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涡轮桨

阅读：347发布：2021-03-01

IPRDB可以提供涡轮桨专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种涡轮桨，由桨盘、桨叶、桨毂组成，其结构关系是：桨毂位于桨盘中心，桨叶固接在桨毂上，桨盘半径大于桨叶的半径；桨叶与桨盘不直接接触，之间留有狭小间隙，桨叶和桨毂可以相对桨盘转动。桨叶是中部适度向旋进方向凸起的流线造型的狭长的薄片，前缘是从桨根延伸至桨尖的平滑面，平滑面与桨盘垂直或近乎垂直。当桨叶旋转时，平滑面挤压流体沿桨盘径向运动，而桨盘另一面流体未得到加速，从而桨盘因两面巨大压力差而获得强烈举力或推力。为方便应用，将盘可以是与机体相连的独立盘状平整部件，也可以是机体表面平坦的壳体。涡轮桨载荷大、效率高，具有螺旋桨和旋翼无法比拟的优势，应用前景广阔。，下面是涡轮桨专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种涡轮桨，由桨盘、桨叶、桨毂组成，其结构关系是：桨毂位于桨盘中心，桨叶固接在桨毂上，桨盘半径大于桨叶的半径；桨叶与桨盘不直接接触，之间留有狭小间隙，桨叶和桨毂可以相对桨盘转动。

2.根据权利要求1所述的涡轮桨，其桨盘特征是中心有安装桨毂的孔，表面要求平整光滑；可以是与机体相连的独立盘状部件，也可以是机体表面平坦的壳体。

3.根据权利要求1所述的涡轮桨，其桨叶特征是，叶片厚度较小，呈长条状，，中部适度向旋进方向凸起的流线造型；前缘有与桨盘垂直或近乎垂直的平滑面，一直从桨根延伸至桨尖。

4.根据权力要求1所述的涡轮桨，其特征是将盘与桨叶不直接接触，之间保持狭小的间隙；当桨盘与桨叶直接接触时，将盘或桨叶必须采取好的润滑散热措施。

说明书全文

本发明涉及一种流体动力机械，具体说是一种可广泛替代螺旋桨或旋翼高的涡轮桨。

螺旋桨是一种直径较小、转速高，广泛应用于船舶、舰艇、螺旋桨飞机和水下武器的动力机械。旋翼是一种外观与螺旋桨类似的直升机动力部件。螺旋桨或旋翼转动时，桨叶诱导流体避绕流过桨叶表面，流体因桨叶表面不同曲率形成相对流速差，导致桨叶表面产生压强差，因而桨叶获得举力或推力。所以桨叶的结构设计相当重要。现在的桨叶采用高级复合材料制成，以满足桨叶强度和韧性需求，寿命可以达到无限。在实际应用中，翼型(叶型)和桨尖是桨叶设计的重点，通常需要先进的工艺技术，耗费大量人力，以期达到理想气动布局，以求减弱桨尖的压缩性效应，改善桨叶的气动载荷分布，降低桨叶的振动和噪声，提高螺旋桨或旋翼的气动效率。

但是一些由桨叶结构带来的根本性问题难以彻底解决。桨叶承受了全部载荷，再加上自身重力和惯性离心力的作用，桨叶经常舞动，使流体环境变得复杂，严重影响螺旋桨的效率；而桨叶根部因扭曲、内部巨大张力和载荷带来的力矩，极易折损，因此必须使用特种材料或特殊工艺技术来加强桨叶的韧性和强度以延长桨叶寿命。桨叶承受全部载荷的另一弊端是螺旋桨转轴与机体连接部位摩擦较大，磨损大，整体传动效率低。最大问题还是升力有限，升力和阻力均与桨叶厚度长度和攻角正相关，则必然存在最大升阻比限制，自然桨叶就存在最大效率限制。还有，螺旋桨或旋翼高速推进时不具有较大载荷能力，带来诸多应用不便。

为解决上述桨叶因受全部载荷易折损、振翅抖动，螺旋桨或旋翼推进时载荷小、升阻比受限，和改善螺旋桨或旋翼整体效率，本发明提供了一种在传统螺旋桨或旋翼基础上改善的，但结构与之有根本区别的涡轮桨。桨盘承担了全部气动载荷，桨叶仅起到压缩加速流体作用。因为有工作于涡流环境的桨轮，和类于螺旋桨和旋翼的功用，故本发明被命名为“涡轮桨”。

