Warum sind die Lüfterblätter lose montiert?

Die Klingen sind lose in ihren "Tannenbaum"-Klingenhalterungen, so dass sie sich selbst ausbalancieren können. Sie werden "Tannenbaum" genannt, weil sie V-förmig sind.

Mit zunehmender Rotationsgeschwindigkeit und Zentrifugalkraft bewegen sie sich in den Halterungen und stellen individuelle Vorlauf-/Nachlaufpositionen her, um eine ausgewogene Scheibe zu erreichen.

Es versteht sich, dass Turbinenräder mit sehr hohen Drehzahlen rotieren, wodurch große Zentrifugalkräfte erzeugt werden, die dazu neigen, die Schaufeln vom Rad nach außen zu schleudern. Durch das Vorsehen von Kontaktflächen mit gleicher und entgegengesetzter Neigung in Bezug auf die Längsachse des Fußes auf gegenüberliegenden Seiten des Fußes gleichen sich die Kraftkomponenten der Zentrifugalkraft aus. Periodische und andere Schwingungen, die ansonsten entstehen könnten, werden gedämpft und stark minimiert

Quelle: Patent für Tannenbaumklingenhalterung

Ich möchte die Antworten darauf erweitern, wie dies Vibrationen reduzieren könnte, wie es in einem Kommentar erwähnt wurde.

Deshalb möchte ich etwas ganz anderes betrachten: Als Computer mit immer schnelleren CD-ROM-Laufwerken ausgestattet wurden, wurde die Reduzierung von Vibrationen, die durch kleine Unwuchten in den Discs verursacht wurden, immer wichtiger. Die Lösung ist unten dargestellt. Die Spindel, die die CD in Rotation versetzt, enthält eine kreisförmige Rille mit einigen Metallkugeln, die sich frei in der Rille bewegen können. Es sieht ein bisschen aus wie ein Kugellager, das einige Kugeln verloren hat:

( Quelle )

Nehmen wir an, es gibt nur vier Bälle. Ist die Scheibe perfekt ausgewuchtet, ordnen sich die Kugeln so an, dass alle Fliehkräfte (schwarze Pfeile) von der Rotationsachse weg zeigen und sich gegenseitig aufheben. Der Schwerpunkt (COG) liegt auf dem geometrischen Mittelpunkt, der auch die Rotationsachse ist:

Betrachten wir nun ein Ungleichgewicht, hier als zusätzliche Masse modelliert, das den COG vom geometrischen Zentrum weg zu dieser Masse verschiebt (Meine Bibliothek hat Barcode-Aufkleber auf ihre CDs geklebt ...)

• Wenn sich die Scheibe frei drehen könnte, würde sie sich um ihren neuen COG drehen.
• Wenn die Lagerung der Spindel absolut starr ist, zwingt sie die Scheibe, sich um ihren geometrischen Mittelpunkt zu drehen, obwohl die Unwucht eine Zentrifugalkraft und starke Vibrationen auf die Lagerung ausübt.
• Wenn die Stütze flexibel ist, folgt sie der Zentrifugalkraft der Unwucht bei niedrigen Drehzahlen. (Linke Animation)
• Bei höheren Drehzahlen passiert etwas Seltsames: Die Spindel beginnt, als Gegengewicht für die Unwucht zu wirken, und die Scheibe dreht sich um einen Punkt zwischen dem Schwerpunkt und dem geometrischen Mittelpunkt. Die Bewegung der Spindel übt jedoch Kräfte, dh Schwingungen, auf den Träger aus. (rechte Animation)

Dies ist ein Resonanzeffekt und etwas schwer zu verstehen. Vielleicht ein Analogon: Halten Sie eine Feder mit einem Gewicht am unteren Ende. Wenn Sie Ihre Hand langsam auf und ab bewegen, folgt das Gewicht genau Ihrer Bewegung. Aber wenn Sie Ihre Hand viel schneller als die Resonanzfrequenz des Systems bewegen, werden sich Ihre Hand und das Gewicht immer in entgegengesetzte Richtungen bewegen. (Ich denke, das macht es immer noch nicht klar, aber ich habe keine bessere Erklärung ...)

Aber... Was passiert mit den Bällen?
Die Fliehkräfte (schwarz) auf die vier Kugeln habe ich in meinem letzten Punkt / rechten Animation eingezeichnet:

Die Scheibe dreht sich statt um den geometrischen Mittelpunkt (rotes +) um das grüne x. Die Zentrifugalkräfte zeigen vom grünen x weg. Bezogen auf das geometrische Zentrum lässt sich die Kraft auf die obere und untere Kugel in eine radiale (grau) und eine tangentiale (magenta) Komponente zerlegen. Da sich die Kugeln in der Rinne frei bewegen können, folgen sie der Tangentialkraft nach rechts. Das bedeutet, dass einige Massenverschiebungen von der linken auf die rechte Seite und folglich der Schwerpunkt und die Rotationsachse viel näher am geometrischen Zentrum liegen.
Schließlich kann dieses Prinzip die Vibration weitgehend eliminieren.

Um auf einen Lüfter zurückzukommen , wirken die lose montierten Flügel wie die Kugeln. Da die Lüfter sicher schon gut ausbalanciert sind, reicht es aus, wenn sie sich in ihrer Position nur ein wenig neigen können.

Es gibt einige Gründe dafür, die Schaufeln lose im Gasturbinentriebwerk zu montieren.

• Die lose Befestigung der Lüfterflügel ermöglicht eine einfache Installation/Entfernung der Lüfterflügel.

• Obwohl die Schaufeln locker sind, während die Schaufeln stationär sind, drückt die Zentrifugalkraft die Schaufeln heraus, wenn der Motor zu drehen beginnt, und infolgedessen werden sie nicht so locker sein. Dennoch können sich die Klingen in ihren Befestigungen leicht bewegen, um die Vibration zu dämpfen.

• Eine andere Sache ist, dass die Schaufeln (insbesondere Turbinenschaufeln) einer thermischen Ausdehnung unterliegen, wobei sie sich in diesem Fall verziehen können, wenn kein Platz für die Ausdehnung vorhanden ist.

Sie müssen sich darüber im Klaren sein, wie groß die Radialkraft auf jedes Blatt (verursacht durch die rotierende Welle) tatsächlich ist, wenn der Motor in seinem normalen Betriebsdrehzahlbereich läuft. Diese Zentripetal- und Zentrifugalkräfte sind buchstäblich das Tausendfache des Gewichts der Klingen. Bei jeder Fanschaufel eines großen Turbofan-Triebwerks beträgt die radiale Belastung der Schaufelwurzel mehr als 100 Tonnen (oder Tonnen für Nicht-US-Leser).

Es gibt keine praktische Möglichkeit, die Klingen mit so großen Kräften wie beim Zusammenbau festzuklemmen, selbst wenn dies einen Sinn hätte. Sinnvoller ist es, den Lüfter montagefreundlich zu konstruieren und ihn im Betrieb starr klemmen zu lassen. Einziger Nachteil: Wenn sich der Rotor sehr langsam dreht, sind oft einzelne „Klicks“ der sich drehenden Blätter zu hören, was den Uneingeweihten erschrecken kann.