Изобретение относится к авиационной технике, а именно к проектированию и летным испытаниям воздушных винтов, установленных на летательных аппаратах (ЛА). Способ включает в себя неравномерное расположение лопастей по диску, устанавливаемых попарно с сохранением симметрии относительно ортогональных осей винта, комбинирование типов винтов с четным числом лопастей от четырех и более, определение математической модели расчета гармонических составляющих векторов переменных нагрузок для каждой лопасти в зависимости от углов между осями соседних пар лопастей 1 , суммирование векторов нагрузок от каждой лопасти на втулке винта по трем осям OY 1 , ОХ 1 , OZ 1 вращающейся системы координат с началом в центре втулки винта ЛА, затем проектирование полученных векторов нагрузок на неподвижные оси координат ЛА О н Х н и O н Z н, выполнение гармонического анализа проекций векторов нагрузок на продольную О н Х н и поперечную O н Z н оси координат, построение зависимости амплитуд этих гармонических составляющих от углов 1 и выбор из них значений расчетных углов, соответствующих минимальному уровню гармоник переменных нагрузок. Достигается увеличение ресурса конструкции ЛА по условиям усталостной прочности путем снижения нагрузок и вибраций. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.
Рисунки к патенту РФ 2385262
Изобретение относится к авиационной технике, а именно к проектированию и летным испытаниям воздушных винтов, устанавливаемых на летательных аппаратах (ЛА), преимущественно на вертолетах, самолетах и автожирах, и может быть использовано для увеличения ресурса конструкции ЛА по условиям усталостной прочности (валов несущих, рулевых, тянущих и толкающих винтов, главных, рулевых и промежуточных редукторов, подредукторных рам, фюзеляжей, хвостовых и килевых балок).
Уровень техники
Известно, что силы и моменты, создаваемые каждой из лопастей воздушного винта, обуславливаются аэродинамическими нагрузками и возникающими при ее колебаниях инерционными силами и моментами. Нагрузки с лопастей передаются на втулку винта и складываются на ней по определенным правилам, а затем, трансформируясь по другим правилам, передаются на фюзеляж (Михеев Р.А. Прочность вертолетов. М.: Машиностроение, 1984. с.30).
Для облегчения понимания дальнейшего изложения сущности изобретения рассмотрим сначала процесс сложения и трансформации гармоник на классическом воздушном винте, т.е. на винте с равномерным расположением лопастей по диску (Михеев Р.А. Прочность вертолетов. М.: Машиностроение, 1984. с.30). При выводе правил суммирования обычно принимается, что лопасти идентичны по своим аэродинамическим, массовым и жесткостным характеристикам. При этом условии законы изменения нагрузок на отдельных лопастях будут отличаться друг от друга только сдвигом по времени (фазе). Амплитуды любой из составляющих гармоник для всех лопастей будут одинаковыми. Для того чтобы найти равнодействующую сил на втулке, удобно рассмотреть суммирование одноименных гармоник нагрузок, создаваемых на каждой из лопастей. При этом необходимо учесть направление действия нагрузок на разных лопастях. Нагрузку, приходящую с каждой лопасти, имеющей номер i, можно разложить по трем направлениям: по направлению оси винта - это векторы тяги и крутящего момента , а два других расположены в плоскости вращения перпендикулярно оси горизонтального шарнира и параллельно ей (перпендикулярно оси лопасти) . Векторы и от разных лопастей параллельны друг другу, а векторы и соседних лопастей повернуты относительно друг друга на угол 
, где K л - число лопастей винта.
Для гармоник нагрузок, векторы которых параллельны оси вращения винта, применяется первое правило суммирования (Михеев Р.А. Прочность вертолетов. М.: Машиностроение, 1984, с.30). Согласно этому правилу гармоники с номерами и кратными числу лопастей:
и амплитудами нагрузок A n различных лопастей складываются и дают на втулке равнодействующую, имеющую амплитуду 
и ту же частоту. Они без изменения амплитуд и частот гармонических составляющих сил передаются на фюзеляж. Такие гармоники называются проходными. Гармоники с номерами, некратными числу лопастей, т.е. не удовлетворяющие условию (1) ни при каком целом m и, на втулке взаимно уравновешиваются и не передаются на фюзеляж. Эти гармоники называются непроходными.
Для гармоник сил на втулке, находящихся в плоскости вращения винта и повернутых относительно друг друга на угол , равный углу между лопастями, применяется второе правило суммирования (Михеев Р.А. Прочность вертолетов. М.: Машиностроение, 1984. с.37).
В соответствии с этим правилом проходными являются гармоники с номерами, на единицу отличающимися от номеров, кратных числу лопастей:
и первая гармоника, которая соответствует значению m=0. Амплитуда этой нагрузки равна амплитуде гармоники одной лопасти, умноженной на половину числа лопастей. Это правило справедливо для винтов с числом лопастей К л 3.
При передаче этих гармоник в невращающуюся систему координат O н X н Z н гармоники с номерами mК л ±1 трансформируются в лопастные гармоники
Однако эти правила относятся к классическим винтам, т.е. к таким винтам, у которых лопасти расположены по диску равномерно, что не позволяет конструктору при проектировании воздушных винтов управлять нагрузками и вибрациями, передающимися с винтов на конструкцию.
Известны рулевые винты Х-образного типа (схема «ножницы»), установленные на вертолетах АН-64А «Апач» (США), Ми-28 и Ми-38 (Россия).
В описании вертолета «Апач», составленном по материалам открытой иностранной печати (Боевой вертолет Макдоннел-Дуглас АН-64А «Апач» (по материалам открытой иностранной печати). ОНТИ ЦАГИ, 1989. с.23), приводятся сведения о том, что использование неравномерного расположения между парами лопастей (острый угол Х=55°) привело к уменьшению уровня четвертой гармоники составляющей шума.
В работе (Рождественский М.Г., Самохин В.Ф. Аэродинамические и акустические особенности винта схемы «ножницы». Аэродинамика. Статья в Трудах шестого Форума РосВО, 2004. с.I-103 I-117) показано, что компоновка винта схемы «ножницы» имеет преимущества по сравнению с характеристиками винта с ортогональным расположением лопастей: увеличение тяги достигает 7%, а максимальное увеличение коэффициента полезного действия составляет 10%.
Рулевой винт типа «фенестрон» с десятью лопастями, неравномерно расположенными по диску, реализован на вертолетах ЕС130 и ЕС135 фирмы Eurocopter (Журнал «Вертолетная индустрия», декабрь 2007, с.25). По данным фирмы на вертолете с винтом, выполненным по такой концепции, удалось существенно снизить уровень шума, потребную мощность и повысить аэродинамическое качество.
Известен патент РФ № 1826421 Преобразуемый несущий винт преимущественно комбинированного ЛА, содержащий втулку винта, четыре лопасти с симметричным профилем, установленные под углом 90° для полета по-вертолетному, а для самолетного режима винт в плане становится Х-образным. В самолетном режиме консоли устанавливаются с меньшим углом стреловидности по отношению к набегающему потоку (угол стреловидности Х=30°), что позволяет улучшить несущие свойства системы «несущий винт-крыло».
Однако в данном патенте вопросы снижения уровней нагрузок и вибраций, действующих на конструкцию комбинированного ЛА, не рассматривались.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в увеличении ресурса конструкции ЛА по условиям усталостной прочности путем снижения нагрузок и вибраций.
Для достижения названного технического результата в предлагаемом способе, включающем неравномерное расположение лопастей по диску, установленных попарно, с сохранением симметрии относительно ортогональных осей винта, согласно изобретению, комбинируют типы винтов с четным числом лопастей от четырех и более следующим образом:
10 - лопастной винт комбинируют из двух Х-образных и одного 2-хлопастного винтов.
Определяют математическую модель расчета гармонических составляющих векторов переменных нагрузок для каждой лопасти в зависимости от углов пар лопастей 1 . Суммируют векторы нагрузок от каждой лопасти на втулке винта по трем осям OY 1 , OX 1 , OZ 1 , вращающейся системы координат с началом в центре втулки винта ЛА, затем проектируют полученные векторы нагрузок на неподвижные оси координат ЛА O н X н, и O н Z н. Выполняют гармонический анализ проекций векторов нагрузок на продольную O н X н и поперечную O н Z н оси координат, строят зависимости амплитуд этих гармонических составляющих от углов 1 , из них выбирают значения углов, соответствующих минимальному уровню гармоник переменных нагрузок.
