DK165827B - Anordning ved af et fluidum paavirkede organer, som er anordnet paa et nav - Google Patents

Description

DK 165827B

Den foreliggende opfindelse angår en anordning ved af et fluidum påvirkede organer, fx blade, skovle, vinger eller lignende fastgjort til navet for et i en strømningsmaskine indgående element, såsom propellere, turbiner, ventilatorer eller lignende, af den i krav 1's indledning angivne art.

5

Det er kendt at fremstille propellere af armeret plastmateriale. Et ubåds-redningsfartøj er fx udstyret med en dysepropeller af polyuretan, som er armeret med 25% langfibrede glasfibre.

Ved fremstillingen går man ud fra en præformet måtte, som bindes med polyvinylalkohol. Præformen lægges i en form, hvorefter polyuretan indføres i formen. Man har på denne måde 10 efterlignet broncepropellerens stivhed mod deformering, men samtidig opnået et produkt, som kun vejer en sjettedel af en tilsvarende metalpropeller.

Fra US-A-3.883.267 kendes strømningsmaskiner, hvis blade, vinger eller skovle består af en metalkeme og flere pålagte lag af kompositfibermateriale. Metalkemen har et parti, som er 15 beliggende uden for selve bladet, hvilket parti tjener som bladtilslutningsfæste, med de fordele et metalfæste har sammenlignet med et fæste af plast. Kompositfiberlagene er hvert således orienteret, at vinklen, som dannes mellem fibrenes hovedretning i et lag og bladets akse, mindskes fra en maksimumværdi for det inderste lag eller laget, som befinder sig nærmest kernen, til én minimuværdi for det yderste lag eller laget, som befinder sig nærmest bladets overflade.

20 Derved forsøger man at modvirke de gennem mekaniske påvirkninger og temperaturvariationer opståede kræfter, som virker i overgangszonen mellem metalkemen og kompositfiberma-terialet.

Ifølge US-A-4.022.547 fremstilles blade til strømningsmaskiner, såsom kompressorer eller ven-25 tilatorer ved oplægning og sammenbinding af et antal fiberlaminater. Fibrene i i hvert fald et parti af laminaterne er skråtstillet, i korderetningen foran og bag en ikke-radial forløbende bladakse og danner derved en med bladets vridningscentrum skrå oplægning, skråtstillet foran eller bag bladets radialakse. Dette øger væsentligt bladets torsionsfrekvens. I en udførelsesform er fibrene skråtstillet fremad, så at ingen fibre løber fra bladets forkant til bladets spids, men i 30 stedet fra bladets forkant til bladroden. Denne orientering tillader, at påvirkningerne overføres til bladroden, hvor de lettere kan absorberes og spredes af det bladet bærende nav.

Hensigten med at anbringe fibrene på den ovenfor angivne måde er bedst muligt at modvirke den deformering, som en af sådant materiale fremstillet propeller vil blive udsat for under drift.

35 US.A.3.528.753 angår et rotorblad til en helikopter, og hvor det primære formål er at reducere rotorbladets vægt, og hvor det yderligere er ønskeligt, at vridningsaksen og tyngdepunktsaksen er sammenfaldende, således at bladet bibeholder sin form langs denne fælles akse og ikke

DK 165827 B

2 udsættes for sidebøjninger fremkaldt af centrifugalkræfter. Herfor benyttes en bjælke, men denne udgør forkanten af bladet, og det er yderligere anført, at den bageste del af bjælken har større elasticitetsmodul end den forreste. Der løses således et ganske andet problem end det, som ønskes løst ved den foreliggende opfindelse.

5

Propellere arbejder sjældent under ensartede og forudsigelige forhold. Der forekommer ofte forstyrrelser og/eller ændrede driftsforhold, som skaber problemer, når det angår konstruktion af propellere. Disse forstyrrelser og skiftende betingelser gør nemlig, at en propeller ikke kan optimeres. Forstyrrelserne fører ofte til specielle problemer, såsom kaviatation, vibrationer og 10 støj, fx ved fartøjsdrift. Det bliver derfor nødvendigt at indgå kompromiser og at vælge propellerens geometri således, at propelleren kan klare de situationer, som opstår. Dette indebærer imidlertid, at propelleren ikke kan gives optimale egenskaber. For at reducere disse problemer kan der gøres forskellige indsatser. Man kan fx træffe foranstaltninger, som har til hensigt at mindske vibrationernes størrelse, aflaste propellerbladenes spids eller anvende pro-15 pellere med vridbare blade, som gør det muligt at ændre propellerens stigning i afhængighed af belastningen.

Disse foranstaltninger giver sjældent det ønskede resultat og medfører ekstra omkostninger og mindsket virkningsgrad henholdsvis mindsket driftssikkerhed som følge af bevægelige dele.

