Соединительный элемент для присоединения лопасти к ступице промышленного осевого вентилятора и лопастное устройство, содержащее указанный соединительный элемент
CONNECTING ELEMENT FOR CONNECTION OF BLADE TO HUB OF INDUSTRIAL AXIAL FAN AND BLADE DEVICE CONTAINING SAID CONNECTING ELEMENT

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Данное изобретение относится к соединительному элементу, предназначенному для присоединения лопасти или аэродинамического профиля к ступице промышленного осевого вентилятора, а также относится к лопастному устройству, содержащему указанный соединительный элемент, и к промышленному осевому вентилятору, содержащему такое лопастное устройство.
Осевые вентиляторы промышленного назначения, как правило, содержат ступицу и аэродинамические профили.
Лопасть обычно имеет две части, а именно аэродинамический профиль, выполняющий функцию перемещения воздуха, и соединительный элемент или крепление, служащий (служащее) для обеспечения связи аэродинамического профиля со ступицей.
Предметом данного изобретения является соединительный элемент, обеспечивающий присоединение аэродинамического профиля к ступице, и лопастное устройство, содержащее лопасть, ступицу и соединительный элемент согласно данному изобретению.
Еще одним предметом данного изобретения является промышленный осевой вентилятор, содержащий такое лопастное устройство.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В области осевых вентиляторов известны различные технические решения для присоединения аэродинамического профиля к ступице вентилятора.
Для краткого обсуждения уровня техники важно напомнить о статических и динамических силах, действующих на лопасти промышленного осевого вентилятора в процессе его работы, в частности, о том, что касается влияния центробежных сил.
Затем будет приведено описание различных решений, которые по существу известны в данной области техники и целью которых является уменьшение стационарных и, в конечном итоге, нестационарных нагрузок на элемент, соединяющий аэродинамический профиль со ступицей осевого вентилятора.
Силы, действующие на лопасти осевого вентилятора в процессе его работы, могут быть разделены на стационарные силы А) и нестационарные силы В).
А) К стационарным силам, отмеченным на прилагаемой фиг. 4а, относятся следующие:
- аэродинамические или подъемные силы (L),
- сила (D) лобового сопротивления,
- центробежная сила (С) и
- вес (W) лопасти.
Если ось лопасти наклонена под углом а к стороне всасывания воздуха относительно идеальной плоскости вращения, центробежная сила создает изгибающий момент в осевой плоскости, направление которого противоположно направлению момента, созданного подъемной силой и весом, как показано на фиг. 4b.
Следовательно, результирующий изгибающий момент в стационарном режиме, передаваемый к ступице, уменьшается согласно следующей формуле:
где:
Oxy - система координат, в которой начало координат находится в закрепленной части опорного элемента для лопасти, при этом ось x проходит в радиальном направлении, а ось у параллельна оси вращения,
М - результирующий изгибающий момент в стационарном режиме,
са
Х - радиальное положение центра аэродинамической силы,
cg
X - радиальное положение центра тяжести,
cg
Y - вертикальное положение центра тяжести.
В) Нестационарные силы представляют собой силы, образованные в результате:
взаимодействия между аэродинамическим полем, созданным вокруг лопасти, и конструкцией, поддерживающей вентилятор или корпус, в котором он находится, причем данные силы пропорциональны аэродинамическим силам в стационарном режиме,
работы в критических условиях, таких как резонанс лопасти или резонанс конструкции, при этом амплитуда данных сил зависит от пассивных и активных демпфирующих свойств лопасти,
взаимодействия с окружающей средой, например с потоком ветра или с другим оборудованием,
вихревых следов, созданных профилем лопасти, так что данные силы являются самоиндуцированными.
Амплитуда указанных сил повторяется циклическим образом, и по этой причине их также часто называют периодическими силами.
Указанные силы порождают явление усталости и поэтому представляют повышенную опасность с точки зрения ресурса лопасти по сравнению со стационарными силами. Кроме того, данные силы являются причиной вибрации конструкции, поддерживающей вентилятор.
В настоящее время для уменьшения вышеописанных сил применяются различные решения, касающиеся прикрепления лопасти и обеспечивающие усовершенствование конструкции готового изделия с уменьшением действующих на него нагрузок и снижением его стоимости.
Кроме того, целью данного изобретения является создание нового крепления для лопастей промышленных осевых вентиляторов, способного уменьшить влияние как стационарных, так и нестационарных нагрузок, и снизить стоимость указанного крепления.
