5 (Фіг.3), які можуть мати профільні форми від загнутих назад, до загнутих вперед з різниш радіусами кривизни та без неї. Циліндри 2 мають можливість планетарного обертання навколо своїх осей 6 та oсі привідного вала. Це обертання циліндри 2 та конуса 3 отримують, з одного боку, від самого водила 7, яке прикріплено до привідного ваду і безпосередньо через з’єднуючу кришку коробки передач 8, а з другого боку, циліндри та конуси мають можливість обертатися навколо своїх осей 6 від дії обертання конічного колеса 9, яке закріплено на осі 6 циліндрів 2 та знаходиться в постійному щепленні з центральним нерухомим колесом 10. Робота планетарного гвинта, при планетарному обертанні циліндрів 2 або конусів 8 (надалі циліндрів) навколо своїх радіальних осей 6 та центральної осі 1 вала водила 8 (Фіг.1), лівий бік розрізу циліндрів 2 відносно радіальної осі 6 обертається (w1) вбік руху набігаючих потоків середи (V) (Фіг.2) (надалі середа, середовища). Поверхнева швидкість обертання циліндрів 2 навколо радіальних осей 6 водила 8 більша в межах одної докритичної швидкості середи повітря або води в порівнянні відносно до вільної колової швидкості обертання кінців циліндрів навколо центральної осі вала і водила 8. В наслідок різниці швидкостей 86739 4 між нерівностями поверхні циліндрів та контактуючій з поверхнею струменями середи, які обтікають поверхню циліндрів виникає молекулярне тертя. Це тертя збільшує швидкість контактуючих струменів до двох разів, утворюючі розрядження в передній частині циліндрів та тиск задній частині циліндрів. Ці тиски викликають додаткову тягу вперед. Сам напрямок руху середовища визначається складанням швидкостей руху набігаючого потоку середи (Vтр) та швидкості поверхні обертання циліндрів 2 навколо οсі 1 (w), отриманий вектор швидкостей (V) відповідав цім швидкостям та куту отака планетарного гвинта (b). Штучна тяга вперед буде тим більша, чим більша буде різниця швидкостей поверхні циліндрів 2 та середи (V), а також висота нерівностей поверхні циліндрів, а тому ці чинники на гладкій поверхні можуть утворювати прикордонний ламінарний проміжний шар. Цей шар утворюється між поверхнею циліндрів 2 та обтікаючою середою. Це тонкій та спокійній шар. А на поверхні з нерівностями, в якому присутня шероховатість поверхні, висота нерівностей яких збуджує обтікаючу поверхню середи та утворює більш активніший по висоті та швидкості пересувний турбулентний прикордонний шар, який викликає більшу тягу вперед. Тяга вперед формується із складових підсасуючої сили (Т) та сили тертя (F). Нижня частина, справа від осі 6 поверхня циліндра 2 обертається назустріч основному потоку середи (V), тому швидкість потоку гальмується. Середня швидкість потому середи над циліндром 2 більша ніж під ним, в наслідок більшої радіальної кривизни верхньої поверхні циліндра 2, тому тиск зверху негативний буде менший ніж знизу позитивний. Ці тиски співпадають по напрямку дії та приводять до виникнення під’ємної сила (Y) та (Y1), в циліндрі 2 ця сила перпендикулярно спрямована до швидкості середи (V). Кращих енергодинамічних показників можна отримати з циліндрів на поверхні яких закріплені рівномірно розміщені повздовжні лопатки 5 (Фіг.3) струмені набігаючих потоків середи в своєму початку обтікання з лівої сторони циліндрів, мають можливість заходити в проміжний простір лопаток 5 циліндрів 2, а так як колова швидкість обертання (w1) закріплених лопаток 5 циліндрів 2 більша ніж швидкість набігаючого потоку середи (V) до двох разів, то на середу діє тиск поверхні лопаток 5, то струмені середи з отриманим прискоренням від тиску лопаток з хвиле-подібною амплітудою викидуються в проміжність між поверхнею циліндрів та обтікаючою середою, в контакті з якою прискорюють рух останньої та знову повертається в проміжність лопаток та все повторюється. Утворюється проміжний прикордонний хвиле-вихревий шар, який рухається між поверхнею циліндрів 2 лопаток 5 та векторною обтікаючою середою (V) з передньої частини циліндрів до задньої. Цей проміжний шар має більшу швидкість та висоту, а тому в цьому плані виступає як насос, викликаючі на поверхні циліндрів порівняно більшу додаткову тягу вперед, розрядження та відповідну під’ємну силу (Y) (Фіг.3, 4). Це розрядження (L) викликає в передній частині циліндрів підсасуючу силу (Т), та 5 силу всмоктування (Н). Ці сили не допускають появи лобового опору в передній частині циліндрів 2. В донній задній лівій частині циліндрів 