风扇叶片连接 【技术领域】
本发明涉及一种用于将至少一个复合叶片(复合材料叶片，composite blade)连接至转子轮毂(rotor hub)的风扇叶片连接系统和方法，更具体地涉及一种用于工业通风和冷却应用中所用风扇的风扇叶片连接。
背景技术
风扇在现有技术中是众所周知的。它们的设计、元件和材料依据应用而改变。就工业用或住宅用而言，风扇的典型应用是通风和冷却。例如，工业设备中的典型冷却和通风可以是冷却塔、空气冷凝器、石化应用中的冷却、热交换器、公路隧道、采矿、地铁、大型建筑物等。
主要地，风扇包括至少一个通常被称作“叶片”的流体反应面，以及其中连接有叶片的转子轮毂。通常对于非常小的风扇，叶片和转子轮毂可制成一体件。然而，工业应用通常需要较大的风扇，其叶片和转子轮毂是必须连接至一起的分开的件。此处使用的术语“连接”或“连结”在广义上是指将各件设置到一起，固定、连接、结合、接合、紧固等。现有技术中有很多用于连接风扇叶片的系统，例如BRPI0302441-5、BRPI0302858-5、BRPI8900333-0、BRPI0201725-3、BRMU8200206-1、BRMU8200229-1、BRMU8200250-9；WO97/41355；JP2000-314392；JP07-012096；JP63085202；JP11022696；JP63309404，US5458465和GB843995。
所采用的连接系统可决定风扇的与组装、运转和维护相关的重要特征，诸如：螺旋角的调整、在不干扰其他叶片的情况下风扇叶片的替换或风扇叶片的调整、在风扇安装在设备内其运转位置的情况下叶片的替换或叶片的调整等。
用于工业应用的叶片通常由金属或复合材料制成。在这种情况下，叶片可以是实心的或空心的，并且它们可以具有壳体的特性。叶片的复合材料可以是例如纤维增强层压材料或纤维增强塑料(FRP)或其他长丝和树脂合成物。复合叶片通常具有的优点加强了合成材料叶片相对于金属材料叶片的所有优点，诸如使叶片几何结构最优化的可能性、轻质量、高阻力和更大振动阻尼。对于由复合材料制成的叶片，连接系统通常在叶片中包括也是复合材料或是金属材料的凸出一体部，所述凸出部连接至转子轮毂。对于金属叶片，通常使用螺纹件或焊接来形成连接。
有一类特殊的风扇，更一般地被称作“风轮机”，其用于将风的动能转化成机械能的特殊目的。当该机械能直接用于机器(例如泵)时，风轮机通常被称作风车；而当机械能转化成电能时，风轮机被称作“风力发电机”或简单地“风能涡轮机”。由于目的不同，中型或大型风能涡轮机的转子轮毂和叶片通常明显不同于用于中型或大型工业应用的风扇的转子轮毂。有很多用于将风轮机叶片连接至风能涡轮机转子轮毂中的系统，例如US4260332、US4915590、US6371730；WO01/79705；JP3015669；JP8093631；JP8270540和JP11182408。
【发明内容】
对于用于工业应用且具有由复合材料制成的叶片的风扇，使用也是复合材料的、与叶片成一体的凸出部的缺点在于，连接在一段时间的工作后呈现出不期望的适应。这种适应需要周期性的检测及维护。另一方面，金属凸出部必须足够得大，以使应力分布整个复合叶片根部，因此这些类型的连接通常变得更重且昂贵。使用螺纹件不适于直接紧固复合叶片，因为复合材料的抗集中应力强度较低。因此，仍需一种更好的用于将复合叶片连接至转子轮毂的风扇叶片连接系统，更具体地，一种用于工业应用的通风和冷却所用风扇的风扇叶片连接系统。
为解决相关技术问题和此处未提及的其他缺陷，本发明的某些实施例针对用于将至少一个复合叶片连接至转子轮毂地风扇叶片连接系统，其包括至少一个紧固件，该紧固件设置在叶片根部中，并相对于叶片的纵向轴线基本横向地延伸，所述紧固件适于将至少一个张紧构件(tensioning member)的一个端部接收到相对于所述叶片的相对纵向位置中。
