Лопасть для промышленного осевого вентилятора и промышленный осевой вентилятор, содержащий такую лопасть
BLADE FOR INDUSTRIAL AXIAL FAN AND INDUSTRIAL AXIAL FAN COMPRISING SUCH BLADE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение касается лопасти для промышленного осевого вентилятора и промышленного осевого вентилятора, содержащего такую лопасть.
Осевые вентиляторы для промышленного применения обычно содержат втулку и одну или несколько лопастей, лопасти обычно содержат две части: перо, выполняющее функцию перемещения воздуха, и крепление, выполняющее функцию связывания пера с втулкой.
Крепление может быть или элементом, изготовленным отдельно от пера и далее соединенным с ним, или оно может быть неотъемлемой частью лопасти, выполненной как единое целое с пером. В последующем описании один и тот же термин «крепление» будет использован независимо от того, как оно выполнено относительно пера.
Очевидно, что крепление должно выдерживать нагрузки, создаваемые при работе вентилятора и являющиеся максимальными при указанной работе, следовательно, конструкция крепления очень важна и оказывает сильное влияние на срок службы изделия и цену. Более того, крепление передает вибрации, выработанные циклическими нагрузками на лопасть, на приводящее в действие оборудование осевого вентилятора и даже на окружающую структуру. Эти вибрации создают много проблем для механического динамического сопротивления компонентов осевого вентилятора, эти проблемы очень трудно решить, и они увеличивают важность указанного элемента.
Уровень техники
В области осевых вентиляторов известно много различных технических решений по соединению лопасти и втулки вентилятора.
Чтобы кратко рассмотреть существующий уровень техники, важно пересмотреть статические и динамически силы, действующие на лопасти промышленного осевого вентилятора во время его работы, в частности действие центробежных сил.
Далее будут описаны различные решения, известные в рассматриваемой области и направленные на уменьшение установившихся и/или неустановившихся нагрузок на элемент, соединяющий профиль пера с втулкой осевого вентилятора.
Силы, действующие на лопасти осевого вентилятора во время работы, могут быть разделены на установившиеся силы А. и неустановившиеся силы В.
A. Установившиеся силы, как показано на фиг. 1A, являются следующими:
- подъемная сила (L);
- сила тяги (D);
- центробежная сила (С);
- вес (W) лопасти;
Если ось лопасти расположена под углом α относительно идеальной плоскости вращения, ясно, что центробежная сила разделится на два компонента, один из которых расположен продольно плоскости лопасти, а другой расположен перпендикулярно плоскости лопасти в направлении, противоположном направлению подъема, как показано на фиг. 1B.
Соответственно, сила, перпендикулярная плоскости лопасти, будет меньше в соответствии со следующей формулой:
B. Неустановившиеся силы, которые выработаны из-за:
- взаимодействия аэродинамического поля, созданного вокруг лопасти, и структуры, поддерживающей вентилятор, или корпусом, в котором расположен вентилятор; они пропорциональны установившимся аэродинамическим силам;
- работы в критических условиях, таких как резонанс лопасти или резонанс структуры; их амплитуда изменяется в зависимости от пассивных и активных демпфирующих свойств лопасти;
- вмешательства окружающей среды, например ветра или другого оборудования;
- завихренных спутных струй, созданных профилем лопасти, так что они являются самоиндуцированными.
Их амплитуда циклически повторяется, по этой причине их также обычно называют периодическими силами.
Эти силы являются причиной усталостных явлений, следовательно, они опаснее для срока службы лопасти, чем установившиеся силы.
Крепления, которые фактически известны в рассматриваемой области и которые используются для уменьшения установившихся и/или неустановившихся нагрузок, выработанных силами, действующими на лопасти во время их работы, показаны на приложенных фиг. 2A, 2B, 2C и 2D и будут кратко описаны в настоящем документе.
Лопасть, содержащая первый тип крепления, содержит жесткое соединение, показанное на фиг. 2A: используется жесткое крепление, жесткость которого в радиальном направлении больше жесткости профиля.