Для 10-лопастного винта определяют аналитически методом последовательных приближений сочетания углов 1 , 2 , при которых нагрузки и вибрации, действующие на конструкцию ЛА, равны нулю, где 1 - угол между осями соседних пар лопастей, а 2 - угол между осями смежных пар лопастей. Выбранные углы используют при компоновке винта.
Предлагаемый способ поясняется следующими фигурами:
На фиг.1 показана схема многолопастного винта с неравномерным расположением лопастей по диску, где
1 - вращающиеся оси координат винта OX 1 и OZ 1 ;
2 - оси лопастей № 1, 2, К л;
3 - втулка винта;
4 - оси О н Х н и О н Z н в неподвижной системе координат O н Х н Z н;
5 - углы между соседними лопастями 1 ;
7 - вертикальная ось координат О н Y н;
8 - азимутальное положение оси лопасти № 1.
На фиг.2 показаны зависимости амплитуд проекций нагрузок 10 на неподвижные оси координат от углов 1 5 для четвертой и двенадцатой гармоник, где
9 - амплитуды проекций векторов нагрузок на вертикальную ось координат O н Y н 7;
11 - амплитуды проекций векторов нагрузок на неподвижные оси координат 4: продольная О н Z н, поперечная O н Z н.
На фиг.3 приведены сочетания между углами 1 и 2 , соответствующие нулевому уровню амплитуды четвертой гармоники, где
5 - углы между осями соседних лопастей 1 ;
6 - углы между осями смежных лопастей 2 ;
12 - точка, соответствующая нулевой четвертой гармонике, полученная расчетом;
13 - интерполяционный полином, соответствующий нулевому уровню нагрузок по четвертой гармонике.
16 - частота колебаний, Гц.
Способ осуществляется следующим образом
В предлагаемом способе, включающем неравномерное расположение лопастей по диску, установленных попарно с сохранением симметрии относительно ортогональных осей винта, комбинируют типы винтов с четным числом лопастей от четырех и более следующим образом:
4-лопастной (Х-образный) винт образуют из двух пар лопастей;
6-лопастной винт компонуют из Х-образного и двухлопастного винтов;
8-лопастные винты формируют: из двух 4-лопастных классических винтов; из Х-образного и 4-лопастного классического винтов; из двух Х-образных винтов;
10-лопастной винт комбинируют из двух Х-образных и одного 2-хлопастного винтов.
Определяют математическую модель расчета гармонических составляющих векторов переменных нагрузок для каждой лопасти в зависимости от углов пар лопастей 1 . Суммируют векторы нагрузок от каждой лопасти на втулке винта по трем осям OY 1 , OX 1 , OZ 1 вращающейся системы координат с началом в центре втулки винта ЛА, затем проектируют полученные векторы нагрузок на неподвижные оси координат ЛА O н X н и О н Z н. Выполняют гармонический анализ проекций векторов нагрузок на продольную О н Х н и поперечную O н Z н оси координат, строят зависимости амплитуд этих гармонических составляющих от углов 1 , из них выбирают значения углов, соответствующих минимальному уровню гармоник переменных нагрузок.
Для 10-лопастного винта определяют аналитически методом последовательных приближений сочетания углов 1 , 2 , при которых нагрузки и вибрации, действующие на конструкцию ЛА, равны нулю, где 1 - угол между осями соседних пар лопастей, a 2 - угол между осями смежных пар лопастей. Выбранные углы используют при компоновке винта.
Таким образом, полученные значения углов 1 и 2 , соответствующие минимальным и нулевым гармоническим составляющим, позволяют существенно снизить уровень нагрузок и вибраций, действующих на конструкцию ЛА.
Сущность изобретения поясняется схемой многолопастного винта, приведенной на фиг.1. Лопасти нумеруются (например, на вертолете) по мере прохождения их над хвостовой балкой (отрицательное направление оси O н X н 4 в неподвижной системе координат). При выборе вращающихся осей координат ОХ 1 Z 1 ось OX 1 1 направляется по оси лопасти № 1. Ось OZ 1 1 должна быть перпендикулярна оси OX 1 и опережать ее.
В неподвижной системе координат продольная ось O н X н 4 направлена вперед, а поперечная ось O н Z н 4 - вправо для несущего винта и вверх для рулевого винта.
Оси координат во вращающейся OY 1 и в невращающейся O н Y н 7 системах координат направляются по оси вращения в направлении тяги винта (эти оси совпадают).
Рассмотрим изменение n-гармоник переменных нагрузок для каждой лопасти i в зависимости от азимутального положения 8 оси лопасти № 1 и углов между лопастями 1 5 и 2 6 (обозначим последние два угла как j):
Находим равнодействующую сил винта 
, приходящих на втулку винта от каждой лопасти, для каждой из гармоник n, количество лопастей К л - произвольное и четное:
В результате сложения одноименных гармоник получаются зависимости равнодействующих нагрузок на периоде вращения винта при разных углах между парами лопастей 1 5 и 2 6.
Путем аналитических выкладок и численных расчетов можно показать, что проходными гармониками нагрузок, векторы которых параллельны оси вращения винта, является ряд гармоник с четными номерами, т.е. n=2, 4, 6, ... N. Это правило авторы изобретения назвали «третьим правилом суммирования гармоник». Максимальный номер четной гармоники N устанавливается из опыта летных испытаний. Таким же способом можно доказать, что все нечетные гармоники рассматриваемых нагрузок являются непроходными.
Определим значения углов j , при которых амплитуды гармоник будут минимальными. Для решения задачи минимизации нагрузок целесообразно считать, что лопасти винта идентичны по своим аэродинамическим, массовым и жесткостным характеристикам, а амплитуды разных гармоник на всех лопастях равны единичной нагрузке, т.е. .
По аналогии с (1) запишем выражения для гармоник в плоскости OX 1 Z 1 каждой лопасти i на периоде вращения винта в зависимости от азимутального положения оси лопасти № 1 с учетом углов между осями пар лопастей j 5 и 6:
Проекции векторов нагрузок на вращающиеся оси координат будут равны 
и 
.
Начало координат О (например, для вертолета) расположим в центре втулки винта. Азимут вращающейся оси OX 1 , т.е. 8, будем отсчитывать от отрицательного направления оси O н X н 4. Тогда проекции гармоник нагрузок на неподвижные оси координат будут равны:
Рассмотрим четыре варианта исполнения комбинированных винтов: 4-лопастной, 6-лопастной, 8-лопастной (три варианта) и 10-лопастной. Углы между лопастями на первых трех винтах можно выразить с помощью одного угла 1 5, а на 10-лопастном винте - двумя углами: между соседними лопастями 1 5 и смежными 2 6, т.е. следующими после соседних пар лопастей по вращению и против вращения винта, что наглядно иллюстрируется на фиг.1.
Приравняв сумму гармонических составляющих (2) и (3) для каждой из гармоник нулю, находим углы j , соответствующие нулевым значениям амплитуд:
;
;
.
Выполним гармонический анализ функций 
и 
при разных значениях углов j .
Авторами предлагаемого изобретения проведен расчет зависимостей амплитуд проекций нагрузок на три указанные выше оси координат от угла 1 для 4-, 6- и 8-лопастного винтов. При этом рассмотрены все четные гармоники в диапазоне n=2 32. Для 10-лопастного винта рассчитаны сочетания соседних 1 и смежных 2 углов, при которых четные гармоники в том же диапазоне номеров n=2 32 равны нулю.
Результаты расчетов поясняются графиками на фиг.2 и 3, на которых изображены:
фиг.2 - зависимости амплитуд проекций нагрузок 10 на вертикальную АПрY н 9, продольную АПрX н 10 и поперечную AПрZ н 10 оси координат, 4-лопастной винт, гармоники четыре и двенадцать.
