УЗЕЛ СОЕДИНЕНИЯ ЛОПАСТЕЙ ВЕНТИЛЯТОРА СО СТУПИЦЕЙ Российский патент 1998 года по МПК F04D29/36 F01D5/30 

Настоящее изобретение относится к узлу соединения лопастей вентилятора со ступицей, обеспечивающему возможность углового регулирования подвешивания лопастей в ступице при наличии посадочного места в ступице и монтажной части на лопасти.

Имеется необходимость в регулировании углов лопастей на лопастных колесах, с тем чтобы регулировать характеристики лопастных колес при существующих и желаемых условиях. Существуют решения, которые обеспечивают возможность регулирования угла лопастей и в течение рабочей операции, а также автоматического регулирования угла лопасти в зависимости от текущей нагрузки.

В патенте США N 2844207 раскрыты регулируемые лопастные средства вентилятора, при этом лопасти вентилятора могут регулировать по отдельности, когда вентиляторное колесо находится в состоянии покоя. Лопасти вентилятора блокированы в осевом направлении для воспроизведения вертикальной нагрузки посредством стопорной шайбы, которая примыкает к закраине ступицы, а отрегулированное угловое положение сохраняется с помощью стопорного винта, который с силой воздействует на стержень лопасти, проходящей через периферийное отверстие в ступице. В случае такой конструкции крутящий момент и изгибающий момент будут поглощаться только трением между упорной поверхностью стопорного винта и периферией стержня лопасти. Это решение нельзя считать удовлетворительным для крепления лопастей, подвергающихся воздействию больших нагрузок, причем оно не обеспечивает достаточного запаса прочности для восприятия вращательной нагрузки и изгибающего момента.

Основная задача настоящего изобретения заключается в создании узла для регулируемого подвешивания лопастей в ступице, который обеспечивает безопасное удерживание лопасти в ступице и в то же время обеспечивает возможность быстрого и точного индивидуального углового регулирования лопасти. Эта и другие задачи настоящего изобретения достигаются посредством подвешивания лопастей согласно настоящему изобретению, которое отличается тем, что монтажная часть на лопасти содержит стержень и выступ на конце с частично сферической контактной поверхностью, обращенной к ребру лопасти, а также тем, что посадочное место в ступице имеет закраину с частично цилиндрической контактной поверхностью, радиально обращенной к центру ступицы, причем две эти поверхности расположены таким образом, чтобы взаимодействовать друг с другом посредством линейного примыкания, в силу чего положение линии (21, 21') будет постоянным независимо от углового положения лопасти относительно ступицы.

Посредством взаимодействия соответственно частично сферической и частично цилиндрической контактных поверхностей достигается эффективное и безопасное восприятие нагрузки от вращательного нагружения посредством сдвига. Конструкция соответствующих контактных поверхностей закраины ступицы и стержня лопасти приводит к сжимающей нагрузке, распределенной по линейному контакту, геометрическое положение которое постоянно при различных угловых регулировках лопасти. На практике деформация от сжимающей нагрузки происходит таким образом, что контакт осуществляется по определенной зоне, при этом в то же время материал в этой зоне отжигается, что благоприятно с точки зрения стойкости. Для того чтобы удовлетворить требования в отношении литья, цилиндрической контактной поверхности закраины ступицы может быть придан определенный наклон.

Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения выступа лопасти дополнительно имеет одну, по меньшей мере, частично цилиндрическую периферийную поверхность с отверстием, которое проходит через выступ, а посадочное место в ступице имеет углубление, находящееся радиально внутри от закраины ступицы для фрикционного взаимодействия с цилиндрической периферийной поверхностью выступа лопасти, а также отверстие, выполненное в опорной поверхности, при этом зажимное средство предназначено для введения через упомянутое отверстие с тем, чтобы посредством создания предварительного напряжения получить силу трения между выступом лопасти и закраиной ступицы, которая сохраняет отрегулированное угловое положение лопасти.

Посредством конструирования посадочного места ступицы с углублением, имеющим наклонные по отношению друг к другу поверхности, крутящий момент может отдельно компенсироваться посредством противодействующего фрикционного момента между ограничительными поверхностями углубления и выступа лопасти. Зажимное средство преимущественно может состоять из проходящего насквозь винта, гайки и шайбы. Когда винт закреплен с созданием предварительного напряжения, получаются две силы реакции, величина которых будет значительно больше зажимной силы вследствие наклонных контактных поверхностей. Таким образом будет достигнуто увеличение допустимого противодействующего фрикционного момента, поскольку оно пропорционально результирующим силам реакции.

