大型軸流風(fēng)機(jī)葉輪雙鉸接零彎矩結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

盛才良 王新 徐超*/威?？巳R特菲爾風(fēng)機(jī)股份有限公司

大型軸流風(fēng)機(jī)葉輪雙鉸接零彎矩結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

盛才良 王新 徐超*/威海克萊特菲爾風(fēng)機(jī)股份有限公司

0 引言

通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)的受力分析，得知彎矩的損害是最大的。因而人們?cè)O(shè)法改變結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)所受的彎矩減小，甚至消除彎矩?？缍却蟮臉蛄?，采用斜拉鋼索結(jié)構(gòu)，使大跨度橋梁中主要的彎矩受力轉(zhuǎn)變成了是拉力受力。大型軸流葉輪葉片較長(zhǎng)，現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)是在葉根產(chǎn)生較大的彎矩。直升機(jī)旋翼與輪轂的聯(lián)接采用鉸接，因而使葉根的彎矩化為零。本文就是引用直升機(jī)技術(shù)的旋翼受力原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，改進(jìn)大型軸流葉輪的結(jié)構(gòu)，改善葉輪的受力狀態(tài)，使葉根的彎矩減小甚至接近零或等于零。

1 現(xiàn)有軸流風(fēng)機(jī)葉輪結(jié)構(gòu)分析

現(xiàn)有的大型軸流風(fēng)機(jī)葉輪，葉片與輪轂采用固持聯(lián)接（焊接、鉚接、螺栓聯(lián)接），因而葉輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片在氣動(dòng)力（氣動(dòng)壓力或稱升力）、重力、離心力以及空氣阻力的聯(lián)合作用下，受到彎曲、拉伸和剪切的作用，葉片在與輪轂連接處（稱葉根）最為嚴(yán)重，尤其是彎矩[1]。當(dāng)葉輪的旋轉(zhuǎn)軸垂直于地面，葉片在氣動(dòng)力、重力和離心力的作用下，產(chǎn)生垂直于地平面內(nèi)的彎矩；葉片在空氣阻力及離心力的作用下，產(chǎn)生在旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)的彎矩，葉片上這兩個(gè)相互垂直的彎矩，在葉根部達(dá)到最大值，大尺寸葉輪尤為嚴(yán)重，這就是造成葉片損壞斷裂的主要原因，見(jiàn)圖1。

圖1 現(xiàn)有結(jié)構(gòu)受力分析圖

我們常見(jiàn)到的風(fēng)力發(fā)電的葉輪葉片，葉片細(xì)長(zhǎng)，而根部直徑很大，這就是典型的現(xiàn)有技術(shù)，為了保證葉根部在承受大彎矩的條件下安全可靠，必須要有這樣的結(jié)構(gòu)。

1.1 實(shí)例分析

以直徑9.14m的葉輪為例，通過(guò)近似計(jì)算可以真實(shí)地了解其受力情況。

1.1.1 已知條件

如圖2所示，葉輪直徑D=9.14m，輪轂直徑d=1.5m，葉片數(shù)Z=10，轉(zhuǎn)速n=127r/min，功率N= 200kW，單個(gè)葉片質(zhì)量E=110kg，全壓p=175Pa，風(fēng)量Q=3 120 652m3/h。

圖2 Φ9.14m葉片的受力圖

設(shè)氣動(dòng)力與空氣阻力（分布力）的合力F2、F5作用在氣動(dòng)中心A，L2=0.75L；葉片重力F1合力作用在葉片重心C，L1=0.5L，見(jiàn)圖2（設(shè)葉片是勻質(zhì)等剖面，未考慮接頭質(zhì)量影響）。

1.1.2 葉根受力

重力F1=Eg=110×9.8=1 078N

葉根彎矩（垂直平面內(nèi)）M1=F1L1+F2L2=1 078× 3.82/2+1 148.2×0.75×3.82=5 348.6（N·m）

葉根彎矩（旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)）M2=F5L2=525× 0.75×3.82=1 504（N·m）

