CN111472992B - 一种轴流风机的旋绳式动叶可调装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴流风机的旋绳式动叶可调装置及方法，其中装置包括利用绳(16)连接的中心前绳盘(8)、叶片绳盘(12)和中心后绳盘(7)，其中，中心前绳盘(8)和中心后绳盘(7)位于带有减速器(13)的伺服电机(14)的输出轴上，叶片绳盘(12)通过带动叶片轴(3)旋转进而改变叶片(1)的安装角，使输出轴带动中心前绳盘(8)和中心后绳盘(7)旋转，经绳(16)带动叶片绳盘(12)转动，并通过叶片轴(3)能够使叶片(1)的安装角发生改变，实现动叶可调。本发明通过对关键组件及其结构和设置方式等方面的设计，得到的旋绳式动叶可调装置结构简单、成本低廉、调节灵活、形式新颖。

Description

一种轴流风机的旋绳式动叶可调装置及方法

技术领域

本发明属于轴流风机技术领域，更具体地，涉及一种轴流风机的旋绳式动叶可调装置及方法，该装置是能够适用于各种大型轴流风机叶轮叶片调节流量压力使用的叶片调节机构。

背景技术

轴流风机在运行中有时需要进行工况调节以适应系统所需的压力与风量，调节叶片安装角改变风机压力与流量的方式目前被广泛采用，但风机停车调节叶轮叶片的方式费时费力，经济性较差。因此，轴流风机动叶调节技术和装置在工程上具有重要意义，特别在矿井通风等环境中，其显得尤为必要。

现有的轴流风机动叶调节装置一般采用液压缸推动调节盘，再通过曲柄等结构实现叶片角度的调节，这存在一定的局限性。例如，整体结构复杂而不利于制造、拆装、维修；调节盘往往很大而加增叶轮主轴强度、刚度等要求；液压缸笨重且易发生液压油泄露；叶片调节范围有所限制等。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种轴流风机的旋绳式动叶可调装置及方法，其中通过对关键组件及其结构和设置方式等方面的设计，得到的旋绳式动叶可调装置结构简单、成本低廉、调节灵活、形式新颖，并且，基于该装置的旋绳式动叶可调方法，操作便捷，叶片安装角的调节范围可根据需要灵活设置。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种轴流风机的旋绳式动叶可调装置，其特征在于，包括沿轮毂周向分布的多个变径孔；每个变径孔内设置有一个叶片轴以及与该叶片轴固定连接的一个叶片，所述叶片轴通过承转组件与所述轮毂连接，所述叶片轴伸入所述轮毂内的一端连接叶片绳盘，该叶片绳盘用于带动所述叶片轴旋转，利用所述叶片轴的旋转改变所述叶片的安装角；

所述轮毂分别与前盘和后盘相连，用于形成整体结构，带有减速器的伺服电机与该整体结构相连，其中，所述前盘靠近叶轮主轴，所述后盘远离叶轮主轴，所述叶轮主轴能够带动所述整体结构进行转动；

并且，在所述带有减速器的伺服电机的整体输出轴上分别设置有中心前绳盘和中心后绳盘，这两个绳盘的结构彼此相同，每个绳盘内圆面上沿周向均设置有若干个通孔结构，每个叶片对应不同的中心前绳盘通孔结构，并对应不同的中心后绳盘通孔结构；利用绳依次经过所述中心前绳盘、所述叶片绳盘和所述中心后绳盘，所述绳的两端分别固定于中心前绳盘通孔结构和中心后绳盘通孔结构内，能够使所述整体输出轴带动所述中心前绳盘和所述中心后绳盘旋转，经绳带动所述叶片绳盘转动，并通过所述叶片轴能够使所述叶片的安装角发生改变，实现动叶可调。

作为本发明的进一步优选，所述中心前绳盘和所述中心后绳盘的转动轴相重合，均垂直于所述叶片绳盘的转动轴。

作为本发明的进一步优选，所述绳均贴绕所述中心前绳盘、所述中心后绳盘和所述叶片绳盘一定绳量以满足预先设定的叶片安装角调节范围要求；所述中心前绳盘、所述中心后绳盘和所述叶片绳盘的盘周边缘均为内陷式结构，以避免所述绳侧滑出绳盘。

作为本发明的进一步优选，所述中心前绳盘的通孔结构数量与所述叶片的总数相等，每个所述叶片绳盘上也设置有通孔结构，用于固定所述绳的中间部分；任意一个叶片绳盘的通孔结构数量小于所述中心前绳盘的通孔结构数量。