Поддержка крепления лопасти к втулке выполнена так, чтобы ось пера была наклонена относительно вертикальной плоскости и образовывала фиксированный угол α с идеальной плоскостью вращения. Эта конструкция, благодаря тому, что вертикальный компонент центробежной силы противодействует подъему, позволяет уменьшить установившиеся нагрузки в соответствии с упомянутой выше формулой (1), но не оказывает воздействия на неустановившиеся нагрузки.
Другой тип крепления лопасти, известный в технике, содержит шарнирное соединение, показанное на фиг. 2B: шарнир с горизонтальной осью действует как соединение пера и втулки. В этом случае перо свободно вращается перпендикулярно плоскости вращения вентилятора, следовательно, когда вентилятор работает, оно стремится сохранить положение, в котором сила тяги сбалансирована центробежной силой, минимизируя установившиеся и неустановившиеся нагрузки.
Другое крепление лопасти, известное в технике, содержит гибкое соединение, образованное одним элементом, который отделен от пера, как показано на фиг. 2C, и соединяет перо с втулкой и обладает такой высокой гибкостью, что он может изгибаться в вертикальной плоскости без перенапряжения, уменьшая как установившиеся, так и неустановившиеся нагрузки.
Снова, другой тип крепления содержит гибкое соединение, образованное двумя перекрывающимися элементами, которые отделены от пера, как показано на фиг. 2D, и соединяют перо с втулкой, и которые взаимодействуют друг с другом, и изгибаются контролируемым образом в вертикальной плоскости без перенапряжения. Установившиеся и неустановившиеся нагрузки будут уменьшены.
Необходимо подчеркнуть, что в описанных выше системах, которые в настоящее время используются в промышленности, лопасти склонны деформироваться или деформируются под воздействием периодических рабочих нагрузок, моделируя форму (смотри отклонение на фиг. 3A), аналогичную форме консольной балки, вибрирующей в соответствии с первым режимом вибрации (фиг. 3B). Эта характеристика влечет за собой то, что усиливается энергия, поданная к лопасти и далее переданная на втулку и затем на структуру. Фактически энергия, деформирующая лопасть, вычисляется следующим образом:
Где  - вектор силы тяги в рассматриваемом радиальном сегменте г;
- вектор отклонения системы в рассматриваемом радиальном сегменте г;
1
r - радиальное положение соединения между лопастью и втулкой;
2
r - радиальное положение кромки лопасти.
Для того чтобы лучше объяснить приведенную выше формулу (2), на фиг. 3B схематично показан первый режим вибрации консольной балки. Как хорошо известно, скалярное произведение двух векторов обладает положительным знаком, когда оба вектора направлены одинаково, и обладает отрицательным знаком, когда они направлены противоположно; модуль произведения пропорционален модулям двух векторов. Для первого режима вибрации отклонение s(r) является монотонно возрастающей функцией вдоль радиального профиля; приложенная периодическая сила f(r) также является функцией, монотонно возрастающей вдоль профиля. Следовательно, для системы, вибрирующей в первом режиме, интеграл из формулы (2) является суммой только положительных чисел, экспоненциально возрастающих по модулю вдоль расстояния (r).
Известные в технике лопасти, особенно лопасти, показанные на фиг. 2A и 2C и 2D, под действием периодических нагрузок обладают обычно деформированной формой лопасти, аналогичной форме консольной балки, вибрирующей в соответствии с первым режимом вибрации, где отклонение ds каждого единичного сегмента лопасти увеличивается вдоль радиального профиля и, соответственно, также увеличивается периодическая сила f(r). Дополнительно, оба эти параметра, отклонения сегмента и возбуждающие силы, изменяют свои направления в фазе.
В результате можно заключить, что в таких системах энергия, поданная к лопасти, усиливается, что также происходит с нагрузками, действующими на крепление.
Раскрытие сущности изобретения
Следовательно, цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить лопасть для промышленного осевого вентилятора, подходящую для уменьшения энергии, поданной к лопасти и передаваемой к структуре.
В рамках этой цели, задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить крепление, соединяющее перо лопасти с втулкой промышленного осевого вентилятора, подходящее для минимизации действия неустановившихся нагрузок.
