CN110549654A - 风机叶片的一体式制造方法及风机叶片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了风机叶片的一体式制造方法及风机叶片。该方法包括：形成预设形状的泡沫芯模及叶根连接孔；在泡沫芯模的外表面和叶根连接孔内铺设界面增强层材料；根据铺层方案在界面增强层材料的外表面铺设壳体预浸料，形成叶片预成型体；将叶片预成型体放入模具中并对模具进行封装；将封装后的模具放入热压罐中进行加热加压固化；以及脱模，以得到具有夹层结构的风机叶片。该风机叶片的一体式制造方法避免了现有技术中将壳体分为上下两个部分成型，然后再连接在一起的成型方法，无需二次加工和胶接，不仅尽量解决了机加工对复合材料结构的损伤以及复合材料胶接质量不易控制的问题，而且风机叶片的整体性能也较好。

Description

风机叶片的一体式制造方法及风机叶片

技术领域

本发明涉及风机叶片领域，具体涉及风机叶片的一体式制造方法及风机叶片。

背景技术

风机叶片为船用风机的主要部件，其精确的气动外形和较高的力学性能是保证风机工作效率的关键。

随着复合材料应用技术的日益成熟，玻璃钢复合材料以及碳纤维复合材料被逐渐应用到风机叶片的制造上。采用复合材料制造叶片，不仅可以成型出各种形状复杂的风机叶片，提高叶片气动效率；并且复合材料叶片还具有质量轻、强度高、耐腐蚀、疲劳性能好、减震降噪、易于安装、免维护等特点。这些特点使得复合材料风机叶片的使用寿命大大增加。

现有技术中，制造复合材料制造叶片时通常采用分半成型工艺，即分别在上、下模具上铺设风机叶片上、下壳体的预浸料。在预浸料固化前在模具型腔内放置泡沫芯材或泡沫发泡料，再合模固化得到具有夹层结构的风机叶片。但是，因采用分半成型工艺，使得成型出的风机叶片前缘纤维不连续，叶片整体强度较低，易发生前缘开裂。为提高风机叶片的前缘强度，常常在叶风机片前缘外侧胶接金属包片或在前缘内侧胶接预制件以提高风机叶片上、下壳体的连接强度。但是，这种制造方法的胶接质量难以控制，产品成型质量一致性较差，使用过程中由于叶片转速和振动较大，容易造成叶片前缘包铁开胶及壳体开裂问题，从而大大降低复合材料叶片的使用寿命。