作为本发明的进一步优选，所述伺服电机的电源线与信号线通过导电滑环由所述轮毂的内部引出。

作为本发明的进一步优选，所述后盘呈凹陷状，所述减速器和所述伺服电机放置在所述后盘与后盘盖形成的空间内。

作为本发明的进一步优选，所述绳具体是经过滑轮分别使所述中心前绳盘与所述叶片绳盘相连、所述中心后绳盘与所述叶片绳盘相连。

按照本发明的另一方面，本发明提供了基于上述装置的轴流风机的旋绳式动叶可调方法，其特征在于，该方法是先根据减速器的传动比、中心后绳盘的内圆面直径及叶片绳盘的内圆面直径，得到叶片安装角的调节量与伺服电机的输出轴转动量之间的关系，进而确定伺服电机的控制信号；接着向所述伺服电机传入控制信号，在减速器输出轴的作用下，带动中心后绳盘和中心前绳盘转动使其中一者收绳、另一者放绳，并带动所有叶片绳盘转动，从而带动叶片轴和叶片的转动，达到叶片安装角变化的目的，实现动叶调节。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

本发明中轴流风机的旋绳式动叶可调装置，中心绳盘和叶片绳盘直径可根据实际应用情况而决定，避免了现有技术中调节盘过大的缺点。通过绳的连接与传动大大轻量化、简便化动叶调节装置。并且，中心绳盘-绳-滑轮-叶片绳盘的简单结构，使装置易于制造、安装、维护，经济性高。

利用本发明中轴流风机的旋绳式动叶可调装置及方法，叶片安装角调节范围可灵活预先设定，例如，叶片安装角的调节范围可以实现360°全角度调节，仅需叶片绳盘和中心绳盘上足够的贴绕绳量。

本发明尤其对后盘“凹陷”式的优选设计，一方面能够充分利用轮毂内部空间，将伺服电机尽量布置在轮毂内部，减小了叶轮整体的体积，避免叶轮的笨重感，另一方面减小了叶轮对悬臂式叶轮主轴的弯矩。

对比现有的动叶调节技术，本发明的一个关键亮点在于：叶轮整体轻量化与紧凑化。本发明首先完全抛弃复杂的液压系统(液压缸、活塞组件、控制阀、油泵等)——液压方式因涉及密封、油路供给等技术使得系统整体复杂庞重；其次舍弃轮毂内硕大的调节盘与多个曲柄、配重块等零件。取而代之，本发明提出全新的以“叶片绳盘-绳-中心绳盘”为核心的极简调节体系，很大程度地减小叶轮的附加质量而实现轻量化，同时提高系统稳定性。并且，后盘可优选采用“凹陷”设计回收轮毂内部空间，安置电机等部件，实现叶轮紧凑化。

本发明所对应的全新调节体系还具有以下设计特点：

a.非直接接触传动、转轴垂直

中心绳盘的转动量转化至叶片绳盘的转动量之间为无直接接触，且两者转轴垂直(即需转化传动平面)。本发明引入“绳”的概念，使中心绳盘和叶片绳盘间接接触并实现“转动量-绳量”的转化；并优选设置滑轮。滑轮提供传动方向的转折作用，其与“绳”具有的优秀弯扭能力结合，实现绳在叶片绳盘传动面与中心绳盘传动面间的转化，即解决转轴垂直技术难点。

b.多盘对一盘

由轮毂内部空间的限制与较大程度轻量化的革新目标，本发明对发明初期的一个叶片绳盘对应一个中心绳盘的方式作出变革：将所有叶片绳盘引出的绳集结至一个中心绳盘上。设计出“后弯辐射”状的绳走向(如后文中的图4(a)所示)，解决了多叶片绳盘对应一中心绳盘的技术难点。并通过中心绳盘内圆面开设的多个通孔结构对应多个叶片绳盘，解决了多股绳在一个中心绳盘上的固定问题。

c.中心绳盘双向可转性

实现叶片安装角的双向可调性需实现中心绳盘的双向可转性。“后弯辐射”状的绳走向带来中心绳盘顺时针转动时的绳松软技术难点。本发明通过设置另一个完全相同的、同步转动的中心绳盘，并结合绳反向贴绕的设计(如后文中的图4(a)、图4(b)所示)，使绳在中心前绳盘(中心后绳盘)的绕出量转化为中心后绳盘(中心前绳盘)的缠进量，在几乎不增加研制成本与装置复杂度的情况下，解决了该技术难点，实现中心绳盘的双向可转性。