葉根剪力（垂直平面內(nèi)）F4=F1+F2=1 078+ 1 148.2=2 226.2N

葉根剪力（旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)）F0=F5=525N

1.1.3 葉根接頭應(yīng)力

設(shè)葉片鋼接頭直徑70mm，材料40Cr，σb= 980MPa

總正應(yīng)力σ=σ1+σ2=13.4+165=178.4MPa。

1.1.4缺點(diǎn)分析

通過(guò)分析造成葉根大應(yīng)力的原因，來(lái)剖析現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的不足，從1.1.3的計(jì)算結(jié)果可知，葉根總正應(yīng)力為σ=178.4MPa，而由彎矩產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力σ2=165MPa，占總應(yīng)力的92％（σ2/σ=165/178.4= 92％）?？梢?jiàn)現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)中，在葉根產(chǎn)生的彎矩，是產(chǎn)生大工作應(yīng)力的原因。如果能設(shè)計(jì)出一種新結(jié)構(gòu)，在葉根不產(chǎn)生彎矩，那將大大改善結(jié)構(gòu)受力情況，可以減小結(jié)構(gòu)截面，降低成本，增加可靠性。

2 新型葉根零彎矩結(jié)構(gòu)

由于直升機(jī)的旋翼與輪轂的聯(lián)接是雙向鉸接的，飛機(jī)啟動(dòng)時(shí)，葉片在氣動(dòng)力（升力和阻力）、重力和離心力的聯(lián)合作用下達(dá)到穩(wěn)定平衡[2]。我們只能見(jiàn)到旋翼在垂直方向的擺動(dòng)，而無(wú)法覺(jué)察旋翼在旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)的擺動(dòng)。由于使用鉸接結(jié)構(gòu)，在旋翼與輪轂聯(lián)接處沒(méi)有彎矩，改善了旋翼的受力條件，因而結(jié)構(gòu)上在根部不需要大的剖面，提高了可靠性。而對(duì)于飛行器來(lái)講，安全是第一位的。應(yīng)該說(shuō)將直升機(jī)旋翼的結(jié)構(gòu)應(yīng)用到民用大型軸流葉輪上是最好的選擇?？墒侵鄙龣C(jī)旋翼與輪轂的聯(lián)接結(jié)構(gòu)太復(fù)雜，成果很高，因此我們將直升機(jī)旋翼的受力結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)化，逐步地移植到民用大型葉輪上。

2.1 葉根與輪轂固持聯(lián)接的零彎矩結(jié)構(gòu)

我們?nèi)砸灾睆?.14m的大型葉輪為例，新結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有技術(shù)不同，將葉片安裝成向下有一個(gè)傾角α，見(jiàn)圖3。

圖3 葉根固持的零彎矩結(jié)構(gòu)圖

因?yàn)閮A角α很小，所以氣動(dòng)力、重力等認(rèn)為與1.1實(shí)例相同，不同的是在傾角條件下，離心力F3可分解成沿著葉片軸線的F7=，及垂直向上分力F8=，向上的分力F8在葉根產(chǎn)生彎矩M3，方向與M1相反，若M1=M3，則葉根在垂直平面內(nèi)的彎矩相抵消成為零，從1.1.3可知，M1是最嚴(yán)重的彎矩，M1=5 348.6（N·m），離心力F3=

令M1=M3，則

可見(jiàn)，從現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)，改變成新型的零彎矩結(jié)構(gòu)僅需將葉片稍下傾一個(gè)角度，本例中僅為3.1°，這很容易實(shí)現(xiàn)，只要將葉片安裝座制成傾角即可。詳見(jiàn)專利ZL200520085766.0[3]。

2.2 葉根與輪轂鉸接的零彎矩結(jié)構(gòu)（單鉸接）

葉根固持聯(lián)接的結(jié)構(gòu)將葉片下傾，可以使葉根零彎矩（垂直平面內(nèi)）。但只有在特定的工況，計(jì)算很準(zhǔn)確的條件下才能達(dá)到。如果工況發(fā)生改變，葉根的彎矩就不為零。