发明内容

本申请的目的在于提供风机叶片的一体式制造方法及风机叶片，其能够消除或解决现有技术的上述问题。

本发明提供一种风机叶片的一体式制造方法，包括：

形成预设形状的泡沫芯模及叶根连接孔；

在所述泡沫芯模的外表面和所述叶根连接孔内铺设界面增强层材料；

根据铺层方案在所述界面增强层材料的外表面铺设壳体预浸料，形成叶片预成型体；

将所述叶片预成型体放入模具中并对所述模具进行封装；

将封装后的所述模具放入热压罐中进行加热加压固化；以及

脱模，以得到具有夹层结构的风机叶片。

在一可选的实施方式中，形成预设形状的泡沫芯模及叶根连接孔的步骤包括：

根据风机叶片工作状态下的受力情况生成铺层方案；

根据风机叶片的外形、铺层方案以及预设过盈量生成所述泡沫芯模的三维图形；

根据所述泡沫芯模的三维图形加工出所述预设形状的泡沫芯模。

在一可选的实施方式中，在所述泡沫芯模的外表面和所述叶根连接孔内铺设界面增强层材料的步骤之后，室温抽真空压实20到30分钟。

在一可选的实施方式中，在所述界面增强层材料的外表面铺设壳体预浸料的步骤包括：

每铺设2层壳体预浸料后，测量叶片剖面宽度并室温抽真空压实20到30分钟。

在一可选的实施方式中，将所述叶片预成型体放入模具中并对所述模具进行封装的步骤包括：

将所述叶片预成型体装入模具中并依次使用隔离膜、透气毡以及真空袋对模具进行封装。

本发明还提供了一种风机叶片，包括：

壳体，由复合材料一体固化成型；

泡沫芯模，所述壳体包覆所述泡沫芯模设置；

界面增强层，夹在所述壳体和所述泡沫芯模之间；

叶根衬套，位于叶根连接孔内，所述叶根连接孔沿垂直于所述叶片的长度方向设置在所述叶片的根部。

在一可选的实施方式中，所述复合材料包括玻璃纤维预浸料和/或碳纤维预浸料。

在一可选的实施方式中，所述壳体由铺设在所述泡沫芯模上的玻璃纤维预浸料和/或碳纤维预浸料一体固化成型。

在一可选的实施方式中，所述叶根衬套通过所述界面增强层与所述叶根连接孔粘接在一起。

通过对风机叶片的铺层方案优化设计以及模具的相过盈配合，使得该风机叶片的一体式制造方法可以避免现有技术中采用将壳体分为上下两个部分成型，然后再连接在一起的成型方式。同时，通过对叶片内部结构和壳体铺层设计可以实现复杂形状叶片的整体共固化成型，固化后即可得到复合材料叶片产品(风机叶片根部复杂的结构特征都是和风机叶片固化过程一起形成的)，无需二次加工和胶接，不仅避免了机加工对复合材料结构的损伤以及复合材料胶接质量不易控制的问题，而且风机叶片的整体性能也较好。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。在附图中：

图1是本发明的实施例提供的风机叶片的剖面示意图；

图2是本发明的实施例提供的风机叶片的正面立体示意图；

图3是本发明的实施例提供的风机叶片的侧面立体示意图；

图4是本发明的实施例中风机叶片的制造是合模前的示意图；

图5是本发明的实施例中风机叶片的制造是合模后的示意图；

图6为本发明的风机叶片的一体式制造方法实施例提供的制造风机叶片的方法的第一流程图；

图7为本发明的风机叶片的一体式制造方法实施例提供的制造风机叶片的方法的第二流程图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

请参照图1，图1示出了根据本申请的风机叶片的纵向剖视图。本申请的风机叶片包括：壳体10，由复合材料一体固化成型；泡沫芯模20，被包覆在壳体10上；界面增强层30，夹在壳体10和泡沫芯模20之间；叶根衬套40，设置在叶根连接孔70内。叶根连接孔70可穿过叶片的根部，沿垂直于叶片的长度方向设置。其中，图2示出了两个叶根连接孔70。

在本实施方式中，壳体10为风机叶片最外的一层结构，是整个风机叶片的主承力结构。壳体10需要具备一定的强度和耐腐蚀度，因此壳体10可以通过复合材料一体固化成型。其中，复合材料可以包括玻璃纤维预浸料以及碳纤维预浸料。在制造风机叶片的过程中，上述的预浸料可以通过预设的铺设方案将其铺设在具有一定形状的泡沫芯模20上，然后再放入模具内一体固化成型。当然的，制造壳体10的材料不单单包括上述的两种预浸料，只要能满足可以一体固化成型而制成风机叶片的材料，都是符合本发明的要求。

较佳的，这种制造壳体10的方法避免了现有技术中将壳体10分为上下两个部分成型，再连接在一起的成型方法。通过对叶片内部结构和壳体10铺层设计可以实现复杂形状叶片的整体共固化成型，固化后即可得到复合材料叶片产品(风机叶片根部14复杂的结构特征都是和风机叶片固化过程一起形成的)，无需二次加工和胶接，避免了机加工对复合材料结构的损伤以及复合材料胶接质量不易控制的问题。同时，由于叶片前缘纤维是连续的，因此风机叶片前缘强度也较高，风机叶片的整体性能也较好。

在本实施方式中，由于合模后预浸料的固化成型压力是由泡沫芯模提供的，因此泡沫材料应具有良好的压缩蠕变性能，泡沫芯模20的材料可以包括PMI泡沫和PEI泡沫。在制造泡沫芯模20的过程中，可以先结合风机叶片的外形、铺层设计结果及过盈量要求对泡沫芯模20造型设计，进而得到泡沫芯模20的三维图形文件，然后再根据相应三维图形文件采用数控铣床加工出泡沫芯模20以及叶根连接孔70，从而得到具有叶根连接孔70的泡沫芯模20。

在本实施方式中，参照图1所示，风机叶片还包括界面增强层30。其中，界面增强层30夹在壳体10和泡沫芯模20之间。界面增强层30的材料包括树脂和/或热熔胶。界面增强层30将壳体10以及泡沫芯模20粘结在一起。当然，界面增强层30的材料不限于上述的两种材料，只要能满足将壳体10与泡沫芯模20之间能相连接，都是在本申请的保护范围内。