附图说明

图1为轴流风机叶轮子午截面示意图，主要示出本发明轮毂及其内部构造。

图2(a)为本发明的中心绳盘(即中心前绳盘和中心后绳盘)示意图，中心前绳盘和中心后绳盘两者除了放置位置不同外，细节结构(如直径、通孔结构的数量)彼此相同；图2(b)为本发明的叶片绳盘示意图。

图3为本发明中心绳盘、叶片绳盘、滑轮及轮毂前盘的安装关系示意图。

图4(a)与图4(b)为本发明两个中心绳盘——中心前绳盘和中心后绳盘的绕绳设计示意图。

图5为绳固定在叶片绳盘通孔结构实施方式之一的示意图。

图中各附图标记的含义如下：叶片-1，轮毂-2，叶片轴-3，承转组件-4，前盘-5，前盘盖-6，中心后绳盘-7，中心前绳盘-8，叶轮主轴-9，后盘-10，后盘盖-11，叶片绳盘-12，减速器-13，伺服电机-14，导电滑环-15，绳-16，长滑轮-17，短滑轮-18。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1

图1至图5为本发明动叶调节装置及细节部件的结构示意图。

如图1所示，轮毂2沿周向具有多个变径孔，变径孔的数量与叶片数一致。叶片轴3置于变径孔内，其上端与叶片1固定连接。在变径孔内的承转组件4使叶片轴3仅具有一个旋转自由度——用以改变叶片1的安装角。叶片轴3伸入轮毂内部一端连接叶片绳盘12，因此叶片1、叶片轴3与叶片绳盘12可同步转动。

前盘5和后盘10分别固定连接于轮毂2的前后侧。前盘盖6固定连接于前盘5。后盘盖11固定连接于后盘10。

带减速器13的伺服电机14布置于轮毂内，由后盘10和后盘盖11将其固定(减速器输入端与伺服电机输出端相连接，减速器与伺服电机作为一个整体，固定连接于后盘与后盘盖之间)。减速器13的输出轴上前后布置中心前绳盘8和中心后绳盘7(中心前绳盘和中心后绳盘通过键连接于减速器输出轴)。后盘10的形状为向轮毂内“凹陷”，其目的一是充分利用轮毂内部空间，将伺服电机尽量布置在轮毂内部，减小了叶轮整体的体积，避免叶轮的笨重感；二是尽量减小叶轮对叶轮主轴9的弯矩；三是使中心绳盘7、8靠近前盘5从而减小滑轮臂的长度。

叶轮主轴9通过键与前盘盖6连接，结合实施例1的上述说明可知，叶轮主轴9的旋转能够带动整个叶轮随之旋转，包括伺服电机14、减速器13等。

导电滑环15布置于伺服电机14的尾部，导电滑环15将伺服电机的电源线与信号线从轮毂内部引出，使电源线与信号线随叶轮转动转变为相对地面静止。

图2(a)示出两个完全相同的中心前绳盘8和中心后绳盘7，其特征在于：盘周边缘设计为内陷式，内圆面周向均匀地分布有通孔结构，通孔结构数量与叶片数量一致。中心绳盘7、8内圆面上的通孔结构作用为：绳16可利用通孔结构将绳16一端固定在通孔结构处，固定方式包括但不限于打结、胶粘、在绳16端部制作特殊卡扣等。盘周边缘内陷的作用为：限制绳16以贴绕在中心绳盘7、8盘周的内圆面上，防止绳16贴绕绳盘过程中侧滑出绳盘。图4(a)和图4(b)显示出两个中心绳盘7、8连接多条绳16并贴绕内圆面一定长度后的示意图。

图2(b)示出叶片绳盘12，具有以下特点：与上述中心绳盘7、8的结构基本相同，但通孔结构较少，实施例通孔结构数量为三个。叶片绳盘12内圆面上的通孔结构作用为：绳16中间段一定长度固定在通孔结构上，使得拉动绳16能带动叶片绳盘12转动。

图5表示了绳16中间一定长度段利用通孔结构固定在叶片绳盘内圆面的一种方式：绳16多圈紧绕通孔结构，绳16的A端和B端分别继续多圈紧绕剩下两个通孔结构。由此，一定长度绳16的中间段被固定在叶片绳盘12的内圆面上，将A端和B端继续贴绕内圆面各一圈，以使绳16拉转绳盘时有足够的绳量保证叶片安装角的调节范围。需注意的是：可对通孔结构绕绳曲面作表面处理、包裹纤维制品等方式增加其与绕绳的最大静摩擦力，然而绳16固定于叶片绳盘12通孔结构的方式不受本实施方式限制。

