CN104791297B - 一种采用碳纤维复合材料制备离心式通风机叶轮的方法 - Google Patents

Abstract

一种采用碳纤维复合材料制备离心式通风机叶轮的方法，其特征在于，将叶轮分解为轮盖、叶片和轮盘三个独立部分，分别单独成型，再将三部分组装为一个整体；轮盖、叶片和轮盘采用T300正交碳纤维布预浸料和T700单轴碳纤维布预浸料，并按一定的铺层方向顺序循环铺设多层；铺层后抽真空进炉中温固化，最终形成一个整体。本发明叶轮采用碳纤维复合材料，碳纤维复合材料结构中碳纤维是力的主要承载材料，在纤维不同方向上其承载能力是不同的，因此碳纤维复合材料具有可设计性。“纤维取向”设计的目标是力求最大限度地利用碳纤维材料的方向性以及保持结构中传力路径的连续性，在结构设计时承受面内载荷的层压板可以设计为不同方向的铺层，以满足结构的需求。

Description

一种采用碳纤维复合材料制备离心式通风机叶轮的方法

技术领域

本发明涉及离心式通风机，具体地说是一种采用碳纤维复合材料制备离心式通风机叶轮的方法及叶轮结构。

背景技术

离心式通风机是一种量大面广的机械设备，在各类舰船中得到广泛应用，风机在进行气体输送的同时，伴随着结构振动和空气噪声的产生。振动噪声的危害体现在三个方面：(1)影响站位人员的工作和休息；(2)降低了舰船的声隐身性；(3)振动大容易导致设备材料的疲劳损伤，降低了设备的使用寿命。

典型的舰船用离心式通风机结构见图1。其主要零部件有：驱动电机1、叶轮2、蜗壳3及进风口4。叶轮直接安装于电机的轴伸端，蜗壳与电机端部的法兰连接固定，风机的进出风口与风送***管网连接，风机通过电机地脚与舰船的安装底座连接。

离心式通风机的工作原理是通过叶轮旋转对气体介质做功提升气体介质的内能，来输送气体介质。因此，风机的振动与风机内部的气体流动密切相关。风机的非定常内流包含固有的非定常流，比如叶片出口端部的尾迹流和尾迹区涡流；条件性的非定常流，比如当风机偏离设计工况，气流冲角发生变化产生的附面层、漩涡以及涡流脱落等，所有这些流动的损失都会引起流场的变化。气体的流动并与结构的相互作用形成的压力脉动是风机产生振动的主要根源之一；作为旋转机械设备，转子的不平衡是风机产生振动的另一个主要根源。

气流激励和不平衡激励是离心式通风机产生振动的主要激励源，这两类激励源均加载于风机叶轮，并通过叶轮传递至电机转子，再通过电机转子传递至支承轴承，通过支承轴承传递至轴承腔体，传递至电机地脚，最终传递至安装底座。离心式通风机的振动激励源及振动传递路径详见图2。

离心式通风机的旋转部件为风机的转子，其主要构成有：风机叶轮21、电机冷却风扇叶轮22、电机转子23及支承轴承24，其结构简图详见图3。

其中，叶轮是风机最重要的部件，风机振动激励源最主要的加载对象是风机的叶轮，因此降低风机叶轮的振动是控制通风机整机振动的重点。

风机的振动控制主要从三个方面采取措施：(1)消除振源；(2)隔离振源与结构之间

的传递与联系；(3)减少结构本身的振动响应。

转子的不平衡是风机产生振动的主要根源之一。不平衡激励是由转子残余不平衡质量在转子旋转过程中的离心力产生，其数值由公式(1)计算。

F＝m×ω²×r————————————(1)

式中：F——离心力(N)；

m——转子质量(kg)；

ω——转子的旋转角速度(1/s)；

r——转子的质量偏心距(m)。

风机叶轮是风机转子中回转半径和质量最大的零件，因此对于相同的质量偏心距，质量轻的叶轮产生的不平衡激励就小。现有金属材质的离心式通风机叶轮重量相对较大，加大了风机转子的不平衡激励。

