NO163090B - Fluidpaavirkede organer anordnet paa et nav. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår fluidpåvirkede organer, f.eks. blad, skovler, vinger eller lignende, anordnet på et nav på et av en strømningsmaskin omfattet element, f.eks. propeller, turbinhjul, viftehjul eller lignende, hvilke organer består av et komposittmateriale, hvis matrise utgjøres av et polymermateriale, og hvor organene i det minste delvis er oppbygd av et armeringsmateriale med anisotrope egenskaper, i form av indre armeringsseksjoner og ytre forsterkninger i form av et skallformet ytterlaminat, slik at organet under driftsbelastning er elastisk deformerbart i forhold til navet, idet de av belastninger og påkjenninger betingede formforandringer av hvert organ medfører at dettes stigning forandres ved varierende belastning.

Fremstilling av propeller av armerte plastmaterialer er kjent fra tidligere. Et ubåtredningsfartøy er f.eks. blitt utrustet med en skjermet propell fremstilt av polyuretan armert med 25% langfibret glassfiber. Under fremstillingen startes det med en på forhånd formet matte som bindes med polyvinylalkohol. Den på forhånd formede matte legges i en form, hvoretter polyuretan sprøytes inn i formen. På denne måte er bronsepropel-lens motstand mot deformasjon etterlignet, men samtidig er det oppnådd et produkt som bare veier 1/6 av en tilsvarende metallpropell.

Fra US-3.883.267 er det kjent strømningsmaskiner, hvis blad, vinger eller skovler består av en metallkjerne og et antall pålagte skikt av komposittfibermateriale. Metallkjernen har et parti beliggende utenfor selve bladet, hvilket parti utgjør en bladfesteinnretning, med de fordeler en metallfesteinnret-ning har i forhold til en festeinnretning av plast. Hvert av komposittfiberskiktene er orientert på en slik måte at den vinkel som dannes mellom fibrenes hovedretning i et skikt og bladets akse avtar fra en maksimal verdi for det eller de inner-ste skikt som befinner seg nærmest kjernen, til en'minimal verdi for det eller de ytterste skikt som befinner seg nærmest bladets overflate. Herved er det søkt å motvirke de ved meka-niske påvirkninger og temperaturvariasjoner frembragte krefter som virker i overgangsområdet mellom metallkjernen og kompositt-fibermaterialet.

Ifølge US-4 022 547 fremstilles blad av strømningsmaskiner, f.eks. kompressorer eller vifter, ved at en rekke fiberlami-nater legges på hverandre og sammenbindes. Fibrene av i det minste et parti av laminatene er skråstilt i korderetningen, foran og bak en ikke radialt forløpende bladakse, og danner derved en i forhold til bladets vridningssentrum skråstilt stabel eller bunke, anordnet på skrå foran eller bak bladets radiale akse. Dette øker bladets tosjonsfrekvens betraktelig. Ved en utførelse er fibrene anordnet på skrå fremad, slik at ingen fibre strekker seg fra bladets forkant til bladets spiss eller tupp, men istedet fra bladets forkant til bladroten. Denne orientering muliggjør at påkjenningene overføres til bladroten, hvor de lettere kan opptas og avledes av navet som bærer bladet.

Hensikten med å anordne fibrene på den ovennevnte måte er i størst mulig grad å motvirke den deformasjon som en propell fremstilt av et slikt materiale vil bli utsatt for under drift.

Propeller arbeider sjelden under ensartede og forutsigelige forhold. Det forekommer ofte forstyrrelser og/eller endrede driftsforhold, hvilket skaper vanskeligheter når det gjelder konstruksjon av propeller. Disse forstyrrelser og foranderlige forhold bevirker nemlig at en propell ikke kan optimeres. For-styrrelsene fører ofte til spesielle vanskeligheter, f.eks. kavitasjon, vibrasjoner og støy, f.eks. ved drift av fartøyet. Det blir derfor nødvendig å inngå kompromisser og å velge propellens geometri, slik at propellen kan drives tilfredsstil-lende under de situasjoner som inntreffer. Dette innebærer imidlertid at propellen ikke kan gis optimale egenskaper. For å redusere vanskelighetene kan ulike forholdsregler treffes. Det kan f.eks. gjøres tiltak med henblikk på å redusere vibrasjo-nenes størrelse, avlaste propellbladenes spiss eller benytte propeller med vridbare blad som gjør det mulig å forandre propellenes stigning i avhengighet av belastningen.

Disse tiltak gir sjelden ønsket resultat og medfører ekstra omkostninger og redusert virkningsgrad, henholdsvis redusert driftssikkerhet av bevegelige deler.