Согласно дополнительному варианту осуществления изобретения отверстие в посадочном месте ступицы имеет форму прорези, а упорная поверхность для зажимного средства выполнена цилиндрической. При этом регулирование ребра лопасти в различных угловых положениях возможно за счет того, что вначале освобождается зажимное средство, после этого ребро лопасти поворачивается в желаемое положение и зажимное средство вновь затягивается.

Согласно альтернативному варианту осуществления конструкции изобретения отверстие в выступе лопасти выполнено таким образом, чтобы обеспечить регулировку лопасти в различных угловых положениях, причем это осуществляется за счет придания отверстию формы прорези. Согласно дополнительной разработке отверстие через выступ лопасти может быть образовано в виде прорези у соответствующего периферийного отверстия с сужением внутрь по направлению к центру стержня с тем, чтобы иметь удлинение, фактически соответствующее форме поперечного сечения зажимного средства. При такой конструкции положение зажимного средства на наружной стороне ступицы всегда будет находиться на одном и том же месте независимо от углового положения, что облегчает сборку механическим инструментом. Таким образом, изменение углового положения всех лопастей на ступице может быть выполнено только одним инструментом.

В соответствии с разработкой изобретения высота цилиндрической периферийной поверхности на закраине ступицы выбирается таким образом, чтобы момент трения между контактными поверхностями соответственно закраины ступицы и выступа лопасти был способен воспринимать изгибающий момент, который создается силой воздуха, действующего на ребро лопасти. Длина цилиндрического выступа лопасти образует рычаг для этой силы трения и может регулироваться с тем, чтобы воспринимать ожидаемый изгибающий момент.

На прилагаемых чертежах представлен предпочтительный вариант осуществления изобретения, который ниже описан более подробно, при этом
на фиг. 1 представлен вид в перспективе ступицы лопастного колеса,
на фиг. 2 представлен частичный вид в перспективе ступицы согласно фиг. 1, если смотреть с противоположной стороны,
на фиг. 3a и 3b представлен частичный вид в поперечном сечении ступицы с различных углов,
на фиг. 4 представлен передний вид монтажной части ребра лопасти, сконструированной согласно изобретению,
на фиг. 5 представлен разнесенный вид части ступицы, монтажной части ребра лопасти, а также зажимного средства,
на фиг. 6 представлен вид, соответствующий виду на фиг. 5, для альтернативного варианта осуществления регулируемого по углу монтажа ребра лопасти,
на фиг. 6a представлен вид в поперечном сечении выступа лопасти соответственно преимущественному варианту осуществления изобретения,
на фиг. 7 представлен схематический вид в поперечном сечении с частичным вырезом, который иллюстрирует силу предварительного натяжения по отношению к силам реакции при монтаже согласно изобретению.

На фиг. 1 представлена ступица, в целом обозначенная поз. 1 и предназначенная для лопастного колеса, с центральным отверстием 2 и посадочными местами 3 для лопастей, равномерно распределенными по периферии. Посадочные места идентичны, поэтому будет описано только одно место.

На фиг. 2 представлена часть стороны ступицы, противоположная стороне, показанной на фиг. 1. В представленном варианте осуществления конструкции каждое посадочное место 3 имеет прорезь 4, причем каждая из щелей выполнена (показано на фиг. 2) в упорной поверхности 5, назначение которой ниже будет описано более подробно. Кроме того, посадочные места равномерно распределены по периферии ступицы. Лопасти 6 зажаты в посадочных местах 3 с помощью зажимных средств, которые в представленном варианте осуществления конструкции состоят из болта 7 с гайкой 8.

На фиг. 3a представлен вид посадочного места 3 в перспективе с частичным поперечным сечением, а на фиг. 3b представлен такой же вид с частичным поперечным сечением, если смотреть с боковой стороны. Посадочное место 3 содержит закраину 10, проходящую за углубление 9 в ступице 1, при этом закраина окружает отверстие 11, ограниченное с трех сторон и открытое с четвертой стороны для введения стержня лопасти. Протяженная закраина имеет частично цилиндрическую контактную поверхность 12.

Прорезь 4 расположена в нижней части углубления, т.е. в радиальной части ступицы, по направлению к которой сходятся две противоположные стороны 13, 13' (на этом виде показана только одна из них).