2 при сході проміжного шару швидкість останнього уповільнюється, це викликає появу тиску (Р), який при вверх звуковому входженні може підсилюватись тисками (І) і (ІІ), які звужують прохідну частину та разом з реактивною силою сходу середи в задній частині циліндрів, яка має більшу швидкість ніж узагальнена швидкість середи співпадають з напрямком та тиском (Р) та ще більше збільшують останню. Тиск задньої частини (Р), підсасуюча сила (Т), всмоктувальна сила (Н) та поверхневе молекулярне тертя (F) всі разом утворюють додаткову тягу вперед. Середа яка обтікав циліндри з правого боку, відносно осі циліндрів 2 рухається навпроти обертання стінок циліндрів та їх лопаток 5. При обтіканні лопаток 5 струмені середи із-за своєї інерційності неспромозі зайти в проміжності лопаток та обтікає останні. Середа яка знаходиться в проміжності лопаток утворює своє коло обертання і тільки кінці лопаток 5 циліндрів 2 будуть турбулезувати набігаючи струмені середи утворюючи прикордонний шар, який гальмує контактуючи струмені та обтікаючу середу в цілому, в результаті утворюється тиск (L1), який викликає в циліндрах під’ємну силу (Υ1). А в самому початку набігаючи потоки середи при подоланні зовнішнього повороту правого боку циліндрів в нижній частині на водорозділі де струмені загальмовані, з’являється лобовий тиск (Q). Ця сила тиску знешкоджується протилежно спрямованою більшою силою тиску задньої частина циліндрів (Р). Для виявлення напрямку аеродинамічної сили (R) необхідно всі виявлені сили скласти. Сили лівого боку (Υ) та (L) та сили правого боку (Y1) та (L1) співпадають за напрямком та утворюють спільний вектор - вектор під'ємної сили циліндрів гвинта (YLY1L1), якій перпендикулярний векторному потоку середи (V), складаються з силами лівого боку додаткової тяги вперед (РТНF) та утворюють свій спільний вектор - вектор тяги (R). Вектор (R) являється загальним виразником спрямованості аеродинамічної сили планетарного гвинта. Утворений кут (j) між вектором (R) та прямої руху транспортного засобу (Vтр) може бути малим або повністю співпадати з останнім, якій характеризує найвищий аеродинамічні якості гвинта. При обтіканні середою поверхні циліндрів 86739 6 2 в останньому можуть виникнути сковзання струменів з кінців циліндрів та не брати в процесі утворення під’ємної сили, цьому будуть заважати в кінці шайби 4, які по відношенню до циліндрів 2 мають більші діаметри. Кути атаки (b) та (j) в процесі регулювання швидкості транспортного засобу шляхом обертання гвинта, майже не змінюються. В стаціонарних умовах використання планетарних гвинтів в якості вітряків, сила набігаючих потоків середи повітря може використовуватись для перетворення в механічну енергію користувача. В цьому випадку під’ємна сила буде знаходитись в площині обертання циліндрів та в максимальній степені буде відповідати найвищим вимогам характеристик. На обертання циліндрів навколо своїх осей потребується потужність пропорційно в’язкості середи-повітря aбo води, а так, як в'язкість їх мала, то і споживання потужності буде малим. Техніко-економічна ефективність. Завдяки планетарному обертанню циліндрів за рахунок використання поверхнево-молекулярного тертя та повздовжніх лопаток для прискорення проходження струменів середи в верхній частині циліндрів, та гальмування струменів нижньої частини циліндрів та за рахунок проходження різного по довжині шляху струменів при обтіканні верхньої частини циліндрів в порівнянні при обтіканні струменів нижньої частини циліндрів дало можливість збільшити аеродинамічну тягу гвинта та експлуатувати гвинти як в докритичних так і сверх критичних полях швидкостей набігаючьої середи повітря або води, це дало планетарним гвинтам збільшити тягові характеристики від 10 до 20 разів, а коефіцієнт корисної дії збільшити до 98%, витрати палива привідних двигунів зменшити від 30 до 60%, забезпечити автоматичне встановлення кута атаки гвинта при різних режимах його роботи та зробити простим в керуванні, данні гвинти мало інерційні, мало габаритні, легкі в технологічному виготовленні та швидко окупні. Джерела інформації прийнятої до уваги при експертизі: 1. "Компрессорное и насосные установки", Л.С. Скварцов, В.А. Речицкий, В.Б. Ровенский Москва "Машиностроение", 1988г., стр.83-85. 2. "Гидродинамика знакомая и не знакомая" В.И. Меркулов - Москва "Наука" 1989г. стр.56-57. 7 Комп’ютерна верстка О. Рябко 86739 8 Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601