20

Formålet med opfindelsen er at anvise forbedrede egenskaber i ovennævnte henseende, dvs., at fx propellerbladet ved øget driftsbelastning selvstændigt optimerer sin stigning, således at kavitation forhindres henholdsvis reduceres. Yderligere er formålet med opfindelsen at opnå lav vægt uden krav om sammenmontering eller efterbehandling og dermed en lav pris. Endvi-25 dere skal organet være korrosionsfrit.

Dette opnås ifølge opfindelsen ved den i krav 1 anviste udformning.

Opfindelsen skal i det følgende forklares nærmere i forbindelse med tegningen, hvor 30 fig. 1 viser set forfra og delvis gennemskåret en propeller ifølge opfindelsen, fig. 2 et snit langs linien Il-Il i fig. 1, fig. 3 og 4 i diagramform en deformeret henholdsvis en udeformeret propeller, fig. 5 og 6 i diagramform deformerede henholdsvis udeformerede bladsektioner, og 35 fig. 7 i perspektiv og i snit en del af en vinge ifølge opfindelsen.

I det følgende skal opfindelsen beskrives i forbindelse med en propeller, fx en fartøjspropeller, men opfindelsen er naturligvis ikke begrænset til denne udførelsesform.

DK 165827B

3

Ifølge opfindelsen udnyttes plastmaterialets eftergivelighed til at give propelleren de ønskede egenskaber, og dette sker ved, at propelleren er opbygget af materialer med anisotrope egenskaber, dvs. materiale med forskellige fysiske egenskaber i forskellige retninger, hvilket af-5 stedkommes ved, at forstærkningerne eller armeringeme anbringes i sektioner med armerings-elementeme i en og samme sektion forløbende i en og samme retning, men med armerings-elementeme i en sektion foriøbende i en anden retning end tilsvarende elementer i en anden sektion. Ved desuden at tilpasse propellerens geometri efter de aktuelle forhold opnås en propeller med væsentligt forbedrede egenskaber.

10 I fig. 1 vises en propeller udført i overensstemmelse med opfindelsen. Denne propeller 1 har på kendt måde et nav 2 med en indstøbt central bøsning af metal samt et antal fra navet udgående organer 3, fx propellerblade. Ved fremstillingen af propelleren har man derved opdelt propelleren i et antal armeringssektioner 4,5,6 med henblik på, hvilke belastninger disse er 15 udsat for, og hvilke deformationer der kan tillades henholdsvis t.o.m. er ønskede. Således kan armeringen i en sektion være af en vis kvalitet, fibertype, fiberlængde og mængde samt orienteret i en vis bestemt retning, medens armeringselementeme i andre sektioner kan have andre egenskaber, mængde, kvalitet, orientering osv. Ved en sådan armeringsmetode bliver det muligt at anordne indre armeringskoncentrationer fx i form af en bjælke 4, som er anbragt i 20 propellerbladets vridningscentrum. Dette flyttes hensigtsmæssigt fra sin normalt centrale placering i bladet til i nærheden af dets forkant, så at et bøjende moment opnås ved driftsbelastninger. Bjælken 4 er således udformet, at den strækker sig forbi bladroden og ind i navet 2.

Bjælken 4 er stiv i forhold til bladet i øvrigt, medens det med bjælken samvirkende yderlaminat 5, dvs. bladets ydre skal, transversalt mod bjælken er mindre stiv, således at bladets bagkant 25 er bøjet og vredet ved en øget belastning, dvs. en belastning ud over det normale. En bagud-bøjning og vridning af bagkanten kan ved hensigtsmæssig udformning af forstærkningerne også resultere i en fremadbøjning og vridning af bladets forkant, hvorved fluidumets angrebsvinkel ændres, dvs. bladets stigning kan på denne måde påvirkes både i negativ og positiv retning. Man kan således styre bladenes eftergivelighed i forskellige retninger, flytte bladenes 30 vridningscenter eller fordele vridningen over et eller flere vridningspartier, således at disse under belastning på kontrolleret måde kan udføre formforandringer. Ved desuden at ændre bladenes geometri får man mulighed forpå en effektiv måde at styre bladets egenskaber.

I fig. 1 betegner den stiplede streg 7 den bladkontur, som gælder ved normal belastning, me-35 dens den fulde streg 8 viser bladets forkant ved øget belastning og "deformeret" blad, hvilket indebærer, at bladets stigning er mindsket.