Hensikten med oppfinnelsen er å tilveiebringe forbedrede egenskaper i forbindelse med det ovennevnte, dvs. at f.eks. propell-bladet selv optimerer sin stigning ved øket driftsbelastning slik at kavitasjon forhindres henholdsvis reduseres. Et annet formål er å oppnå lav vekt uten krav vedrørende sammenstilling eller etterbearbeiding, og dermed lav pris. Videre skal organet være korrosjonsfast.

På vedlagte tegninger vises det noen utførelseseksempler av oppfinnelsen. Fig. 1 er et riss av en propell ifølge oppfinnelsen, sett for-fra og delvis i snitt.

Fig. 2 viser et snitt etter linjen II-II på fig. 1.

Fig. 3 og 4 viser skjematisk en deformert henholdsvis udefor-mert propell. Fig. 5 og 6 viser skjematisk deformerte henholdsvis udeformerte bladseksjoner. Fig. 7 er et perspektivriss av en gjennomskåret del av en vinge ifølge oppfinnelsen.

Oppfinnelsen skal nedenfor beskrives idet den er tilpasset

en propell, f.eks. en fartøyspropell, men oppfinnelsen er selv-sagt ikke begrenset til denne utførelsesform.

Ifølge oppfinnelsen utnyttes plastmaterialets ettergivenhet

til å gi propellen de ønskede egenskaper, og dette oppnås ved

at propellen er oppbygget av et materiale med anisotrope egenskaper, det vil si et materiale med ulike fysikalske egenskaper i ulike retninger, hvilket tilveiebringes ved at forsterkningene- armeringen- anbringes i seksjoner, hvor armeringselementene i en og samme seksjon strekker seg i en og samme retning, men hvor armeringselementene i én seksjon strekker seg i en annen retning enn tilsvarende elementer i en annen seksjon. Ved dessuten å tilpasse propellens geometri til de aktuelle forhold oppnås det en propell med betraktelig forbedrede egenskaper .

På fig. 1 er det vist en propell fremstilt ifølge oppfinnelsen. Denne propell, som generelt er betegnet med 1, har, på kjent måte, et nav 2 med en innstøpt, sentral bøssing av metall,

og et antall organer 3, f.eks. propellblad som strekker seg bort fra navet. Ved fremstillingen av propellen har man derved, som det fremgår av de gjennomskårende partier på fig. 1, opp-delt propellen i et antall armeringsseksjoner 4,5,6 med henblikk på hvilke belastninger disse er utsatt for og hvilke deformasjoner som kan tillates henholdsvis til og med er ønskede. Således kan armeringen i en seksjon ha en bestemt kvalitet, fibertype, fiberlengde og kvantitet, samt orientering i en bestemt retning, mens armeringselementene i andre seksjoner kan ha andre egenskaper, mengde, kvalitet, orientering osv. Ved en slik armeringsmåte er det mulig å anordne indre armeringsansamlinger, f.eks. i form av en bjelke 4, som er

plassert i propellbladets vridningssentrum. Dette flyttes fortrinnsvis fra sin normalt sentrale plassering i bladet til nær dettets forkant, slik at det oppnås et bøyemoment under drifts-belastninger. Bjelken 4 er utformet på en slik måte at den strekker seg forbi bladroten og inn i navet 2. Bjelken 4 er stiv i forhold til bladet forøvrig, mens det med bjelken sam-virkende ytterlaminat 5, dvs. bladets ytterskall, er mindre stivt tverrveis mot bjelken, slik at bladets bakkant kan bøyes og vrides ved øket belastning, dvs. en belastning utover det som er normalt. Bakoverbøyning og vridning av bakkanten kan ved egnet utforming av forsterkningene også resultere i bøyning fremover og vridning av bladets forkant, hvorved fluidumets

angrepsvinkel forandres, dvs. bladets stigning kan på denne måte påvirkes både i negativ og positiv retning. Man kan således styre bladets ettergivenhet i ulike retninger, flytte bladenes vridningssentrum eller fordele vridningen over ett eller flere vridningspartier, slik at disses form på styrt måte kan forandres under belastning. Ved dessuten å forandre bladenes geometri er det mulig å styre bladets egenskaper på en effektiv måte.

På fig. 1 angir strekpunktlinjen .7 den bladkontur som gjelder ved normal belastning, idet den heltrukne linje 8 viser bladets forkant ved øket belastning og "deformert" blad, hvilket betyr at bladets stigning er redusert.

