用于工业轴流风扇的叶片和包括这种叶片的工业轴流风扇

摘要

本发明涉及用于工业轴流风扇的叶片和包括这种叶片的工业轴流风扇。更具体地，本发明涉及用于工业轴流风扇的叶片，该叶片包括附接部和翼型件，所述附接部将翼型件连接至毂，且其特征在于，所述附接部具有允许附接部在轴流风扇的运行过程中以一种方式变形以具有至少一个拐点的刚度和刚度分布。

说明书

发明领域

本发明涉及用于工业轴流风扇的叶片和包括这种叶片的工业轴流风扇。

用于工业应用的轴流风扇通常包括毂和一个或多个叶片，叶片基本上包括两个零件，具有移动空气的功能的翼型件(airfoil)，以及具有将翼型件连结到毂的功能的附接部。

该附接部可以是与翼型件分开制造然后连接到翼型件的元件，或者其可以是叶片的整体部分，与翼型件一起作为单件制成。在下面的描述中，将使用相同的术语“附接部”，而不管它是如何参照翼型件制成的。

显然，附接部必须承受在风扇运行时产生的载荷，载荷在这个位置具有其峰值，因此附接部的设计是非常关键的，并且非常影响产品的耐久性和价格。此外，该附接部将由叶片上的循环载荷产生的振动传递到轴流风扇的驱动装备，甚至传递到该设施的结构。这些振动在轴流风扇的部件的机械动态阻力方面产生许多问题，这些问题非常难以解决并且增加了该元件的重要性。

背景

在轴流风扇领域中，用于将叶片连接到风扇的毂的许多不同的技术方案是已知的。

为了简要地讨论现有技术，重要的是，在其运行期间，特别是关于离心力的作用，重新假定作用在工业轴流风扇的叶片上的静态力和动态力。

然后，我们将描述本领域中实际已知的各种解决方案，其目的是减小在将翼型件轮廓(airfoil profile)连接到轴流风扇的毂的元件上的稳定和-或非稳定的载荷。

在运行过程中作用在轴流风扇的叶片上的力可以分为稳定力A)和非稳定力B)。

A)如在附图1a中所示的，该稳定力如下：

-提升力(L)；

-拖拽力(D)；

-离心力(C)；

-叶片重量(W)。

如果叶片轴线相对于理想旋转平面具有角度α，则离心力将清楚地分成两个分量，一个径向，且一个垂直于叶片平面，具有与提升方向相反的方向，如在图1b中示出的。

因此，垂直于叶片平面的力将根据下面的公式被减小：

B)非稳定力，由以下产生：

-在叶片周围产生的空气动力学场与支撑风扇或包括风扇的壳体的结构之间的相互作用；它们与稳定的空气动力学力成比例；

-在诸如叶片共振或结构共振的关键条件下的运行；它们的振幅根据叶片的被动和主动阻尼特性而变化；

-对类似风或其它装备的环境的干扰；

-由叶片轮廓产生的涡流尾流，使得其是自诱导的。

这些非稳定力的振幅周期性地重复，因此其通常也称为交替力。

这些力产生疲劳现象，因此与稳定力相比，这些力对叶片寿命更危险。

在本领域中实际已知的并且在市场上用于减少在运行期间作用在叶片上的力所产生的稳定和/或非稳定载荷的附件部在附图2a、2b、2c以及2d中示出，且本文将简要描述。

包括第一类型的附接部的叶片包括示出在图2a中的刚性连接部：硬的附接部被使用，其具有在径向方向上比轮廓的刚度高的刚度。

叶片到毂的附接的支撑部被设计成使得翼型件轴线在竖直平面中倾斜并且相对于理想旋转平面具有固定角度α。由于离心力的竖直分量与提升相反，因此这种布置允许根据上述公式(1)减小稳定载荷，但是对非稳定载荷没有影响。

本领域已知的另一种类型的叶片附接部包括示出在图2b中的铰接连接部：具有水平轴线的铰链充当在翼型件和毂之间的连接部。在这种情况下，翼型件自由地垂直于风扇旋转平面旋转，因此当风扇运行时，其倾向于保持牵引力由离心力平衡的位置，从而使稳定和非稳定的载荷最小化。

本领域已知的另外的叶片附接部包括由与翼型件分离的一个单一的元件组成的柔性连接部，如在图2c中示出的，该柔性连接部将翼型件连接至毂，该柔性连接部具有这样高的柔性使得其在竖直平面中弯曲，而不会使受应力过度，从而减少稳定和非稳定载荷。

再次，另一种类型的附接部包括由与翼型件分离的两个折叠的元件组成的柔性连接部，如在图2d中示出的，该柔性连接部将翼型件连接至毂，这两个重叠的元件彼此相互作用并将以受控的方式在竖直平面中弯曲，而不会使受应力过度。稳定和非稳定载荷将被减少。