在制造风机叶片的过程中，可以先在泡沫芯模20上铺设上一层界面增强层30的材料，抽真空压实，然后在铺设好的界面增强层30上再铺设壳体10预浸料，例如玻璃纤维预浸料和/或碳纤维预浸料，使得泡沫芯模20和壳体10之间能通过界面增强层30而连接，使得风机叶片呈整体式结构，从而提高风机叶片的整体强度。

在本实施方式中，参照图2和图3所示，图2为实施例提供的风机叶片的正面立体示意图，图3为风机叶片的侧面立体示意图。为了方便风机叶片的安装，风机叶片还包括叶根衬套40。叶根衬套40可以贯穿设置在壳体10、泡沫芯模20以及界面增强层30上。参照图3，壳体10包括相对设置的端部12和根部14。以图2为例，壳体10的左端为端部12，右端为根部14。

具体的，在风机叶片的根部14具有一长方体形的凸起142。其中该凸起142由外到内可以分别为壳体10、界面增强层30以及泡沫芯模20。凸起142上可以设置有一叶根连接孔70。叶根衬套40套设在叶根连接孔70内。进一步的，为了将叶根衬套40能较为稳定地固定设置在叶根连接孔70内，叶根连接孔70的内壁上可以至少设置有一层界面增强层30。当叶根衬套40套设叶根连接孔70内时，叶根衬套40的外壁可以与界面增强层30相粘接在一起，因此界面增强层30可以将叶根衬套40固定设置在叶根连接孔70内。叶根衬套40穿设在该凸起142上。叶根连接孔70的尺寸以及形状可以根据实际要安装的叶根衬套40进行确定，本申请也对此不作限制。

在本实施方式中，参照图2以及图3所示，为了方便风机叶片的安装，风机叶片上还设置有叶根键槽50以及叶根半圆柱凹槽60，用于配合风机叶片的安装。

本申请还公开了一种用于风机叶片的一体式制造方法，图6为本发明的风机叶片的一体式制造方法实施例提供的制造风机叶片的方法的第一流程图，包括：

S101：形成预设形状的泡沫芯模及叶根连接孔70；

参照图7所示，具体可以包括：

S201：根据风机叶片工作状态下的受力情况生成铺层方案；

铺层方案指的是壳体预浸料在泡沫芯模20上的铺层数量、具体铺放方向以及具体的铺设位置和铺层形状。例如，叶片变厚度区域预浸料如何铺放、各铺层纤维角度如何延伸、不同铺层间的搭接或拼接位置的确定等。这些都是根据实际的成型方案进行确定的，进而保证成型后的壳体10能一体成型同时保证各处都符合要求的工作强度。

其中，铺层方案可以通过计算机模拟生成，即将需要的各个参数输入到计算机中，计算机根据预设的模型或者程序生成铺层方案，技术人员可以经过试铺过程对铺层方案进行优化并根据优化后的铺层方案进行壳体预浸料的铺设。

S202：根据风机叶片的外形、铺层方案以及预设过盈量生成泡沫芯模的三维图形；

对于预设过盈量，现有的风机叶片制造过程中，一方面，叶片精确的气动外形是保证风机效率的关键，为保证叶片的气动外形比较精确，因此需要采用闭模成型工艺制备风机叶片，但是存在模具80闭合以后外界压力无法施加到壳体10预浸料上的问题。另一方面，。复合材料壳体10预浸料固化过程需要一定的成型压力，成型压力不合适会造成当成型压力过大预浸料贫胶，成型压力过小又不能压实预浸料，造成较多的层间缺陷从而影响叶片成型质量的问题

S203：根据泡沫芯模的三维图形加工出预设形状的泡沫芯模；

可以利用机床根据三维图形加工出预设形状的泡沫芯模20以及叶根连接孔70。

S102：在泡沫芯模的外表面和叶根连接孔70内铺设界面增强层材料；

铺设界面增强层材料的步骤之后，室温抽真空压实20到30分钟。

S103：根据铺层方案在界面增强层材料的外表面铺设壳体预浸料，形成叶片预成型体；

每铺设2层壳体预浸料后，测量叶片剖面宽度并室温抽真空压实20到30分钟。

具体地，铺设完成界面增强层30材料后，在界面增强层30材料外铺设壳体10预浸料；每铺设2层壳体10预浸料后，测量叶片剖面宽度并室温抽真空压实20到30分钟。在铺设壳体10预浸料时，相对于现有技术中壳体10上下分开成型的方式相比，壳体10的预浸料可以铺设在上下部分的结合处，即呈长条状的预浸料的上半部分可以铺设在壳体10的上部，下半部分可以铺设在壳体10的下部，使得上下部的结合处具有连续的碳纤维或者玻璃纤维，进而能保证结合处的强度。

