DE69728589T2

DE69728589T2 - Rotorschaufel

Info

Publication number: DE69728589T2
Application number: DE69728589T
Authority: DE
Inventors: Karl-Otto Strömberg; Ingemar Johansson; Sören GRÄNFORS
Original assignee: Flaekt Woods AB
Current assignee: Flaekt Woods AB
Priority date: 1996-11-08
Filing date: 1997-10-29
Publication date: 2004-07-29
Anticipated expiration: 2017-10-30
Also published as: EP0948718B1; MY121980A; SE9604118D0; SE9604118L; DK0948718T3; ZA979837B; WO1998021481A1; CN1102705C; TW378258B; DE69728589D1; CN1237230A; AU4972597A; US6176681B1; EP0948718A1; SE507712C2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotorflügel zum Befestigen an einer Nabe eines Gebläses oder einer ähnlichen Einrichtung, mit: einem Flügelabschnitt, der im wesentlichen aus einem Verbundmaterial aus faserverstärktem Kunststoff hergestellt ist, und einem integrierten Fuß mit mindestens einem Körper zum Befestigen des Rotorflügels an der Nabe eines Gebläses, und mindestens einer in ihrer Längsrichtung im wesentlichen starren Verstärkungseinrichtung, die am Körper befestigt ist und sich mindestens entlang einer der Seiten des Flügelabschnitts erstreckt.
Gegenwärtig besteht Bedarf für Rotorflügel aus einem Material, das einer aggressiven Umgebung, beispielsweise in der chemisch verarbeitenden Industrie, widerstehen kann und die relativ leichtgewichtig sind, so daß das Gebläse, an dem die Rotorflügel montiert sind, bei höheren Drehzahlen betreibbar ist und die Rotorflügel in einigen Fällen auch kleiner und damit kostengünstiger hergestellt werden können. Es ist daher versucht worden, Rotorflügel aus einem Verbundmaterial herzustellen, z. B. aus faserverstärktem Kunststoff.
Gemäß der US-A-4877376 ist ein Rotorflügel aus faserverstärktem Kunststoff bekannt, der relativ leichtgewichtig ist und daher bei hohen Drehzahlen betreibbar ist. Die Befestigung des Rotorflügels ist jedoch kompliziert teilweise aufgrund einer Bolzenverbindung mit Bolzen, die sich durch einen am Kunststoffmaterial anliegenden Druckflansch zu einer Nabe oder einer Befestigungseinrichtung erstrecken, und teilweise aufgrund eines Schafts, der sich in die Befesti gungseinrichtung erstreckt und mit einer Einrichtung zusammenwirkt, um eine Vorspannung auf den Rotorflügel auszuüben. In einer aggressiven Umgebung ist eine derartige Befestigung unzureichend, weil, auch wenn das Material im Rotorflügel chemisch beständig ist, der Bereich um den Druckflansch sowohl chemisch als auch mechanisch beeinflußt wird. Es ist gezeigt worden, daß Rotorflügel mit einer herkömmlichen Befestigungseinrichtung bei einer hohen Drehzahl des Gebläses, bei der eine hohe Belastung auf die Rotorflügel ausgeübt wird, tendenziell durch sich im Bereich der Bolzenverbindung ausbreitende Risse zerstört werden.
Gemäß der US-A-4966527 ist ein Rotorflügel aus faserverstärktem Kunststoff bekannt, der relativ leichtgewichtig und daher ebenfalls bei hohen Drehzahlen betreibbar ist. Die Befestigung dieses Rotorflügels ist jedoch dahingehend kompliziert, wobei Fasern Schleifen um mehrere Halterungselemente in der Nähe der Rotorbasis bilden, wobei die Halterungselemente sich im wesentlichen parallel zu den Seiten des Rotorflügels erstrecken.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfache und dauerhafte bzw. zuverlässige Befestigung für einen Rotorflügel bereitzustellen, der aus einem Verbundmaterial hergestellt ist, das auch einer aggressiven Umgebung widersteht.
