» » Обоснование конструкций пластмассовых рабочих лопаток

Обоснование конструкций пластмассовых рабочих лопаток

31.08.2016

На рис. 12.1 показана схема расположения лопаток в шахтном осевом двухступенчатом вентиляторе. Съемные рабочие лопатки 3 крепятся с возможностью поворота вокруг собственной оси на колесах 2 первой и второй ступеней, которые посажены на вал 1 ротора вентилятора.
Поскольку вентилятор представляет собой ротор с лопатками аэродинамического профиля, то повышение параметров Q и H можно добиваться двумя основными конструктивными путями: увеличением проточной части (диаметра ротора Di) и повышением скорости вращения. В настоящее время используют оба направления, и в обоих случаях возрастают центробежные нагрузки Qц на элементы рабочих колес от массы mi вращающихся лопаток:
Обоснование конструкций пластмассовых рабочих лопаток

Разгрузить несущие детали рабочего колеса — его втулки и диски, а значит, сделать его более легким можно путем облегчения веса (Gл = mлg) лопаток. Исходя из этих соображений, на крупных современных вентиляторах применяются стальные лопатки пустотелого исполнения — из штампованного листа, армированного решеткой, пенопластом или кованым сердечником. Опыт показал, что применение стальных пустотелых лопаток не всегда обеспечивает высокую долговечность рабочего колеса из-за коррозионного износа, недостаточной жесткости и вибропрочности.
С точки зрения несущей способности лопатка представляет собой отдельную деталь, связываемую со втулкой рабочего колеса (PK) только при помощи центрального стержня (рис. 12.2).
Обоснование конструкций пластмассовых рабочих лопаток

Таким образом, лопатка вентилятора работает по консольно-стержневой схеме, что предопределяет ее более неблагоприятное по сравнению с лопатками центробежных вентиляторов напряженное и динамическое состояние.
Заметим, что изготовление рабочих лопаток в сварно-клепаном исполнении (рис. 12.2) требует многооперационного технологического процесса: отдельно изготавливаемые кованый сердечник 1 и листовая штампованная обшивка 2 соединяются между собой с применением как сварки, так и клепки. Кроме того, поверхность лопатки в связи с такой технологией изготовления получается недостаточно гладкой, имеет местные вмятины (в местах заклепок 3) и отступления от проектного профиля.
Таким образом, технико-экономическими предпосылками эффективности изготовления лопаток из полимерных композиций являются:
- повышение срока службы в связи с высокой коррозиестойкостью и вибропрочностью;
- уменьшение веса лопаток и ротора вентилятора в целом;
- улучшение технологичности изготовления;
- повышение аэродинамических качеств за счет обеспечения точной и гладкой поверхности обтекания воздухом.
В процессе работы над созданием пластмассовых лопаток для шахтных вентиляторов было отобрано две основные конструктивные схемы технологических приемов изготовления: 1) стеклопластиковая лопатка с внутренним пенопластовым заполнителем, 2) сплошная стеклопластиковая лопатка.
Конструкция стеклопластиковой лопатки с пенопластовым заполнением (рис. 12.3, а) разработана ВИГМ им. М.М. Федорова и Каменским машиностроительным заводом применительно к шахтному осевому вентилятору типа ВОКД-1,8. Сплошная стеклопластиковая лопатка (рис. 12.3, б) разработана ЦНИИТтяжмашем для вентиляторов ВОД-16 и ВОД-11.
Обе стеклопластиковые конструкции лопаток (рис. 12.3) представляют собой короткое закрученное крыло классической аэродинамической формы поперечного сечения, обеспечивающей высокую подъемную силу («тягу» вентилятора). Крутка поверхности крыльев и их сужение к периферии создают условия постоянства скоростного потока по длине крыла. На лопатках ЦНИИТтяжмаша, кроме того, предусмотрены два поперечных ребра 2, предупреждающих расслоение и завихрение потоков при срыве с крыла.
Конструктивным отличием обеих лопаток является также устройство узла их заделки в рабочем колесе вентилятора. Лопатка ВИГМа по технологическим соображениям имеет хвостовик 4 с резьбой (рис. 12.3, а), который ввинчивается в переходную стальную втулку с конической поверхностью, подобную показанной на рис. 12.2 для установки в стандартных вкладышах колеса. Хвостовая часть лопатки ЦНИИТтяжмаша выполняется из стеклопластика заодно с крылом лопатки и для установки в колесе вентилятора не требует дополнительных переходных деталей.
В отличие от сплошной лопатки ЦНИИТтяжмаша лопатка ВИГМ спроектирована с условием достижения равнопрочности. Наибольшую нагрузку в лопатке воспринимает стержень ее заделки, и он выполнен сплошным, с преимущественным направлением стекловолокон по оси.
Напряженное состояние точки i крыла лопатки определяется действием центробежных сил Qц внешней массы mi и изгибающего момента (аэродинамических сил) от давления на поверхность воздуха. Учитывая, что центробежная сила [см. формулу (12.1)] линейно зависит от массы mi и, следовательно, площади Si поперечного сечения (mi=γSil/g), величину Si целесообразно уменьшить по мере удаления от оси колеса вентилятора.
Обоснование конструкций пластмассовых рабочих лопаток

Зависимость (12.1) при таком условии позволяет (в относительном значении) уменьшать массу mi отсекаемой части быстрее, чем происходит увеличение радиуса Ri этой массы. Исходя из этого для изготовления лопатки применена ориентированно располагаемая уточная стеклоткань с соотношением основы (по оси лопатки) к утку (поперек) 2:1. Применение пенопластового наполнителя в лопатке (рис. 12.3, а) позволяет при экономии массы обеспечить достаточную жесткость для сопротивления изгибающим нагрузкам.
Способы расчета напряженного состояния таких ортотропно ориентированных лопаток с целью оценки их прочности и назначения оптимальных размеров сечения приведены ниже.