一种碳纤维叶片叶根连接结构的制作方法

1.本发明属于叶片安装结构技术领域，尤其涉及一种碳纤维叶片叶根连接结构。


背景技术：

2.压缩机或发动机叶片在旋转过程中转速很大，因此叶片在旋转时会产生较大离心力，该离心力由叶片固定在轮毂上的叶根承受。碳纤维复合材料具有重量轻、热变形小、强度及韧性较高的特点，适合制造对重量有严格要求的叶片。复合材料因为螺纹孔强度低，使用中易磨损，所以在使用中不会在复合材料上开螺纹孔。目前常规的解决方案是利用金属接头进行过渡处理，但是金属接头的使用会增加结构的重量。
3.碳纤维复合材料沿纤维方向具有高强度的特点，强度高达2300mpa，但是在厚度方向通过树脂进行粘接，所以强度较低，一般厚度方向层间强度约为400mpa。
4.碳纤维叶片在运转过程中主要是受沿半径方向的拉力，但是因为叶片根部需要与轮毂固定，所以也需要承担一定的压力。本技术的目的是为了能够充分发挥碳纤维复合材料沿纤维方向受拉强度高的性能的同时，又能避免因为压应力过大造成的层间的破坏。


技术实现要素：

5.为解决现有技术存在的碳纤维叶片的根部径向强度较低的问题，本发明提供一种碳纤维叶片叶根连接结构。
6.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下，一种碳纤维叶片叶根连接结构，包括锁紧组件、保险组件和金属芯轴，所述叶根呈圆柱状，所述金属芯轴预埋固定在叶根内，所述叶根的外周上沿其轴向依次设置有第一环槽和第二环槽，所述第一环槽靠近叶根的后端设置，所述第一环槽的两侧壁均为圆锥面，所述第二环槽靠近第一环槽的侧壁也为圆锥面；
7.所述锁紧组件包括锁紧开环、锁紧整环和连接螺钉，所述锁紧开环套设在叶根上，所述锁紧开环的内圆周上延伸有与第一环槽配合的第一凸缘和与第二环槽配合的第二凸缘，所述锁紧开环的外周逐渐向叶根的后端收缩，所述叶根穿过轮毂内环，所述锁紧开环的前端与轮毂内环相抵，所述锁紧整环套设在锁紧开环上，所述连接螺钉用于将锁紧整环与金属芯轴固定连接，当所述连接螺钉拧紧时，所述锁紧整环逐渐向锁紧开环抱紧；
8.所述保险组件包括保险螺栓和压紧块，所述压紧块转动设置在保险螺栓的下部，所述锁紧整环的外周上开设有若干压紧环槽，若干所述压紧环槽沿锁紧整环的轴向依次分布，所述保险螺栓与轮毂内环连接，所述轮毂内环上开设有用于限位压紧块转动的限位槽，当所述保险螺栓拧紧时，所述压紧块与压紧环槽配合将锁紧整环压紧在锁紧开环上。
9.作为优选，所述碳纤维叶片由内至外依次包括碳梁和碳纤维蒙皮，所述金属芯轴预埋固定在碳梁的后端，所述叶根处的碳梁由内至外依次包括第一碳梁层和第二碳梁层，所述叶根处的碳梁上沿其轴向依次设置有第一丢层和第二丢层，所述第一丢层靠近叶根的后端设置，所述第一丢层位于第一碳梁层的内部，所述第一丢层处仅设置所述第一碳梁层，
所述第二丢层位于第一碳梁层和第二碳梁层之间，所述第一丢层和第二丢层之间形成所述第一环槽，所述第二丢层远离第一丢层的一侧形成所述第二环槽。在该碳纤维叶片加工制造的同时形成第一环槽和第二环槽，便于第一环槽和第二环槽的加工制造；第二环槽处的碳纤维蒙皮和第二碳梁层为受力层，承受了该碳纤维叶片旋转过程中部分拉力；第一环槽处的第一碳梁层为受力层，第一碳梁层从第二碳梁层的内部穿过与叶身连成一体，承受了该碳纤维叶片旋转过程中剩余的拉力；第一环槽和第二环槽一起承受了该碳纤维叶片旋转过程中的压应力，相应的受压面积远大于单个锥面，增加了叶根的可靠性。
10.作为优选，所述第一环槽的两个所述圆锥面的角度均为45
°
，所述第二环槽的圆锥面的角度为45
°
。
11.作为优选，所述锁紧开环的外圆锥面的角度为11
°
。
12.作为优选，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根处，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；所述金属芯轴预埋固定在柱状部的后端，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。该碳纤维叶片整体采用碳纤维复合材料，叶身部位局部采用叶身泡沫缘进行填充，重量大大减轻，金属芯轴保证该碳纤维叶片与压缩机轮毂连接的可靠性，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。