如图3所示，长滑轮17和短滑轮18分别固定安装在前盘内壁面上。滑轮的作用是将中心绳盘7、8和叶片绳盘12引出的绳16进行导向。其特征在于：长滑轮17引导绳16与中心后绳盘7直接相连，短滑轮18引导绳16与中心前绳盘8直接相连。滑轮所在位置应满足如下条件：(1)经过滑轮引向中心绳盘7、8的内圆面的绳16分别与中心前绳盘8或中心后绳盘7的盘面平行；(2)经过滑轮引向叶片绳盘12的绳16沿平行于轮毂轴的方向进入叶片绳盘12。条件(1)和(2)是为了防止绳16在拉动过程中滑出中心绳盘7、8或滑轮或叶片绳盘12。需注意的是：a.图3仅示出本发明某一个叶片绳盘12经过滑轮与中心绳盘7、8的连接方式，实际应有和叶片数相同的叶片绳盘12经过滑轮与中心绳盘7、8进行绳连接；b.根据本条所述可知，叶片绳盘12和中心绳盘7、8的直径不同时，滑轮轴应设置成不垂直于叶片绳盘轴。

本实施例的叶片数取为10，本描述仅为了更清晰说明绳16所经过的部件，并不限制绳16在安装时的先后顺序。绳16依次经过的部件说明如下：十根绳16的一端分别固定在中心后绳盘7的十个通孔结构中，并贴绕中心后绳盘7一定长度，如图4(b)所示。绳16的另一端首先经过各长滑轮17，引导至叶片绳盘12并贴绕一圈，绳端再依次经过各通孔结构(通孔结构如同上文对图5的分析说明)，绳16继续贴绕叶片绳盘12一圈。之后所有绳端经过各短滑轮18引导至中心前绳盘8，贴绕中心前绳盘8一定长度后，十个绳端最后分别固定在中心前绳盘8的十个通孔结构中。绳16安装完成后应为紧绷状态。绳贴绕中心前、后绳盘的方向相反。

绳16的材质、粗细、制作方式等应当根据叶轮大小、环境气候等具体情况进行选取，可以是纤维制品，可以是合金，可以是多股细绳缠绕而成等。但根据本发明所述调节装置的特性，与现有技术中的常规要求相似，绳16应满足：拉伸“弹性模量”理论上应为无穷大，即绳的拉伸几乎不会引起绳的伸长；绳16有很好的弯曲变向能力；绳16的直径能够利用叶片绳盘12的通孔结构进行多圈紧绕；绳16有足够“强度”承受各种因素引起的拉伸力，如风载、机械惯性力等。

本发明动叶调节机构工作时，中心前绳盘8和中心后绳盘7同时转动、同向转动、转速相同。中心绳盘7、8的旋转带来的影响说明如下：如图4(a)和图4(b)所示，当中心绳盘7、8逆时针旋转时，中心前绳盘8处于“收绳”过程，绳16贴绕内圆面不断“进入”中心前绳盘8；而中心后绳盘7处于“放绳”过程，绳16贴绕内圆面不断“离开”中心后绳盘7，且“收绳”和“放绳”的绳量相等；参考图3，经滑轮引入并贴绕叶片绳盘12的绳16则拉转叶片绳盘12使其逆时针转动，从而带动叶片轴3和叶片1的逆时针转动。当中心绳盘7、8顺时针旋转时，则中心前绳盘8处于“放绳”过程，而中心后绳盘7处于“收绳”过程，叶片绳盘12带动叶片1顺时针转动。其特征在于：上述过程绳16始终处于紧绷状态，且其总长度不变即绳16无拉伸，仅有绳量在各部件中的转移。

本发明动叶调节的过程是：根据减速器13的传动比、中心绳盘7、8的内圆面直径、叶片绳盘12的内圆面直径即可得到叶片1安装角的调节量与伺服电机14的输出轴转动量之间的关系，继而确定外来控制信号。外来控制信号经导电滑环15传入伺服电机14，伺服电机14转动输出轴以执行响应。减速器13降转速、增扭矩后精准化了输出的转动角度量，减速器13输出轴带动中心绳盘7、8旋转，中心绳盘7、8的旋转拉动所有绳16使中心前后绳盘有“收绳”和“放绳”动作，所有叶片绳盘12得到转动，从而带动叶片轴3和叶片1的转动。当伺服电机完全响应控制信号后，伺服电机14的主轴锁死不再转动，叶片安装角不再变化。至此，动叶调节的一个调节过程结束。

