CN1148673A - 复合热结构材料作的特别是大直径的叶轮及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

叶轮有叶片10，叶片围绕两端板30、40间的轮 毂20配置，叶片、轮毂和端板均由复合热结构材料制作。轮毂 的制造方法是沿一公共轴 叠置复合热结构材料的平 环形板。叶片单个制作，方 法是，成型板状或片状的两 维纤维物，作成预成型件，用 基体致密硬化预成型件，得 到复合热结构材料的毛坯， 然后加工硬化的预成型件外形。制造端板的方法是，用板状或 片状的两维纤维织物制作环形预成型件，然后用基体致密硬化 预成型件获得复合热结构材料的部件，叶片通过根部13装在 轮毂上。

Description

复合热结构材料作的特别是大直径 的叶轮及其制造方法
本发明涉及叶轮，具体涉及在通常温度大于1000℃的高温下操作的叶轮。
这种叶轮的一个应用领域是在炉子或在高温下进行物理化学处理的类似装置中搅拌气体或排风，环境介质由例如惰性气体或非活性气体构成。
这种叶轮通常用金属制作，一般由许多部件构成，这些部件用焊接方法组装在一起。采用金属会产生许多缺点。例如大质量的转动部件要求很大的传动轴和很大动力的马达，而且至少使速度受到限制。由于有金属蠕变的危险，所以温度也受到限制。
另外，由于金属对热冲击的敏感，可能会引起破裂或形变。这使得转动质量失去平衡，导致叶轮和其驱动马达寿命降低。然而在上述应用中很可能会发生激烈的热冲击，特别是在为了急速降低炉内温度以便减少处理周期的持续时间而喷入大量冷的气体时。
为了避免由金属产生的问题，已经提出采用其它材料，特别是采用复合热结构材料未制造叶轮。这些材料一般由纤维增强织物或“预成型件”构成，这些织物将利用一种基体致密硬化，这些材料的特征在于它的很适合于构成结构部件的机械特性和在高温下保持这种特性的能力。例如，通常的复合热结构材料是由碳纤维增强件和碳基体组成的碳-碳(C-C)复合材料，以及由碳纤维或陶瓷纤维增强件和陶瓷基体组成的陶瓷基体复合材料(CMCs)。
与金属相比，复合热结构材料具一些重要优点，密度相当低，高温稳定性相当好。质量减小和蠕变危险的消除使得可以在很高转速下操作，可以达到很高的排气速度而不要求过大的驱动部件。另外，复合热结构材料具有很强的抗热冲击性。
因此复合热结构材料在操作性能方面具有显著的优点，但是因为其成本相当高而使其应用受到限制。其成本除所用原料的成本而外，主要来自致密硬化周期的持续时间长和制造纤维预成型件时所遇到的困难，特别是在要制作的部件形状复杂如在制作叶轮时。
因此本发明的目的是提出一种特别适合于用复合热结构材料制作的叶轮结构，使得可以受益于这种材料的优点而制造成本又是尽可能地低。
本发明另外一个目的是提供一种适合于制造大直径叶轮机的叶轮结构，即在这种结构中直径可以比1m大得多。
在本发明的一个方面中，本发明提供了一种制造叶轮的方法，该叶轮包括许多叶片，叶片绕轮毂配置并位于两个端板之间，叶片、轮毂和端板均用复合热结构材料制作，该方法的特征在于：
a)轮毂的制造方法是，沿一个共同的轴叠置平的环形的复合热结构材料板并紧固这些板，使得这些板可以被强制同时绕该轴线转动；
b)采用以下步骤单个地制造每个叶片：
成形基本上为两维的呈板状或片状的纤维织物，得到纤维预成型件；
用基体致密硬化该预成型件，得到用复合热结构材料作的叶片毛坯；
机械加工已致密硬化的预成型件的外形；
c)采用以下步骤制造每个端板；
利用基本上两维的呈板状或片状的纤维织物制作环形的或基本上环形的预成型件；
用基体致密硬化该预成型件，得到用复合热结构材料作的部件；
d)将叶片装在端板之间的轮毂上，每个叶片通过构成叶片根部的部分连接在轮毂上。
这样，叶轮的主要部分是通过将形状简单的部件组装在一起而构成的，例如平的环形板构成轮毂，或用形状简单的纤维预成型件(两维的片材或板材)制作部件例如叶片和端板。
