一种低温下使用的碳纤维叶片的制作方法

1.本发明属于转子叶片技术领域，尤其涉及一种低温下使用的碳纤维叶片。


背景技术：

2.大型压缩机要求研制在90k～323k(-183.15℃～49.85℃)温度范围内正常工作的转子叶片。一般的金属叶片密度较大，重量重，运行过程中能耗高，而且金属叶片难以满足超低温条件下较高强度及低温韧性等要求，碳纤维增强复合材料则具有重量轻、热变形小、低温下强度及韧性较高的特点，适合制造大型低温压缩机的叶片。
3.目前市场上压缩机的叶片产品是金属的，重量重，运行过程中能耗高。金属钢材的密度为7900kg/m3，而碳纤维复合材料的密度为1650kg/m3，所以我们研制了碳纤维复合材料叶片，极大地减轻了产品重量。叶片需要在90k～323k宽温域范围内使用，所以需要考虑温差对不同材料间连接的影响。


技术实现要素：

4.为解决现有技术存在的金属叶片重量重，运行过程中能耗高，以及难以满足低温条件下较高强度及韧性的问题，本发明提供一种低温下使用的碳纤维叶片。
5.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下，一种低温下使用的碳纤维叶片，该碳纤维叶片由内至外依次包括碳梁和碳纤维蒙皮，所述碳梁包括依次设置的片状部、过渡部和柱状部，所述片状部位于该碳纤维叶片的叶身处，所述过渡部和柱状部位于该碳纤维叶片的叶柄处，所述片状部的两侧均设置有叶身泡沫缘，所述叶身泡沫缘也位于碳纤维蒙皮内；所述柱状部的后端埋设有金属芯轴，所述碳梁内设置有过渡段，所述过渡段与金属芯轴靠近叶身的一端连接。
6.作为优选，所述片状部的两侧均埋设有若干连接件，所述连接件远离片状部的一端位于叶身泡沫缘内，且所述连接件上具有若干用于钩住叶身泡沫缘的倒刺。叶身部位为减轻重量局部采用叶身泡沫缘进行填充，同时叶身泡沫缘在叶片模压制造时起到内支撑作用；由于连接件的设置，使得叶身泡沫缘的设置更加牢靠，便于叶片模压制造，提高该碳纤维叶片的整体性和结构可靠性。
7.作为优选，所述金属芯轴呈哑铃型，所述金属芯轴的中部向其两端平滑过渡；所述金属芯轴的端部截面均呈多边形。有效防止金属芯轴在碳梁内产生相对轴向和角向位移，提高该碳纤维叶片的安装精度。
8.作为优选，所述过渡段的一端呈球状，其另一端呈圆锥状，所述金属芯轴的一端向内凹陷，所述过渡段的球状端位于金属芯轴的凹陷内，所述过渡段的圆锥状端远离金属芯轴收缩。过渡段形成金属芯轴和碳梁间的柔性过渡，防止该处因刚度梯度过大造成的应力集中。
9.作为优选，所述过渡段的材质由碎碳纤和低温树脂混合制成。提高过渡段柔性连接的作用。
10.作为优选，所述碳梁和碳纤维蒙皮的材质均采用碳纤维增强复合材料；所述叶身泡沫缘的材质采用pmi泡沫；所述金属芯轴的材质采用钛合金。叶片整体采用碳纤维复合材料，叶身部位为减轻重量局部采用pmi泡沫进行填充，在碳梁内部预埋一根钛合金的金属芯轴，保证该碳纤维叶片与压缩机轮毂连接的可靠性。
11.进一步地，位于所述叶柄处的碳纤维蒙皮外设置有碳纤维缠绕层。进一步增加叶柄的整体性，提高连接强度。
12.进一步地，所述碳纤维缠绕层包括沿叶柄轴向依次分布的第一缠绕层和第二缠绕层，所述第一缠绕层和第二缠绕层之间设置有防扭块，所述叶柄依次穿过压缩机的轮毂外环和轮毂内环，所述叶柄的后端通过连接螺钉与所述金属芯轴连接固定设置有锁紧件，所述轮毂内环位于防扭块和锁紧件之间；所述锁紧件和轮毂内环，以及防扭块和轮毂内环之间均设置有垫圈，所述叶柄与轮毂外环之间也设置有垫圈。有效解决了复合材料结构件无法开螺纹孔，进行螺纹锁紧的问题。
