Лопасть - RU2172434C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к лопатке ротора, подлежащей креплению к ступице ротора, в частности к лопасти, подлежащей креплению к ступице вентилятора.

Лопасти вентилятора обычно изготавливают из металла, например стали или алюминия. В настоящее время существует потребность в изготовлении лопастей вентилятора из материала, который обладает большей химической стойкостью по сравнению с металлом и, следовательно, может противодействовать химически агрессивной окружающей среде лучше, чем металл, например, при использовании вентилятора в химической промышленности. Кроме того, существует необходимость в изготовлении более легких лопастей вентилятора, что позволяет вентилятору, на котором установлены лопасти, работать при более высоких скоростях и выполнить его с меньшими размерами и, тем самым, сделать его менее дорогим. Вследствие этого, были предприняты попытки изготовить лопасти вентилятора из композиционного материала на основе волокнита. Эти лопасти вентилятора отличаются химической стойкостью и легкостью, но было установлено, что их трудно крепить к ступице вентилятора надлежащим образом. Соединение между лопастью и ступицей обычно представляет собой болтовое соединение с болтами, которые проходят через основание лопасти и ввинчены в ступицу или в держатель, расположенный на ней. К сожалению, было обнаружено, что лопасти вентилятора, изготовленные из композиционного материала, имеют тенденцию к разрушению при высоких скоростях работы вентилятора и обусловленном этими скоростями большом напряжении, в связи с тем, что в зоне болтового соединения в основании лопасти возникают трещины.

Следовательно, конкретной целью настоящего изобретения является разработка лопасти вентилятора, которая обладала бы желательными свойствами и, кроме того, могла бы быть надежно прикреплена к ступице вентилятора.

Более общей целью изобретения является разработка лопатки ротора, которая обладала бы желательными свойствами, могла бы быть надежно прикреплена к ступице ротора и не разрушалась бы при высоких скоростях ротора и под действием больших напряжений.

В соответствии с изобретением эта цель достигается с помощью лопатки ротора, которая отличается тем, что она изготовлена, по существу, из композиционного материала на основе пластика с усиливающими волокнами, при этом основание лопатки ротора содержит металлическое кольцо со средствами для крепления лопатки ротора к ступице, указанное кольцо имеет отверстие, площадь поперечного сечения которого увеличивается в направлении периферии лопатки ротора, в отверстии кольца расположен жесткий усиливающий элемент, композиционный материал заходит в кольцо, причем армирующие волокна в основании лопатки ротора проходят в отверстии кольца между усиливающим элементом и стенкой отверстия, по существу, параллельно ей.

В предпочтительном варианте осуществления отверстие кольца имеет форму усеченного конуса.

Усиливающий элемент предпочтительно содержит углеродные волокна и в наиболее предпочтительном варианте осуществления образован прядью углеродных волокон, которая свернута в дискообразный рулон. Осиливающий элемент образован при изготовлении лопатки ротора в форме (пресс-форме) и расположен в отверстии кольца с обеспечением прижима армирующих волокон в отверстии в направлении стенки отверстия.

Состав композиционного материала из волокон и пластика в основании лопатки ротора предпочтительно выбирают таким, чтобы композиционный материал в основании имел параметры линейного расширения, адаптированные к параметрам линейного расширения металлического кольца. Композиционный материал предпочтительно представляет собой эпоксидный пластик, усиленный стекловолокнами. В предпочтительном варианте осуществления усиление стекловолокнами в основании лопатки ротора дополнено усилением углеводородными волокнами, которые проходят по существу поперек стекловолокон в основании.

Ниже изобретение будет описано более подробно со ссылкой на сопровождающие чертежи, в которых
фиг. 1 представляет вид сбоку лопасти вентилятора, согласно настоящему изобретению;
фиг. 2 - вид сверху лопасти вентилятора;
фиг. 3 - разрез лопасти вентилятора по линии III-III на фиг. 1;
фиг. 4 соответствует фиг. 3, но показывает основание лопасти вентилятора в большем масштабе.

На чертежах показана лопасть 1 вентилятора, которая подлежит креплению к ступице (не показана) в вентиляторе (не показан) с помощью четырех болтов-фиксаторов (не показаны), которые должны быть ввинчены в ступицу или в держатель, расположенный на ней.