Es ist eine weitere Aufgabe, die Betriebszustände des Rotorflügels zu verbessern.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch einen Rotorflügel gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, daß der Körper so angeordnet ist, daß er einem Belastungszustand widersteht, der in mehreren axial verschiedenen Richtungen wirkt, und der Körper sich im wesentlichen senkrecht zu den Seiten des Flügels durch den Fuß zu beiden Seiten des Flü gelabschnitts erstreckt und auf jeder Seite des Flügelabschnitts angeordnete Befestigungseinrichtungen aufweist.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Fuß des Rotorflügels mindestens zwei Körper auf, die vorzugsweise aus Metall, z. B. aus Stahl oder einem ähnlichen Material, hergestellt sind, das einem in mehrere axial verschiedene Richtungen wirkenden Belastungszustand effektiv widerstehen kann. Die beiden Körper erstrecken sich senkrecht durch den Fuß zu beiden Seiten des Flügels, und jeder Körper besteht vorzugsweise aus einem Träger mit einem abgerundeten unteren Rand. Die beiden Körper können auch integral miteinander ausgebildet sein und dadurch eine H-förmige Trägerstruktur bilden. Es kann natürlich auch ein plattenförmiger Körper verwendet werden, der Vertiefungen für die Verstärkungseinrichtungen) aufweist, oder es kann nur ein Träger verwendet werden, der beispielsweise bezüglich des Flügels schräg angeordnet ist.
Die Verstärkungseinrichtung besteht vorzugsweise aus einer Anzahl ausgerichteter Fasern und in einer bevorzugten Ausführungsform aus mindestens einem Kohlenstofffaserbündel, das während der Herstellung jedes Rotorflügels in einer Form um den Körper herum angeordnet und über die Seiten des Flügels nach außen geführt wird. Natürlich kann die Verstärkungseinrichtung auch am Körper befestigt werden, indem z. B. ein Kohlenstofffaserbündel durch ein Loch im Körper geführt wird, wobei das Bündel durch einen Knoten, der einen größeren Durchmesser als das Loch hat, oder auf ähnliche Weise befestigt wird.
Die Kombination aus Fasern und Kunststoff im Verbundmaterial des Fußes des Rotorflügels wird vorzugsweise so ausgewählt, daß das Verbundmaterial eine der Wärmeausdehnung des Körpers entsprechende Wärmeausdehnung besitzt. Das Ver bundmaterial besteht vorzugsweise aus glasfaserverstärktem Epoxidharz.
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben; es zeigen:
1 eine Vorderansicht eines erfindungsgemäßen Rotorflügels teilweise im Querschnitt;
2 eine Draufsicht des Rotorflügels;
3 eine Seitenansicht des Rotorflügels; und
4 einen Querschnitt eines Bereichs um den Fuß des Rotorflügels in einem vergrößerten Maßstab.
Die Zeichnungen zeigen einen Rotorflügel 1 zum Befestigen an einer Nabe eines Gebläses (nicht dargestellt) oder einer ähnlichen Einrichtung. Der Rotorflügel 1 weist einen Flügelabschnitt 2 und einen integrierten Fuß 3 auf. Der Fuß 3 des Rotorflügels weist zwei Körper 4 mit Befestigungseinrichtungen 5 auf. Die beiden Körper 4 bestehen vorzugsweise aus Metall, z. B. aus Stahl oder einem ähnlichen Material, das einem in mehrere axial verschiedene Richtungen wirkenden Belastungszustand widerstehen kann. Die beiden Körper 4 erstrecken sich bezüglich den Seiten 7 des Flügels senkrecht und durch den Fuß 3 zu beiden Seiten des Flügelabschnitts 2. Eine oder mehrere Verstärkungseinrichtungen 6 erstrecken sich mindestens teilweise um die beiden Körper 4 und entlang den Seiten 7 des Flügels. Die Befestigungseinrichtungen können geeignet aus sich durch die beiden Körper 4 erstreckenden Löchern bestehen, die dazu geeignet sind, mit (nicht dargestellten) Bolzen zusammenzuwirken, die in die Nabe eines Gebläses oder in eine daran montierte Halterungseinrichtung eingeschraubt werden.