本发明的设计核心思想是桨盘因两面流体存在巨大压力差而获得强烈举力。具体设计方案是酷似明轮的桨轮紧贴桨盘一面高速旋转，迫使流体径向高速运动，但桨盘另一面上的流体并未得到加速，因而桨盘因两面流体速度巨大落差而得到强烈举力。

本发明的的显著创新特征是桨盘的概念实体化。涡轮桨具有专用于流场作用的桨盘，其结果是扩大了实际有效的荷载面积。涡轮桨不再是几片桨叶的荷载面积，而是整个桨盘承受载荷，气动布局更加合理，载荷分布均匀，便于控制，降低了涡轮桨对材料的强度要求，有利于节约成本。

与传统螺旋桨和旋翼有质的区别是桨盘承担了全部的气动载荷。气动压力直接作用于机体壳体或与机体相连的桨盘，拉开了高速流体与低速流体的作用距离，有利于进一步减小低速流体速度，扩大作用于机体壳体或桨盘的压力差，因而获得强劲推力或举力。这是桨叶荷载无法达到的，桨叶旋转时，不可能达到一载荷面相对桨叶速度几乎为零而另一载荷面相对桨叶速度却很大。对桨叶来说，减小了桨叶上的作用力，减小了桨叶震动和噪音，延长了桨叶寿命，避免了桨叶承担载荷所带来的一系列问题。

另一创新要点是桨叶把全部轴功率用于径向加速流体。桨叶运动时，前缘平滑面挤压流体，使流体方向一致地径向向外辐射流出，流体径向速度可全部用来与另一载荷面无径向速度或速度很小的流体作用产生压力差而对桨盘或机体壳体做功，流体被加速获得的动能理论上可全部转化为桨盘提升或机体前进的机械能，能量利用率可以达到最大。传统的螺旋桨或旋翼对流体加速后，下洗流不仅带走了大量动能，造成了能量浪费，还对其他方面产生不利影响，如下洗流冲击在机体壳体上耗掉部分升力或推力。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1是本发明的俯视平面图；

图2是图1中任一桨叶的I-I截面剖视图

图中：1、桨叶；2桨盘；3桨毂；4间隙。

在图中，桨毂3位于桨盘2中心，桨叶1固接在桨毂3上，桨盘2半径大于桨叶1的半径；桨叶1与桨盘2不直接接触，之间留有狭小间隙，桨叶1和桨毂3可以相对桨盘2转动。桨叶1呈长条状，中部适度向旋进方向凸起的流线造型，前缘有与桨盘垂直或近乎垂直的平滑面，一直从桨根延伸至桨尖。桨叶1厚度不宜过大，可以很薄，只要转动时桨盘2面上覆盖着一层高速流动的空气膜就行。桨盘2中心有安装桨毂3的孔，表面平整光滑，可以是独立盘状部件，与机体相连；也可以是机体平坦的表面，附属在机体上。间隙4以桨叶1旋转时刚好不接触桨盘2为宜，当桨叶1与桨盘2采取了好的润滑散热措施时可考虑不保留间隙4。

图2中，当桨叶1相对桨盘2转动时，桨叶1前缘平滑面压缩加速流体，流体主要沿桨盘2径向流动，此时桨盘2下盘面流体仍保持原来低速运动或不运动。我们可粗略计算一下桨盘所受举力。根据伯努力方程桨盘引起的高度差h(即桨盘厚度) 可忽略不计，上下压强差主要取决于流体速度差。由于桨盘下桨面流体速度基本一致，可将每一点的流速都记为V。在半径为r的桨盘圆周上，下桨面对上桨面压力差为