13.有益效果：本发明的低温下使用的碳纤维叶片，该碳纤维叶片整体采用碳纤维增强复合材料，重量大大减轻；叶身部位为减轻重量局部采用叶身泡沫缘进行填充；碳梁承受该碳纤维叶片工作时气动弯矩、扭矩和离心力；碳纤维蒙皮保证叶片整体的气动外形；金属芯轴保证该碳纤维叶片与压缩机轮毂连接的可靠性，金属芯轴呈哑铃型，金属芯轴的端部截面均呈多边形，以防金属芯轴在碳梁内产生相对轴向和角向位移，提高该碳纤维叶片的安装精度；过渡段形成金属芯轴和碳梁间的柔性过渡，防止该处因刚度梯度过大造成的应力集中；防扭块保证该碳纤维叶片与压缩机轮毂的装配关系，有效防止该碳纤维叶片周向扭动；本发明的低温下使用的碳纤维叶片，解决了压缩机叶片在低温环境温度下安全稳定运行问题，特别考虑了碳纤维复合材料与金属件在大温度跨度下的配合问题；本发明的低温下使用的碳纤维叶片，可以降低压缩机运行时的能耗，可以推广到机械、船舶、航空、航天等众多领域的各类部件，拥有广阔应用前景。
附图说明
14.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
15.图1是本发明低温下使用的碳纤维叶片的立体结构示意图；
16.图2是本发明低温下使用的碳纤维叶片的爆炸示意图；
17.图3是本发明低温下使用的碳纤维叶片的局部剖视示意图；
18.图4是本发明低温下使用的碳纤维叶片的金属芯轴的立体结构示意图；
19.图5是本发明低温下使用的碳纤维叶片的过渡段的立体结构示意图；
20.图6是本发明低温下使用的碳纤维叶片的片状部与叶身泡沫缘的局部剖视示意图；
21.图7是本发明低温下使用的碳纤维叶片与轮毂装配的立体结构示意图；
22.图8是本发明低温下使用的碳纤维叶片与轮毂装配的局部剖视示意图；
23.图中：1、叶身，2、叶柄，3、碳梁，3-1、片状部，3-2、过渡部，3-3、柱状部，4、碳纤维蒙
皮，5、叶身泡沫缘，6、金属芯轴，7、过渡段，8、连接件，8-1、倒刺，9、碳纤维缠绕层，9-1、第一缠绕层，9-2、第二缠绕层，10、防扭块，11、连接螺钉，12、锁紧件，13、垫圈，14、轮毂外环，15、轮毂内环。
具体实施方式
24.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
25.实施例1
26.如图1～8所示，一种低温下使用的碳纤维叶片，如图1所示，包括叶身1和叶柄2，以下为便于描述，定义靠近叶片的叶身1方向为“前”，远离叶片的叶身1方向为“后”，远离叶柄2中心轴线方向为“外”，如图2所示，该碳纤维叶片由内至外依次包括碳梁3和碳纤维蒙皮4，所述碳梁3包括依次设置的片状部3-1、过渡部3-2和柱状部3-3，所述片状部3-1位于该碳纤维叶片的叶身1处，所述过渡部3-2和柱状部3-3位于该碳纤维叶片的叶柄2处，所述片状部3-1的两侧均设置有叶身泡沫缘5，所述叶身泡沫缘5也位于碳纤维蒙皮4内；为保证该碳纤维叶片与压缩机轮毂连接的可靠性，如图3～5所示，所述柱状部3-3的后端埋设有金属芯轴6，为了有效防止金属芯轴6在碳梁3内产生相对轴向和角向位移，提高该碳纤维叶片的安装精度，所述金属芯轴6呈哑铃型，所述金属芯轴6的中部向其两端平滑过渡，所述金属芯轴6的端部截面均呈多边形；为了防止因刚度梯度过大造成的应力集中，所述碳梁3内设置有过渡段7，所述过渡段7的材质由碎碳纤和低温树脂混合制成，所述过渡段7与金属芯轴6靠近叶身1的一端连接，所述过渡段7的一端呈球状，其另一端呈圆锥状，所述金属芯轴6的一端向内凹陷，所述过渡段7的球状端位于金属芯轴6的凹陷内，所述过渡段7的圆锥状端远离金属芯轴6收缩，渡段形成金属芯轴6和碳梁3间的柔性过渡。
