用於工業軸流風扇的葉片和包括這種葉片的工業軸流風扇的製作方法

2023-05-02 10:05:21 1

本發明涉及用於工業軸流風扇的葉片和包括這種葉片的工業軸流風扇。

用於工業應用的軸流風扇通常包括轂和一個或多個葉片，葉片基本上包括兩個零件，具有移動空氣的功能的翼型件(airfoil)，以及具有將翼型件連結到轂的功能的附接部。

該附接部可以是與翼型件分開製造然後連接到翼型件的元件，或者其可以是葉片的整體部分，與翼型件一起作為單件製成。在下面的描述中，將使用相同的術語「附接部」，而不管它是如何參照翼型件製成的。

顯然，附接部必須承受在風扇運行時產生的載荷，載荷在這個位置具有其峰值，因此附接部的設計是非常關鍵的，並且非常影響產品的耐久性和價格。此外，該附接部將由葉片上的循環載荷產生的振動傳遞到軸流風扇的驅動裝備，甚至傳遞到該設施的結構。這些振動在軸流風扇的部件的機械動態阻力方面產生許多問題，這些問題非常難以解決並且增加了該元件的重要性。

背景

在軸流風扇領域中，用於將葉片連接到風扇的轂的許多不同的技術方案是已知的。

為了簡要地討論現有技術，重要的是，在其運行期間，特別是關於離心力的作用，重新假定作用在工業軸流風扇的葉片上的靜態力和動態力。

然後，我們將描述本領域中實際已知的各種解決方案，其目的是減小在將翼型件輪廓(airfoil profile)連接到軸流風扇的轂的元件上的穩定和-或非穩定的載荷。

在運行過程中作用在軸流風扇的葉片上的力可以分為穩定力A)和非穩定力B)。

A)如在附圖1a中所示的，該穩定力如下：

-提升力(L)；

-拖拽力(D)；

-離心力(C)；

-葉片重量(W)。

如果葉片軸線相對於理想旋轉平面具有角度α，則離心力將清楚地分成兩個分量，一個徑向，且一個垂直於葉片平面，具有與提升方向相反的方向，如在圖1b中示出的。

因此，垂直於葉片平面的力將根據下面的公式被減小：

B)非穩定力，由以下產生：

-在葉片周圍產生的空氣動力學場與支撐風扇或包括風扇的殼體的結構之間的相互作用；它們與穩定的空氣動力學力成比例；

-在諸如葉片共振或結構共振的關鍵條件下的運行；它們的振幅根據葉片的被動和主動阻尼特性而變化；

-對類似風或其它裝備的環境的幹擾；

-由葉片輪廓產生的渦流尾流，使得其是自誘導的。

這些非穩定力的振幅周期性地重複，因此其通常也稱為交替力。

這些力產生疲勞現象，因此與穩定力相比，這些力對葉片壽命更危險。

在本領域中實際已知的並且在市場上用於減少在運行期間作用在葉片上的力所產生的穩定和/或非穩定載荷的附件部在附圖2a、2b、2c以及2d中示出，且本文將簡要描述。

包括第一類型的附接部的葉片包括示出在圖2a中的剛性連接部：硬的附接部被使用，其具有在徑向方向上比輪廓的剛度高的剛度。

葉片到轂的附接的支撐部被設計成使得翼型件軸線在豎直平面中傾斜並且相對於理想旋轉平面具有固定角度α。由於離心力的豎直分量與提升相反，因此這種布置允許根據上述公式(1)減小穩定載荷，但是對非穩定載荷沒有影響。

本領域已知的另一種類型的葉片附接部包括示出在圖2b中的鉸接連接部：具有水平軸線的鉸鏈充當在翼型件和轂之間的連接部。在這種情況下，翼型件自由地垂直於風扇旋轉平面旋轉，因此當風扇運行時，其傾向於保持牽引力由離心力平衡的位置，從而使穩定和非穩定的載荷最小化。