На прилагаемых фиг. 2а, 2b, 2с, 2d и 2е изображены соединительные элементы, по существу известные в области промышленных осевых вентиляторов и применяемые на рынке для уменьшения стационарных и/или нестационарных нагрузок, созданных силами, действующими на лопасти в процессе эксплуатации, и ниже приведено краткое описание этих элементов.
Первый соединительный элемент содержит жесткое соединение, изображенное на фиг. 2а и 2b: в данном случае используется жесткая соединительная часть или элемент, жесткость которого (которой) в радиальном направлении превышает жесткость профиля.
Опора соединительного элемента на ступицу выполнена так, что ось аэродинамического профиля наклонена в вертикальной плоскости и имеет фиксированный угол а относительно идеальной плоскости вращения. Данная конфигурация, в которой центробежная сила направлена противоположно подъемной силе, обеспечивает возможность уменьшения стационарных нагрузок согласно вышеприведенной формуле (1), но не оказывает влияния на нестационарные нагрузки.
Другой соединительный элемент, известный в данной области техники, представляет собой шарнирное соединение, изображенное на фиг. 2с: шарнир, имеющий горизонтальную ось, действует как соединение между профилем и ступицей. В данном случае профиль может свободно поворачиваться перпендикулярно плоскости вращения вентилятора, таким образом, когда вентилятор находится в рабочем режиме, он стремится удерживать положение, в котором сила тяги уравновешена центробежной силой со сведением к минимуму стационарных нагрузок.
Еще один соединительный элемент, известный в данной области техники, представляет собой гибкое соединение, содержащее только один элемент, как показано на фиг. 2d, при этом один элемент, соединяющий профиль со ступицей, имеет такую высокую гибкость, что может изгибаться в вертикальной плоскости, не подвергаясь перенапряжению, что обеспечивает уменьшение как стационарных, так и нестационарных нагрузок.
Как и в предыдущем примере, следующий соединительный элемент представляет собой гибкое соединение, содержащее два наложенных друг на друга элемента, как показано на фиг. 2е, при этом два элемента, соединяющие профиль со ступицей, взаимодействуя друг с другом, изгибаются контролируемым образом в вертикальной плоскости, не испытывая перенапряжения. Стационарные и нестационарные нагрузки уменьшаются.
Еще одно соединительное устройство, известное в данной области техники, содержит соединительный элемент, изображенный на фиг. 2f Указанный соединительный элемент имеет переменную жесткость, соответствующее удлинение и дополнительный вес вблизи вершины лопасти, что вызывает вибрацию лопасти согласно второй моде колебаний с уменьшением тем самым как стационарных, так и нестационарных сил.
Следует подчеркнуть, что в процессе эксплуатации силы, действующие в стационарном режиме, стремятся деформировать лопасть так, чтобы она приобрела форму, соответствующую первой моде колебаний консольной балки.
В то же время центробежная сила стремится противодействовать деформации лопасти. Таким образом, чем длиннее соединительный элемент лопасти, тем больше смещение центра тяжести и тем больше уменьшение результирующего изгибающего момента в стационарном состоянии.
Воздействие центробежной силы линейным образом зависит от смещения центра тяжести, которое также линейным образом зависит от длины крепления лопасти.
Динамическая реакция лопасти на переменные нагрузки зависит от ее модальных характеристик.
Лопасть вентилятора можно схематически представить как консольную балку (крепление), закрепленную на одном конце и содержащую подвешенную жесткую массу (профиль) на свободном конце. Безотносительно обсуждения, если считать, что крепление имеет неизменное поперечное сечение, собственные частоты лопасти обратно пропорциональны квадрату длины крепления согласно следующему выражению:
где:
i
ω-i-я собственная частота,
L - длина крепления,
Е - модуль Юнга,
J - момент инерции при изгибе,
m = приведенная масса, приходящаяся на единицу длины.
Принимая во внимание одинаковую радиальную протяженность крепления, изобретение обеспечивает увеличение длины вследствие кривизны профиля по сравнению с известными устройствами, а это означает, что для идентичной лопасти вентилятора собственные частоты лопасти будут значительно ниже.
Если рассматривать лопасть осевого вентилятора как систему с взаимной зависимостью массы, затухания и жесткости, и предположить, что она аналогична системе с несколькими степенями свободы (MDoF системе), то при возбуждении в системе динамических колебаний под действием сил, являющихся функцией времени f(t), уравнение движения выглядит следующим образом:
где:
М - матрица массы лопасти,
С - матрица коэффициента затухания,
К - матрица жесткости лопасти,
x(t) - вектор реакции системы,
f(t) - вектор силовой функции.