27.为了使叶身泡沫缘5的设置更加牢靠，如图2和图6所示，本实施例的所述片状部3-1的两侧均埋设有若干连接件8，所述连接件8远离片状部3-1的一端位于叶身泡沫缘5内，且所述连接件8上具有若干用于钩住叶身泡沫缘5的倒刺8-1。
28.本实施例的所述碳梁3和碳纤维蒙皮4的材质均采用碳纤维增强复合材料；所述叶身泡沫缘5的材质采用pmi泡沫；所述金属芯轴6的材质采用钛合金，即叶片整体采用碳纤维复合材料，叶身1部位为减轻重量局部采用pmi泡沫进行填充，在碳梁3内部预埋一根钛合金的金属芯轴6，保证该碳纤维叶片与压缩机轮毂连接的可靠性。
29.为了进一步增加叶柄2的整体性，提高连接强度，如图1所示，位于所述叶柄2处的碳纤维蒙皮4外设置有碳纤维缠绕层9。因碳纤维蒙皮4采用分体式，碳纤维蒙皮4先与碳梁3和叶身泡沫缘5胶接装配后形成一个整体，再经碳纤维缠绕层9缠绕加强，经机加工得到所要外形。
30.为了有效解决碳纤维增强复合材料结构件无法开螺纹孔，进行螺纹锁紧的问题，如图1、图7和图8所示，所述碳纤维缠绕层9包括沿叶柄2轴向依次分布的第一缠绕层9-1和第二缠绕层9-2，所述第一缠绕层9-1和第二缠绕层9-2之间固设有防扭块10，所述叶柄2依
次穿过压缩机的轮毂外环14和轮毂内环15，所述叶柄2的后端通过连接螺钉11与所述金属芯轴6连接固定设置有锁紧件12，所述轮毂内环15位于防扭块10和锁紧件12之间，防扭块10保证该碳纤维叶片与压缩机轮毂的装配关系，有效防止该碳纤维叶片周向扭动；所述锁紧件12和轮毂内环15，以及防扭块10和轮毂内环15之间均设置有垫圈13，所述叶柄2与轮毂外环14之间也设置有垫圈13。
31.本实施例的碳纤维叶片工作原理如下：
32.首先将第一个垫圈13安装至叶柄2上并靠近叶身1，再将第二个垫圈13安装至叶柄2上并靠近防扭块10，叶柄2再依次穿过轮毂外环14和轮毂内环15，再将第三个垫圈13安装至叶柄2上并靠近轮毂内环15，再通过连接螺钉11将锁紧件12和金属芯轴6固定连接，此时锁紧件12位于叶柄2的后端，轮毂内环15位于防扭块10和锁紧件12之间，第一个垫圈13位于叶柄2与轮毂外环14之间，第二个垫圈13位于防扭块10和轮毂内环15之间，第三个垫圈13位于锁紧件12和轮毂内环15之间；其中，该碳纤维叶片整体采用碳纤维增强复合材料；叶身1部位为减轻重量局部采用叶身泡沫缘5进行填充；碳梁3承受该碳纤维叶片工作时气动弯矩、扭矩和离心力；碳纤维蒙皮4保证叶片整体的气动外形；金属芯轴6保证该碳纤维叶片与压缩机轮毂连接的可靠性，金属芯轴6呈哑铃型，金属芯轴6的端部截面均呈多边形，以防金属芯轴6在碳梁3内产生相对轴向和角向位移，提高该碳纤维叶片的安装精度；过渡段7形成金属芯轴6和碳梁3间的柔性过渡，防止该处因刚度梯度过大造成的应力集中；防扭块10保证该碳纤维叶片与压缩机轮毂的装配关系，有效防止该碳纤维叶片周向扭动。
33.以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。