本領域已知的另外的葉片附接部包括由與翼型件分離的一個單一的元件組成的柔性連接部，如在圖2c中示出的，該柔性連接部將翼型件連接至轂，該柔性連接部具有這樣高的柔性使得其在豎直平面中彎曲，而不會使受應力過度，從而減少穩定和非穩定載荷。

再次，另一種類型的附接部包括由與翼型件分離的兩個摺疊的元件組成的柔性連接部，如在圖2d中示出的，該柔性連接部將翼型件連接至轂，這兩個重疊的元件彼此相互作用並將以受控的方式在豎直平面中彎曲，而不會使受應力過度。穩定和非穩定載荷將被減少。

必須強調的是，在如今在工業中所使用的上述系統中，該葉片傾向於在交替的運行載荷下變形或正在變形，模擬類似於根據第一振動模式(見圖3b)振動的懸臂梁的形狀的形狀(見位移圖3a)。該特性使得在葉片中引入並且因此傳遞到轂且然後傳遞到結構的能量被放大。事實上，使葉片變形的能量通過以下公式計算：

其中：

是在給定徑向截面r處的牽引力矢量；

是在給定徑向截面r處的系統的位移矢量；

r1是在葉片和轂之間的連接部的徑向位置；

r2是葉片尖端徑向位置。

為了更好地解釋上面的公式(2)，在圖3b中已經圖示了懸臂梁的第一振動模式。如熟知的，當兩個矢量中的兩者具有相同的方向時，兩個矢量的內積具有正符號，但是當兩個矢量中的兩者具有相反方向時，該內積具有負符號；該乘積的模數與兩個矢量的幅度成比例。對於第一振動模式，位移s(r)是沿徑向跨度的單調遞增函數；施加的交替力f(r)也是沿跨向(spanwise)的單調遞增函數。因此，對於按照第一模式振動的系統，方程(2)的積分是僅正數的和，沿著距離(r)在幅度方面呈指數增加。

本領域已知的葉片，特別是圖2a、和2c以及2d中的葉片，在交替載荷下具有具有類似於根據第一振動模式進行振動的懸臂梁的形狀的葉片的典型變形形狀，在第一振動模式中，每個葉片單個截面的位移ds沿徑向跨度增加，且交替力f(r)也相應地增加。另外地，這些參數，截面位移和激勵力，均正在同相位地改變它們的方向。

因此，可以得出結論，在這樣的已知系統中，引入到葉片中的能量被放大，並且作用在附件部上的載荷也被放大。

發明概述

因此，本發明的目標是提供一種用於工業軸流風扇的葉片，其適於減少引入葉片中並傳遞到結構的能量。

在這個目標內，本發明的目的是提供一種將葉片的翼型件連接到軸流工業風扇的轂的附接部，其適於使非穩定載荷的影響最小化。

另外，本發明的另一個目的是提供一種具有附接部的葉片，該附接部適於迫使受到非穩定載荷的葉片根據懸臂梁的第二振動模式振動，而不是根據現有技術中的第一振動模式振動，從而使非穩定的影響最小化。

本發明的另一個目的是提供一種用於工業軸流風扇的葉片，其可以根據軸流風扇的具體運行條件進行定製，根據數個不同的幾何參數改變連接部分的幾何形狀。

為了實現通過下面對本發明的僅僅說明性的而非限制性的優選實施方案的詳細描述將變得更清楚的這個目標和這些和其它目的，本發明向葉片提供了一種特定的附接部，以便當受到非穩定的工作載荷時具有拐點(inflection point)。

觀察圖4b，實際上，應注意，在第二振動模式中，位移函數s(r)首先在一側上具有凹度，然後在相對側上具有凹度，在該轉變點中具有彎曲。

因此，系統的一部分在一個方向上變形(圖4b中的區域A)，且一部分在相反的方向上變形。相反，所施加的交替力僅具有一個方向，並且其幅度沿著徑向跨度增加；因此這些載荷的一部分與變形同相位，但是它們的一部分與相關變形處於相反相位。然後對於這種振動模式，等式(2)的積分是正數和負數的和，其不是連續增加的。