本发明中，中心前绳盘8、中心后绳盘7和叶片绳盘12均采用内陷式结构，且内圆面的宽度均小于外圆缺失面的宽度，以形成边缘内陷处的圆周斜面，保证在出现风机振动等特殊工况下，绳16因不对齐内圆面贴绕在圆周斜面上时，能够滑入内圆面。另外，在满足强度要求和功能性要求的前提下，中心前绳盘8、中心后绳盘7和叶片绳盘12还可制作成部分盘面轴向贯通，以进一步实现调节装置轻量化。

本发明中的固定连接，可以是螺栓连接，可以是螺钉连接，也可以是胶粘连接或其他连接方式，只要固定连接的两个部件之间无相对运动即可。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种轴流风机的旋绳式动叶可调装置，其特征在于，包括沿轮毂(2)周向分布的多个变径孔；每个变径孔内设置有一个叶片轴(3)以及与该叶片轴(3)固定连接的一个叶片(1)，所述叶片轴(3)通过承转组件(4)与所述轮毂(2)连接，所述叶片轴(3)伸入所述轮毂(2)内的一端连接叶片绳盘(12)，该叶片绳盘(12)用于带动所述叶片轴(3)旋转，利用所述叶片轴(3)的旋转改变所述叶片(1)的安装角；

所述轮毂(2)分别与前盘(5)和后盘(10)相连，用于形成整体结构，带有减速器(13)的伺服电机(14)与该整体结构相连，其中，所述前盘(5)靠近叶轮主轴(9)，所述后盘(10)远离叶轮主轴(9)，所述叶轮主轴(9)能够带动所述整体结构进行转动；

并且，在所述带有减速器(13)的伺服电机(14)的整体输出轴上分别设置有中心前绳盘(8)和中心后绳盘(7)，这两个绳盘的结构彼此相同，每个绳盘内圆面上沿周向均设置有若干个通孔结构，每个叶片(1)对应不同的中心前绳盘(8)通孔结构，并对应不同的中心后绳盘(7)通孔结构；利用绳(16)依次经过所述中心前绳盘(8)、所述叶片绳盘(12)和所述中心后绳盘(7)，所述绳(16)的两端分别固定于中心前绳盘(8)通孔结构和中心后绳盘(7)通孔结构内，能够使所述整体输出轴带动所述中心前绳盘(8)和所述中心后绳盘(7)旋转，经绳(16)带动所述叶片绳盘(12)转动，并通过所述叶片轴(3)能够使所述叶片(1)的安装角发生改变，实现动叶可调；

所述中心前绳盘(8)和所述中心后绳盘(7)的转动轴相重合，均垂直于所述叶片绳盘(12)的转动轴；

所述绳(16)均贴绕所述中心前绳盘(8)、所述中心后绳盘(7)和所述叶片绳盘(12)一定绳量以满足预先设定的叶片安装角调节范围要求；所述中心前绳盘(8)、所述中心后绳盘(7)和所述叶片绳盘(12)的盘周边缘均为内陷式结构，以避免所述绳(16)侧滑出绳盘。

2.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述中心前绳盘(8)的通孔结构数量与所述叶片(1)的总数相等，每个所述叶片绳盘(12)上也设置有通孔结构，用于固定所述绳(16)的中间部分；任意一个叶片绳盘(12)的通孔结构数量小于所述中心前绳盘(8)的通孔结构数量。

3.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述伺服电机(14)的电源线与信号线通过导电滑环(15)由所述轮毂(2)的内部引出。

4.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述后盘(10)呈凹陷状，所述减速器(13)和所述伺服电机(14)放置在所述后盘(10)与后盘盖(11)形成的空间内。

5.如权利要求1－4任意一项所述装置，其特征在于，所述绳(16)具体是经过滑轮分别使所述中心前绳盘(8)与所述叶片绳盘(12)相连、所述中心后绳盘(7)与所述叶片绳盘(12)相连。

6.基于如权利要求1－5任意一项所述装置的轴流风机的旋绳式动叶可调方法，其特征在于，该方法是先根据减速器的传动比、中心后绳盘的内圆面直径及叶片绳盘的内圆面直径，得到叶片安装角的调节量与伺服电机的输出轴转动量之间的关系，进而确定伺服电机的控制信号；接着向所述伺服电机传入控制信号，在减速器输出轴的作用下，带动中心后绳盘和中心前绳盘转动使其中一者收绳、另一者放绳，并带动所有叶片绳盘转动，从而带动叶片轴和叶片的转动，达到叶片安装角变化的目的，实现动叶调节。

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