На фиг. 4 представлена лопасть 6 с ребром 15, стержнем 16 и выступом 17, образованном на стержне. При совместной установке деталей стержень 16 вводится в отверстие 11, так что выступ лопасти заходит в углубление 9 посадочного места. Выступ 17 лопасти имеет цилиндрическую периферийную поверхность 18, а также частично сферическую контактную поверхность 19, обращенную к лопасти и окружающую стержень. Кроме того, в выступе 17 расположено сквозное отверстие 20.

Далее, на фиг. 4 схематически показана упорная линия 21, 21', получающаяся в результате деформации от сжимающей нагрузки между частично сферической контактной поверхностью 19 на выступе 17 лопасти с одной стороны и частично цилиндрической контактной поверхностью 12 на закраине 10 ступицы с другой стороны. Центробежная сила, действующая в направлении стрелки C, приводит к текучести и упомянутой деформации. Размер линии 21, 21' на фигуре выделен особо. В случае конструкции согласно изобретению достигается то, что независимо от углового положения лопасти геометрическое положение контакта всегда будет точно одно и то же. Ввиду текучести материал подвергается деформационному упрочнению.

На фиг. 5 представлен разнесенный вид с лопастью 6, находящийся над посадочным местом 3. При сборке выступ 17 лопасти устанавливается в углубление 9. Болт 7 вводится через отверстие 20 в выступ лопасти и проходит через прорезь 4, при этом гайка 8 крепится с противоположной стороны ступицы.

На фиг. 6 представлен вид, соответствующий виду на фиг. 5. Здесь возможность углового регулирования обеспечивается в выступе лопасти, что противоположно предшествующему варианту осуществления конструкции. При этом прорезь 4 в углублении 9 посадочного места 3 заменена на отверстие 22, а отверстие 2 в выступе 17 лопасти заменено на отверстие 22, а отверстие 20 в выступе 17 лопасти заменено на прорезь 23. Благодаря конически сужающемуся углублению 9 посадочного места прорезь может быть выполнена сквозной без осуществления осевого центрирования лопасти. Однако для обеспечения осевого центрирования прорезь 23 в выступе лопасти может быть сконструирована так, как показано на фиг. 6a позицией 23', при этом ее средняя часть имеет поперечное сечение, которое фактически соответствует поперечному сечению зажимного средства, причем оно увеличивается по направлению к соответствующему периферийному отверстию.

На фиг. 7 схематически представлен вид в поперечном сечении с частичным вырезом по углублению в ступице с установленным в нем выступом лопасти. Благодаря конструкции углубления с двумя поверхностями 13, 13', сходящимися по направлению друг к другу под острым углом, сила F, которая прилагается с помощью зажимного средства через выступ лопасти и ступицу, обеспечивает увеличение двух сил реакции, которые в целом равны R, причем в показанном случае, когда сила F действует в направлении точки пересечения двух сходящихся поверхностей 13, 13', каждая из сил реакции равна R/2. При другом угловом регулировании силы реакции будут неравными, однако величина суммы двух сил реакции все же весьма значительна. Величина сил реакции по отношению к силе предварительного напряжения зависит от угла, выбранного для двух поверхностей, сходящихся по направлению друг к другу, и может быть больше, либо меньше. В представленном случае, с углом схождения, составляющим порядка 19^o, R будет составлять порядка 3-x F.

Цилиндрическая часть выступа лопасти будет действовать в качестве рычага для получения трения между контактными поверхностями 12 и 19 и посредством приспособления этой высоты к ожидаемому изгибающему моменту, который создается силами воздуха, действующего на ребро лопасти, он может быть компенсирован с желаемой надежностью.

Испытание 1
Узел, выполненный согласно изобретению, был испытан в отношении собственной частоты, а также предела долговечности стержня лопасти и посадочного места в ступице.

При абсолютно жестком монтаже теоретическая собственная частота составляет 108 Гц. Наинизшая собственная частота для узла согласно изобретению составляет 100 Гц, что представляет собой весьма приемлемый результат.

Испытание 2
Для уверенности в том, что угловое положение лопастей остается неизменным при нагружении крутящим моментом, необходим фрикционный момент порядка 38 Нм. При испытаниях момент затяжки винта, проходящего через стержень лопасти и прорезь в посадочном месте ступицы, составлял 25 Нм. При этом был получен момент трения порядка 125 Нм, который обеспечивает утроенную надежность.

Испытание 3
Предел долговечности должен быть таким, чтобы вероятность разрушения не превышала 1/1000 на 50000 циклов запуска и остановки. При испытании для получения этой вероятности было достигнуто по меньшей мере 1130000 циклов, причем разрушений ступицы не было получено при испытаниях, составляющих более 200000 циклов.