Из приведенных данных на фиг.2 следует, что максимальные значения амплитуд проекций нагрузок равны: на вертикальную ось - сумме сил отдельных лопастей (в нашем случае - числу лопастей винта), а амплитуды проекций на продольную и поперечную оси равны половине числа лопастей. На графиках фиг.2 видно, что большие диапазоны занимают углы 1 , при которых амплитуды нагрузок меньше, чем на классических винтах.
Сочетания углов между соседними 1 5 и смежными 2 6 лопастями на 10-лопастном воздушном винте приведены на фиг.3 (четвертая гармоника). Видно, что зависимости между углами 1 и 2 имеют эллипсовидный характер. Точки 12 на графиках получены расчетным путем. При анализе результатов расчета следует иметь в виду, что указанные зависимости представляют из себя кривые 13, проведенные по точкам. Число сочетаний углов 1 и 2 является бесконечно большим и оно увеличивается по мере увеличения номера гармоники n. Таким образом, при проектировании 10-лопастного винта имеются большие возможности для снижения или обнуления целого ряда гармонических составляющих переменных нагрузок.
На фиг.4 приведен амплитудный спектр вибраций 14 на шпангоуте № 2 килевой балки вертолета Ми-38 ОП-1, где
15 - амплитуды виброперегрузок (в единицах g) на килевой балке (КБ), шпангоут 2 (шп 2);
16 - частота колебаний, Гц.
На вертолете Ми-38 установлен 4-лопастной Х-образный рулевой винт с углом между осями лопастей 1 =38°.
Из приведенной зависимости следует подтверждение основных положений предлагаемого изобретения. Так, в амплитудном спектре виброперегрузок, определяемых нагрузками на Х-образном рулевом винте, отмечается вторая гармоника, которая отсутствует на классическом 4-лопастном винте. Четвертая гармоника амплитудного спектра (фиг.4), которая является проходной лопастной на классическом винте, в данном случае значительна по величине. Предлагаемым авторами способом она могла бы быть снижена практически до нуля. Для этого необходимо, чтобы углы между осями лопастей были равны
Практическое значение предлагаемого способа заключается в том, что он позволяет создавать воздушные винты, у которых любая гармоника или целый ряд гармоник нагрузок и вибраций, передающихся с воздушного винта на конструкцию летательного аппарата, может быть уменьшена до нуля или сведена до минимума. В частности, в вертолетостроении актуальной является проблема обеспечения усталостной прочности валов несущих и рулевых винтов, главных, хвостовых и промежуточных редукторов, подредукторных рам, средних и хвостовых частей фюзеляжа, килевых (концевых) балок.
Использование изобретения позволит уменьшить уровень нагруженности и вибраций в указанных частях конструкции и существенно повысить их ресурс по условиям усталостной прочности.
Известно (см. Богданов Ю.С. и др. Конструкция вертолетов. М.: Машиностроение, 1990. с.70), что даже небольшое изменение амплитуды переменных нагрузок (напряжений 1 , в которых амплитуды нагрузок значительно меньше, чем на классических винтах. Поэтому имеет существенное значение не только обнуление гармоник, но и их уменьшение по сравнению с нагрузками на классических винтах.
При летных испытаниях вертолетов Ми-28 и Ми-38, имеющих Х-образные рулевые винты, выявлено, что в записях вибраций, передающихся на хвостовую часть фюзеляжа, отмечены четные гармоники, начиная со второй. Предложенный способ легко объясняет появление таких «непривычных» для специалистов гармоник. Поэтому предложенное изобретение может быть использовано также при анализе результатов летных прочностных испытаний вертолетов, самолетов и автожиров с воздушными винтами, выполненными по предлагаемой концепции.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ уменьшения нагрузок и вибраций на летательных аппаратах, имеющих многолопастные воздушные винты с четным числом лопастей, включающий неравномерное расположение лопастей по диску, устанавливаемых попарно с сохранением симметрии относительно ортогональных осей винта, отличающийся тем, что комбинируют типы винтов с четным числом лопастей от четырех и более, определяют математическую модель расчета гармонических составляющих векторов переменных нагрузок для каждой лопасти в зависимости от углов между осями соседних пар лопастей 1 , суммируют векторы нагрузок от каждой лопасти на втулке винта по трем осям OY 1 , ОХ 1 , OZ 1 вращающейся системы координат с началом в центре втулки винта летательного аппарата, а затем проектируют полученные векторы нагрузок на неподвижные оси координат летательного аппарата О н Х н и O н Z н, выполняют гармонический анализ проекций векторов нагрузок на продольную О н Х н и поперечную O н Z н оси координат, строят зависимости амплитуд этих гармонических составляющие от углов 1 , из них выбирают значения расчетных углов, соответствующие минимальному уровню гармоник переменных нагрузок, а для 10-лопастного винта определяют аналитически методом последовательных приближений сочетания углов 2 - угол между осями смежных пар лопастей, производят компоновку винтов на летательном аппарате в соответствии с выбранными расчетными углами между осями пар лопастей.
2. Способ уменьшения нагрузок и вибраций на летательном аппарате, имеющих многолопастные воздушные винты с четным числом лопастей по п.1, отличающийся тем, что комбинируют типы винтов с четным числом лопастей от четырех и более следующим образом: 4-лопастной (Х-образный) винт образуют из двух пар лопастей; 6-лопастной винт компонуют из Х-образного и двухлопастного винтов; 8-лопастные винты формируют из двух 4-лопастных классических винтов из Х-образного и 4-лопастного классического винтов или из двух Х-образных; 10-лопастной винт комбинируют из двух Х-образных и одного 2-лопастного винтов.
ГОСТ Р 52692-2006
(ИСО 484-1:1981)
Группа Д44
НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Судостроение
СУДОВЫЕ ГРЕБНЫЕ ВИНТЫ
Допуски на изготовление
Часть 1
Гребные винты диаметром более 2,5 м
Shipbuilding. Ship screw propellers. Manufacturing tolerances.
Part 1. Propellers of diameter greater than 2,5 m
ОКС 47.020.20
ОКП 64 4700
Дата введения 2007-07-01
Предисловие
Цели и принципы стандартизации в Российской Федерации установлены Федеральным законом от 27 декабря 2002 г. N 184-ФЗ "О техническом регулировании" , а правила применения национальных стандартов Российской Федерации - ГОСТ Р 1.0-2004 "Стандартизация в Российской Федерации. Основные положения"
Сведения о стандарте
1 ПОДГОТОВЛЕН Научно-исследовательским институтом по стандартизации и сертификации "Лот" ФГУП "ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова" на основе аутентичного перевода международного стандарта, указанного в пункте 4
2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 5 "Судостроение"
3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 27 декабря 2006 г. N 354-ст
4 Настоящий стандарт является модифицированным по отношению к международному стандарту ИСО 484-1:1981 "Судостроение. Судовые гребные винты. Допуски на изготовление. Часть 1. Гребные винты диаметром более 2,5 м" (ISO 484-1:1981 "Shipbuilding - Ship screw propellers - Manufacturing tolerances - Part 1: Propellers of diameter greater than 2,5 m") путем внесения технических отклонений, объяснение которых приведено во введении к настоящему стандарту
5 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ
Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодно издаваемом информационном указателе "Национальные стандарты", а текст изменений и поправок - в ежемесячно издаваемых информационных указателях "Национальные стандарты". В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ежемесячно издаваемом информационном указателе "Национальные стандарты". Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет
ВНЕСЕНА поправка, опубликованная в ИУС N 11, 2007 год
Поправка внесена изготовителем базы данных
Введение
Введение
В настоящем стандарте вместо ссылки на международный стандарт ИСО 3715, замененный на два стандарта: ИСО 3715-1 "Суда и судовые технологии. Пропульсивные установки судов. Часть 1. Термины и определения геометрии гребных винтов" и ИСО 3715-2 "Суда и судовые технологии. Часть 2. Словарь для пропульсивных установок с гребными винтами регулируемого шага", которые в настоящее время не приняты в Российской Федерации, приведена ссылка на ГОСТ 25815 , распространяющийся на термины и определения судовых гребных винтов и соответствующий конкретным потребностям судостроения Российской Федерации.