For oppnåelse av en propell med de ønskede egenskaper velges og fordeles ifølge oppfinnelsen armeringen 4-6 på en slik måte at de deformasjoner som fremkommer under drift f.eks. bevirker: a) at propellbladets stigning avtar ved belastningsøkning og vender tilbake til sin utgangsstilling når den økede belastning avtar, b) at hvert blads krumningsradius forandres ved belastningsøkning i retning mot redusert løftekraft, c) at bladet deformeres i løftekraftens retning ved belast-ningsøkning, d) at bladets vridningsakse anbringes så nær dets forkant som mulig og e) at bladets egenfrekvens er så høy at det ikke oppstår noen risiko for egensvingning, og deformasjon av bladet kan inn-treffe selv ved plutselige belastningsvariasjoner.

Bladets geometri tilpasses slik:

a) at seksjoner som befinner seg i større avstand fra bladets vridningssentrum bevirker et vridningsmoment som søker å vri propellen slik at stigningen avtar med økende belastning, b) at bladseksjonene får et bøyemoment som er større enn vrid-ningsmomentet for samme bladseksjon, i den hensikt, å redusere bladets stigning ved økende belastning.

For fremstilling av en propell ifølge oppfinnelsen kan den ønskede form på kjent måte bygges opp med såkalt gelcoat på utsiden, og med armeringsmatter, f.eks. non-woven som ytterlaminat, hvor fibrene strekker seg i én og samme retning. Den indre forsterkning kan utgjøres av én eller flere bjelker som kan være prefabrikert, og hvis fibre kan strekke seg i skrue-linjeform rundt bjelkens kontur, som vist på fig. 7. Matema-tiske beregninger og utførte praktiske prøver har vist at glass-fibervev med de nedenstående materialegenskaper bør gis en fiberretning •;■ på 20-35°, fortrinnsvis 26°, i forhold til Z-Z-aksen på fig. 7, som vanligvis sammenfaller med bjelkens 4 utstrekning i forhold til vridningsaksen.

Armeringselementer anbringes fortrinnsvis for hånd på de på forhånd bestemte steder. Fremstillingen kan også skje i delt form, men felles for begge fremgangsmåter er at det først be-stemmes hvor belastningene opptrer og hvor deformasjon av pro-pellbladene kan tillates, og siden tilpasser armeringen der-etter, samt avslutter støpingen eller varmebehandlingen (bak-ingen ) .

I diagrammene angir R hele bladets radius og r radien ved det sted hvor det respektive snitt er utført. Den deformerte pro-pells stigning ifølge fig. 4 er blitt tillatt å vri seg 5,4° i forhold til den udeformerte propell ifølge fig. 3.

I partier av propellen hvor fasthetskravene ikke nødvendiggjør et massivt, armert materiale, kan det på kjent måte benyttes et egnet fyllmateriale, f.eks. en sandwich-konstruksjon, et skumplastmateriale eller lignende, hvorved dels bladenes egenfrekvens økes, dels propellenes vekt reduseres og dels material-forbruket reduseres.

Claims (3)

1. Fluidpåvirkede organer (3), f.eks. blad, skovlér, vinger eller lignende, anordnet på et nav (2) på et av en strømnings-maskin omfattet element (1), f.eks. propeller, turbinhjul, viftehjul eller lignende, hvilke organer består av et komposittmateriale hvis matrise utgjøres av et polymermateriale, og hvor organene i det minste delvis er oppbygd av et armeringsmateriale med anisotrope egenskaper, i form av indre armeringsseksjoner (6) og ytre forsterkninger i form av et ska.llformet ytterlaminat (5), slik at organet under driftsbelastning er elastisk deformerbart i forhold til navet, idet de av belastninger og påkjenninger betingede formforandringer av hvert organ medfører at dettes stigning forandres ved varierende belastning, karakterisert ved at organets indre forsterkning utgjøres av minst én stiv bjelke (4) anordnet i organets vridningssentrum, at armeringens fiberretning ((3) i bjelken forløper i en vinkel i forhold til organets vridningsakse, og at det ytterlaminat (5) som er forbundet med bjelken, samvirker med denne, og utgjør organets ytterskall, har mindre stivhet i de partier hvor elastiske deformasjoner er ønsket, slik at en økning av organets belastning resulterer i den nevnte, elastiske forandring av dets opprinnelige form.

2. Fluidpåvirkede organer som angitt i krav 1, karakterisert ved at organets indre armering er anordnet nær, men på noen avstand fra den mot fluidet vendende forkant av organet.

3. Fluidpåvirkede organer som angitt i krav 1, karakterisert ved at armeringens fiberretning (P) i bjelken (4) er anordnet i en vinkel på 20-35°, fortrinnsvis 26°, i forhold til organets (3) vridningsakse.