$dF = \frac{1}{2} ρ (V^{2} - V_{o}) * π r^{2} dr,$

对于桨毂半径为r，N根桨叶，桨叶厚度为b，半径为R的涡轮桨来说，其举力为

$F = \frac{1}{4} πρ ω^{2} R^{4} - \frac{1}{2} πρ r^{2} {V_{o}}^{2},$ 其中ω是涡轮桨角速度。

同时，粗略计算一此涡轮桨的阻力矩。设半径为r处的桨叶单位面积上的阻力为 $f = \frac{1}{2} kρ V^{2},$ k为阻力系数，则此处阻力功率为

$dP = \frac{1}{2} kρ V^{2} * bdr * V$

整个涡轮桨的阻力功率为

$P = \frac{1}{8} Nbkρ ω^{3} (R^{4} - r^{4})$

下面以应用于直升机旋翼为例，计算相关数据以测试本发明效果。下表数据来自中国航空信息网(www.aeroinfo.com.cn/index.asp)。

从表中数据，推算贝尔206L-4“远程突击队员”IV旋翼最大拉力约为20kN，旋翼最大功耗为365kw。现在相同功率参数下对涡轮桨进行保守的计算，设桨毂半径为r＝0.2m，桨叶数N＝6，桨叶厚度为b＝0.05m，空气密度ρ＝1.2kg/m3，阻力系数取极保守值k＝1，由 $P = \frac{1}{8} Nbkρ ω^{3} (R^{4} - r^{4})$ 计算，ω＝20rad/s，则涡轮将提供拉力 $F = \frac{1}{4} πρ ω^{2} R^{4} = 381 kN,$ 是20kN的 19倍。

上面计算误差较大，但误差决不会超过一个数量级，并且是保守计算，所以计算结果还是可信的。涡轮桨在同等功率下提供拉力少为原来10倍，说明涡轮桨效率很高，桨盘载荷非常大。由此反观，螺旋桨或旋翼效率远不及涡轮桨，造成的能量浪费较大。这就能缩小此类提供拉力的流体动力装置的尺寸，没必要再制造那么庞大的螺旋桨或旋翼，减小桨叶阻力矩，减轻发动机负荷，减小去涡轮桨应用的动力掣肘。涡轮桨类似旋翼最直接的应用可大大减小大载重空中运输的成本，提供了一条比船舶运输方便快捷的途径。

一个富有设想的实施例是，制造一种小型飞行器。现有技术条件下，完全可以制造出半径一米多，每秒七八转的涡轮桨飞行器，功耗为几千瓦，载重上百千克。这相当于把直升机小型化简略化，成本不会太高，个人可以实现低空自由飞翔的梦想。这对特警、伞兵等具有极其重要的战略利益。

本发明除了类似于螺旋桨和旋翼常规应用外，最为典型的是实施例是涡轮桨应用于螺旋桨飞机，涡轮桨作为高速推进的动力。传统螺旋桨飞机因为螺旋桨的动力不足，无法突破音障，而涡轮桨却有实现得可能。机体高速运动时，若作为独立桨盘，涡轮桨桨盘后面极易产生负压，导致阻力较大。最好的应用方法是将涡轮桨安放在机体前端，利用机体壳体作为桨盘，机体壳体呈流线型，尾部尖尖的。前面流体顺着机体壳体流到尾部时速度变小，此时尾部流体依然可以与桨盘上的流体产生巨大压强差，而整体阻力却大为下降。同时这种机体壳体附属桨盘的方式整体安全性增强，首先是涡轮桨的隐蔽性增强，不必担心桨尖会打到某物，自然也添加了桨叶受攻击的难度。其实这些同样适用水下潜艇、鱼雷等。

标题	发布/更新时间	阅读量
涡轮机-专利编号CN101821481A	2020-05-13	247
涡轮清洁-专利编号CN103314186A	2020-05-12	321
涡轮机-专利编号CN101709667A	2020-05-13	933
涡轮清洁-专利编号CN103314186B	2020-05-12	1025
涡轮机-专利编号CN101821481B	2020-05-13	749
涡轮-专利编号CN101617102A	2020-05-11	136
涡轮机的涡轮环-专利编号CN105189937A	2020-05-12	646
涡轮-专利编号CN101166890B	2020-05-11	220
涡轮-专利编号CN101166890A	2020-05-11	1008
涡轮-专利编号CN101617102B	2020-05-11	482

涡轮桨

本发明涉及一种流体动力机械，具体说是一种可广泛替代螺旋桨或旋翼高的涡轮桨。

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