这就避免了在制造和致密硬化形状复杂的预成型件时所遇到的困难，或避免了用复合热结构材料固体块加工形状复杂的部件时所造成的材料损失。
每个叶片通过将叶片根部插入在轮毂上形成的具有互补形状的槽中而连接到轮毂上。按照本法特有的特征，叶片的根部这样构成，即将一个插入件插在用于制造叶片预成型件的纤维织物中形成的狭缝中。
按照方法的另一个特征，构成轮毂的板至少和一个构成第一端板的环形板组装在一起，该第一端板通过沿轴向紧固在叶轮安装轴上的方法而封盖叶轮一端的在叶片之间的通道。
第二端板与轮毂相配合，形成用于抽吸流体通过叶片之间通道的环形流体入口区，第二端板装在叶片上，方法是将在叶片相邻边缘上形成的凸耳啮合在端板上形成的切口中和/或用粘合剂粘合。在一种变型例中，第二端板是静止的。
在另一方面，本发明提供了一种由复合热结构材料作的叶轮，该叶轮包括许多叶片，叶片围绕轮毂配置并位于两个端板之间，该叶轮的特征在于，它包括由复合热结构材料作的平的环形板，该环形板沿一公共轴线叠置并彼此紧固，使得可以被强制同时绕该轴线转动，由此构成轮毂，由复合热结构材料作的叶片分别通过构成叶片根部的相应部分连接在轮毂上。
上述由复合热结构材料作的平的环形板最好构成一个组件，该组件包括轮毂和第一端板，该端板封盖叶轮机一端的在叶片之间的通道。
下面参照附图并阅读作为非限定性举例的说明，由此可看出本发明的其它特征和优点，这些附图是：
图1是一部分被切去的透视图，示出本发明的组装在一起的并安装在传动轴上的叶轮；
图2是图1叶轮的局部剖面图；
图3是图1叶轮的一个叶片的高度示意图；
图4示出制造图3叶片的连续步骤。
图1和图2示出一叶轮，它包括许多叶片10，该叶片规则地围绕轮毂20分布并位于两个端板30和40之间。叶轮的这些不同的组成部件均用复合热结构材料制作，例如用碳-碳(C-C)复合材料或陶瓷基体复合材料例如C-SiC(碳纤维增强件和碳化硅基体)复合材料。
其中，叶片10构成流体流动通道11。在叶轮的一个轴向端部，通道11由端板30封盖，该端板为环形形状，从轮毂20延伸到叶片10的自由外边缘12。在另一个轴向端部，基本上为环形的端板40仅在叶片10的部分长度上延伸，从叶片10的外边缘12向内延伸。
在端板40的内边缘41和轮毂20之间的空的空间形成一个入口区，流体从该入口区被抽吸通过通道11，经叶轮的外环喷出，如图2的箭头F所示。
下面说明如何制造叶轮的各种部件并将其装配在一起。
轮毂20用沿叶轮机轴线A叠置的环形板21形成。该板21具有相同的构成轮毂中心通道的内直径。在每一个板中，外直径从它的靠近流体入口区的表面到它的相对表面逐渐增加，而两个相邻板的接触端面具有相同的外直径，因而板21的组合件构成一个在端板40和端板30之间的厚度连续增加的轮毂，但没有突变点。在轮毂的外周上形成燕尾槽23，以便安装叶片10的根部和将叶片连接在轮毂上，这将在下面进一步说明。槽23沿轴向穿过轮毂的整个长度，该槽23围绕轮毂规则地分布。在大外直径的板21中，槽23通过槽口23a与外部相通，该槽口的宽度基本上等于叶片的厚度。
每个环形板21分别由复合热结构材料制作。为此，可以采用呈板形的纤维结构件，从该结构件切出环形预成型件，这样一种结构件的制造方法可以是例如，将两纤维织物的平板片例如细纤维片或粗股线的编织布等叠置起来，然后将板片用针缝法例如如文件FR-A-2584106所述的方法结合起来。
然后用构成要制造的复合热结构材料基体的材料，致密硬化从上述板切出的环形预成型件，以常规方式进行致密硬化处理，方法是用化学蒸气渗透，或利用液体，即用基体的液态母体进行浸渍，然后转换母体。在致密硬化之后，加工环形板，使其达到最终的尺寸并形成切口，该切口在板被叠置之后形成槽23和槽口23a。
可利用沿轴向穿过所有板的螺钉26迫使板21同时绕轴线A转动，螺钉26用复合热结构材料块制作。
盖住通道11的远离流体入口区一侧的端板30通过致密硬化纤维预成型件的方法用复合热结构材料制作。预成型件的制造方法例如是，将平的两维板片叠置，然后用针缝法结合在一起。