因此，對於與第一振動模式相同的施加的交替力，其值無疑地低於前述情況。

作為主要結果，在交替載荷下以類似於懸臂梁的第二模式的形狀變形的系統中，系統中引入的能量將最小化：因此根據第二模式振動的葉片將使非穩定載荷影響最小化。

已經獲得了使葉片根據第二模式振動(這對於軸流風扇的葉片是不自然的)的目標，迫使連接元件以一種方式變形以具有至少一個拐點。

附圖描述

本發明的另外的特徵和優點從下面優選的實施方案的的詳細的描述將變得清楚，該優選的實施方案僅僅是示例性的且非限制性的，並示出在所附的附圖中，其中：

圖1a、1b、2a、2b、2c、2d示出用於根據現有技術的軸流風扇的葉片的不同的示例；

圖3a示出處於運行狀態的在本領域中已知的類型的葉片系統的兩個變形狀態；

圖3b示出根據第一振動模式的懸臂梁的位移圖示；

圖4a示出根據本發明的葉片的變形狀態；

圖4b示出根據第一振動模式的懸臂梁的位移圖示；

圖5表示對於不同的阻尼因子值，動態放大係數隨頻率比率的變化；

圖6a示出在本領域中已知的類型的葉片的示例；

圖6b示出根據本發明的第一實施方案的葉片，該葉片特別地用於小型/中型的軸流風扇，其中，該葉片包括具有頸縮區域的附接部；

圖6c示出根據本發明的第二實施方案的葉片，其中，該翼型件包括頸縮區域；

圖7示出根據本發明的第三實施方案的葉片，該葉片特別適用於中大型軸流風扇的情況；

圖8示出根據本發明的第四實施方案的葉片的示例，該葉片包括已經被製成與翼型件分離且然後連接的附接部；

圖9示出根據本發明的葉片的另外的實施方案，其特徵在於，附接部具有U形橫向截面；

圖10示出根據本發明的葉片的另外的實施方案，其特徵在於，附接部橫截面具有沿其縱向方向減小的厚度。

發明描述

參考上述附圖，本發明的主要任務是提供用於工業軸流風扇的新的葉片，其中，承受非穩定載荷的葉片被迫使以類似於懸臂梁的第二振動模式的方式振動。

遵照葉片的設計且特別是其附接部和/或附近的翼型件區域的設計，以迫使葉片在非穩定工作載荷下變形時具有拐點，已經實現了該結果。

而且，還遵照葉片重量和/或重量分布，可以實現另外的優點。

這些因素對系統性能的影響在本文被解釋。在運行過程中，交替力傾向於周期性地朝上和朝下變形葉片及其附接部。葉片自然地具有如在圖4a中示出的變形形狀，其類似於第二振動模式，見圖4b。同時，離心力傾向於抵消根據第一模式發展的葉片變形。由離心力產生的效果線性地取決於變形，而交替力不受變形的影響。

附接部的剛度在離心力的有效性方面起關鍵作用。事實上，附接部上的剛度和剛度分布取決於葉片的變形。

在轂部分處較硬且在翼型件側處不太硬的附接部放大離心力的有效性。

利用沿著徑向方向的剛度的適當變化，可以獲得拐點，使得變形的葉片的曲弧度可以沿著半徑翻轉，允許葉片與第二振動模式類似地變形。

關於葉片重量，離心力操作翻轉變形的曲弧度的能力取決於其量和其徑向分布。

在典型的工業風扇葉片中，重量分布使得其從根部到尖端減小，這是由於翼型件的尺寸和壁厚也以這種方式減小。

因此，運行中的離心力本身不足以在附接部中根據需要產生所需的拐點。

將重量添加到尖端部分放大離心力的有效性並且將有助於該過程。

葉片和包括根據本發明的這種葉片的軸流式風扇在減小相對於現有技術的交替載荷方面獲得了顯著的改進。

本發明的另一個重要特徵是，當與本領域已知的系統(包括鉸接的系統)相比時，其導致更高的非穩定載荷阻力，因為剛度的跨向變化與葉片尖端處的附加重量組合顯著地減小了葉片對交替載荷的響應，特別是在諧振條件下，如將在此解釋的。