Дополнительно, также задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить крепление, подходящее для того, чтобы заставлять лопасть, подверженную воздействию неустановившихся нагрузок, вибрировать в соответствии со вторым режимом вибрации консольной балки, вместо первого режима вибрации, как в существующем уровне техники, таким образом, минимизируя действие неустановившихся нагрузок.
Другая цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить лопасть для промышленных осевых вентиляторов, которая может быть приспособлена к конкретным рабочим условиям осевого вентилятора, изменяя при этом геометрию соединительной части в соответствии с несколькими разными геометрическими параметрами.
Для того чтобы достичь этой цели и решить указанные и другие задачи, которые будут яснее из последующего подробного описания предпочтительных вариантов осуществления изобретения, которые являются только иллюстрацией и не ограничивают настоящее изобретение, в настоящем изобретении предложено конкретное крепление для лопасти, которое содержит точку перегиба при воздействии неустановившихся рабочих нагрузок.
Из фиг. 4B ясно, что во втором режиме вибрации функция s(r) отклонения сначала является вогнутой на одной стороне и далее является вогнутой на противоположной стороне, образуя перегиб в точке перехода.
Следовательно, часть системы деформируется в одном направлении (фиг. 4B) и часть - в противоположном направлении. Наоборот, приложенные периодические силы обладают только одним направлением, и их величина растет вдоль радиального профиля; следовательно, часть этих нагрузок находится в фазе с деформациями, а часть находится в противофазе с соответствующими деформациями. Далее, для этого режима вибрации интеграл из формулы (2) является суммой положительных и отрицательных чисел, которые не являются непрерывно увеличивающимися.
Соответственно, для тех же самых периодических сил, что и в первом режиме вибрации, значение интеграла будет бесспорно меньше, чем в предыдущем случае.
В качестве основного последствия, в системе, деформирующейся под воздействием периодических нагрузок в форме, аналогичной форме второго режима консольной балки, энергия, поданная в систему, будет минимизирована: следовательно, для лопастей, вибрирующих в соответствии со вторым режимом, будет минимизировано воздействие неустановившихся нагрузок.
Цель, заключающаяся в вибрации лопастей в соответствии со вторым режимом, который не является естественным для лопастей осевого вентилятора, была достигнута благодаря принуждению соединительного элемента деформироваться так, чтобы обладать по меньшей мере точкой перегиба.
Краткое описание чертежей
Другие характеристики и достоинства настоящего изобретения будут ясны из последующего подробного описания предпочтительного варианта осуществления изобретения, который является только иллюстрацией и не ограничивает изобретение и который показан на приложенных чертежах.
На фиг. 1A, 1B, 2A, 2B, 2C, 2D показаны различные примеры лопастей для осевых вентиляторов, соответствующих уровню техники;
на фиг. 3A - два деформированных состояния системы лопасти, которая находится в рабочих условиях и тип которой известен в технике;
на фиг. 3B - схема отклонения консольной балки в соответствии с первым режимом вибрации;
на фиг. 4A - деформированные состояния лопасти, соответствующей настоящему изобретению;
на фиг. 4B - схема отклонения консольной балки в соответствии со вторым режимом вибрации;
на фиг. 5 - изменение динамического коэффициента усиления при изменении отношения частот для разных значений коэффициента демпфирования;
на фиг. 6A - пример лопасти, тип которой известен в технике;
на фиг. 6B - лопасть, соответствующая первому варианту осуществления настоящего изобретения, в частности, для осевых вентиляторов небольших/средних размеров, в которых лопасть содержит крепление с сужающейся зоной;
на фиг. 6C - лопасть, соответствующая второму варианту осуществления настоящего изобретения, в котором перо содержит сужающуюся зону;
на фиг. 7 - лопасть, соответствующая третьему варианту осуществления настоящего изобретения, в частности, приспособленная для случая осевых вентиляторов размера средний-большой;
на фиг. 8 - пример лопасти, соответствующей четвертому варианту осуществления настоящего изобретения и содержащей крепление, которое выполнено отдельно от пера и далее соединено с пером;
на фиг. 9 - еще один вариант осуществления лопасти, соответствующей настоящему изобретению и отличающейся тем, что крепление обладает U-образным поперечным сечением;
на фиг. 10 - еще один вариант осуществления лопасти, соответствующей настоящему изобретению и отличающейся тем, что толщина поперечного сечения крепления уменьшается вдоль его продольного направления.