Der Rotorflügel 1 besteht aus einem Verbundmaterial aus faserverstärktem Kunststoff. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Verbundmaterial aus verstärkten Glasfasern in einer Matrix aus Epoxidharz, das erfindungsgemäß durch eine oder mehrere Verstärkungseinrichtungen 6 aus jeweils mehreren gleich ausgerichteten Fasern verstärkt ist. Vorzugsweise sind die Fasern lang und kontinuierlich, wobei die Fasern z. B. Kohlenstofffasern sein können, es können jedoch auch andere Fasern, wie beispielsweise Fasern aus Aramid oder aus einem ähnlichen Material für die Verstärkungseinrichtungen) verwendet werden. Ähnlicherweise kann ein von Epoxidharz verschiedenes Polymer als Matrix verwendet werden.
Während der Herstellung des Rotorflügels 1 werden mehrere Lagen ausgerichteter Glasfasern auf jeder Seite einer Form angeordnet, woraufhin die Körper 4 in einem Ende der Form angeordnet werden. Eine oder mehrere aus einem Kohlenstofffaserbündel gebildete Verstärkungseinrichtungen 6 werden um jeden Körper 4 herum angeordnet und entlang eines zwischen den Glasfaserlagen angeordneten Kunststoffkerns 8 geführt (4), und schließlich wird Epoxidharz hinzugefügt.
Daher weist der fertiggestellte Rotorflügel 1 einen Flügelabschnitt 2 aus einem Verbundmaterial in der Form von glasfaserverstärktem Epoxidharz mit einem Kern 8 aus Kunststoff und einen integrierten Fuß 3 auf, der ebenfalls aus einem Verbundmaterial besteht und mindestens einen Körper 4 und eine oder mehrere Verstärkungseinrichtungen 6 aus Kohlenstoffasern aufweist.
Daher besteht der Fuß 3 des Rotorflügels aus dem Körper 4, der einen oder den mehreren Verstärkungseinrichtungen 6 und dem um den Körper 4 angeordneten Teil des Verbundmaterials. Der Körper 4 erstreckt sich im wesentlichen senkrecht zu den Seiten 7 des Flügels, durch den Fuß 3 und zu beiden Seiten des Flügelabschnitts 2. Dadurch bildet der Körper 4 ein Gegengewicht, das der Tendenz des Flügelabschnitts 2 entgegenwirkt, sich während des Betriebs um seine eigene Achse zu drehen. Der Körper 4 besteht vorzugsweise aus Metall, z. B. aus Stahl oder einem ähnlichen Material, das einem in mehreren axial verschiedenen Richtungen wirkenden Belastungszustand widerstehen kann, und weist Befestigungseinrichtungen 5 auf jeder Seite des Flügelabschnitts 2 auf, die im dargestellten Beispiel als Bolzenlöcher für jeweilige Befestigungsbolzen ausgebildet sind. Die Anzahl der Bolzenlöcher kann von eins bis zu mehreren Bolzenlöchern auf jeder Seite des Flügelabschnitts variieren. Wie vorstehend erwähnt wurde, wird der Rotorflügel 1 durch die Befestigungsbolzen an einer Nabe befestigt, wobei die Bolzen in die Löcher des Körpers 4 eingesetzt und in die Nabe oder in eine daran montierte Halterungseinrichtung eingeschraubt werden. Auch wenn das Verbundmaterial den Körper 4 im wesentlichen umschließt, ist es vorteilhaft, wenn die Befestigungsbolzen sich lediglich durch den Körper 4 erstrecken, und wenn im Bereich der Bolzen keine wesentliche Menge des Verbundmaterials vorhanden ist.