在本发明的一个示例性实施例中，所述紧固件是管螺母或圆柱帽、槽钢螺母、对扣螺栓、丁字螺栓、卡子、带弹簧卡子的螺帽、或类似的适于插入或模制到风扇叶片中以便为张紧构件提供固定连接的零件。在本发明的另一实施例中，所述紧固件适于接收多个张紧构件。在又一示例性实施例中，所述紧固件插入完全或部分地穿过叶片的孔中。在另一示例性实施例中，所述张紧构件是螺柱(stud)、螺钉(screw)、螺栓(bolt)、或类似的适于将其一个端部固定地连接至设置在叶片内的紧固件的零件。在本发明的再一实施例中，张紧构件的未连接至紧固件的端部连接至转子轮毂中的其中一个孔。在又一示例性实施例中，张紧构件可具有介于叶片与转子轮毂之间的中间界面部，该中间界面部可与张紧构件一体地形成，或者可以是单独的部件。术语“部件”不限制于板、平板或薄板；可以理解为具有任何其他形式。张紧构件的未连接至紧固件的端部可将中间界面部完全或部分地固定于叶片基底。所述中间界面部可以是金属的，并可选地可位于叶片基底中形成的凹槽中。在本发明的另一实施例中，叶片与转子轮毂之间的附接由至少一个紧固件(诸如螺栓或螺钉)提供，该紧固件穿过位于转子轮毂中且位于中间界面部中的孔，以便将所述转子轮毂连接至所述中间界面部。在另一实施例中，用于紧固件的转子轮毂孔可以是非圆形的，诸如长方形、裂缝等等，可选地，至少一个孔是圆形的。
本发明比起现有技术具有一些优点。如上面首先所提到的，紧固件与张紧构件结合使用允许在不使用复杂结构的情况下使应力更好地分布于整个叶片根部。这种应力的更好分布是非常希望的，因为其允许减轻叶片重量，尤其是对于复合叶片，与金属叶片相比，复合叶片对集中应力更敏感。另外，紧固件和张紧构件不必定做，也无需组装用的重型机器。例如，市面上容易找到的管螺母和螺柱非常适于本发明。因此，紧固件和张紧构件可车有螺纹，提供可用于复合叶片的连接系统，并且具有螺纹紧固的所有优点。而且，中间界面部可提供适于避免复合叶片与转子轮毂之间的直接接触的装置，该中间界面部通常为金属的。于是，本发明主要为中型和大型通风和冷却应用在复合风扇叶片与转子轮毂之间提供了一种非常有效的、不昂贵的、刚性的、耐用的且安全的连接。
【附图说明】
附图并非意在按比例绘制。图中，各图中所示的每个相同或几乎相同的部件用相似的标号表示。出于清楚的目的，不是每个部件都在每幅图中标出。
图1是根据本发明的风扇叶片连接系统的实施例的透视图。
图2是根据本发明的风扇叶片连接系统的另一实施例的透视图。
图3是转子轮毂的透视图。
【具体实施方式】
在本申请中，本发明不限于以下描述中所阐明的或图中所示出的部件的结构和设置的细节。本发明能具有其他实施例，并且可以各种方式实践或完成。并且，此处使用的措辞和术语是出于描述的目的，而不应被认为是限制。此处使用的“包括”、“包含”、或“具有”、“含有”、“包括”及其变体意在包含之后所列的条目及其等效物以及另外的条目。
图1示出了本发明的用于将复合叶片110连接至转子轮毂120的风扇连接系统的一个示例性实施例，其中，所述连接系统包括一个紧固件130，该紧固件设置在叶片根部111中，并相对于叶片110的纵向轴线基本横向地延伸，所述紧固件130适于将一个张紧构件140的一个端部接收到相对于所述叶片110的相对纵向位置中。叶片根部111是靠近将连接至转子轮毂120的叶片基底112的区域。
所述紧固件130可以是管螺母或圆柱帽、槽钢螺母、对扣螺栓、丁字螺栓、卡子、带弹簧卡子的螺帽或其他类似的适于插入或模制到风扇叶片110中以便为张紧构件140提供固定连接的零件。在图1所示的实施例中，紧固件130是锚定张紧构件140的管螺母。对于如图1所示的一种装置，术语“管螺母”和“圆柱帽”通常用作同义词，其具有侧面入口，以横向地旋入螺栓、螺柱或类似的张紧构件140。有时术语“管螺母”也用来指出如下的一类紧固件：其具有凸缘和内部车有螺纹的凸出的凸台，其中，凸台位于紧固的部件内，而凸缘提供了夹紧力。凸缘的外侧，也被称作“头部”，通常具有推动力，以便将管螺母推进紧固的部件中或从中抽出。两种管螺母都可用于本发明的目的；但是，图1所示的第一种是优选的一种，因为它可插入简单的圆孔中，使由于锚定张紧构件140所产生的应力沿叶片110的横向轴线分布，以及允许简单的替换和调整。第二种装置的缺点在于需要额外工具或组件来避免当旋拧紧固件140时装置围绕其纵向轴线转动。
紧固件130能适于接收多个张紧构件140，并能插入完全或部分地穿过叶片110的孔150中。
张紧构件140可以是螺柱、螺钉、螺栓或类似的适于将其一个端部固定地连接至设置在叶片110内的紧固件130的零件。在图1所示的实施例中，张紧构件140是螺柱。