Ссылка на рекомендацию ИСО/Р 468 в настоящий стандарт не включена, т.к. данная рекомендация была заменена на ИСО 468:1982 "Шероховатость поверхности. Параметры, их значения и общие правила установления технических требований", который отменен без замены в 1998 г.
Текст измененных по отношению к международному стандарту ИСО 484-1 отдельных структурных элементов в настоящем стандарте выделен курсивом.
1 Назначение
Настоящий стандарт устанавливает допуски на изготовление судовых гребных винтов диаметром более 2,5 м.
Примечание - В некоторых случаях возможны отклонения допусков по желанию заказчика или взаимному соглашению проектанта и заказчика. Приспособления и методы измерений выбирает изготовитель гребных винтов при условии, что допуски им будут выдержаны с требуемой точностью.
2 Область применения
Стандарт распространяется на цельнолитые гребные винты, гребные винты со съемными лопастями и гребные винты регулируемого шага.
3 Нормативные ссылки
В настоящем стандарте использована нормативная ссылка на следующий межгосударственный стандарт:
ГОСТ 25815-83 Винты гребные. Термины и определения (ИСО 3715-1:2002 "Суда и судовые технологии. Пропульсивные установки судов. Часть 1. Термины и определения геометрии гребных винтов", NEQ; ИСО 3715-2:2001 "Суда и судовые технологии. Часть 2. Словарь для пропульсивных установок с гребными винтами регулируемого шага", NEQ)
Примечание - При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочного стандарта в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодно издаваемому информационному указателю "Национальные стандарты", который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по соответствующим ежемесячно издаваемым информационным указателям, опубликованным в текущем году. Если ссылочный стандарт заменен (изменен), то при пользовании настоящим стандартом следует руководствоваться замененным (измененным) стандартом. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, применяется в части, не затрагивающей эту ссылку.
4 Методы измерения шага
4.1 Принцип одного из методов измерения состоит в нанесении на дуге радиуса отрезка PQ
, соответствующего углу , и в измерении разности высот точек Р
и Q
относительно плоскости, перпендикулярной к оси гребного винта (см. рисунок 1).
Рисунок 1
Отрезок PQ
должен быть спроектирован одним из методов, описанных в 4.1.1 или 4.1.2*.
________________
* При необходимости могут быть применены другие методы, обеспечивающие требуемую точность.
4.1.1 Применение рейсмусов
Отрезок PQ
проектируют при помощи рейсмусов.
4.1.2 Метод градуированных дисков
Длина отрезка PQ
является характеристикой угла на части градуированного диска соответствующего радиуса (см. рисунок 1).
5 Метод измерения толщины сечения
5.1 Толщина цилиндрического сечения в точке S
должна быть измерена по направлению SV
(см. рисунок 2), расположенному в тангенциальной плоскости коаксиального цилиндра перпендикулярно к линии шага нагнетательной стороны сечения, и по направлению SU
перпендикулярно к поверхности нагнетательной стороны или по направлению ST
параллельно оси гребного винта при условии, если она определена таким способом на чертеже.
Рисунок 2
5.2 Максимальная толщина для каждого радиуса должна быть определена при помощи пары кронциркулей или профиля, полученного построением, в различных точках: S
, S
, S
, S
и т.д.
5.3 Для проверки входящей и выходящей кромок применяют кромочные шаблоны. Длина кромочных шаблонов должна составлять, по крайней мере, 15% длины сечения, но не менее 125 мм.
Входящая и выходящая кромки должны быть проверены кромочными шаблонами для гребных винтов классов S и I (см. таблицу 1). Для гребных винтов других классов проверку проводят по просьбе заказчика.
Таблица 1
Класс гребного винта | Наименование класса гребного винта |
Особый |
|
Высший |
|
Средний |
|
Обычный |
6 Классы гребных винтов
Класс точности устанавливает заказчик в соответствии с таблицей 1.
7 Допуски на шаг
Допуски на шаг приведены в таблице 2.
Таблица 2
Наименование параметра | Класс гребного винта |
|||
, % |
||||
Местный шаг | ||||
Шаг сечения | ||||
Шаг лопасти | ||||
Шаг винта | ||||
Примечание - Предельные отклонения выражены в процентах конструктивного шага соответствующего радиуса для местного шага и шага сечения и среднего конструктивного шага для шага лопасти и шага винта |
||||
7.1 Шаг должен быть измерен, по крайней мере, на радиусах, указанных в таблице 3.
Таблица 3
Класс гребного винта | Радиусы |
Сечение около галтели ступицы: ; ; ; ; ; ; |
|
Сечение около галтели ступицы: ;
; ;
;
|
|
Сечение около галтели ступицы: ; ; |
По соглашению между заинтересованными сторонами могут быть проведены измерения на других радиусах.
7.2 Измерение местных шагов для винтов классов S и I проводят в соответствии с разделом 10.
7.3 Допуски на местный шаг и шаг сечения, приведенные в таблице 2, увеличивают на 50% для сечений на или менее.
7.4 Изготовитель гребных винтов может компенсировать погрешность на шаг, допуск на который приведен в таблице 2, изменением диаметра гребного винта только с согласия заказчика.
7.5 Конструктивным шагом является шаг базовой линии.
Линия конструктивного шага сечения представляет собой винтовую базовую линию для рассматриваемого сечения, для которой даны ординаты сечения нагнетательной и засасывающей сторон.
Это может быть линия, соединяющая носик и хвостик сечения, а может быть и любая другая соответственно расположенная винтовая линия.
7.6 Местный шаг в точке В
(см. рисунок 1) определяют измерением разности высот между точками Р
и Q
, расположенными на равных расстояниях от точки В
, по обе стороны от нее (ВР=BQ
), и умножением разности высот на . Результат следует сравнить с местным шагом, измеренным по профилям нагнетательной стороны для тех же точек.
Расстояние между двумя любыми точками при измерении местного шага может быть от 100 до 400 мм. Одно измерение шага следует проводить вблизи входящей кромки, другое - вблизи выходящей кромки и, по крайней мере, еще два измерения шага между ними. По мере возможности измерения должны быть последовательными.
7.7 Шаг сечения и шаг лопасти определяют для каждого радиуса умножением разности высот между измеряемыми крайними точками на .
7.8 Шаг лопасти определяют как среднеарифметическое значение шагов сечений для рассматриваемой лопасти.
7.9 Шаг гребного винта определяют как среднеарифметическое значение средних шагов лопасти.
8 Допуски на радиус гребного винта
8.1 Допуски на радиус гребного винта приведены в таблице 4.
Таблица 4
Наименование параметра | Класс гребного винта |
|||
Радиус гребного винта | ||||
8.2 Для гребного винта в направляющей насадке эти допуски могут быть уменьшены.
9 Допуски на толщину сечения лопасти
9.1 Измерения толщины следует проводить на тех же радиусах, что и измерения шага.
9.2 Предельные отклонения, указанные в таблице 5, выражены в процентах местной толщины.
Таблица 5
Наименование параметра | Класс гребного винта |
|||||||
Предельные отклонения (допуск) |
||||||||
мм, | мм, | мм, | мм, |
|||||
Толщина сечения лопасти | ||||||||
9.3 Максимальные значения толщин, указанные на чертеже, после вычитания отрицательного допуска должны быть не менее значений толщин, требуемых классификационными обществами.
10 Допуски на плавность сечений лопасти
Допуски на плавность сечений лопастей применяют только для гребных винтов классов S и I на радиусах, на которых измеряются шаги.
Чтобы добиться плавности сечений, отклонения в результате последовательных измерений местного шага и толщины не должны отличаться одно от другого более чем на половину допуска (например, если допуск от плюс 2,0% до минус 2,0%, то допускаемая разность последовательных отклонений составляет 2,0%).
Для избежания чрезмерных отклонений в общей кривизне сечения необходимо, чтобы алгебраическая сумма отклонений, выраженная в процентах, двух каких-либо последовательных измерений местного шага превышала не более чем в 1,5 раза предусмотренный допуск. Например, если допуск ±2,0%, то сумма последовательных отклонений должна быть ±3,0% (см. рисунок 3).