考慮到軸流風扇的葉片作為質量阻尼剛度系統並且假定其類似於簡單的一自由度(SDoF)系統，當系統以時間相關力f(t)動態激勵時，運動方程如下：

其中：

m是葉片質量；

c是阻尼係數；

k是葉片剛度；

x(t)是系統響應；

f(t)是強制函數。

方程(3)的解是兩部分的和：描述自由振動的均勻部分，以及描述強制響應的特定部分。阻尼系統的自由振動響應隨時間衰減，因此在相對短的時間內，系統的響應將對應於具有相同頻率的力的強制振動。

激勵風扇葉片的最常見的交替力是具有頻率ω的簡單正弦函數；方程(3)變成以下：

(-mω2+icω+k)Xeiωt＝Fiωt (4)

其中，F和X分別為激勵力的振幅和系統響應。方程(4)可以根據作為系統頻率的動態變量ωn和作為阻尼比的δ來重寫，兩者定義如下：

其中：

Xst是對靜態載荷F的系統響應；

Ω是是葉片和力之間的頻率比(＝ω/ωn)。

方程(7)的左邊項稱為動態放大因子，並且其是由於外力是動態的而不是靜態的事實而使位移響應被放大的因素。

動態放大因子取決於頻率比率Ω和阻尼係數δ。其對於不同的阻尼因子的值的頻率比率的變化示於圖5中。

在諧振條件下，Ω＝1，因子具有其最大值：

阻尼係數c取決於材料。

對於本發明，即使考慮到可以添加在翼型件的尖端上的質量，連接部分剛度(k)的減小使質量(m)幾乎不變，但是顯著降低剛度(k)。

總之，相對於現有技術，本發明通常減小對交替載荷的響應，且特別是在共振條件下。

本發明可以在技術上和成本上有利地應用於從小直徑(即500毫米直徑)到大尺寸(即20米直徑)的冷卻軸流風扇的整個範圍，並且在當連接部分與翼型件一體時和當附接部是相對於翼型件的分離元件時的兩種情況下可以被應用。

因此，下面將提供本發明的數個優選的實施方案的一些示例。

在根據本發明的葉片的第一實施方案中，小型/中型葉片被考慮，參考圖6b。

小的葉片通常實現為一件式鑄鋁，或模製塑料或玻璃纖維。在圖6a中，根據現有技術的典型的小的葉片被示出。在圖6b中，根據本發明的葉片被展現。

由於材料將被注入模具中並且將容易地獲得任何形狀，因此在這種情況下本發明的實施是相當簡單的。

為了優化所需的變形，在圖6b的實施方案中，葉片包括主要沿縱向方向發展的連接部分10，且包括用於連接至軸流風扇的轂的第一部分11、用於連接至翼型件20的第二部分14、頸縮區域13以及兩個橫向肋條15。更詳細地，在圖6b的實施方案中，連接部分10的橫向截面具有設置有橫向肋15的I形輪廓，該橫向肋條15相對於連接部分10的縱向方向大體上垂直地延伸，且該橫向肋條15可以在跨向上即沿連接部分10的縱向方向長度在高度和寬度方面減小。

這增加了連接部分10的芯部分12的最終厚度和寬度變化，將導致葉片以第二振動模式振動。

沿連接部分10的長度，即，沿縱向方向，在彎曲部分附近的區域中，可以留下頸縮區域13，其中，剛度與第一部分11和第二部分14的剛度相比是恆定的和-或低的，以改善載荷的最小化並增大其中彎曲部分靠近理想點的運行條件的範圍。