其次，现有风机叶轮采用钢材或铝材或钛合金等材质，其振动衰减性能较差，且叶轮直接经轴盘安装于电机的轴伸端，使叶轮的振动通过轮毂传递至电机转子，增加了风机整体振动性。

发明内容

本发明为了避免现有技术存在的不足之处，提供一种采用阻尼材料制作风机叶轮。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

一种采用碳纤维复合材料制备离心式通风机叶轮的方法，其特征在于，将叶轮分解为轮盖、叶片和轮盘三个独立部分，分别单独成型，再将三部分组装为一个整体；所述轮盖、叶片和轮盘单独成型方法如下：

(1)轮盖成型模具为钢制模具；铺层顺序从模具的凸面开始，轮盖底部铺两层T300正交碳纤维布预浸料，每层厚度为0.212mm；中间铺T700单轴碳纤维布预浸料16层，每层厚度0.125mm，铺层顺序按0°、90°、45°、-45°、-45°、45°、90°、0°循环；轮盖顶部铺一层T300正交碳纤维布预浸料，厚度为0.212mm；铺层后抽真空进炉中温固化，固化温度125℃；

(2)叶片成型模具为钢制模具，为增加叶片与轮盖和轮盘固化成型时的结合强度，叶片与轮盖和轮盘接触部位均增加1个与叶片垂直的侧面；铺层顺序从模具的凸面开始，叶片底部铺一层T300正交碳纤维布预浸料，厚度为0.212mm；叶片侧面铺T700单轴碳纤维布12层，每层厚度0.125mm，铺层顺序0°、90°、45°、-45°、0°、-45°、45°、90°、0°、45°、-45°、0°循环旋转铺设；叶片部分铺T700单轴碳纤维布16层，每层厚度0.125mm，铺层顺序按0°、90°、45°、-45°、-45°、45°、90°、0°、循环；叶片顶部和外侧面铺一层T300正交碳纤维布预浸料，厚度为0.212mm；铺层后抽真空进炉中温固化，固化温度125℃；

(3)轮盘成型，轮盘底部铺一层T300正交碳纤维布预浸料，厚度为0.212mm；中间铺T700单轴碳纤维布64层，每层厚度0.125mm，铺层顺序按0°、90°、45°、-45°、-45°、45°、90°、0°循环；轮盘顶部铺一层T300正交碳纤维布预浸料，厚度为0.212mm；铺层后抽真空进炉中温固化，固化温度125℃。

将所述轮盖、叶片和轮盘拼接在一起，接合面采用环氧树脂中温固化体系3234形成单膜，抽真空后再次回炉进行中温固化，固化温度125℃，最终形成一个整体。

一种离心式通风机叶轮结构，包括风机叶轮和轴盘，其结构特点在于，所述风机叶轮由轮盖、叶片、轮盘组成，所述轮盖、叶片和轮盘采用权利要求1所述方法单独成型并固化为一体，所述轮盘通过铆钉与轴盘固定连接，所述轴盘孔中热套有轴套，所述轴盘通过轴套安装于电机的轴伸端。

所述轴盘和铆钉采用不锈钢或钛合金材质，所述轴套采用阻尼合金材质。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明风机叶轮采用碳纤维复合材料，由于碳纤维复合材料的密度为1.7kg/m³，仅为钛合金的1/3～1/4，比强度是钛合金的4倍左右，因此采用碳纤维复合材料的叶轮可以有效降低风机转子的不平衡激励。

2、本发明叶轮采用碳纤维复合材料，其功耗因子η比钢材和铝材大一个数量级，具有优异的振动的衰减特性。采用碳纤维制造的轮盖、叶片及轮盘对于气流激励有很好的衰减作用，可有效降低叶轮的振动；阻尼合金轴套热套于轴盘内孔，利用阻尼合金具有大的阻尼特性，可有效隔离叶轮的振动通过轮毂传递至电机转子。

3、本发明风机叶轮设计为抗振结构，具有较小的振动响应。利用碳纤维复合材料高的比强度、各向异性和可设计性，加强叶轮结构刚度的薄弱环节，进行刚度的合理分配与平衡，以提高叶轮的共振频率和降低振动响应，最大限度提升叶轮的抗振潜力。

