¿Por qué las aspas del ventilador están sueltas?

Las cuchillas están sueltas en sus soportes de cuchillas "Fir Tree" para que puedan equilibrarse por sí mismas. Se les llama "abeto" porque tienen forma de v.

A medida que aumenta la velocidad de rotación y la fuerza centrífuga, se mueven en los soportes y establecen posiciones individuales de adelanto/retraso para lograr un disco equilibrado.

Se entenderá que las ruedas de turbina giran a velocidades de rotación muy altas, generando así grandes fuerzas centrífugas que tienden a lanzar las palas hacia fuera de la rueda. Proporcionando superficies de contacto de pendiente igual y opuesta con respecto al eje longitudinal de la raíz en lados opuestos de la raíz, los componentes de fuerza de la fuerza centrífuga se equilibran entre sí. Las vibraciones periódicas y de otro tipo que de otro modo podrían generarse se amortiguan y minimizan en gran medida

Fuente: patente de soporte de hoja de abeto

Me gustaría ampliar las respuestas sobre cómo esto podría reducir las vibraciones, como se mencionó en un comentario.

Por lo tanto, me gustaría ver algo completamente diferente: cuando las computadoras estaban equipadas con unidades de CD-ROM cada vez más rápidas, la reducción de las vibraciones causadas por pequeños desequilibrios en los discos se volvió cada vez más importante. La solución se muestra a continuación. El eje que hace girar el CD contiene un surco de forma circular con algunas bolas de metal, que pueden moverse libremente en el surco. Se parece un poco a un cojinete de bolas que perdió algunas bolas:

( Fuente )

Consideremos que solo hay cuatro bolas. Si el disco está perfectamente equilibrado, las bolas se acomodarán de modo que todas las fuerzas centrífugas (flechas negras) apunten en dirección opuesta al eje de rotación y se anulen entre sí. El centro de gravedad (COG) se encuentra en el centro geométrico, que también es el eje de rotación:

Ahora, consideremos algún desequilibrio, modelado aquí como masa adicional, que desplazará el COG del centro geométrico hacia esta masa (Mi biblioteca puso etiquetas adhesivas con códigos de barras en sus CD...)

• Si el disco pudiera girar libremente, giraría alrededor de su nuevo COG.
• Si el soporte del husillo es absolutamente rígido, obliga al disco a girar alrededor de su centro geométrico, aunque el desequilibrio ejerce una fuerza centrífuga y una fuerte vibración sobre el soporte.
• Si el soporte es flexible, seguirá la fuerza centrífuga del desequilibrio a bajas RPM. (Animación izquierda)
• A RPM más altas, sucede algo extraño: el husillo comienza a actuar como contrapeso del desequilibrio y el disco gira alrededor de un punto entre el COG y el centro geométrico. Sin embargo, el movimiento del husillo ejerce fuerzas, es decir, vibraciones sobre el soporte. (Animación derecha)

Este es un efecto de resonancia y un poco difícil de entender. Tal vez, un análogo: sostenga un resorte con un peso en el extremo inferior. Cuando mueve la mano hacia arriba y hacia abajo lentamente, el peso seguirá exactamente su movimiento. Pero cuando mueve su mano mucho más rápido que la frecuencia de resonancia del sistema, su mano y el peso siempre se moverán en direcciones opuestas. (Supongo que esto todavía no lo aclara, pero no tengo una mejor explicación...)

Sin embargo... ¿Qué pasa con las bolas?
He dibujado las fuerzas centrífugas (negras) en las cuatro bolas en mi última animación de punto/derecha:

El disco gira alrededor de la x verde en lugar del centro geométrico (rojo +). Las fuerzas centrífugas apuntan lejos de la x verde. Con respecto al centro geométrico, la fuerza sobre la bola superior e inferior se puede dividir en una componente radial (gris) y tangencial (magenta). Como las bolas pueden moverse libremente en la arboleda, seguirán la fuerza tangencial hacia la derecha. Esto significa que algunos cambios de masa del lado izquierdo al derecho y, como consecuencia, el COG y el eje de rotación están mucho más cerca del centro geométrico.
Finalmente, este principio puede eliminar la vibración en gran medida.

Volviendo a un ventilador , las aspas sueltas actúan como las bolas. Como el ventilador ya está bien equilibrado, es suficiente si pueden inclinarse un poco en su posición.

Hay algunas razones para ensamblar las palas sin apretar en el motor de turbina de gas.

• La unión suelta de las aspas del ventilador permite una fácil instalación/remoción de las aspas del ventilador.

• Aunque las aspas están flojas mientras están estacionarias, cuando el motor comienza a girar, la fuerza centrífuga empuja las aspas y, como resultado, no estarán tan sueltas. Aún así, las palas pueden moverse ligeramente en sus accesorios para amortiguar la vibración.

• Otra cosa es que los álabes (especialmente los de turbina) se expandan térmicamente, en cuyo caso pueden deformarse si no hay espacio para la expansión.

Debe darse cuenta de cuán grande es realmente la fuerza radial en cada pala (causada por el eje giratorio), cuando el motor está funcionando en su rango de velocidad de operación normal. Esas fuerzas centrípetas y centrífugas son literalmente miles de veces el peso de las palas. En cada aspa de ventilador de un motor turboventilador grande, la carga radial en la base del aspa es de más de 100 toneladas (o toneladas, para lectores que no sean de EE. UU.).

No existe una forma práctica de sujetar las cuchillas con fuerzas tan grandes como esa cuando las ensambló, incluso si tuviera algún sentido hacerlo. Es más sensato diseñar el ventilador para que sea fácil de ensamblar y dejar que se sujete rígidamente cuando esté funcionando. La única desventaja es que si el rotor gira muy lentamente, a menudo puede escuchar "clics" individuales de las palas moviéndose mientras giran, lo que puede asustar a los no iniciados.