在所示的例子中，端板30的厚度从其外周到其内圆周连续地增加。在固有的轮毂20和固有端板30之间可以插入中间环形板31，上述板31的外部形状可使对着叶轮内部的板30的端面没有突变点地连接轮毂10的外表面。通过复合热结构材料作的螺钉26可迫使板31随同板21一起转动。可以看到，端板30的形状可以通过叠置外直径逐渐减少的环形板片的方法制得的预成型件获得。
在致密硬化之后，将端板加工到其最终尺寸。端板30的内环形端面37特别作成截锥形，以使叶轮可以装在一传动轴上。通过用复合热结构材料作的将端板30连接在板31上的螺钉36可强制端板30随同轮毂20绕轴线A转动。
每个叶片10为具有曲面的薄板形状，其轮廓高度示意地示于图3。每个叶片10的连接在轮毂20的内端具有加大的部分，该部分构成形状和尺寸与轮毂中槽23的形状和尺寸相同的叶片根部13。每个邻接流体入口区的叶片10的边缘从根部13开始构成一个第一凹形部分14a，该部分结束于构成凸耳的径向凸出部16。凸耳通过第二凹形部分14b与端缘12相连接。离开流体入口区的叶片的边缘从根部13开始是径向部分15a，该部分由凸形部分15b加长，该凸形部分15b符合中间板31和板30的相邻表面的外形。
图4示出用复合热结构材料构成叶片10的连续步骤。
起始材料是呈片状和板状的可形变纤维结构件，该结构件的厚度等于叶片的厚度，如文件FR-A-2584106或文件FR-A-2686907所述，该厚度是通过例如叠置和针缝二维纤维板片而形成的。
将纤维构件切成约为叶片的外形(步骤100)，然后使对应根部位置的边缘劈开，使得可以装入插入物I，位于狭缝两侧部分纤维构件沿该插入物进行折叠(步骤101)。随后用树脂预浸溃纤维结构件并用夹具T成形，以便得到接近待制造叶片形状的形状(步骤102)。在树脂于夹具中固化之后便得到叶片的预成型件P。然后热解树脂，留下例如碳的残渣，该残渣足以使纤维紧固在一起，从而保证预成型件保持其形状。然后在夹具的外面或者利用液体方法或者用化学蒸气渗透法继续致密硬化(步骤103)。
在致密硬化之后，准确加工叶片的外形，特别是形成凸耳16和边缘12、14和15(步骤104)。
环形端板40具有对应于叶片边缘部分14b外形的弯曲外形。该端板通过致密硬化呈片状或板状的纤维织物制作，和叶片10所用方法相同。在致密硬化之后，加工端板40，达到其最终尺寸并形成安装叶片10凸耳16的切口46。
叶轮的组装如下。
使凸耳16啮合在切口46中，从而使叶片10钩在端板40上。然后一个一个地叠置板21构成轮毂20，同时将叶片的根部13同时插入槽23。将板31插入就位，然后利用螺钉26使板21连接在一起并与板31连接。然后通过例如螺钉36使端板30安装就位。可以看到，在端板40和30的内侧表面上可以形成相应的槽44和35，叶片的相应边缘24b和25b可以插入该槽中，从而可以更有效地固定叶片。
叶轮的各种部件通过安装在传动轴50上以组合的状态被固定在一起(仅在图2中示出)。该传动轴具有截锥形的肩部51，该肩部靠在端板30的相应截锥形的内环形表面37上。该传动轴穿过轮毂20并具有伸出其端部的螺纹部分52。
在远离端板30的那一轮毂端部的板21上放置衬垫53，该衬垫的直径大到足以封闭槽23。板21、31和端板30均由螺帽55紧固在一起，该螺帽拧在螺纹部分52上并通过另一衬垫56对衬垫53施力。衬垫53和56通过锥形面彼此压靠。
端板40仅通过与叶片凸耳16的紧扣啮合便可固定。
在一个变形例中，可以用粘合剂将端板40固定在叶片上，此时可以同时采用或不采用将凸耳装入端板切口中的机械啮合方法。在使用粘合剂之后，最好进行化学蒸气渗透操作，以便硬化粘合剂的粘合并在已粘合在一起的部件的界面上形成基体的连续性。
在另一种变型例中，因为叶片通过安装在轮毂上并插在端板30的槽中而被充分地固定，所以端板40可以由一个静止部件构成，即该部件不受迫随叶轮的其余部分转动。