13.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；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；所述金属芯轴的材质采用钛合金，所述过渡段的材质由碎碳纤和低温树脂混合制成。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；过渡段的设计更加合理可靠，过渡段更有效的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。
14.作为优选，位于所述叶根处的碳纤维蒙皮外设置有碳纤维缠绕层，所述碳纤维缠绕层包括沿叶根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，所述叶根依次穿过压缩机的轮毂外环和轮毂内环，所述轮毂内环位于防扭块和锁紧开环之间；所述锁紧开环和轮毂内环，以及防扭块和轮毂内环之间均设置有弹性件，所述叶根与轮毂外环之间设置有垫圈。碳纤维缠绕层增强叶根的整体性，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。
15.进一步地，所述压紧块呈与压紧环槽配合的环形，所述保险螺栓上开设有连接环槽，所述压紧块上设置有与连接环槽转动配合的连接凸缘。压紧块的转动设置简单可靠，结构设计巧妙，便于加工制造。
16.进一步地，所述锁紧开环和锁紧整环的材质均选用钛合金。保证锁紧开环和锁紧整环具有一定的强度，提高锁紧整环和锁紧开环的锁紧功能。
17.有益效果：本发明的碳纤维叶片叶根连接结构，连接螺钉依次穿过锁紧整环和锁紧开环拧紧在金属芯轴上，因金属芯轴预埋固定在叶根内，金属芯轴不会被连接螺钉拉出，同时，锁紧整环的内圆锥面和锁紧开环的外圆锥面配合，连接螺钉带动锁紧整环不断压紧锁紧开环，使锁紧开环在拉力的作用下不被撑开，锁紧开环的前端紧贴轮毂内环，锁紧开环
的第一凸缘的圆锥面与第一环槽的圆锥面紧贴，锁紧开环的第二凸缘的两个圆锥面与第二环槽的两个圆锥面紧贴，即第一环槽和第二环槽一起承受了该碳纤维叶片旋转过程中的压应力，避免在该碳纤维叶片上开螺纹孔，又能增加受力面积，增加了叶根的可靠性，该叶根连接结构具有结构可靠、安全性好、抗拉强度高的特点，降低运行过程中的叶根断裂的风险；本发明的碳纤维叶片叶根连接结构，保险螺栓与轮毂内环连接，此时，压紧块位于限位槽内，拧紧保险螺栓，直至压紧块压紧在对应的锁紧整环上的压紧环槽内，因压紧块和压紧环槽的配合，进一步使锁紧整环压紧锁紧开环，提高其锁紧功能，另外，若连接螺钉失效，保险螺栓和压紧块可以起到保险作用，有效防止锁紧整环和锁紧开环脱离；本发明的碳纤维叶片叶根连接结构，该碳纤维叶片整体采用碳纤维增强复合材料，叶身部位局部采用叶身泡沫缘进行填充，重量大大减轻，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。
附图说明
18.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。
19.图1是本发明碳纤维叶片叶根连接结构的立体结构示意图；
20.图2是本发明碳纤维叶片叶根连接结构的局部剖视示意图；
21.图3是图2中a的局部放大示意图；
22.图4是本发明碳纤维叶片叶根连接结构的锁紧组件的剖视示意图；
23.图5是本发明碳纤维叶片叶根连接结构的叶根后端的局部剖视示意图；
24.图6是本发明碳纤维叶片叶根连接结构的保险组件的剖视示意图；
25.图7是本发明碳纤维叶片叶根连接结构的碳纤维叶片的立体结构示意图；
26.图8是本发明碳纤维叶片叶根连接结构的碳纤维叶片的爆炸示意图；