4、本发明叶轮采用碳纤维复合材料，碳纤维复合材料结构中碳纤维是力的主要承载材料，在纤维不同方向上其承载能力是不同的，因此碳纤维复合材料具有可设计性。“纤维取向”设计的目标是力求最大限度地利用碳纤维材料的方向性以及保持结构中传力路径的连续性，在结构设计时承受面内载荷的层压板可以设计为不同方向的铺层，以满足结构的需求。

5、阻尼合金是指具有结构材料应有的强度并能通过阻尼过程(内耗)把振动能较快地转变为热能消耗掉的合金。不同种类的合金，它们的减振机理是不同的。根据其减振机理可将阻尼合金大致可分为复合型、铁磁型、位错型和孪晶型四大类型。本发明在轴盘与电机轴之间设有阻尼合金轴套，能有效隔离叶轮的振动通过轮毂传递至电机转子。

附图说明

图1是舰船用离心式通风机典型结构示意图。

图2是离心式通风机振动激励源及振动传递路径。

图3是离心式通风机转子结构示意图。

图4是本发明离心式通风机叶轮结构示意图。

图5是本发明碳纤维复合材料层压板叠层纤维材料铺层方向示意图。

图6是本发明轮盖成型结构示意图。

图7是本发明叶片成型结构示意图。

图8是本发明轮盘成型结构示意图。

图9是本发明轮盖、叶片、轮盘整体固化结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过具体实施方式对本发明技术方案做进一步解释说明。

一种采用碳纤维复合材料制备离心式通风机叶轮的方法，是将叶轮分解为轮盖6、叶片7和轮盘8、3个独立部分，分别单独成型，再将3部分组装为一个整体；所述轮盖、叶片和轮盘单独成型方法如下:

(1)轮盖6成型模具为钢制模具。铺层顺序从模具的凸面开始，轮盖底部铺两层T300正交碳纤维布预浸料，每层厚度为0.212mm；中间铺T700单轴碳纤维布预浸料16层，每层厚度0.125mm，铺层顺序按[0°/90°/45°/-45°/-45°/45°/90°/0°]，上述铺层角度是指铺层之间的相对角度，也就是碳纤维布里碳纤维排列方向，第1铺层某个方向定义为0°，与第1层铺层垂直的方向即为90°，依次类推，如图5所示。轮盖顶部铺一层T300正交碳纤维布预浸料，厚度为0.212mm；铺层后抽真空进炉中温固化，固化温度125℃；成型如图6所示。

(2)叶片7成型模具为钢制模具。为增加叶片与轮盖和轮盘固化成型时的结合强度，叶片与轮盖和轮盘接触部位均增加1个与叶片垂直的侧面71。铺层顺序从模具的凸面开始，叶片底部(即图7中叶片的右侧面)铺一层T300正交碳纤维布预浸料，厚度为0.212mm；叶片和侧面铺T700单轴碳纤维布12层，每层厚度0.125mm，铺层顺序[0°/90°/45°/-45°/0°/-45°/45°/90°/0°/45°/-45°/0°]；叶片部分铺T700单轴碳纤维布16层，每层厚度0.125mm，铺层顺序按[0°/90°/45°/-45°/-45°/45°/90°/0°]循环；叶片顶部(即图7中叶片的左侧面)和侧面71的上部铺一层T300正交碳纤维布预浸料，厚度为0.212mm；铺层后抽真空进炉中温固化，固化温度125℃；成型如图7所示。

(3)轮盘8成型。轮盘底部铺一层T300正交碳纤维布预浸料，厚度为0.212mm；中间铺T700单轴碳纤维布64层，每层厚度0.125mm，铺层顺序按[0°/90°/45°/-45°/-45°/45°/90°/0°]循环；轮盘顶部铺一层T300正交碳纤维布预浸料，厚度为0.212mm；。铺层后抽真空进炉中温固化，固化温度125℃。成型如图8所示。

将所述轮盖、叶片和轮盘拼接在一起，接合面采用环氧树脂中温固化体系3234形成单膜，抽真空后再次回炉进行中温固化，固化温度125℃，最终形成一个整体。成型图图9所示。