Упомянутые выше испытания показывают, что узел согласно изобретению чрезвычайно надежен и обеспечивает возможность получения конструкции с более чем тройной надежностью без необходимости придания используемым компонентам больших размеров по сравнению с известными конструкциями.

В объеме изобретения могут быть выполнены изменения описанного выше варианта конструкции, который при предлагаемом применении представляет собой предпочтительный вариант осуществления изобретения. При этом зажимное средство может состоять из винта с гайкой и шайбой, но также может состоять из тянущего штока с надлежащим стопорным устройством снаружи ступицы, с тем чтобы обеспечить более удобную регулировку углов лопасти. Кроме того, конструкция периферийной поверхности выступа лопасти может быть выбрана иным образом в сочетании с другой формой углубления в посадочном месте ступицы.

Узел соединения лопастей вентилятора со ступицей предназначен обеспечить возможность углового регулирования лопастей. Монтажная часть лопасти содержит стержень и выступ, выполненный на конце стержня с частично сферической контактной поверхностью, обращенной к ребру лопасти, а посадочное место в ступице имеет закраину с частично цилиндрической контактной поверхностью, обращенной в радиальном направлении к центру ступицы, причем две поверхности расположены так, чтобы они взаимодействовали друг с другом посредством линейного контакта, за счет чего положение линии остается постоянным независимо от углового положения лопасти по отношению к ступице. 7 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Узел соединения лопастей вентилятора со ступицей, содержащий посадочное место 3 в ступице и монтажную часть на лопасти 6, отличающийся тем, что монтажная часть на лопасти содержит стержень 16 и выступ 17, выполненный на конце стержня с частично сферической контактной поверхностью 19, обращенной к ребру 15 лопасти, а посадочное место 3 ступицы имеет закраину 10 с частично цилиндрической контактной поверхностью 12, обращенной в радиальном направлении к центру ступицы 1, причем две поверхности расположены так, чтобы взаимодействовать друг с другом посредством линейного контакта, за счет чего положение линии 21, 21' остается постоянным независимо от углового положения лопасти по отношению к ступице. 2. Узел по п.1, отличающийся тем, что выступ 17 лопасти имеет по меньшей мере частично цилиндрическую периферийную поверхность 13 с отверстием 20, 23, проходящим через выступ, посадочное место 3 в ступице имеет углубление 9, расположенное радиально внутри от закраины 10 ступицы для фрикционного зацепления с цилиндрической периферийной поверхностью 18 выступа 17 лопасти, и отверстие 4, 22 выполнено в опорной поверхности, а крепежное средство 7, 8 установлено в отверстии 4, 20; 22, 23 для создания силы трения между выступом 17 лопасти и посадочным местом 3 в ступице, которая сохраняет отрегулированное угловое положение лопасти, используя предварительное напряжение. 3. Узел по п.2, отличающийся тем, что отверстие 4 в посадочном месте 3 ступицы имеет форму прорези, а упорная поверхность 5 для части 8 зажимного средства, лежащая с наружной стороны ступицы, имеет цилиндрическую форму. 4. Узел по п.2, отличающийся тем, что отверстие 23 в выступе лопасти имеет форму прорези, а отверстие 22 в посадочном месте 3 ступицы выполнено с возможностью приспособления к поперечному сечению зажимного средства 7, так что часть 8 зажимного средства, лежащая с наружной стороны ступицы, имеет фиксированное положение относительно ступицы, несмотря на угловое положение ребра 15 лопасти. 5. Узел по п.4, отличающийся тем, что отверстие 23, 23' через выступ лопасти образовано в виде прорези у соответствующего периферийного отверстия и сужается по направлению к центру стержня лопасти и имеет размеры, по существу соответствующие форме поперечного сечения зажимного средства. 6. Узел по пп.2 - 5, отличающийся тем, что зажимное средство содержит сквозной болт 7 и гайку 8, расположенную с наружной стороны прорези 4. 7. Узел по пп.2 - 6, отличающийся тем, что высота цилиндрической периферийной поверхности 18 выступа 17 лопасти выполнена с обеспечением восприятия изгибающего момента, создаваемого силами воздуха, действующими на ребро 15 лопасти. 8. Узел по пп. 1 - 7, отличающийся тем, что углубление 9 в посадочном месте 3 ступицы содержит две наклонных поверхности 13, 13', расположенных под острым углом по отношению друг к другу.