Осуществление изобретения
Со ссылками на упомянутые выше фигуры, основная задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить новую лопасть для промышленных осевых вентиляторов, при этом лопасть, подвергающаяся воздействию неустановившихся нагрузок, вынуждена вибрировать в режиме, аналогичном второму режиму вибрации консольной балки.
Этот результат достигается за счет конструкции лопасти и, в частности, ее крепления и/или расположенного рядом пера, чтобы лопасть обладала точкой перегиба при деформации под воздействием рабочих неустановившихся нагрузок.
Более того, воздействуя на вес лопасти и/или распределение веса, могут быть достигнуты дополнительные преимущества.
В настоящем документе описано влияние этих факторов на поведение системы.
Во время работы периодические силы стремятся циклически деформировать верх и низ лопасти и ее крепление. Естественным образом лопасть принимает деформированную форму, показанную на фиг. 4A и аналогичную второму режиму вибрации, показанному на фиг. 4B. В то же время, центробежная сила стремится противодействовать деформации лопасти, развивающейся в соответствии с первым режимом. Действие, оказываемое центробежной силой, линейно зависит от деформации, при этом деформация не оказывает влияния на периодические силы.
Жесткость в креплении играет ключевую роль для эффективности центробежной силы. Фактически от жесткости и распределения жесткости в креплении зависит деформация.
Крепление, которое является более жестким на участке втулки и менее жестким на стороне пера, усиливает эффективность центробежной силы.
С надлежащим изменением жесткости вдоль радиального направления можно получить точку перегиба, так что выпуклость деформированной лопасти может перевернуться вдоль радиуса, позволяя лопасти деформироваться настолько схоже со вторым режимом вибрации, насколько возможно.
Что касается веса лопасти, возможность центробежной силы осуществить переворачивание выпуклости деформации зависит от его значения и его распределения по радиусу.
В обычной лопасти промышленного вентилятора распределение веса таково, что оно уменьшается от основания к кромке, так как размер и толщина стенки пера также уменьшаются в указанном направлении.
Следовательно, центробежной силы в действии может быть недостаточно для выработки нужной точки перегиба в креплении, как желательно.
Добавление веса на участке кромки усиливает эффективность центробежной силы и может помочь процессу.
Лопасть и осевой вентилятор, содержащий такую лопасть, которая соответствует настоящему изобретению, получает существенное улучшение относительно уровня техники, заключающееся в уменьшении периодических нагрузок.
Другая важная характеристика настоящего изобретения заключается в том, что оно ведет к более высокой сопротивляемости относительно неустановившихся нагрузок по сравнению с системами, соответствующими уровню техники, в том числе содержащими шарниры, так как изменение жесткости вдоль профиля, объединенное с дополнительными весами на кромке лопасти, существенно уменьшает реакцию лопасти на периодические нагрузки, в частности, в условиях резонанса, как будет описано ниже.
Рассматривая лопасть осевого вентилятора как систему масса-демпфирование-жесткость и предполагая, что она аналогична простой системе с одной степенью свободы (SDoF), когда система динамически возбуждается зависящей от времени силой f(t), уравнение движения записывается следующим образом:
где m - масса лопасти;
с - коэффициент демпфирования;
k - жесткость лопасти;
x(t) - реакция системы;
f(t) - вынуждающая функция.
Решение для уравнения (3) представляет собой сумму из двух частей: однородной части, описывающей свободные вибрации, и отдельной части, описывающей вынужденную реакцию. Свободная вибрационная реакция системы с демпфированием затухает со временем, следовательно, в сравнительно короткое время реакция системы будет соответствовать вынужденной вибрации, частота которой совпадает с частотой силы.