27.图9是本发明碳纤维叶片叶根连接结构的金属芯轴和过渡段的局部剖视示意图；
28.图中：1、锁紧组件，1-1、锁紧开环，1-11、第一凸缘，1-12、第二凸缘，1-2、锁紧整环，1-21、压紧环槽，1-3、连接螺钉，2、保险组件，2-1、保险螺栓，2-2、压紧块，2-21、连接凸缘，3、金属芯轴，4、叶身，5、叶根，5-1、第一环槽，5-2、第二环槽，6、碳梁，6-1、第一碳梁层，6-2、第二碳梁层，6-3、第一丢层，6-4、第二丢层，6-5、片状部，6-6、过渡部，6-7、柱状部，7、碳纤维蒙皮，8、叶身泡沫缘，9、过渡段，10、碳纤维缠绕层，10-1、第一缠绕层，10-2、第二缠绕层，11、防扭块，12、轮毂外环，13、轮毂内环，13-1、限位槽，14、弹性件。
具体实施方式
29.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。
30.实施例1
31.如图1～9所示，一种碳纤维叶片叶根连接结构，包括锁紧组件1、保险组件2和金属芯轴3，如图1、3、5和9所示，所述叶根5呈圆柱状，所述金属芯轴3预埋固定在叶根5内，所述叶根5的外周上沿其轴向依次设置有第一环槽5-1和第二环槽5-2，所述第一环槽5-1靠近叶根5的后端设置，所述第一环槽5-1的两侧壁均为圆锥面，所述第二环槽5-2靠近第一环槽5-1的侧壁也为圆锥面；
32.所述锁紧组件1包括锁紧开环1-1、锁紧整环1-2和连接螺钉1-3，如图1、2、3、4、5和9所示，所述锁紧开环1-1套设在叶根5上，所述锁紧开环1-1的内圆周上延伸有与第一环槽5-1配合的第一凸缘1-11和与第二环槽5-2配合的第二凸缘1-12，所述锁紧开环1-1的外周逐渐向叶根5的后端收缩，所述叶根5穿过轮毂内环13，所述锁紧开环1-1的前端与轮毂内环13相抵，所述锁紧整环1-2套设在锁紧开环1-1上，所述连接螺钉1-3用于将锁紧整环1-2与金属芯轴3固定连接，当所述连接螺钉1-3拧紧时，所述锁紧整环1-2逐渐向锁紧开环1-1抱紧，本实施例的所述锁紧开环1-1和锁紧整环1-2的材质均选用钛合金，保证锁紧开环1-1和锁紧整环1-2具有一定的强度，提高锁紧整环1-2和锁紧开环1-1的锁紧功能；
33.所述保险组件2包括保险螺栓2-1和压紧块2-2，如图1、2、3和6所示，所述压紧块2-2转动设置在保险螺栓2-1的下部，所述锁紧整环1-2的外周上开设有若干压紧环槽1-21，若干所述压紧环槽1-21沿锁紧整环1-2的轴向依次分布，具体地，所述压紧块2-2呈与压紧环槽1-21配合的环形，所述保险螺栓2-1上开设有连接环槽，所述压紧块2-2上设置有与连接环槽转动配合的连接凸缘2-21，所述保险螺栓2-1与轮毂内环13连接，所述轮毂内环13上开设有用于限位压紧块2-2转动的限位槽13-1，当所述保险螺栓2-1拧紧时，所述压紧块2-2与压紧环槽1-21配合将锁紧整环1-2压紧在锁紧开环1-1上。
34.如图3和4所示，本实施例的所述第一环槽5-1的两个所述圆锥面的角度均为45
°
，所述第二环槽5-2的圆锥面的角度为45
°
；所述锁紧开环1-1的外圆锥面的角度为11
°
。
35.为了在该碳纤维叶片加工制造的同时形成第一环槽5-1和第二环槽5-2，便于第一环槽5-1和第二环槽5-2的加工制造，如图5、7和8所示，本实施例的所述碳纤维叶片由内至外依次包括碳梁6和碳纤维蒙皮7，所述金属芯轴3预埋固定在碳梁6的后端，所述叶根5处的碳梁6由内至外依次包括第一碳梁层6-1和第二碳梁层6-2，所述叶根5处的碳梁6上沿其轴向依次设置有第一丢层6-3和第二丢层6-4，所述第一丢层6-3靠近叶根5的后端设置，所述第一丢层6-3位于第一碳梁层6-1的内部，所述第一丢层6-3处仅设置所述第一碳梁层6-1，所述第二丢层6-4位于第一碳梁层6-1和第二碳梁层6-2之间，所述第一丢层6-3和第二丢层6-4之间形成所述第一环槽5-1，所述第二丢层6-4远离第一丢层6-3的一侧形成所述第二环槽5-2，第二环槽5-2处的碳纤维蒙皮7和第二碳梁层6-2为受力层，承受了该碳纤维叶片旋转过程中部分拉力，第一环槽5-1处的第一碳梁层6-1为受力层，第一碳梁层6-1从第二碳梁层6-2的内部穿过与叶身4连成一体，承受了该碳纤维叶片旋转过程中剩余的拉力，第一环槽5-1和第二环槽5-2一起承受了该碳纤维叶片旋转过程中的压应力，相应的受压面积远大于单个锥面，增加了叶根5的可靠性。