Лопасть 1 изготовлена из композиционного материала на основе пластика, усиленного волокнами. В предпочтительном варианте осуществления композиционный материал представляет собой эпоксидный пластик, усиленный стекловолокном и углеводным волокном. Однако возможно в качестве усиливающих волокон использовать другие волокна, отличные от стекловолокон и углеродных волокон, например арамидные волокна. Также целесообразно в качестве матрицы использовать другие пластики, отличные от эпоксидного пластика.

При изготовлении лопасти 1 два мата, каждый из которых состоит из нескольких слоев ориентированных стекловолокон, и промежуточный пластмассовый сердечник 2 (фиг. 4) помещают в форму, после чего в форму на одном ее конце устанавливают круглое кольцо 3 из металла, например из стали. Кольцо 3 имеет отверстие 4, которое имеет форму усеченного конуса и площадь поперечного сечения которого увеличивается в направлении периферии формы. Стекловолокна, находящиеся на конце матов, ближайшем к кольцу 3 (этот конец образует базовый конец полностью изготовленной лопасти 1), вводят в отверстие 4 кольца 3 и прижимают к стенке отверстия 4. "Пучок" стекловолокон расположен в заостренной части А (показана пунктирными линиями на фиг. 4) между стекловолокнами матов, прижатыми к стенке отверстия 4. Прядь углеродных волокон, которая свернута в дискообразный рулон и которая должна образовать жесткий усиливающий элемент 5 в полностью изготовленной лопасти 1, размещают в отверстии 4 кольца 3 снаружи от пучка стекловолокон, чтобы удержать стекловолокна в положении, при котором они прижаты к стенке отверстия 4. Форму закрывают, после чего под давлением вводят эпоксидный пластик с тем, чтобы образовать лопасть 1.

Таким образом, полностью изготовленная (законченная) лопасть 1 образована из композиционного материала 6 (включая зону А) на основе эпоксидного пластика, усиленного стекловолокном, и имеет сердечник 2 из пластика и усиливающий элемент 5 в виде композита из углеродного волокна и эпоксидного пластика.

Основание лопасти 1 образовано из металлического кольца 3, усиливающего элемента 5 и той части композиционного материала 6, которая расположена в отверстии 4 кольца 3 и в которой стекловолокна проходят конусообразно вдоль стенки отверстия 4 между этой стенкой и усиливающим элементом 5, который предотвращает смещение стекловолокон в кольце 3 в направлении центра кольца, когда лопасть 1 подвергается большим нагрузкам, и, кроме того, он предотвращает вытягивание корпуса лопасти из кольца 3.

Кольцо 3 имеет отверстие 7 под каждый болт-фиксатор. Как указано выше, лопасть 1 крепится к ступице с помощью болтов-фиксаторов, которые вставлены в отверстия 7 в кольце 3 и ввинчены в ступицу или в держатель, расположенный на ней. Вышеописанная лопасть 1 вентилятора отличается легкостью по сравнению с ранее используемыми металлическими лопастями, и, кроме того, было установлено, что она выдерживает большие скорости вращения вентилятора без разрушения ее основания вблизи мест болтового соединения.

Состав волокон и пластика в композиционном материале 6 в основании лопасти выбирают таким, чтобы композиционный материал в основании имел параметр линейного расширения, который адаптирован к аналогичному параметру металлического кольца 3, тем самым это позволяет как можно в большей степени уменьшить воздействие расширения и сжатия кольца при различных температурных режимах, то есть состав композиционного материала выбирают таким, чтобы этот материал был способен "следовать" за кольцом 3 при смещениях его, обусловленных температурой. С этой целью усиление стекловолокнами в основании лопасти в предпочтительном варианте осуществления лопасти 1 вентилятора дополнено усилением углеродными волокнами, которые при изготовлении лопасти в форме располагают среди стекловолокон в зоне кольца 3 так, что в полностью изготовленной лопасти 1 они проходят, по существу, поперек этих стекловолокон в композиционном материале.

Реферат

Изобретение относится к лопасти, подлежащей креплению к ступице вентилятора. Лопатка изготовлена, по существу, из композиционного материала на основе пластика с усиливающими волокнами, основание лопатки содержит металлическое кольцо со средствами для крепления лопатки ротора к ступице, отверстие которого имеет площадь поперечного сечения, увеличивающуюся в направлении периферии лопатки, в отверстии кольца расположен жесткий усиливающий элемент, причем композиционный материал заходит в кольцо, а усиливающие волокна в основании лопатки ротора проходят в отверстии кольца между усиливающим элементом и стенкой отверстия, по существу, параллельно ей. Изобретение позволяет достичь высокой эксплуатационной надежности. 6 з.п.ф-лы, 4 ил.

Формула