Система связанных дифференциальных уравнений (3) может быть преобразована из геометрической системы координат в систему из N несвязанных дифференциальных уравнений в модальных координатах с помощью хорошо известного метода модального анализа:
где:
i
m - масса, соответствующая i-й моде,
i
c - затухание, соответствующее i-й моде,
i
k - жесткость, соответствующая i-й моде,
i
p(t) - нагрузка, соответствующая i-u моде,
i
q(t) - координата, соответствующая i-й моде,
i=1, 2, … N.
i
i
Уравнение (4) может быть переписано в терминах динамических переменных: ω, которая представляет собой частоту системы, и δ, которая представляет собой коэффициент затухания моды, при этом указанные переменные определяются следующим образом:
Формула Рэлея для коэффициента затухания моды является хорошим приближением нелинейного затухания, типичного для узла из нескольких элементов:
Подставляя уравнение (7) в уравнение (6), затухание моды можно переписать в терминах собственной частоты:
0
1
где а и a представляют собой постоянные коэффициенты, зависящие от массы и параметров жесткости системы.
Функция (8) показана на фиг. 10.
Реакция лопасти в системе геометрических координат может быть получена в результате суперпозиции сдвигов, соответствующих каждой отдельной моде.
Очевидно, что уменьшение вклада, вносимого сдвигом для каждой отдельной моды, приводит к уменьшению общей реакции лопасти и, следовательно, к уменьшению влияния нагрузки на лопасть.
Вклад отдельной моды строго зависит от двух основных модальных параметров, указанных выше: частоты и затухания моды. Как показано на фиг. 10, уменьшение частоты лопасти приводит к большему затуханию, что означает уменьшение реакции лопасти и, как указанно выше, нагрузок на лопасть.
Таким образом, в данной области техники существует необходимость создания соединительного элемента, который при одном и том же радиальном размере и под воздействием одинаковых нагрузок обеспечивает возможность получения большего сдвига и, следовательно, большего противодействующего эффекта по сравнению с известными лопастными узлами.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью данного изобретения, соответственно, является создание соединительного элемента для промышленных осевых вентиляторов, который может обеспечить вынужденное изменение модальных параметров лопасти, а именно частот и видов деформации, при воздействии на нее нестационарных нагрузок. В рамках указанной цели задачей данного изобретения является создание соединительного элемента, предназначенного для присоединения аэродинамического профиля к ступице осевого промышленного вентилятора и способного минимизировать влияние нестационарных нагрузок на лопастное устройство.
Более конкретно, задачей данного изобретения также является создание соединительного элемента, который может обеспечить уменьшение реакции лопасти на переменные нагрузки в целом и на резонансный режим в частности.
Другой задачей данного изобретения является создание соединительного элемента, который обеспечивает возможность минимизации собственных частот устройства относительно известных устройств, при этом для первых мод соответствующее затухание выше по сравнению с известными решениями, а для мод более высокого порядка соответствующее затухание ниже.
Для достижения указанной цели, а также указанных и других задач, которые станут более понятны из нижеприведенного подробного описания предпочтительного варианта выполнения, являющегося исключительно иллюстративным и не ограничивающего данное изобретения, в изобретении предложен соединительный элемент, имеющий прямоугольное поперечное сечение и L-образное продольное сечение, причем короткая сторона буквы «L» соединена со ступицей, а ее длинная сторона - с профилем, при этом типичное соотношение между указанными двумя сторонами составляет 0,1.
Собственные частоты лопастного устройства, содержащего соединительный элемент согласно данному изобретению, ниже собственных частот известных устройств, при этом для первых мод соответствующее затухание выше, чем в известных решениях, а для мод более высокого порядка соответствующее затухание ниже. Вследствие распределения возбуждающих сил, только первые три моды вносят существенный вклад в реакцию лопасти, таким образом, реакция лопасти на циклические нагрузки сильно ослаблена. Кроме того, возбуждающие циклические нагрузки имеют пространственное (радиальное) распределение, амплитуда которого является функцией времени согласно следующей формуле:
где:
g(x) - функция только радиального положения,
h(t) - периодическая функция.
Это означает, что по прошествии половины периода силовая функция имеет точно такую же амплитуду, но с противоположным знаком. Деформированная форма устройства имеет другую симметрию, поскольку закрепление не является симметричным, как лучше видно на фиг. 3а и 3b. Первым главным следствием данного конкретного вида деформации является тот факт, что реакция лопасти является более ослабленной. Вторым следствием является то, что собственная частота лопасти не является постоянной и, следовательно, фактически отсутствует резонансное состояние.