由于复合叶片的几何结构、材料和尺寸可依据应用而变化；叶片根部111也随之变化，不限于图1所示的示例性实施例。尽管紧固件130相对于叶片110的纵向轴线基本横向地延伸，并且张紧构件140处于相对的纵向位置中，但是依据叶片的设计，等效的设置可适于使应力分布于整个叶片根部111。紧固件130和张紧构件140的数量也可依据叶片110和转子轮毂120的设计而变化。对于多个张紧构件140使用一个单一紧固件130，以及将孔150限定成是完全还是部分地穿过叶片110都可依据叶片设计而变化。例如，在相对较厚的叶片110中，可能更适于具有仅部分地穿过叶片110的一个或多个孔150。紧固件130可穿过整个叶片厚度或仅部分地穿过而延伸。例如，可能希望紧固件130是可接近的，以调节叶片110的设置或进行替换。可替代地，紧固件130可插入孔150中并被附加的薄片层盖住。选择紧固件130和张紧构件140的最合适组合也取决于叶片110的设计。连接至转子轮毂120的复合叶片110的数量也取决于定做规格(custom specification)。所有这些变化都是由于制造和使用风扇的不同特定工业通风和冷却应用，因此，这些变化并非意在限制本发明的范围，本领域技术人员可基于本公开来实践本发明。
在图1所示的实施例中，张紧构件140可具有介于叶片110与转子轮毂120之间的中间界面部160。在图1所示的例子中，中间界面部160与张紧构件140一体地形成；但是，中间界面部160可以是等效的单独部件，诸如垫圈或平圆盘。中间界面部160避免了复合叶片110与转子轮毂120之间的直接接触，该中间界面部通常是金属的。因此，中间界面部160可以是金属的、或任何其他防止复合叶片110由于摩擦和应力而磨损的等效材料。中间界面部160可选地可位于叶片基底112内形成的凹槽中。
在图1所示的实施例中，张紧构件140未连接至紧固件130的的端部141连接至转子轮毂120中的其中一个孔。该连接可以是适于将张紧构件140固定连接至转子轮毂120的任何种类，诸如螺纹连接、榫接或焊接连接。
由于管螺母具有在侧部延伸的、带有用于旋拧螺柱的内螺纹的入口，所以具有固定连接是可能的，其进而使应力分布于整个叶片，更具体地分布在叶片根部的纵向轴线和横向轴线上。因此，当管螺母锚定螺柱时，螺柱将转子轮毂120压向中间界面部160和复合叶片110。
图1所示的示例性实施例基本是用于小型和中型风扇叶片连接的最好方式。
图2示出了根据本发明的风扇叶片连接系统的另一示例性实施例，其中，没有连接至紧固件230的张紧构件240的端部241将中间界面部260固定于叶片基底212。在图2所示的实施例中，具有两个紧固件230，一个靠近叶片210的前缘213设置，而一个设置在中间界面部260的对称轴线的相对侧中。对于每个紧固件230都有一个张紧构件240。张紧构件240可以是有头部或没有头部的螺柱。如果螺柱没有头部，则旋拧在没有连接至紧固件230的端部241内的螺母将中间界面部260压向叶片210。如果螺柱具有凸出头部，例如螺栓，则螺栓的头部将中间界面部260压向叶片210。尽管图2所示的实施例示出了两个张紧构件240和对应的紧固件230，但依据叶片210和风扇的设计，可有更少或更多的张紧构件240和紧固件230。
在图2所示的实施例中，叶片210与转子轮毂220之间的附接由三个紧固件270提供，这些紧固件穿过位于转子轮毂220中且位于中间界面部260中的孔280，以便将所述转子轮毂220连接至所述中间界面部260。在所示实施例中，紧固件270是螺栓。
图3示出了转子轮毂320的视图，其中，用于紧固件370的转子轮毂孔380是非圆形的，例如长方形、裂缝等等，并且其中，中心转子轮毂孔381是圆形的。
图2和图3所示的示例性实施例基本是用于大型风扇叶片连接的最好方式。
本发明的一些实施例可通过将复合风扇叶片连接至转子轮毂的方法来实现，该方法包括以下步骤：插入多个管螺母，这些管螺母设置在叶片根部中，并相对于叶片的纵向轴线横向地延伸；使每个所述管螺母紧固一个螺柱的其中一个端部，所述螺柱设置在相对于叶片的纵向轴线的平行位置中，并且其中，螺柱的另一端部将中间界面部固定于叶片基底；穿过转子轮毂和中间界面部插入多个螺栓；以及通过紧固所述螺栓而将所述转子轮毂附接至复合叶片。