图1和图2所示的叶轮采用C-C复合材料制作，其直径为950mm，轴向宽度为250mm。该叶轮已用于抽吸温度为1200℃的气体，转速为3000转/分，提供的流速为130000m3/h。
与相同尺寸的金属叶轮相比，质量减轻的比例约为5∶1，即C-C复合材料约为40kg，而金属叶轮为200kg。金属叶轮机的质量意味着它的转速实际上不会超过约800转/分。

Claims (12)

1.一种制造叶轮的方法，该叶轮包括许多叶片，该叶片围绕轮毂配置并位于两个端板之间，叶片、轮毂和端板均用复合热结构材料制造，该方法的特征在于：
a)轮毂这样制造，将平的复合热结构材料的环形板沿一根公用轴线叠置起来，然后紧固该板，使得它们可被强制同时绕该轴线转动；
b)采用以下步骤单个地制造每个叶片：
成形基本上为两维的呈板状或片状的纤维织物，获得叶片预成型件；
用基体致密硬化该预成型件，获得由复合热结构材料作的叶片毛坯；
加工已致密硬化的预成型件的外形；
c)利用下列步骤制造每个端板：
采用基本上两维的呈板状或片状的纤维织物制作环形的或基本上环形的预成型件；
用基体致密硬化该预成型件，获得由复合热结构材料作的部件；
d)将叶片组装在端板之间的轮毂上，每个叶片通过构成叶片根部的部分连接在轮毂上。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，每个叶片通过将叶片根部插入在轮毂上形成的具有互补形状的槽中而连接到轮毂上。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过成形预浸渍纤维织物而制作每个叶片的预成型件。
4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，通过将一种插入物置于用于制造叶片预成型件的纤维织物中形成的狭缝中而构成叶片根部。
5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，构成轮毂的板与至少一个环形板组装在一起，该至少一个环形板构成第一端板，该端板封盖在叶轮一端的叶片之间的通道，叶片由于轴向紧固在安装叶轮的传动轴上而连接于该端板。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，第二端板装置在叶片上，该端板与轮毂配合，形成用于抽吸流体通过叶片之间通道的环形流体入口区。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，第二端板具有切口，在叶片相邻边缘上形成的凸耳啮合在该切口中。
8.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，第二端板用粘合剂粘接到叶片的相邻边缘上。
9.一种用复合热结构材料制造的叶轮，  该叶轮包括许多叶片(10)，该叶片围绕两个端板(30、40)之间的轮毂(20)配置，该叶轮的特征在于，它包括由复合热结构材料作的平的环形板(21)，该板沿一条公共轴线叠置并彼此紧固在一起，使得可以被强制同时绕该轴线转动，由此形成轮毂(20)，复合热结构材料的叶片(10)通过构成叶片根部(13)的相应部分分别地连接于该轮毂。
10.如权利要求9所述的叶轮，其特征在于，上述复合热结构材料的平的环形板(21、31、30)构成一个组合件，该组合件包括轮毂(20)和第一端板(30)，该端板封盖叶轮一端的叶片之间的通道。
11.如权利要求9或10所述的叶轮，其特征在于，第二端板(40)固定在叶片上，该端板与轮毂(20)配合，形成用于抽吸流体通过叶片之间通过(11)的环形流体入口区。
12.如权利要求9或10所述的叶轮，其特征在于，第二端板是静止的，该端板与轮毂配合，形成用于抽吸流体通过叶片之间通道的环形流体入口区。
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