Таким образом, по сравнению с известным лопастным устройством, которое вследствие усиления реакции, как правило, не может работать в большом диапазоне скоростей, приближенных к критической, в лопастном устройстве согласно данному изобретению, которое содержит соединительный элемент согласно данному изобретению и также является частью данного изобретения, указанный диапазон скоростей существенно уменьшен, и во многих случаях ограничение по диапазону рабочих скоростей отсутствует.
В сравнении с уровнем техники соединительный элемент согласно данному изобретению обеспечивает возможность уменьшения реакции лопастного устройства на переменные нагрузки в целом и на резонансный режим в частности.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Дополнительные особенности и преимущества данного изобретения станут более понятны из нижеприведенного подробного описания предпочтительного варианта выполнения, являющегося исключительно иллюстративным, а не ограничивающим, и изображенного на прилагаемых чертежах, на которых:
фиг. 1a, 1b, 2а, 2b, 2с, 2d, 2е и 2f изображают различные примеры лопастных узлов осевых вентиляторов согласно уровню техники,
фиг. 3а и 3b изображают два состояния деформации лопастного устройства, содержащего соединительный элемент согласно данному изобретению,
фиг. 4а и 4b изображают силы, действующие на лопастное устройство, содержащее соединительный элемент согласно данному изобретению,
фиг. 5 изображает вид сбоку лопасти, присоединенной к ступице с помощью соединительного элемента согласно данному изобретению,
фиг. 6 изображает вид сверху соединительного элемента согласно одному варианту выполнения данного изобретения,
фиг. 7 изображает вид в аксонометрии соединительного элемента, показанного на фиг. 6, после изгибания,
фиг. 8 изображает соединительный элемент согласно второму варианту выполнения данного изобретения, полученный путем поперечной экструзии или пултрузии,
фиг. 9 изображает вид сбоку соединительного элемента, показанного на фиг. 8, на котором можно видеть переменное поперечное сечение, полученное путем экструзии или пултрузии, и увеличение толщины в самой критической области,
фиг. 10 изображает график затухания колебаний как функции собственной частоты лопастного устройства,
фиг. 11а и 11b изображают различные возможные конфигурации соединительного элемента согласно данному изобретению, повернутого соответственно вверх и вниз,
фиг. 12 иллюстрирует пример установки промышленного осевого вентилятора, содержащего лопастное устройство с соединительным элементом согласно данному изобретению,
фиг. 13 изображает соединительный элемент согласно данному изобретению, присоединенный к ступице болтами,
фиг. 14 изображает соединительный элемент согласно третьему варианту выполнения данного изобретения, в котором угол между двумя частями соединительного элемента представляет собой угол конусности лопасти,
фиг. 15 и 16 изображают соединительный элемент согласно третьему варианту выполнения данного изобретения, в котором угол конусности получают различными, но простыми способами.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с вышеперечисленными чертежами основной задачей данного изобретения является создание соединительного элемента для присоединения аэродинамического профиля к ступице промышленного осевого вентилятора.
Как указано выше, данное изобретение относится к соединительному элементу 1, который состоит из очень простого элемента (см., например, фиг. 5-7), имеющего по существу прямоугольное поперечное сечение и L-образное продольное сечение, имеющее первую часть 1а, проходящую по существу прямолинейным образом, и вторую часть 1b, проходящую прямолинейным образом, при этом первая часть 1а и вторая часть 1b соединены связующей частью 1с, имеющей радиус кривизны, так, что указанные части 1а и 1b лежат в по существу перпендикулярных плоскостях.
Первая часть 1а L-образного профиля, которая является более короткой частью, предназначена для присоединения к ступице 20, тогда как вторая часть 1b, являющаяся более длинной частью, предназначена для присоединения к аэродинамическому профилю 10, при этом связующая часть 1с соединяет короткую часть 1а и длинную часть 1b.
Лопастное устройство 100, содержащее соединительный элемент 1 согласно данному изобретению, также является частью изобретения.
Лопастное устройство 100 для промышленных осевых вентиляторов отличается тем, что под воздействием нестационарных нагрузок лопасть вынужденно изменяет свои модальные характеристики, а именно частоты и виды деформации, как описано выше.
