[发明专利]涡轮桨

说明书

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。