36.如图7～9所示，本实施例的所述碳梁6包括依次设置的片状部6-5、过渡部6-6和柱状部6-7，所述片状部6-5位于该碳纤维叶片的叶身4处，所述过渡部6-6和柱状部6-7位于该碳纤维叶片的叶根5处，所述片状部6-5的两侧均设置有叶身泡沫缘8，所述叶身泡沫缘8也
位于碳纤维蒙皮7内；所述金属芯轴3预埋固定在柱状部6-7的后端，所述碳梁6内设置有过渡段9，所述过渡段9与金属芯轴3靠近叶身4的一端连接。具体地，所述金属芯轴3呈哑铃型，所述金属芯轴3的中部向其两端平滑过渡，所述金属芯轴3的端部截面均呈多边形；所述过渡段9的一端呈球状，其另一端呈圆锥状，所述金属芯轴3的一端向内凹陷，所述过渡段9的球状端位于金属芯轴3的凹陷内，所述过渡段9的圆锥状端远离金属芯轴3收缩；所述金属芯轴3的材质采用钛合金，所述过渡段9的材质由碎碳纤和低温树脂混合制成。
37.为了增强叶根5的整体性，如图1、7和8所示，位于所述叶根5处的碳纤维蒙皮7外设置有碳纤维缠绕层10，所述碳纤维缠绕层10包括沿叶根5轴向依次分布的第一缠绕层10-1和第二缠绕层10-2，所述第一缠绕层10-1和第二缠绕层10-2之间设置有防扭块11，所述叶根5依次穿过压缩机的轮毂外环12和轮毂内环13，所述轮毂内环13位于防扭块11和锁紧开环1-1之间；所述锁紧开环1-1和轮毂内环13，以及防扭块11和轮毂内环13之间均设置有弹性件14，所述叶根5与轮毂外环12之间设置有垫圈。
38.工作原理如下：
39.首先将垫圈安装至叶根5上并靠近叶身4，再将第一个弹性件14安装至叶根5上并靠近防扭块11，叶根5再依次穿过轮毂外环12和轮毂内环13，再将第二个弹性件14安装至叶根5上并靠近轮毂内环13，再将锁紧开环1-1套装在叶根5上，此时，锁紧开环1-1位于叶根5的后端，轮毂内环13位于防扭块11和锁紧开环1-1之间，垫圈位于叶根5与轮毂外环12之间，第一个弹性件14位于防扭块11和轮毂内环13之间，第二个弹性件14位于锁紧开环1-1和轮毂内环13之间，第一凸缘1-11位于第一环槽5-1内，第二凸缘1-12位于第二环槽5-2内，再将锁紧整环1-2套装在锁紧开环1-1上，再将连接螺钉1-3依次穿过锁紧整环1-2和锁紧开环1-1拧紧在金属芯轴3上，因金属芯轴3预埋固定在叶根5内，金属芯轴3不会被连接螺钉1-3拉出，同时，锁紧整环1-2的11
°
内圆锥面和锁紧开环1-1的11
°
外圆锥面配合，连接螺钉1-3带动锁紧整环1-2不断压紧锁紧开环1-1，使锁紧开环1-1在拉力的作用下不被撑开，锁紧开环1-1的前端通过第二个弹性件14紧贴轮毂内环13，锁紧开环1-1的第一凸缘1-11的45
°
圆锥面与第一环槽5-1的45
°
圆锥面紧贴，锁紧开环1-1的第二凸缘1-12的两个45
°
圆锥面与第二环槽5-2的两个45
°
圆锥面紧贴，即第一环槽5-1和第二环槽5-2一起承受了该碳纤维叶片旋转过程中的压应力，避免在该碳纤维叶片上开螺纹孔，又能增加受力面积，增加了叶根5的可靠性；
40.再将保险螺栓2-1与轮毂内环13连接，此时，压紧块2-2位于限位槽13-1内，拧紧保险螺栓2-1，直至压紧块2-2压紧在对应的锁紧整环1-2上的压紧环槽1-21内，因压紧块2-2和压紧环槽1-21的配合，进一步使锁紧整环1-2压紧锁紧开环1-1，提高其锁紧功能，另外，若连接螺钉1-3失效，保险螺栓2-1和压紧块2-2可以起到保险作用，有效防止锁紧整环1-2和锁紧开环1-1脱离。
41.该碳纤维叶片叶根连接结构也可应用于其它主要受拉伸的工况使用。
42.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。