圖4 鉸接結(jié)構(gòu)圖

一種鉸接結(jié)構(gòu)可以確保在一定的工況范圍內(nèi)，葉根始終保持零彎矩（僅垂直平面內(nèi)）。結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。葉片在設(shè)計(jì)工況應(yīng)下傾α，為理論零彎矩姿態(tài)，結(jié)構(gòu)允許在此姿態(tài)上下擺動(dòng)±3°，這樣在工況改變時(shí)，葉片可自動(dòng)調(diào)整姿態(tài)保持零彎矩。同時(shí)結(jié)構(gòu)對(duì)葉片的擺動(dòng)有限位功能，不允許超范圍擺動(dòng)，以保證結(jié)構(gòu)的可靠性，詳見(jiàn)發(fā)明專利ZL201010183142.8[4]。

3 復(fù)合鉸鏈的零彎矩結(jié)構(gòu)

3.1 葉片在旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)的彎矩及平衡

以上僅討論了在垂直平面內(nèi)的零彎矩，在葉片旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)仍然存在彎矩，見(jiàn)圖5。

圖5 旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)的力矩平衡圖

在1.1.3對(duì)實(shí)例已經(jīng)計(jì)算出M2=1 504（N·m），離心力，設(shè)葉片在旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)偏轉(zhuǎn)角度β時(shí)，葉片受力平衡，姿態(tài)穩(wěn)定，則離心力的分力F7·tanβ產(chǎn)生一個(gè)力矩M4，M4=F7·tanβ·L/2

令M4=M2，則β=0.87°

3.2 復(fù)合鉸接結(jié)構(gòu)

一種復(fù)合鉸接的結(jié)構(gòu)，可以確保在一定工況范圍內(nèi)，在垂直平面和旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)葉根在兩個(gè)方向始終保持零彎矩。結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6～圖8。

圖6 復(fù)合鉸接葉輪圖（圖示為葉輪轉(zhuǎn)軸垂直地面）

新型的復(fù)合鉸接結(jié)構(gòu)，受力大為改善，一些結(jié)構(gòu)受力自動(dòng)平衡抵消，僅剩下沿著葉片展向的離心力分力F9（圖3，圖5）。

圖7 水平鉸接圖

圖8 垂直鉸接圖

設(shè)葉根部分接頭直徑為70mm，鉸接軸直徑為30mm，則該力對(duì)葉根的作用如下：

3.3 實(shí)用的復(fù)合鉸接結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有技術(shù)中，葉片受力復(fù)雜，受到拉伸、彎曲、剪切等；而新型復(fù)合鉸接結(jié)構(gòu)，一些外力自行平衡抵消，最后葉片僅受順著葉片展向的離心力，原有結(jié)構(gòu)中對(duì)葉片損害最嚴(yán)重的彎曲應(yīng)力不存在了，受力大為改善，結(jié)構(gòu)因而大為簡(jiǎn)化。

圖7是復(fù)合鉸接結(jié)構(gòu)的又一種實(shí)用形式，輪轂是雙層結(jié)構(gòu)，復(fù)合鉸接結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵零件。復(fù)合鉸接器其實(shí)就是使用一段軋制鋼管，加工相互垂直的兩個(gè)孔，稍加加工而成，成本低，有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

葉片在旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)，可繞垂直鉸接軸（C軸）擺動(dòng)，擺動(dòng)范圍受到限位裝置控制。葉片在垂直平面內(nèi)，可繞水平鉸接軸（D軸）擺動(dòng)，其擺動(dòng)范圍受到配合尺寸的限制。兩個(gè)方向的擺動(dòng)角度雖均受到限位器的限制，但足夠達(dá)到運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)平衡穩(wěn)定的要求。

按圖9的結(jié)構(gòu)，已經(jīng)制作出直徑9.75m的樣機(jī)，在試驗(yàn)臺(tái)上運(yùn)行（見(jiàn)圖10），完全符合設(shè)計(jì)要求。見(jiàn)發(fā)明專利201110282216.8[5]。