Примечания
1 На рисунке отклонения увеличены в 20 раз.
2 Очень высокие значения подчеркнуты.
Рисунок 3 - Гребной винт класса I
Плавность цилиндрических сечений также проверяют, применяя специальные гибкие шаблоны.
Входящие и выходящие кромки следует проверять кромочными шаблонами, позволяющими установить соответствие кромок чертежу с учетом следующих допусков нагнетательной и засасывающей сторон:
±0,5 мм - для класса S;
±0,75 мм - для класса I.
По соглашению между изготовителем и заказчиком кромки могут быть проверены кромочными шаблонами, состоящими из трех элементов для каждой кромки (см. рисунок 4), один элемент с коротким носом для проверки края кромки лопасти и два элемента, которые прикладывают к кромке - один к нагнетательной, другой к засасывающей стороне. Каждый шаблон охватывает приблизительно 20% длины лопасти, но не более 300 мм. Эти шаблоны должны быть изготовлены с допуском 0,25 мм для класса S и 0,35 мм для класса I.
Рисунок 4
11 Допуски на длину сечений лопасти
11.1 Предельные отклонения, приведенные в таблице 6, выражены в процентах отношения диаметра к числу лопастей ().
Таблица 6
Наименование параметра | Класс гребного винта |
|||||||
Предельные отклонения (допуск) |
||||||||
мм, | мм, | мм, | мм, |
|||||
Длина сечений лопасти | ||||||||
11.2 Длины сечений каждой лопасти должны быть измерены, по крайней мере, на пяти радиусах для класса S (например: ; ; ; ; ) и на четырех радиусах для классов I, II, III.
12 Допуски на взаимное расположение лопастей, на положение осевых линий и на контуры лопастей
12.1 Положение осевых линий лопастей
Осевую линию наносят на чертеж в виде прямой линии, которая проходит через точку М
на нагнетательной стороне лопасти и точку О
на оси гребного винта.
Точка М
должна быть на цилиндрическом сечении радиуса более чем и, если возможно, вблизи .
Точку выбирают таким образом, чтобы прямая ОМ
пересекала наибольшее возможное число сечений лопасти.
Отношение между углами (соответствующим входящей кромке) и (соответствующим выходящей кромке) указывают на чертеже (см. рисунок 5).
указывают размером на чертеже
Рисунок 5
Точку М"
на изготовленном гребном винте устанавливают таким образом, чтобы отношение , равное отношению , указанному на чертеже, могло быть достигнуто на рассматриваемом радиусе (см. рисунок 6).
Рисунок 6
Плоскости начала отсчета, проходящие через точку М",
используют для проверки контура входящей кромки и откидки лопастей так же, как и углового смещения лопасти*.
_________________
* Определение откидки - по ГОСТ 25815 .
12.2 Допуски на контур входящей кромки
Допуски должны быть рассчитаны для радиусов, указанных в таблице 3, на соответствующих дугах и действительны для длины дуги (см. рисунок 6). Допуски, выраженные в процентах , приведены в таблице 6 ( - диаметр, - число лопастей).
Допуски для длины дуги должны быть равны удвоенным значениям, приведенным в таблице 6, при условии плавности контуров кромок лопасти.
12.3 Допуски на угловое смещение между двумя соседними лопастями
Допуски должны составлять:
±1° - для винтов классов S и I;
±2° - для винтов классов II и III.
13 Допуски на откидку, положение лопасти вдоль оси винта и взаимное расположение осевых линий соседних лопастей
Откидка характеризуется положением осевой линии лопасти РР"
(см. рисунок 7). Откидку определяют измерением расстояния до плоскости W,
перпендикулярной к оси вращения гребного винта, по крайней мере в точках А, В
и С
, расположенных на радиусах или ;
или ;
или .
Рисунок 7
В таблице 7 приведены допуски на расстояния ,
и , выраженные в процентах диаметра гребного винта , для проверки положения лопастей вдоль оси винта. Те же допуски (а не двойные допуски) применяют, для разностей: для одной и той же лопасти для проверки откидки и - для двух соседних лопастей для проверки относительного осевого положения.
Таблица 7
Наименование параметра | Класс гребного винта |
|||
Предельные отклонения, % |
||||
Положение лопасти в точках А
, В
и С
(расположенных на радиусах ;
и ) no отношению к плоскости W,
перпендикулярной к оси винта | ||||
14 Обработка поверхности
Состояние поверхности лопастей, выраженное как среднеарифметическое значение отклонения Ra,
мкм, должно иметь шероховатость, не превышающую следующих значений:
3 (начиная от ступицы) - для гребных винтов класса S;
6 (начиная от радиуса 0,3) -
для гребных винтов класса I;
12 (начиная от радиуса 0,4) - для гребных винтов класса II;
25 (начиная от радиуса 0,5) -
для гребных винтов класса III.
15 Статическая балансировка
15.1 Все изготовленные гребные винты должны быть статически отбалансированы.
Максимально допустимую массу балансировочного груза , кг, приложенного на конце лопасти гребного винта, определяют по формуле:
Или , наименьшее из них, (1)
где -
масса гребного винта, кг;
-
внешний радиус лопасти, м;
-
расчетное число оборотов гребного винта в минуту, об/мин;
и -
коэффициенты, зависящие от класса гребного винта, приведены в таблице 8.
Таблица 8
Обозначение коэффициента | Класс гребного винта |
|||
16 Измерительные приборы
Максимально допустимая погрешность измерительных приборов не должна превышать половины допуска на размер или параметр, а в случае геометрических измерений - 0,5 мм (выбирают наибольшее значение из них).
Электронный текст документа
подготовлен АО "Кодекс" и сверен по:
официальное издание
М.: Стандартинформ, 2007
Редакция документа с учетом
изменений и дополнений подготовлена
АО "Кодекс"
Центробежный вентилятор — устройство механического типа, которое способно работать с воздушными или газовыми потоками, имеющими низкий уровень увеличения давления. Крутящаяся крыльчатка обеспечивает движение воздушных масс. Система работы заключается в том, что кинетическая энергия увеличивает давление потока, который и оказывает противодействие всем воздуховодам и заслонкам.
Центробежный вентилятор намного мощнее осевого, при этом имеет экономных расход электроэнергии.
Данное устройство позволяет изменить направление воздушной массы с уклоном в 90 градусов. При этом во время работы вентиляторы не создают много шума, а за счет своей надежности их диапазон рабочих условий достаточно широк.
Некоторые особенности
Хотелось бы обратить внимание, что принцип действия центробежного вентилятора построен таким образом, что он качает постоянный объем воздуха, а не массу, что позволяет фиксировать скорость расхода воздуха. Кроме того, такие модели намного экономичней, чем осевые аналоги, а конструкцию при этом имеют проще.
Схема элементов центробежного вентилятора: 1 – ступица, 2 – основной диск, 3 – рабочие лопатки, 4 – передний диск, 5 – лопастная решетка, 6 – корпус, 7 – шкив, 8 – подшипники, 9 – станина, 10, 11 – фланцы.
Автопромышленность использует данные вентиляторы, чтобы охлаждать двигатели внутреннего сгорания, которые отдают «в пользование» свою энергию такому аппарату. Также это вентиляционное устройство применяется для перемещения газовых смесей и материалов в вентиляционных системах.
Могут использоваться как одно из составляющих систем отопления или охлаждения. Такая техника применима и с целью очистки и фильтрации промышленных систем.
Для обеспечения нужного уровня давления и расхода используется обычно целая серия вентиляторов. Конечно, центробежные модели имеют более высокую мощность, но при этом остаются экономичными (всего лишь 12% затрат от электричества).
Устройство центробежного вентилятора состоит из крыльчатки, которая оснащена несколькими шеренгами лопастей (ребер). В центре расположен вал, который проходит через весь корпус. Воздушные массы попадают с края, где находятся лопасти, далее за счет конструкции происходит их поворот на 90 градусов, а затем благодаря центробежной силе они разгоняются еще больше.