附加的重物可以固定在葉片的尖端處，在尖端帽中留下具有較大厚度的空間。

在中大型葉片的情況下，即，風扇的直徑達到20米，示出在圖7中的根據本發明的另外的實施方案的葉片的連接部分10'包括四邊形橫截面，優選為矩形的橫截面。

連接部分10'的橫截面沿縱向方向減小，且該矩形輪廓的厚度也沿縱向方向減小，如在圖7中示出的，從用於連接至軸流風扇的轂的第一部分11'到用於連接至葉片或翼型件20'的第二部分14'減小。

連接部分可以實現為一個單件，通過模具由玻璃纖維製成。在這種情況下，材料的結構通常由放置在模具中然後用樹脂浸漬的玻璃纖維組織製成。

成本有效的解決方案可以是如圖7所示的修剪部分。

作為替代方案，為了允許葉片作為第二模式振動，可以在翼型件的第一部分中產生彎曲部分，局部地減小輪廓壁厚度的剛度，類似於參考圖6b的第一實施方案所公開的。

該實施方案示例在圖6c中，其中，翼型件20」包括頸縮區域13」。在這種情況下，翼型件和連接部分構成單件。

相同的結果可以通過減小葉片輪廓的橫截面的壁厚來實現，通常葉片具有中空輪廓。

作為另外的選項，附加的重量可以在模製操作過程中固定在翼型輪廓的尖端處(圖7中的部分W)，或隨後用不同的方法固定。

根據本發明的另外的實施方案，葉片可以包括連接部分10」'，其被實現為相對於翼型件20」'分離的部分，如在圖8中示出的。

在這種情況下，連接部分10」'可以由玻璃纖維或可注射材料製成，並且可以以各種方式內部地或外部地連接到翼型件20」'。

圖8示出處於變形狀態的連接部分10」'，即，軸流風扇處於運行狀態。

根據本發明的葉片的優選的實施方案的另外的示例，包括連接部分10」」，其特徵在於，U形截面包括示出在圖9中的橫向肋條15」」；寬度和橫向肋條可以在跨向上沿縱向方向從用於連接至軸流風扇的轂的第一部分11」」到用於連接至翼型件20的第二部分14」」在大小方面減小，以實現期望的變形，在運行中具有拐點。

數個製造系統可以被用於生產這樣的件；將簡單的件切割成層壓片材的尺寸，然後將其彎曲。

分離的連接部分10」」將具有在翼型件20」」內延伸超過百分之十的部分，以更好地將變形分布在更長的伸展部上，並且同時減小輪廓上的載荷，這是由於該連接部更接近尖端。

當然，連接部分的在翼型件內部的部分將具有到翼型件壁的適當間隙，以在不接觸翼型件壁的情況下變形。

根據本發明的用於工業軸流風扇的葉片的另外的實施方案示出在圖10中，其中，葉片的連接部分10」」'具有四邊形橫截面的中空輪廓，所述橫截面的壁厚沿連接部分10」」'的縱向方向減小，該連接部分的剛度沿該縱向方向減小，而不具有沿該連接部分的頸縮區域。

為了給出一些示例，下面提供根據本發明的葉片的連接部分，並且該連接部分對於小型/大型風扇實現為迫使其振動到第二模式。

對於直徑為10m的風扇，該葉片將具有3.5m的總長度，該連接部分在轂連部接處的剛度值為4E10kgmm2，在2m遠處的剛度比率是在轂處的值的五分之一，且在尖端處的重量將幫助葉片產生34.000N的離心力。

當使用不同類型的附接部時，對於相同的風扇，這些值可能是完全不同的；例如，用重三倍的連接部分並產生60.000N的離心力可以獲得相同的效果。