圖9 實(shí)用型復(fù)合鉸接結(jié)構(gòu)圖

圖10 雙鉸接直徑9.75m葉輪在測(cè)試中

4 結(jié)論

大型軸流風(fēng)機(jī)雙鉸接零彎矩結(jié)構(gòu)從葉輪工作受力的原理上著手，將先進(jìn)的直升機(jī)輪轂技術(shù)應(yīng)用于大型民用軸流風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)中，從根部上消除影響大直徑軸流風(fēng)機(jī)葉輪安全性的主要因素，實(shí)現(xiàn)大型軸流風(fēng)機(jī)的高可靠性運(yùn)行；雙鉸接零彎矩結(jié)構(gòu)改善大型軸流風(fēng)機(jī)葉片連接軸的受力狀態(tài)，可明顯降低風(fēng)機(jī)材料成本，提高葉輪的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力；雙鉸接零彎矩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)雙盤(pán)輪轂葉輪的現(xiàn)場(chǎng)安裝結(jié)構(gòu)，提高大型軸流風(fēng)機(jī)葉輪的裝配效率。大型軸流風(fēng)機(jī)雙鉸接零彎矩結(jié)構(gòu)必將促進(jìn)大型軸流葉輪設(shè)計(jì)的變革，推動(dòng)大型民用冷卻設(shè)備行業(yè)的發(fā)展。

[1]商景泰.通風(fēng)機(jī)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1994.

[2]航空機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編寫(xiě)組.航空機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,1975.

[3]盛才良，王新，盛軍岺.葉根零彎矩結(jié)構(gòu)的大型軸流風(fēng)機(jī):中國(guó),200520085766.0[P].2006-10-04.

[4]盛才良，李財(cái)和，盛軍嶺,等.一種葉片與輪轂鉸接的軸流葉輪:中國(guó),201010183142.8[P].2010-10-13.

[5]盛才良，王新，盛軍嶺.一種葉片與輪轂復(fù)合鉸接的軸流葉輪:中國(guó),201110282216.8[P].2013-09-18.

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分析了大型軸流風(fēng)機(jī)葉輪結(jié)構(gòu)存在葉根產(chǎn)生較大彎矩的缺陷。通過(guò)研究直升機(jī)旋翼的聯(lián)接結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種軸流風(fēng)機(jī)葉輪的新型雙鉸接結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)使主要受力自動(dòng)平衡抵消，大幅降低了葉輪葉根彎矩產(chǎn)生的應(yīng)力，提高了結(jié)構(gòu)的可靠性。利用該設(shè)計(jì)技術(shù)制造了9.75m直徑的樣機(jī)并進(jìn)行試驗(yàn)，樣機(jī)通過(guò)了試驗(yàn)測(cè)試，運(yùn)行平穩(wěn)可靠。

軸流風(fēng)機(jī)；鉸接；零彎矩；葉輪；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；直升機(jī)旋翼

Design of Dual Hinged Zero Moment Structure of Large Axial Fan Impeller

Sheng Cailiang,Wang Xin,Xu Chao,Wang Mingkun/Weihai Credit Fan Ventilator Co., Ltd.

axial flow fan;hinged structure;zero moment;impeller;structure strength;helicopter rotor

TH432.1；TK05

A

1006-8155（2015）01-0038-05

10.16492/j.fjjs.2015.01.122

*本文其他作者：王明坤/威?？巳R特菲爾風(fēng)機(jī)股份有限公司

2013-11-05山東威海264200

Abstract:This paper analyzed the disadvantage of the impeller root generating greater moment existing in the structure of large type axial flow fan impeller.A new type of axial flow fan impeller was designed based on analyzing the connection structure of helicopter rotor and hub.The dual hinged structure automatically balanced and eliminated the main force,which greatly reduced the stress generated by impeller root moment and improved the reliability of structure. According to the dual hinged design, 9.75m diameter prototype was produced and tested.The result was stable and reliable.