Вернуться к оглавлению
Типы приводных механизмов
Во многом на работу вентилятора, а именно на вращение лопастей, влияет тип привода. На сегодняшний день их 3:
- Прямой. В данном случае крыльчатка напрямую соединена с валом двигателя. От скорости вращения мотора будет зависеть и скорость лопастей. В качестве недостатка этой модели выделяют следующие: если двигатель не имеет регулировки своей скорости, то и вентилятор будет работать в одном режиме. Но если учесть, что холодный воздух имеет более высокую плотность, то кондиционирование будет само по себе происходить быстрее.
- Ременный. В данном типе устройства имеются шкивы, которые расположены на валу двигателя и крыльчатки. Соотношение диаметров шкивов обоих элементов влияют на скорость работы лопастей.
- Регулируемый. Тут регулировка скорости происходит за счет наличия гидравлической или магнитной муфты. Ее месторасположение — промеж валов мотора и импеллера. Чтобы проще было осуществить этот процесс, такие центробежные вентиляторы имеют автоматизированные системы.
Вернуться к оглавлению
Составляющие центробежного вентилятора
Схема рабочих колес центробежных вентиляторов: а – барабанная, б – кольцевая, в, г – с коническими покрывающими дисками, д — однодисковые, е — бездисковые.
Как и любая другая техника, вентилятор будет исправно работать только при соответствующих элементах конструкции.
- Подшипники. Чаще всего данный тип устройства имеет маслонаполненные подшипники роликового типа скольжения. Отдельные модели могут обладать водяной системой охлаждения, которая чаще всего применяется в работе с горячими газами, что предотвращает перегрев подшипников.
- Лопасти и заслонки. Основная функция заслонок — управление газовыми потоками при входе и выходе. Отдельные модели центробежных эксгаустеров могут иметь их с обеих сторон или только с одной — входа или выхода. «Входящие» заслонки управляют количеством поступаемого газа или воздуха, а «выходящие» сопротивляются воздушному потоку, который управляет газом. Заслонки, что расположены на входе лопастей, способствуют уменьшению потребления электроэнергии.
Сами плицы находятся на втулке колеса центростремительного вентилятора. Есть три стандартных расположения лопастей:
- лопасти загнуты вперед;
- лопасти загнуты назад;
- лопасти прямые.
В первом варианте лопасти имеют лезвия с направлением по движению колеса. Такие вентиляторы «не любят» твердых примесей в эрлифтных потоках. Основное их назначение — большой поток с низким давлением.
Второй вариант оснащен искривленными лезвиями против движения колеса. Таким образом достигается аэродинамический швеллер и относительная экономичность конструкции. Такой способ применяется в работе с потоками газовой консистенции низкого и умеренного уровня насыщения жесткими компонентами. В качестве дополнения имеют покрытие от повреждений. Очень удобно то, что такой центробежный вентилятор имеет широкий диапазон регулировок скоростей. Они намного эффективней моделей с лопастями, изогнутыми вперед или прямыми, хотя последние и стоят дешевле.
Третий вариант имеет лопасти, которые расширяются сразу от втулки. Такие модели имеют минимальную чувствительность к оседанию твердых частиц на лопастях вентилятора, но при этом издают много шума во время эксплуатации. Также они имеют быстрый темп работы, низкие объемы и высокий уровень давления. Часто используют с целью аспирации, в пневматических системах для транспортировки материалов и в других схожих работах.
Вернуться к оглавлению
Типы центробежных вентиляторов
Есть определенные стандарты, по которым изготавливается данная техника. Следует выделить следующие типы:
- Аэродинамическое крыло. Такие модели имеют широкое применение в сфере непрерывных работ, где постоянно присутствуют высокие температуры, чаще всего это нагнетательные и вытяжные системы. Имея высокий показатель по производительности, они бесшумны.
- Обратно загнутые лопасти. Обладают высокой эффективностью. Конструкция этих вентиляторов препятствует накоплению пыли и мелких частиц на лопастях. Имеет достаточно прочную конструкцию, что позволяет применять их для областей с высоким угнетением.
- Ребра, изогнутые в обратную сторону. Рассчитаны для большой кубатуры воздушных масс с относительно низким уровнем давления.
- Радиальные лопасти. Достаточно прочны, могут обеспечить высокое давление, но со средним уровнем эффективности. Направляющие ротора имеют специальное покрытие, которое защищает их от эрозии. Кроме того, такие модели имеют достаточно компактные габариты.
- Ребра, загнутые вперед. Предназначены для тех случаев, когда предстоит работа с большими объемами воздушных масс и наблюдается высокое давление. Эти модели тоже имеют хорошую стойкость к эрозии. В отличие от моделей «заднего» типа такие агрегаты имеют меньшие размеры. Такой вид крыльчатки имеет самый большой расход объема.
- Гребное колесо. Данное устройство — открытое колесо без какого-либо корпуса или кожуха. Применим для помещений, где присутствует большая запыленность, но при этом, увы, такие устройства не обладают высокой эффективностью. Допустимо использование при высоких температурах.
Контроллер, мачты, хвостовик, инвертор и аккумуляторную батарею.
Традиционно, ветровой механизм наделен тремя лопастями, зафиксированными на роторе. Когда ротор крутится, возникает трехфазный переменный ток, поступающий на контроллер, затем ток перерождается в стабильное напряжение и идет на аккумуляторную батарею.
Протекая через аккумуляторы, ток подпитывает их и эксплуатирует в качестве проводников электричества.
В дальнейшем, ток приходит на инвертор, достигает требуемых величин: переменный однофазный ток 220 В, 50 Гц. При скромном расходовании выработанного электричества предостаточного для пользования светом и электрическими приборами, нехватка тока компенсируется благодаря аккумуляторам.
Как рассчитать лопасти?
Вычислить диаметр ветряка для определенной мощности можно следующим образом:
- Окружность пропеллера ветрогенератора с определенной мощностью, малыми оборотами и силой ветра, при которых происходит подача нужного напряжения, числом лопастей внести в квадрат.
- Высчитать площадь данного квадрата.
- Разделить площадь получившегося квадрата на мощность конструкции в ватах.
- Перемножить результат с требуемой мощностью в ватах.
- Под этот результат нужно подбирать площадь квадрата, варьируя размеры квадрата до тех пор, пока размер квадрата не достигнет четырех.
- В этот квадрат вписать окружность пропеллера ветрогенератора.
После этого нетрудно будет узнать другие показатели, например, диаметр.
Расчет максимально приемлемой формы лопастей достаточно мудреный, кустарному мастеру сложно его выполнить, поэтому можно использовать готовые шаблоны, созданные узкими специалистами.
Шаблон лопасти из ПВХ трубы 160 мм в диаметре:
Шаблон лопасти из алюминия:
Можно попробовать самостоятельно определить показатели лопастей ветряного устройства.
Быстроходность ветряного колеса являет собой соотношение круговой скорости края лопасти и скорости ветра, ее можно вычислить по формуле:
На мощность ветряного двигателя оказывают влияние диаметр колеса, форма лопастей, расположение их относительно потока воздуха, скорости ветра.
Ее можно найти по формуле:
При использовании лопастей обтекаемой формы коэффициент использования ветра не выше 0,5. При слабо обтекаемых лопастях – 0,3.
Необходимые материалы и инструменты
Потребуются следующие материалы:
- дерево либо фанера;
- алюминий;
- стекловолокно в листах;
- трубы и комплектующие из ПВХ;
- материалы, имеющиеся дома в гараже либо подсобных помещениях;
Необходимо запастись следующими инструментами:
- маркер, можно использовать карандаш для черчения;
- ножницы для резки металла;
- лобзик;
- ножовка;
- бумага наждачная;
Вертикальный и горизонтальный ветрогенератор
Вертикальный ветрогенератор
Можно классифицировать по роторам:
- ортогональный;
- дарье;
- савониуса;
- геликойдный;
- многолопастной с направляющим аппаратом;
Хороши тем, что нет нужды направлять их относительно ветра, они функционируют при любом направлении ветра. Из-за этого их не нужно оснащать приборами, улавливающими направление ветра.
Эти конструкции допустимо располагать на земле, они просты. Изготовить своими руками такую конструкцию значительно проще, нежели горизонтальную.