Самой обычной периодической силой, возбуждающей лопасть вентилятора, является простая синусоидальная функция с частотой ω; формула (3) преобразуется к следующему виду:
n
где F и X представляют собой возбуждающую силу и реакцию системы соответственно. Уравнение (4) может быть переписано в терминах динамических переменных ω, которая является частотой системы, и δ, которая является коэффициентом демпфирования, и которые определяются следующим образом:
st
где X - реакция системы на статическую нагрузку F;
n
Ω - отношение частот лопасти и силы (=ω/ω).
Элемент с левой стороны формулы (7) называется динамическим коэффициентом усиления, и является множителем, на который усиливаются реакции отклонения благодаря тому факту, что внешняя сила является динамической, а не статической.
Динамический коэффициент усиления зависит от отношения Ω частот и коэффициента демпфирования. Его изменение в зависимости от отношения частот для разных значений коэффициента демпфирования показано на фиг. 5.
В условиях резонанса, Ω=1, коэффициент обладает максимальным значением:
Коэффициент с демпфирования зависит от материала.
Для настоящего изобретения уменьшение жесткости (k) соединительной части оставляет массу (m) практически неизменной даже с учетом массы, которую можно добавить на кромку пера, но значительно уменьшает жесткость (k).
В результате, относительно существующего уровня техники, в настоящем изобретении в целом уменьшают реакцию на периодические нагрузки и, в частности, на условия резонанса.
Настоящее изобретение может быть целесообразно применено, технически и с точки зрения цены, для целого ряда охлаждающих осевых вентиляторов, от малых, то есть 500 мм в диаметре, до больших, то есть 20 м в диаметре, и в обоих случаях, когда соединительная часть является неотъемлемой частью пера и когда крепление является отдельным элементом относительно пера.
Ниже в настоящем описании будет представлено несколько примеров различных предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения.
В первом варианте осуществления лопасти, соответствующей настоящему изобретению, рассматривается лопасть малого/среднего размера со ссылкой на фиг. 6B.
Малые лопасти, в целом, изготовляют как цельнолитое алюминиевое или стеклопластиковое изделие, или изделие из литьевого пластика. На фиг. 6A показана обычная малая лопасть, соответствующая уровню техники. На фиг. 6B показана лопасть, соответствующая настоящему изобретению.
Реализация изобретения в этом случае достаточно проста, так как материал впрыскивают в форму и легко получается изделие любой формы.
Для оптимизации требуемой деформации, в варианте осуществления изобретения по фиг. 6B, лопасть содержит соединительную часть 10, которая продолжается, в основном, в продольном направлении и которая содержит первую часть 11 для соединения с втулкой осевого вентилятора, вторую часть 14 для соединения с пером 20, сужающуюся зону 13 и два поперечных ребра 15. Более подробно, в варианте осуществления изобретения по фиг. 6B поперечное сечение соединительной части 10 обладает I-образным профилем, снабженным поперечными ребрами 15, продолжающимися по существу перпендикулярно относительно продольного направления соединительной части 10, и может уменьшаться по высоте и ширине вдоль профиля, то есть вдоль продольного направления длины соединительной части 10.
Это, помимо возможного изменения толщины и ширины основной части 12 соединительной части 10, приводит к тому, что лопасть вибрирует во втором режиме вибрации.
Вдоль длины соединительной части 10, то есть вдоль продольного направления, в области, расположенной рядом с участком перегиба, может быть предусмотрена сужающаяся зона 13, где жесткость совпадает и/или меньше по сравнению с жесткостью как первой части 11, так и второй части 14, что сделано для улучшения минимизации нагрузок и увеличения диапазона рабочих условий, когда участок перегиба расположен близко к идеальной точке.
На кромке лопасти может быть закреплен дополнительный вес, при этом на конце кромки образуется пространство большей толщины.
В случае средних-больших лопастей, то есть до 20 м в диаметре вентилятора, соединительная часть 10' лопасти, соответствующей другому варианту осуществления настоящего изобретения, показанному на фиг. 7, обладает четырехугольным, предпочтительно прямоугольным, поперечным сечением.