Авторами изобретения были проведены функциональные испытания для сравнения лопастного устройства 100, выполненного согласно данному изобретению и содержащего соединительный элемент 1 согласно изобретению, с устройствами, известными из уровня техники. Результаты подтвердили, что при использовании соединительного элемента 1 согласно данному изобретению собственные частоты устройства на 20% ниже по сравнению с уровнем техники, а коэффициенты затухания первых трех мод колебаний соответственно на 24%, 15% и 3% выше, чем те же коэффициенты для известного лопастного устройства, при этом только затухание четвертой моды на 4% ниже.
Для обычного режима нагрузки лопастного устройства относительный коэффициент участия первых четырех мод составляет соответственно 0,43, 0,24, 0,14 и 0,09. Таким образом, реакция лопасти устройства на данную систему нагрузок полностью определяется суперпозицией реакций указанных четырех мод.
Вследствие разностей в коэффициенте затухания максимальная реакция лопастного устройства 100 согласно данному изобретению, содержащего предложенный соединительный элемент 1, на 22% ниже по сравнению с реакцией лопастного устройства, известного из уровня техники. Учитывая, что нагрузки на лопасть пропорциональны ее реакции, изобретение обеспечивает существенное уменьшение нагрузок, действующих на лопасть.
Кроме того, соединительный элемент 1 согласно данному изобретению имеет дополнительную, очень важную характеристику, а именно является несимметричным.
Влияние указанных факторов на поведение устройства пояснено ниже со ссылкой на фиг. 3а и 3b.
В процессе эксплуатации стационарные статические силы (вес W и подъемная сила L) стремятся деформировать лопасть 10 так, чтобы она приобрела форму, соответствующую первой моде колебаний консольной балки.
В то же время центробежная сила С стремится противодействовать деформации лопасти.
Воздействие центробежной силы С линейным образом зависит от смещения центра тяжести, которое также линейным образом зависит от длины крепления лопасти.
Для одного и того же радиального размера и под воздействием одинаковых нагрузок лопастное устройство согласно данному изобретению, содержащее соединительный элемент, длина которого больше длины известных соединительных элементов, может обеспечить большее смещение лопасти и, следовательно, больший противодействующий эффект по сравнению с лопастью, известной из уровня техники.
Как ясно видно из фиг. 5-7, конструкция и профиль соединительного элемента 1 согласно данному изобретению являются очень простыми для изготовления. Соединительный элемент 1 может быть выполнен с сохранением его индивидуальных особенностей несколькими различными способами, что обеспечивает возможность достижения очень низких производственных расходов по сравнению с расходами на соединительные элементы, доступные на рынке в настоящее время.
Другие преимущества, обеспечиваемые лопастным устройством согласно данному изобретению благодаря соединительному элементу согласно изобретению, заключаются в следующем:
- соединительный элемент 1 может быть получен в результате простого процесса изготовления, включающего первый этап резки и второй этап сверления, начиная с заготовки листа из алюминия, стали или другого соответствующего материала и в соответствии с требуемой формой, и окончательный этап изгибания (см. фиг. 5-7),
- соединительный элемент 1 может быть получен в результате процесса изготовления, включающего первый этап резки и второй этап сверления, начиная с заготовки, полученной путем экструзии или пултрузии (ссылка сделана на фиг. 8 и 9), при этом следует понимать, что данная экструзия обеспечивает возможность простой реализации различных форм, которые могут обеспечить дополнительные важные преимущества: например, может быть обеспечена увеличенная толщина там, где предполагаются более высокие механические напряжения, т.е. в зоне соединения со ступицей (см. фиг. 9),
- соединительный элемент 1 может быть получен в результате процесса изготовления, включающего первый этап резки и второй этап сверления, начиная с элемента, полученного путем пултрузии или формования из пластмассового или стекловолокнистого материала,
- соединительный элемент 1 может быть получен в результате процесса изготовления, включающего первый этап резки и второй этап сверления, начиная с простого L-образного профиля.
L-образный соединительный элемент согласно данному изобретению может быть в конечном счете объединен с известным устройством для усиления его полезных эффектов.
Другое преимущество, обеспечиваемое соединительным элементом согласно данному изобретению, заключается в его асимметричной форме: благодаря L-образному несимметричному профилю элемент 1 может быть собран так, что связующая часть 1с повернута либо вверх, либо вниз (фиг. 5а и 5b), при этом несимметричная форма соединительного элемента обеспечивает возможность подъема или опускания плоскости вращения лопасти в соответствии с требованиями установки (см. фиг. 12).
Разумеется, соединительный элемент может быть прикреплен к ступице 20 при помощи одного или нескольких болтов в зависимости от условий эксплуатации (см. фиг. 13).