Слабым местом вертикальных ветрогенераторов считается их малая производительность, крайне низкий КПД, из-за чего сфера их использования ограничена.
Горизонтальные ветрогенераторы имеют ряд достоинств по сравнению с вертикальными. Они делятся на одно-, двух-, трех- и многолопастные.
Однолопастные конструкции самые скоростные, они крутятся в два раза быстрее трехлопастных при одинаковой силе ветра. КПД этих ветрогенераторов существенно выше, чем вертикальных.
Существенным недостатком горизонтально-осевой конструкций считается зависимость ротора от направления ветра, из-за чего на ветрогенератор необходимо устанавливать дополнительные приборы, улавливающие направление ветра.
Выбор вида лопастей
Лопасти преимущественно могут быть двух видов:
- парусного типа;
- крыльчатого профиля;
Можно соорудить плоские лопасти по типу «крыльев» ветряной мельницы, то есть, парусного типа. Выполнить их проще всего из самого разнообразного материала: фанеры, пластика, алюминия.
Этот метод имеет свои минусы. При кручении ветряка с лопастями, выполненными по принципу паруса, не участвуют аэродинамические силы, кручение обеспечивает лишь мощность давления ветрового потока.
Производительность этого прибора минимальна, в энергию трансформируется не более 10% силы потока ветра. При незначительном ветре колесо будет пребывать в статичном положении, а тем более не станет производить энергию для употребления в быту.
Более приемлемой будет конструкция, являющая собой ветряное колесо с лопастями крыльчатого профиля. В ней наружная и внутренняя поверхности лопастей обладают различными площадями, что позволяет достигать несоответствия давления воздуха на противоположные поверхности крыла. Аэродинамическая сила значительно увеличивает коэффициент использования ветряного прибора.
Подбор материала
Лопасти для ветряного устройства можно выполнить из любого более или менее подходящего материала, например:
Из трубы ПВХ
Соорудить лопасти из этого материала, наверное, проще всего. Трубы ПВХ можно найти в каждом строительном магазине. Выбирать трубы следует те, которые разработаны для канализации с напором либо газопровода. В противном случае поток воздуха при сильном ветре может искорежить лопасти и повредить их о мачту генератора.
Лопасти ветрогенератора претерпевают серьезные нагрузки от центробежной силы, причем, чем длиннее лопасти, тем сильнее нагрузки.
Край лопасти двухлопастного колеса домашнего ветрогенератора вращается со скоростью сотни метров в секунду, такова скорость вылетающей из пистолета пули. Такая скорость может привести к разрыву труб ПВХ. Особенно опасно это тем, что разлетающиеся осколки труб могут убить либо серьезно ранить людей.
Выйти из положения можно укоротив по максимуму лопасти и увеличив их число. Многолопастное ветряное колесо легче балансировать, оно меньше шумит. Немаловажное значение имеет толщина стенок труб. К примеру, для ветряного колеса с шестью лопастями из ПВХ трубы, составляющего в диаметре два метра, их толщина не должна быть менее 4 миллиметров. Для расчета конструкции лопастей домашнему умельцу можно воспользоваться готовыми таблицами и шаблонами.
Шаблон следует смастерить из бумаги, приложить к трубе и обвести. Это следует сделать столько раз, сколько лопастей будет у ветрогенератора. При помощи лобзика трубу необходимо рассечь по меткам – лопасти практически готовы. Края труб шлифуются, углы и концы закругляются для того, чтобы ветряк выглядел симпатично и поменьше шумел.
Из стали следует смастерить диск с шестью полосами, который будет играть роль конструкции, объединяющей лопасти и фиксирующей колесо к турбине.
Габариты и форма соединительной конструкции должны соответствовать типу генератора и постоянного тока, который будет задействован в . Сталь необходимо выбрать такой толщины, чтобы она не деформировалась под ударами ветра.
Из алюминия
По сравнению с лопастями из ПВХ труб алюминиевые более выносливы и на изгиб, и на разрыв. Недостаток их заключается в большом весе, что требует принятия мер к обеспечению устойчивости всего сооружения в целом. Кроме того, следует максимально тщательно балансировать колесо.
Рассмотрим особенности исполнения лопастей из алюминия для шестилопастного ветряного колеса.
По шаблону следует выполнить лекало из фанеры. Уже по лекалу из листа алюминия высечь заготовки лопастей в количестве шести штук. Будущая лопасть прокатывается в желоб глубиной в 10 миллиметров, при этом ось прокрутки должна образовать с долевой осью заготовки угол в 10 градусов. Эти манипуляции наделят лопасти приемлемыми аэродинамическими параметрами. К внутренней стороне лопасти крепится втулка с резьбой.
Соединительный механизм ветряного колеса с лопастями из алюминия в отличие от колеса с лопастями из труб ПВХ имеет на диске не полоски, а шпильки, представляющие собой куски стального прута с резьбой, подходящей к резьбе втулок.
Из стекловолокна
Лопасти из собранной из стекловолокна специфической стеклоткани являются наиболее безупречными, учитывая их аэродинамические параметры, прочность, вес. Соорудить эти лопасти трудней всего, поскольку нужно уметь обрабатывать дерево и стеклоткань.
Мы рассмотрим выполнение лопастей из стекловолокна для колеса диаметром два метра.
Наиболее скрупулезно следует подойти к выполнению матрицы из дерева. Она вытачивается из брусьев по готовому шаблону и служит моделью лопасти. Закончив трудиться над матрицей, можно начинать мастерить лопасти, которые будут состоять из двух частей.
Матрицу для начала надо обработать воском, одну из ее сторон покрыть эпоксидной смолой, на ней расстелить стеклоткань. На нее снова нанести эпоксидную смолу, и снова слой стеклоткани. Количество слоев может быть три или четыре.
Затем нужно прямо на матрице получившуюся слойку держать около суток до полного высыхания. Вот и готова одна часть лопасти. С другой стороны матрицы выполняется та же последовательность действий.
Готовые части лопастей следует соединить при помощи эпоксидной смолы. Внутрь можно поместить деревянную пробку, зафиксировать ее клеем, это позволит закрепить лопасти к ступице колеса. В пробку следует внедрить втулку с резьбой. Соединительный узел станет ступицей так же как и в предыдущих примерах.
Балансировка ветряного колеса
Когда лопасти будут выполнены, нужно укомплектовать ветряное колесо и произвести его балансировку. Делать это следует в закрытом строении большой площади при условии полного безветрия, поскольку колебания колеса на ветру способны исказить результаты балансировки.
Балансировку колеса необходимо выполнять так:
- Укрепить колесо на такой высоте, чтобы оно могло беспрепятственно двигаться. Плоскость соединительного механизма должна быть идеально параллельна вертикальному подвесу.
- Добиться полной статичности колеса и отпустить. Оно не должно шевелиться. Затем прокрутить колесо на угол, равный отношению 360/число лопастей, остановить, отпустить, снова прокрутить, так наблюдать некоторое время.
- Испытания следует проводить до полного прокручивания колеса вокруг своей оси. Когда отпущенное либо остановленное колесо продолжает качаться, его часть, тяготеющая книзу излишне тяжела. Необходимо конец одной из лопастей подточить.
Кроме того, следует выяснить, насколько гармонично лопасти лежат в плоскости вращения колеса. Колесо необходимо остановить. На расстоянии около двух миллиметров от каждого края одной из лопастей укрепить две планки, которые не будут препятствовать вращению. При прокручивании колеса лопасти не должны цепляться за планки.
Техническое обслуживание
Для длительного безаварийного функционирования ветрогенератора следует проводить такие мероприятия:
- Через десять или четырнадцать дней от начала работы , ветряной двигатель следует обследовать, особенно крепления. Делать это лучше всего в безветренную погоду.
- Два раза в год промазывать подшипники поворотного механизма и генератора.
- При подозрениях на нарушение балансировки колеса , которое может выражаться в вибрации лопастей при кручении по ветру, необходимо выполнить балансировку.
- Ежегодно осматривать щетки токоприемника.
- По мере необходимости , покрывать красящими составами металлические части ветрогенератора.