Поперечное сечение соединительной части 10' уменьшается вдоль продольного направления, а также толщина прямоугольного профиля уменьшается вдоль продольного направления, как показано на фиг. 7, от первой части 11' для соединения с втулкой осевого вентилятора до второй части 14' для соединения с лопастью или пером 20'.
Соединительная часть может быть реализована как единое изделие, выполненное из стеклопластика с помощью литья. В этом случае, в общем, структура материала выполнена из стеклопластиковой ткани, расположенной в формах, и далее, обогащенной каучуком.
Решением, эффективным с точки зрения цены, может быть усеченный участок, показанный на фиг. 7.
В качестве альтернативы, чтобы лопасть вибрировала во втором режиме, участок перегиба может быть предусмотрен в первой части пера, локально уменьшая жесткость толщины профильной стенки, аналогично первому варианту осуществления изобретения, показанному на фиг. 6B.
Пример этого варианта осуществления изобретения показан на фиг. 6C, где перо 20'' содержит сужающуюся зону 13''. В этом случае перо и соединительная часть образуют один элемент.
Такого же результата можно добиться путем уменьшения толщины стенки в поперечном сечении профиля лопасти, обычно лопастей с полым профилем.
В качестве еще одного варианта, к кромке профиля пера во время операции литья может быть прикреплен дополнительный вес (часть W на фиг. 7) или этот вес может быть зафиксирован другими способами после литья.
В соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения, лопасть может содержать соединительную часть 10''', которая выполнена как отдельная часть относительно пера 20''', как показано на фиг. 8.
В этом случае соединительная часть 10''' может быть выполнена из стеклопластика или впрыскиваемого материала и может быть различным внутренним или внешним образом соединена с пером 20'''.
На фиг. 8 показана соединительная часть 10''' в деформированном состоянии, то есть в осевом вентиляторе в рабочем состоянии.
Еще один пример предпочтительного варианта осуществления лопасти, соответствующей настоящему изобретению, содержит соединительную часть 10'''', отличающуюся U-образным участком, который содержит поперечные ребра 15'''', как показано на фиг. 9; ширина и поперечные ребра могут уменьшаться в размере вдоль профиля, в продольном направлении от первой части 11'''' для соединения с втулкой осевого вентилятора до второй части 14'''' для соединения с пером 20'''', с целью достижения при работе нужной деформации в точке перегиба.
Несколько систем изготовления могут быть использованы для изготовления такого элемента; простая система заключается в обрезании до нужного размера многослойного листа и его дальнейшего сгибания.
Отдельная соединительная часть 10'''' будет содержать участок, который продолжается внутрь пера 20'''' больше, чем на десять процентов, для лучшего распределения деформации при большом растяжении и одновременном уменьшении нагрузок на профиль, что объясняется более близким расположением соединения к кромке.
Конечно, участок соединительной части, который находится внутри пера, обладает надлежащим зазором относительно стенок пера, чтобы деформироваться без касания пера.
Еще один вариант осуществления лопасти для промышленного осевого вентилятора, соответствующей настоящему изобретению, показан на фиг. 10, где соединительная часть 10''''' лопасти обладает полым профилем с четырехугольным поперечным сечением, толщина стенок указанного поперечного сечения уменьшается вдоль продольного направления соединительной части 10''''', жесткость соединительной части уменьшается вдоль продольного направления, при этом вдоль соединительной части не предусмотрена сужающаяся зона.
Ниже приведено несколько примеров соединительной части лопасти, соответствующей настоящему изобретению и реализованной для вентилятора малого/большого размера и вынуждающей его вибрировать во втором режиме.
2
Для вентилятора с диаметром 10 м, общая длина лопасти составляет 3,5 м, значение жесткости соединительной части в месте соединения с втулкой составляет 4⋅10 кг⋅мм, отношение жесткости на расстоянии 2 м является одной пятой значения для втулки, и вес на кромке будет помогать лопасти вырабатывать центробежную силу, равную 34000 Н.
Эти значения могут быть совершенно другими, для того же вентилятора, когда используются крепление другого типа; например, тот же самый эффект может быть получен с помощью в три раза более тяжелой соединительной части и с центробежной силой в 60000 Н.