如图4所示，一种离心式通风机叶轮结构，包括风机叶轮和轴盘5，风机叶轮由轮盖6、叶片7、轮盘8组成，轮盖、叶片和轮盘采用如上所述方法单独成型并固化为一体，轮盘通过铆钉9与轴盘固定连接，轴盘5孔中热套有轴套10，轴盘通过轴套安装于电机的轴伸端。图中61为轮盖顶部，62指轮盖底部，81为轮盘顶部，82为轮盘底部。

轴盘和铆钉采用不锈钢或钛合金材质，轴套采用阻尼合金材质。

采用相同结构不同材质的风机叶轮，在同样试验条件下进行风机整机振动试验。额定工况点风机整机结构振动加速度级详见表1和表2。

表1碳钢材料叶轮风机整机振级

表2采用本发明阻尼材料叶轮风机整机振级

从表1和表2可知风机整机振动试验四个测点的平均振级：在分频段10～315(Hz)范围内阻尼材料叶轮比碳钢叶轮下降7.68dB,降幅7.18％；在分频段315～8000(Hz)范围内阻尼材料叶轮比碳钢叶轮下降9.02dB,降幅7.57％；在全频段10～8000(Hz)范围内阻尼材料叶轮比碳钢叶轮下降9.09dB,降幅7.6％。阻尼材料叶轮具有明显的减振效果。

Claims (3)

1.一种采用碳纤维复合材料制备离心式通风机叶轮的方法，其特征在于，将叶轮分解为轮盖、叶片和轮盘三个独立部分，分别单独成型，再将三部分组装为一个整体；所述轮盖、叶片和轮盘单独成型方法如下：

(1)轮盖成型模具为钢制模具；铺层顺序从模具的凸面开始，轮盖底部铺两层T300正交碳纤维布预浸料，每层厚度为0.212mm；中间铺T700单轴碳纤维布预浸料16层，每层厚度0.125mm，铺层顺序按0°、90°、45°、-45°、-45°、45°、90°、0°循环；轮盖顶部铺一层T300正交碳纤维布预浸料，厚度为0.212mm；铺层后抽真空进炉中温固化，固化温度125℃；

(2)叶片成型模具为钢制模具，为增加叶片与轮盖和轮盘固化成型时的结合强度，叶片与轮盖和轮盘接触部位均增加1个与叶片垂直的侧面；铺层顺序从模具的凸面开始，叶片和侧面底部铺一层T300正交碳纤维布预浸料，厚度为0.212mm；叶片侧面铺T700单轴碳纤维布12层，每层厚度0.125mm，铺层顺序0°、90°、45°、-45°、0°、-45°、45°、90°、0°、45°、-45°、0°循环旋转铺设；叶片部分铺T700单轴碳纤维布16层，每层厚度0.125mm，铺层顺序按0°、90°、45°、-45°、-45°、45°、90°、0°、循环；叶片顶部和侧面上部铺一层T300正交碳纤维布预浸料，厚度为0.212mm；铺层后抽真空进炉中温固化，固化温度125℃；

(3)轮盘成型，轮盘底部铺一层T300正交碳纤维布预浸料，厚度为0.212mm；中间铺T700单轴碳纤维布64层，每层厚度0.125mm，铺层顺序按0°、90°、45°、-45°、-45°、45°、90°、0°循环；轮盘顶部铺一层T300正交碳纤维布预浸料，厚度为0.212mm；铺层后抽真空进炉中温固化，固化温度125℃；

将所述轮盖、叶片和轮盘拼接在一起，接合面采用环氧树脂中温固化体系3234形成单膜，抽真空后再次回炉进行中温固化，固化温度125℃，最终形成一个整体。

2.一种离心式通风机叶轮结构，包括风机叶轮和轴盘，其特征在于，所述风机叶轮由轮盖、叶片、轮盘组成，所述轮盖、叶片和轮盘采用权利要求1所述方法单独成型并固化为一体，所述轮盘通过铆钉与轴盘固定连接，所述轴盘孔中热套有轴套，所述轴盘通过轴套安装于电机的轴伸端。

3.根据权利要求2所述的一种离心式通风机叶轮结构，其特征在于，所述轴盘和铆钉采用不锈钢或钛合金材质，所述轴套采用阻尼合金材质。