S104：将叶片预成型体放入模具中并对模具进行封装；

参照图4以及图5所示，图4是本发明的实施例中风机叶片的制造时合模前的示意图，图5是本发明的实施例中风机叶片的制造时合模后的示意图。将预成型体放入成型模具80下模中并采用模具滑块进行预成型体定位、合上上模，利用上模凹槽和下模凸台进行模具80预定位，随后使用导向杆螺栓进行精确定位、叶根金属衬套表面铺敷界面增强材料后和孔模一起组装到叶根连接孔70内、再依次安装键模，根模并进行定位完成模具80组装。可以依次使用隔离膜、透气毡以及真空袋对模具80进行封装。

S105：将封装后的模具放入热压罐中进行加热加压固化；

加热温度可以为120度到140度之间，待热压罐中的温度降至60度以下时，即可得到呈一体结构的风机叶片。

S106：脱模，以得到具有夹层结构的风机叶片；

待加热罐中的温度降至室温后，按照将模具封装时相反的步骤，可以将被封装的模具拆开，再将风机叶片取出，完成风机叶片的脱模。

本发明通过对风机叶片的铺层方案优化设计以及模具的相过盈配合，使得该风机叶片的一体式制造方法可以避免现有技术中采用将壳体10分为上下两个部分成型，然后再连接在一起的成型方式。同时，通过对叶片内部结构和壳体10铺层设计可以实现复杂形状叶片的整体共固化成型，固化后即可得到复合材料叶片产品(风机叶片根部复杂的结构特征都是和风机叶片固化过程一起形成的)，无需二次加工和胶接，不仅避免了机加工对复合材料结构的损伤以及复合材料胶接质量不易控制的问题，而且风机叶片的整体性能也较好。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (9)

1.一种风机叶片的一体式制造方法，包括：

形成预设形状的泡沫芯模及叶根连接孔；

在所述泡沫芯模的外表面和所述叶根连接孔内铺设界面增强层材料；

根据铺层方案在所述界面增强层材料的外表面铺设壳体预浸料，形成叶片预成型体；

将所述叶片预成型体放入模具中并对所述模具进行封装；

将封装后的所述模具放入热压罐中进行加热加压固化；以及脱模，以得到具有夹层结构的风机叶片。

2.根据权利要求1所述的风机叶片的一体式制造方法，其特征在于，形成预设形状的泡沫芯模及叶根连接孔的步骤包括：

根据风机叶片工作状态下的受力情况生成铺层方案；

根据风机叶片的外形、铺层方案以及预设过盈量生成所述泡沫芯模的三维图形；

根据所述泡沫芯模的三维图形加工出所述预设形状的泡沫芯模。

3.根据权利要求1所述的风机叶片的一体式制造方法，其特征在于，在所述泡沫芯模的外表面和所述叶根连接孔内铺设界面增强层材料的步骤之后，室温抽真空压实20到30分钟。

4.根据权利要求1所述的风机叶片的一体式制造方法，其特征在于，在所述界面增强层材料的外表面铺设壳体预浸料的步骤包括：

每铺设2层壳体预浸料后，测量叶片剖面宽度并室温抽真空压实20到30分钟。

5.根据权利要求1所述的风机叶片的一体式制造方法，其特征在于，将所述叶片预成型体放入模具中并对所述模具进行封装的步骤包括：

将所述叶片预成型体装入模具中并依次使用隔离膜、透气毡以及真空袋对模具进行封装。

6.一种风机叶片，其特征在于，包括：

壳体，由复合材料一体固化成型；

泡沫芯模，所述壳体包覆所述泡沫芯模设置；

界面增强层，夹在所述壳体和所述泡沫芯模之间；

叶根衬套，位于叶根连接孔内，所述叶根连接孔沿垂直于所述叶片的长度方向设置在所述叶片的根部。

7.根据权利要求6所述的风机叶片，其特征在于，所述复合材料包括玻璃纤维预浸料和/或碳纤维预浸料。

8.根据权利要求7所述的风机叶片，其特征在于，所述壳体由铺设在所述泡沫芯模上的玻璃纤维预浸料和/或碳纤维预浸料一体固化成型。

9.根据权利要求6所述的风机叶片，其特征在于，所述叶根衬套通过所述界面增强层与所述叶根连接孔粘接在一起。