必须强调的是，在如今在工业中所使用的上述系统中，该叶片倾向于在交替的运行载荷下变形或正在变形，模拟类似于根据第一振动模式(见图3b)振动的悬臂梁的形状的形状(见位移图3a)。该特性使得在叶片中引入并且因此传递到毂且然后传递到结构的能量被放大。事实上，使叶片变形的能量通过以下公式计算：

其中：

是在给定径向截面r处的牵引力矢量；

是在给定径向截面r处的系统的位移矢量；

r₁是在叶片和毂之间的连接部的径向位置；

r₂是叶片尖端径向位置。

为了更好地解释上面的公式(2)，在图3b中已经图示了悬臂梁的第一振动模式。如熟知的，当两个矢量中的两者具有相同的方向时，两个矢量的内积具有正符号，但是当两个矢量中的两者具有相反方向时，该内积具有负符号；该乘积的模数与两个矢量的幅度成比例。对于第一振动模式，位移s(r)是沿径向跨度的单调递增函数；施加的交替力f(r)也是沿跨向(spanwise)的单调递增函数。因此，对于按照第一模式振动的系统，方程(2)的积分是仅正数的和，沿着距离(r)在幅度方面呈指数增加。

本领域已知的叶片，特别是图2a、和2c以及2d中的叶片，在交替载荷下具有具有类似于根据第一振动模式进行振动的悬臂梁的形状的叶片的典型变形形状，在第一振动模式中，每个叶片单个截面的位移ds沿径向跨度增加，且交替力f(r)也相应地增加。另外地，这些参数，截面位移和激励力，均正在同相位地改变它们的方向。

因此，可以得出结论，在这样的已知系统中，引入到叶片中的能量被放大，并且作用在附件部上的载荷也被放大。

发明概述

因此，本发明的目标是提供一种用于工业轴流风扇的叶片，其适于减少引入叶片中并传递到结构的能量。

在这个目标内，本发明的目的是提供一种将叶片的翼型件连接到轴流工业风扇的毂的附接部，其适于使非稳定载荷的影响最小化。

另外，本发明的另一个目的是提供一种具有附接部的叶片，该附接部适于迫使受到非稳定载荷的叶片根据悬臂梁的第二振动模式振动，而不是根据现有技术中的第一振动模式振动，从而使非稳定的影响最小化。

本发明的另一个目的是提供一种用于工业轴流风扇的叶片，其可以根据轴流风扇的具体运行条件进行定制，根据数个不同的几何参数改变连接部分的几何形状。

为了实现通过下面对本发明的仅仅说明性的而非限制性的优选实施方案的详细描述将变得更清楚的这个目标和这些和其它目的，本发明向叶片提供了一种特定的附接部，以便当受到非稳定的工作载荷时具有拐点(inflection point)。

观察图4b，实际上，应注意，在第二振动模式中，位移函数s(r)首先在一侧上具有凹度，然后在相对侧上具有凹度，在该转变点中具有弯曲。

因此，系统的一部分在一个方向上变形(图4b中的区域A)，且一部分在相反的方向上变形。相反，所施加的交替力仅具有一个方向，并且其幅度沿着径向跨度增加；因此这些载荷的一部分与变形同相位，但是它们的一部分与相关变形处于相反相位。然后对于这种振动模式，等式(2)的积分是正数和负数的和，其不是连续增加的。