Сделать лопасти для ветряного двигателя вполне по силам домашнему умельцу, нужно только все просчитать, продумать, и тогда дома появится реальная альтернатива электросетям. При выборе мощности самодельного устройства, нужно обязательно помнить, что его максимальная мощность не должна превышать 1000 или 1500 Ватт. Если этой мощности не хватает, стоит подумать о покупке промышленного агрегата.
, ветрогенераторы , мельницы , гидро- и пневмоприводы).
В нагнетательных машинах лопасти или лопатки перемещают поток. В приводных - поток жидкости или газа приводит в движение лопасти или лопатки.
Принцип действия
В зависимости от величины перепада давления на валу может находиться несколько ступеней давления.
Основные типы лопаток
Лопаточные машины, в качестве наиболее важного элемента содержат находящиеся на валу диски, оснащенные профилированными лопатками. Диски, в зависимости от типа и назначения машины, могут вращаться с абсолютно разными скоростями , составляющими от единиц оборотов в минуту у ветрогенераторов и мельниц, до десятков и сотен тысяч оборотов в минуту у газотурбинных двигателей и турбонагнетателей.
Лопатки современных лопаточных машин, в зависимости от назначения, выполняемой данным устройством задачи и среды, в которой они работают, имеют самую различную конструкцию. Эволюция этих конструкций прослеживается при сравнении лопаток средневековых мельниц - водяной и ветряной, с лопатками ветродвигателя и гидротурбины ГЭС .
На конструкцию лопаток влияют такие параметры, как плотность и вязкость среды, в которой они работают. Жидкость гораздо плотнее газа, более вязкая и практически несжимаема. Поэтому форма и размеры лопаток гидравлических и пневматических машин сильно отличается. Из-за разности объёмов при одинаковом давлении, площадь поверхности лопаток пневматических машин может быть в несколько раз больше лопаток гидравлических.
Различают рабочие, спрямляющие и поворотные лопатки. Кроме того, в компрессорах могут быть направляющие лопатки, а также входные направляющие лопатки, а в турбинах - сопловые лопатки и охлаждаемые.
Конструкция лопатки
Для каждой лопатки характерен собственный аэродинамический профиль. Обычно он напоминает крыло летательного аппарата . Самое существенное отличие лопатки от крыла состоит в том, что лопатки работают в потоке, параметры которого очень сильно изменяются по её длине.
Профильная часть лопатки
По конструкции профильной части лопатки подразделяются на лопатки постоянного и переменного сечений . Лопатки постоянного сечения применяются для ступеней, в которых длина лопатки не более одной десятой среднего диаметра ступени. В турбинах большой мощности это, как правило, лопатки первых ступеней высокого давления. Высота этих лопаток невелика и составляет 20–100 мм.
Лопатки переменного сечения имеют переменный профиль на последующих ступенях, причём площадь поперечных сечений плавно уменьшается от корневого сечения к вершине. У лопаток последних ступеней это соотношение может достигать 6–8. Лопатки переменного сечения всегда имеют начальную закрутку, то есть углы, образованные прямой, соединяющей кромки сечения (хордой), с осью турбины, называемыми углами установки сечений. Эти углы, из соображений аэродинамики, по высоте задаются различными, с плавным увеличением от корня к вершине.
Для относительно коротких лопаток углы закрутки профиля (разность между углами установки периферийного и корневого сечений) составляют 10–30, а для лопаток последних ступеней могут достигать 65–70.
Взаимное расположение сечений по высоте лопатки при образовании профиля и положение этого профиля относительно диска представляет собой установку лопатки на диске и должно удовлетворять требованиям аэродинамики, прочности и технологичности изготовления.
Лопатки в основном изготавливаются из предварительно отштампованных заготовок . Также применяются методы изготовления лопаток точным литьём или точной штамповкой . Современные тенденции повышения мощности турбин требуют увеличения длины лопаток последних ступеней. Создание таких лопаток зависит от уровня научных достижений в области аэродинамики потока, статической и динамической прочности и наличия материалов с необходимыми свойствами.
Современные титановые сплавы позволяют изготовить лопатки длиной до 1500 мм . Но в этом случае ограничением является прочность ротора, диаметр которого приходится повышать, но тогда необходимо уменьшать длину лопатки для сохранения соотношения из соображений аэродинамики, иначе увеличение длины лопатки неэффективно. Поэтому существует ограничение длины лопатки, больше которой она не может эффективно работать.
- Гребешки лабиринтного уплотнения радиального зазора
- Бандажная полка
- Гребешки торцевого лабиринтного уплотнения
- Отверстие для подвода охлаждающего воздуха во внутренние каналы охлаждаемой лопатки
Хвостовая часть лопатки
Конструкции хвостовых соединений и, соответственно, хвостовиков лопатки весьма разнообразны и применяются исходя из условий обеспечения необходимой прочности с учётом освоения технологий их изготовления на предприятии, изготавливающем турбины. Виды хвостовиков: Т-образные, грибовидные, вильчатые, ёлочные и др.
Ни один вид хвостовых соединений не имеет особого преимущества над другим - у каждого есть свои преимущества и недостатки. Разными заводами изготавливаются разные типы хвостовых соединений, и каждый из них использует свои технологии изготовления.
Связи
Рабочие лопатки турбин соединяются в пакеты связями различной конструкции: бандажами, приклёпанными к лопаткам или выполненными в виде полок (цельнофрезерованный бандаж); проволоками, припаянными к лопаткам или свободно вставленными в отверстия в профильной части лопаток, и прижимающимися к ним центробежными силами; с помощью специальных выступов, свариваемых друг с другом после наборки лопаток на диск.
Лопатки паровых турбин
Разница размеров и формы лопаток на разных ступенях давления одной турбины
Назначение лопаток турбин - превращение потенциальной энергии сжатого пара в механическую работу . В зависимости от условий работы в турбине длина её рабочих лопаток может колебаться от нескольких десятков до полутора тысяч миллиметров. На роторе лопатки расположены ступенчато, с постепенным увеличением длины, и изменением формы поверхности. На каждой ступени лопатки одинаковой длины расположены радиально оси ротора. Это обусловлено зависимостью от таких параметров, как расход, объём и давление.
При равномерном расходе давление на входе в турбину максимальное, расход минимален. При прохождении рабочим телом через лопатки турбины совершается механическая работа, давление уменьшается, но увеличивается объём. Следовательно, увеличивается площадь поверхностей рабочей лопатки и, соответственно, её размер. Например, длина лопатки первой ступени паровой турбины мощностью 300 МВт составляет 97 мм, последней - 960 мм.
Лопатки компрессоров
Назначение лопаток компрессоров - изменение начальных параметров газа и превращение кинетической энергии вращающегося ротора в потенциальную энергию сжатого газа. Форма, размеры и способы закрепления на роторе лопаток компрессоров не особо отличаются от лопаток турбин. В компрессоре при одинаковом расходе газ сжимается, его объём уменьшается, а давление возрастает, поэтому на первой ступени компрессора длина лопаток больше, чем на последней.
Лопатки газотурбинных двигателей
В газотурбинном двигателе есть и компрессорные, и турбинные лопатки. Принцип действия такого двигателя - сжатие воздуха, необходимого для горения, с помощью лопаток турбокомпрессора, направления этого воздуха в камеру сгорания и, при воспламенении с топливом - механическая работа продуктов сгорания на лопатках турбины, расположенной на одном валу с компрессором. Этим газотурбинный двигатель отличается от любой другой машины, где имеются либо компрессорные нагнетающие лопатки, как в нагнетателях и воздуходувках всякого рода, либо турбинные лопатки, как у паротурбинных силовых установок или на гидроэлектростанциях.
Лопатки (лопасти) гидротурбин
Диск с лопатками гидротурбины
Лопасти ветротурбины
По сравнению с лопатками паровых и газовых турбин лопатки гидротурбин работают в среде с малыми скоростями, но высокими давлениями. Здесь длина лопатки невелика относительно её ширины, а иногда ширина больше длины в зависимости от плотности и удельного объёма жидкости. Часто лопатки гидротурбин бывают приварены к диску или могут изготавливаться целиком с ним.