Der vorstehend beschriebene Rotorflügel 1 ist im Vergleich zu herkömmlichen Rotorflügeln aus Metall leichtgewichtig und widersteht hohen Drehzahlen, ohne daß der Fuß im Bereich der Bolzenverbindung zerbirst oder springt. Die auf den Rotorflügel 1 wirkenden Kräfte werden über die aus Kohlenstofffasern bestehende(n) Verstärkungseinrichtung(en) 6, die in ihrer Längsrichtung relativ steif sind, zum Körper 4 übertragen, der einem in mehreren axial verschiedenen Richtungen wirkenden Belastungszustand widerstehen kann, und ferner über die Befestigungsbolzen zur Nabe. Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung ist, daß die Verstärkungseinrichtung en) 6 am Körper 4 befestigt ist (sind), indem sie sich entweder um den Körper 4 erstreckt (erstrecken) oder auf geeignete Weise am Körper 4 befestigt ist (sind). Es ist außerdem wesentlich, daß die Verstärkungseinrichtung en) 6 sich über einen Teil der Länge der Rotorflügel erstreckt (erstrecken).
Um eine unerwünschte Belastung der Verstärkungseinrichtung en) zu vermeiden, ist der Körper als Träger mit abgerundeten unteren Rändern ausgebildet. Es kann lediglich ein Träger verwendet werden, auch wenn in den Figuren zwei Träger zeigen. Die beiden Körper können auch integriert sein, um eine H-förmige Trägerstruktur zu bilden, oder der Körper kann die Form einer Platte mit Vertiefungen zum Befestigen der Verstärkungseinrichtung en) haben.
Die Zusammensetzung aus Fasern und Kunststoff im Verbundmaterial des Fußes 3 der Rotorflügel wird so ausgewählt, daß das Verbundmaterial eine Wärmeausdehnung aufweist, die an die Wärmeausdehnung des Körpers 4 derart angepasst ist, daß die Wirkung der Ausdehnung der Körper während unterschiedlicher Temperaturbedingungen weitestgehend reduziert wird, d. h., das Verbundmaterial wird der temperaturbedingten Bewegung des Körpers 4 folgen.

Claims

Rotorflügel (1) zum Befestigen an einer Nabe eines Gebläses, mit: einem Flügelabschnitt (2), der im wesentlichen aus einem Verbundmaterial aus faserverstärktem Kunststoff hergestellt ist; und einem integrierten Fußabschnitt (3) mit mindestens einem Körper (4) zum Befestigen des Rotorflügels (1) an einer Nabe eines Gebläses und mindestens einer in ihrer Längsrichtung im wesentlichen starren Verstärkungseinrichtung (6), die am Körper (4) befestigt ist und sich mindestens entlang einer der Seiten (7) des Flügels erstreckt; dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (4) so angeordnet ist, daß er einem Belastungszustand widersteht, der in mehreren axial verschiedenen Richtungen wirkt; und der Körper (4) sich im wesentlichen senkrecht zu den Seiten (7) des Flügels durch den Fuß (3) zu beiden Seiten des Flügelabschnitts (2) erstreckt und auf jeder Seite des Flügelabschnitts (2) angeordnete Befestigungseinrichtungen (5) aufweist.
Rotorflügel (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (4) von einem Verbundmaterial im wesentlichen umschlossen ist.
Rotorflügel (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungseinrichtung (6) aus mehreren gleichmäßig ausgerichteten Fasern bestehen.
Rotorflügel (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungseinrichtung (6) sich mindestens teilweise um den Körper (4) erstreckt.
Rotorflügel (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungseinrichtung (6) am Körper (4) befestigt ist.
Rotorflügel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Fuß (3) des Gebläseflügels zwei trägerförmige Körper (4) mit einem abgerundeten unteren Rand aufweist.
Rotorflügel (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Körper (4) miteinander integral ausgebildet sind und daher eine H-förmige Trägerstruktur bilden.
Rotorflügel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (4) plattenförmig ausgebildet ist und Vertiefungen zum Befestigen der Verstärkungseinrichtung (6) aufweist.
Rotorflügel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbundmaterial aus glasfaserverstärktem Epoxidharz besteht und die Verstärkungseinrichtung (6) aus Kohlenstofffasern besteht.
Rotorflügel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (4) aus Metall besteht.