因此，对于与第一振动模式相同的施加的交替力，其值无疑地低于前述情况。

作为主要结果，在交替载荷下以类似于悬臂梁的第二模式的形状变形的系统中，系统中引入的能量将最小化：因此根据第二模式振动的叶片将使非稳定载荷影响最小化。

已经获得了使叶片根据第二模式振动(这对于轴流风扇的叶片是不自然的)的目标，迫使连接元件以一种方式变形以具有至少一个拐点。

附图描述

本发明的另外的特征和优点从下面优选的实施方案的的详细的描述将变得清楚，该优选的实施方案仅仅是示例性的且非限制性的，并示出在所附的附图中，其中：

图1a、1b、2a、2b、2c、2d示出用于根据现有技术的轴流风扇的叶片的不同的示例；

图3a示出处于运行状态的在本领域中已知的类型的叶片系统的两个变形状态；

图3b示出根据第一振动模式的悬臂梁的位移图示；

图4a示出根据本发明的叶片的变形状态；

图4b示出根据第一振动模式的悬臂梁的位移图示；

图5表示对于不同的阻尼因子值，动态放大系数随频率比率的变化；

图6a示出在本领域中已知的类型的叶片的示例；

图6b示出根据本发明的第一实施方案的叶片，该叶片特别地用于小型/中型的轴流风扇，其中，该叶片包括具有颈缩区域的附接部；

图6c示出根据本发明的第二实施方案的叶片，其中，该翼型件包括颈缩区域；

图7示出根据本发明的第三实施方案的叶片，该叶片特别适用于中大型轴流风扇的情况；

图8示出根据本发明的第四实施方案的叶片的示例，该叶片包括已经被制成与翼型件分离且然后连接的附接部；

图9示出根据本发明的叶片的另外的实施方案，其特征在于，附接部具有U形横向截面；

图10示出根据本发明的叶片的另外的实施方案，其特征在于，附接部横截面具有沿其纵向方向减小的厚度。

发明描述

参考上述附图，本发明的主要任务是提供用于工业轴流风扇的新的叶片，其中，承受非稳定载荷的叶片被迫使以类似于悬臂梁的第二振动模式的方式振动。

遵照叶片的设计且特别是其附接部和/或附近的翼型件区域的设计，以迫使叶片在非稳定工作载荷下变形时具有拐点，已经实现了该结果。

而且，还遵照叶片重量和/或重量分布，可以实现另外的优点。

这些因素对系统性能的影响在本文被解释。在运行过程中，交替力倾向于周期性地朝上和朝下变形叶片及其附接部。叶片自然地具有如在图4a中示出的变形形状，其类似于第二振动模式，见图4b。同时，离心力倾向于抵消根据第一模式发展的叶片变形。由离心力产生的效果线性地取决于变形，而交替力不受变形的影响。

附接部的刚度在离心力的有效性方面起关键作用。事实上，附接部上的刚度和刚度分布取决于叶片的变形。

在毂部分处较硬且在翼型件侧处不太硬的附接部放大离心力的有效性。

利用沿着径向方向的刚度的适当变化，可以获得拐点，使得变形的叶片的曲弧度可以沿着半径翻转，允许叶片与第二振动模式类似地变形。

关于叶片重量，离心力操作翻转变形的曲弧度的能力取决于其量和其径向分布。

在典型的工业风扇叶片中，重量分布使得其从根部到尖端减小，这是由于翼型件的尺寸和壁厚也以这种方式减小。

因此，运行中的离心力本身不足以在附接部中根据需要产生所需的拐点。

将重量添加到尖端部分放大离心力的有效性并且将有助于该过程。

叶片和包括根据本发明的这种叶片的轴流式风扇在减小相对于现有技术的交替载荷方面获得了显着的改进。

本发明的另一个重要特征是，当与本领域已知的系统(包括铰接的系统)相比时，其导致更高的非稳定载荷阻力，因为刚度的跨向变化与叶片尖端处的附加重量组合显着地减小了叶片对交替载荷的响应，特别是在谐振条件下，如将在此解释的。

考虑到轴流风扇的叶片作为质量阻尼刚度系统并且假定其类似于简单的一自由度(SDoF)系统，当系统以时间相关力f(t)动态激励时，运动方程如下：

其中：

m是叶片质量；

c是阻尼系数；

k是叶片刚度；

x(t)是系统响应；

f(t)是强制函数。

方程(3)的解是两部分的和：描述自由振动的均匀部分，以及描述强制响应的特定部分。阻尼系统的自由振动响应随时间衰减，因此在相对短的时间内，系统的响应将对应于具有相同频率的力的强制振动。

激励风扇叶片的最常见的交替力是具有频率ω的简单正弦函数；方程(3)变成以下：

(-mω²+icω+k)Xe^iωt＝F^iωt(4)

其中，F和X分别为激励力的振幅和系统响应。方程(4)可以根据作为系统频率的动态变量ωn和作为阻尼比的δ来重写，两者定义如下：

其中：

X_st是对静态载荷F的系统响应；

Ω是是叶片和力之间的频率比(＝ω/ω_n)。

方程(7)的左边项称为动态放大因子，并且其是由于外力是动态的而不是静态的事实而使位移响应被放大的因素。

动态放大因子取决于频率比率Ω和阻尼系数δ。其对于不同的阻尼因子的值的频率比率的变化示于图5中。

在谐振条件下，Ω＝1，因子具有其最大值：

阻尼系数c取决于材料。

对于本发明，即使考虑到可以添加在翼型件的尖端上的质量，连接部分刚度(k)的减小使质量(m)几乎不变，但是显着降低刚度(k)。

总之，相对于现有技术，本发明通常减小对交替载荷的响应，且特别是在共振条件下。

本发明可以在技术上和成本上有利地应用于从小直径(即500毫米直径)到大尺寸(即20米直径)的冷却轴流风扇的整个范围，并且在当连接部分与翼型件一体时和当附接部是相对于翼型件的分离元件时的两种情况下可以被应用。