DK 165827B

4

Til opnåelse af en propeller med de ønskede egenskaber vælges og fordeles ifølge opfindelsen armeringeme 4-6 på en sådan måde, at de ved drift opståede deformeringer fx gør: a) at propellerbladets stigning mindskes ved belastningsforøgelse og returnerer til sin udgangsstilling, så snart den øgede belastning aftager, 5 b) at hvert blads krumningsradius forandres ved belastningsforøgelse i retning mod mindsket løftekraft, c) at bladet deformeres i løftekraftens retning ved belastningsforøgelse, d) at bladets vridningsakse placeres så nær dets forkant som muligt, og e) at bladets egenfrekvens er så høj, at ingen risiko for egensvingning opstår, og bladet når 10 at deformeres selv ved momentane belastningsvariationer.

Bladets geometri tilpasses således, a) at sektioner længere fra bladets vridningscentrum giver et vridningsmoment, som søger at dreje propelleren, således at stigningen mindskes ved øgende belastning, 15 b) at bladsektioneme får et bøjende moment, som er større end vridningsmomentet for samme bladsektion, for at mindske bladets stigning ved øgende belastning.

For at fremstille en propeller ifølge opfindelsen kan man på kendt måde opbygge den ønskede form med såkaldt gelcoat på overfladen og armeringsmåtter, fx non-woven, som yderlaminat, 20 hvis fiberretning løber i en og samme retning. Den indre forstærkning kan udgøres af en eller flere bjælker, som kan være præfabrikeret, og hvis fiberretning kan forløbe i skruelinieform om bjælkens kontur, som det er vist i fig. 7. Matematiske beregninger og praktiske prøver har vist, at glasfibervæv med nedenstående materialeegenskaber bør give en fiberretning β på 20-35°, fortrinsvis 26°, i forhold til Z-Z-aksen i fig. 7, hvilket som regel falder sammen med bjælkens 4 25 udstrækning og vridningsaksen.

Stivhed i længderetningen.....................................E = 36.000 GPa

Stivhed i tværretningen.........................................E = 12.000 GPa

Stivhedsmodul......................................................G = 4.000 GPa 30 Poisson's tal..........................................................V= 0.1

Armeringselementer anbringes hensigtsmæssigt manuelt på steder, som er beregnet i forvejen. Fremstillingen kan også ske i en delt form, men fælles for begge metoder er, at man før opbygningen bestemmer, hvor belastningerne optræder, og hvor propellerbladene kan deformere 35 sig selv, og derefter tilpasser armeringeme derefter samt afslutter støbningen eller varmebehandlingen.

DK 165827B

5 I diagrammerne betegner R hele bladets radius, og r er radius, hvor de respektive snit er foretaget. Den deformerede propellers stigning ifølge fig. 4 er vredet 5,4°, jf. den udeformerede propeller ifølge fig. 3.

I sådanne partier af propelleren, hvor styrkekravene ikke kræver et massivt, armeret materiale, 5 kan man på kendt måde anvende et passende fyldmateriale, fx en sandwichkonstruktion, skumplastmateriale eller lignende fyldmateriale, hvorved dels bladenes egenfrekvens øges, dels propellerens vægt mindskes, og dels materialeforbruget reduceres.

10 15 20 25 30 35

Claims (3)

1. Anordning ved af et fluidum påvirkede organer (3), fx blade, skovle, vinger eller lignende, som er anordnet på et nav (2) for et i en strømningsmaskine indgående element (1), såsom 5 propellere, turbiner, ventilatorer eller lignende, og hvilke organer består af et kompositmateri-ale, hvis matrix udgøres af en polymer, og hvor organerne (3) i det mindste delvis er opbygget af et armeringsmateriale med anisotrope egenskaber, at organerne (3) er forsynet med indre forstærkninger i form af armeringssektioner (6) og ydre forstærkninger i form af et skålformet yderlaminat (5), således at organet ved driftsbelastning er elastisk deformerbart i forhold til 10 navet, hvorved de af belastninger og påvirkninger betingede formforandringer hos hvert organ medfører, at dets stigning forandres ved varierende belastning, hvorved de indre forstærkninger udgøres af i hvert fald en stiv bjælke (4), hvis længderetning forløber langs en linie fra organets rod til organets frie ende og parallelt med en akse, om hvilken organet bøjer, når det udsættes for belastning, kendetegnet ved, at armeringens fiberretning i bjælken (4) 15 danner en vinkel (β) med nævnte linie, og at yderlaminatet (5), der samvirker med bjælken, transversalt på bjælken har mindre stivhed, således at en belastningsforøgelse af organet resulterer i den nævnte elastiske ændring af dets oprindelige form.

2. Anordning ifølge krav 1, kendetegnet ved, at den indre forstærkning er anbragt i 20 nærheden af organets førende kant, som er rettet mod fluidummet.

3. Anordning ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at armeringens fiberretning i bjælken (4) er anordnet i en vinkel (β) på 20-35°, foretrukket 26°, mod organets (3) nævnte linie. 1