因此，下面将提供本发明的数个优选的实施方案的一些示例。

在根据本发明的叶片的第一实施方案中，小型/中型叶片被考虑，参考图6b。

小的叶片通常实现为一件式铸铝，或模制塑料或玻璃纤维。在图6a中，根据现有技术的典型的小的叶片被示出。在图6b中，根据本发明的叶片被展现。

由于材料将被注入模具中并且将容易地获得任何形状，因此在这种情况下本发明的实施是相当简单的。

为了优化所需的变形，在图6b的实施方案中，叶片包括主要沿纵向方向发展的连接部分10，且包括用于连接至轴流风扇的毂的第一部分11、用于连接至翼型件20的第二部分14、颈缩区域13以及两个横向肋条15。更详细地，在图6b的实施方案中，连接部分10的横向截面具有设置有横向肋15的I形轮廓，该横向肋条15相对于连接部分10的纵向方向大体上垂直地延伸，且该横向肋条15可以在跨向上即沿连接部分10的纵向方向长度在高度和宽度方面减小。

这增加了连接部分10的芯部分12的最终厚度和宽度变化，将导致叶片以第二振动模式振动。

沿连接部分10的长度，即，沿纵向方向，在弯曲部分附近的区域中，可以留下颈缩区域13，其中，刚度与第一部分11和第二部分14的刚度相比是恒定的和-或低的，以改善载荷的最小化并增大其中弯曲部分靠近理想点的运行条件的范围。

附加的重物可以固定在叶片的尖端处，在尖端帽中留下具有较大厚度的空间。

在中大型叶片的情况下，即，风扇的直径达到20米，示出在图7中的根据本发明的另外的实施方案的叶片的连接部分10'包括四边形横截面，优选为矩形的横截面。

连接部分10'的横截面沿纵向方向减小，且该矩形轮廓的厚度也沿纵向方向减小，如在图7中示出的，从用于连接至轴流风扇的毂的第一部分11'到用于连接至叶片或翼型件20'的第二部分14'减小。

连接部分可以实现为一个单件，通过模具由玻璃纤维制成。在这种情况下，材料的结构通常由放置在模具中然后用树脂浸渍的玻璃纤维组织制成。

成本有效的解决方案可以是如图7所示的修剪部分。

作为替代方案，为了允许叶片作为第二模式振动，可以在翼型件的第一部分中产生弯曲部分，局部地减小轮廓壁厚度的刚度，类似于参考图6b的第一实施方案所公开的。

该实施方案示例在图6c中，其中，翼型件20”包括颈缩区域13”。在这种情况下，翼型件和连接部分构成单件。

相同的结果可以通过减小叶片轮廓的横截面的壁厚来实现，通常叶片具有中空轮廓。

作为另外的选项，附加的重量可以在模制操作过程中固定在翼型轮廓的尖端处(图7中的部分W)，或随后用不同的方法固定。

根据本发明的另外的实施方案，叶片可以包括连接部分10”'，其被实现为相对于翼型件20”'分离的部分，如在图8中示出的。

在这种情况下，连接部分10”'可以由玻璃纤维或可注射材料制成，并且可以以各种方式内部地或外部地连接到翼型件20”'。

图8示出处于变形状态的连接部分10”'，即，轴流风扇处于运行状态。

根据本发明的叶片的优选的实施方案的另外的示例，包括连接部分10””，其特征在于，U形截面包括示出在图9中的横向肋条15””；宽度和横向肋条可以在跨向上沿纵向方向从用于连接至轴流风扇的毂的第一部分11””到用于连接至翼型件20的第二部分14””在大小方面减小，以实现期望的变形，在运行中具有拐点。

数个制造系统可以被用于生产这样的件；将简单的件切割成层压片材的尺寸，然后将其弯曲。

分离的连接部分10””将具有在翼型件20””内延伸超过百分之十的部分，以更好地将变形分布在更长的伸展部上，并且同时减小轮廓上的载荷，这是由于该连接部更接近尖端。

当然，连接部分的在翼型件内部的部分将具有到翼型件壁的适当间隙，以在不接触翼型件壁的情况下变形。

根据本发明的用于工业轴流风扇的叶片的另外的实施方案示出在图10中，其中，叶片的连接部分10””'具有四边形横截面的中空轮廓，所述横截面的壁厚沿连接部分10””'的纵向方向减小，该连接部分的刚度沿该纵向方向减小，而不具有沿该连接部分的颈缩区域。

为了给出一些示例，下面提供根据本发明的叶片的连接部分，并且该连接部分对于小型/大型风扇实现为迫使其振动到第二模式。

对于直径为10m的风扇，该叶片将具有3.5m的总长度，该连接部分在毂连部接处的刚度值为4E10kgmm²，在2m远处的刚度比率是在毂处的值的五分之一，且在尖端处的重量将帮助叶片产生34.000N的离心力。

当使用不同类型的附接部时，对于相同的风扇，这些值可能是完全不同的；例如，用重三倍的连接部分并产生60.000N的离心力可以获得相同的效果。