一種采用碳纖維復(fù)合材料制備離心式通風(fēng)機(jī)葉輪的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及離心式通風(fēng)機(jī)，具體地說(shuō)是一種采用碳纖維復(fù)合材料制備離心式通風(fēng) 機(jī)葉輪的方法及葉輪結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002] 離心式通風(fēng)機(jī)是一種量大面廣的機(jī)械設(shè)備，在各類艦船中得到廣泛應(yīng)用，風(fēng)機(jī)在 進(jìn)行氣體輸送的同時(shí)，伴隨著結(jié)構(gòu)振動(dòng)和空氣噪聲的產(chǎn)生。振動(dòng)噪聲的危害體現(xiàn)在三個(gè)方 面：（1)影響站位人員的工作和休息；(2)降低了艦船的聲隱身性；(3)振動(dòng)大容易導(dǎo)致設(shè) 備材料的疲勞損傷，降低了設(shè)備的使用壽命。
[0003] 典型的艦船用離心式通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)見圖1。其主要零部件有：驅(qū)動(dòng)電機(jī)1、葉輪2、蝸 殼3及進(jìn)風(fēng)口 4。葉輪直接安裝于電機(jī)的軸伸端，蝸殼與電機(jī)端部的法蘭連接固定，風(fēng)機(jī)的 進(jìn)出風(fēng)口與風(fēng)送系統(tǒng)管網(wǎng)連接，風(fēng)機(jī)通過(guò)電機(jī)地腳與艦船的安裝底座連接。
[0004] 離心式通風(fēng)機(jī)的工作原理是通過(guò)葉輪旋轉(zhuǎn)對(duì)氣體介質(zhì)做功提升氣體介質(zhì)的內(nèi)能， 來(lái)輸送氣體介質(zhì)。因此，風(fēng)機(jī)的振動(dòng)與風(fēng)機(jī)內(nèi)部的氣體流動(dòng)密切相關(guān)。風(fēng)機(jī)的非定常內(nèi)流 包含固有的非定常流，比如葉片出口端部的尾跡流和尾跡區(qū)渦流；條件性的非定常流，比如 當(dāng)風(fēng)機(jī)偏離設(shè)計(jì)工況，氣流沖角發(fā)生變化產(chǎn)生的附面層、漩渦以及渦流脫落等，所有這些流 動(dòng)的損失都會(huì)引起流場(chǎng)的變化。氣體的流動(dòng)并與結(jié)構(gòu)的相互作用形成的壓力脈動(dòng)是風(fēng)機(jī)產(chǎn) 生振動(dòng)的主要根源之一；作為旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備，轉(zhuǎn)子的不平衡是風(fēng)機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)的另一個(gè)主要 根源。
[0005] 氣流激勵(lì)和不平衡激勵(lì)是離心式通風(fēng)機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)的主要激勵(lì)源，這兩類激勵(lì)源均 加載于風(fēng)機(jī)葉輪，并通過(guò)葉輪傳遞至電機(jī)轉(zhuǎn)子，再通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)子傳遞至支承軸承，通過(guò)支承 軸承傳遞至軸承腔體，傳遞至電機(jī)地腳，最終傳遞至安裝底座。離心式通風(fēng)機(jī)的振動(dòng)激勵(lì)源 及振動(dòng)傳遞路徑詳見圖2。
[0006] 離心式通風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)部件為風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)子，其主要構(gòu)成有：風(fēng)機(jī)葉輪21、電機(jī)冷卻 風(fēng)扇葉輪22、電機(jī)轉(zhuǎn)子23及支承軸承24,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖詳見圖3。
[0007] 其中，葉輪是風(fēng)機(jī)最重要的部件，風(fēng)機(jī)振動(dòng)激勵(lì)源最主要的加載對(duì)象是風(fēng)機(jī)的葉 輪，因此降低風(fēng)機(jī)葉輪的振動(dòng)是控制通風(fēng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)的重點(diǎn)。
[0008] 風(fēng)機(jī)的振動(dòng)控制主要從三個(gè)方面采取措施：（1)消除振源；（2)隔離振源與結(jié)構(gòu)之 間的傳遞與聯(lián)系；（3)減少結(jié)構(gòu)本身的振動(dòng)響應(yīng)。
[0009] 轉(zhuǎn)子的不平衡是風(fēng)機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)的主要根源之一。不平衡激勵(lì)是由轉(zhuǎn)子殘余不平衡 質(zhì)量在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的離心力產(chǎn)生，其數(shù)值由公式（1)計(jì)算。
[0010] F = mX ?2Xr------------(1)
[0011] 式中：F--離心力（N);
[0012] m--轉(zhuǎn)子質(zhì)量（kg);
[0013] ?--轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角速度（1/s);
[0014] r--轉(zhuǎn)子的質(zhì)量偏心距（m)。
[0015] 風(fēng)機(jī)葉輪是風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子中回轉(zhuǎn)半徑和質(zhì)量最大的零件，因此對(duì)于相同的質(zhì)量偏心 距，質(zhì)量輕的葉輪產(chǎn)生的不平衡激勵(lì)就小?，F(xiàn)有金屬材質(zhì)的離心式通風(fēng)機(jī)葉輪重量相對(duì)較 大，加大了風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子的不平衡激勵(lì)。
[0016] 其次，現(xiàn)有風(fēng)機(jī)葉輪采用鋼材或鋁材或鈦合金等材質(zhì)，其振動(dòng)衰減性能較差，且葉 輪直接經(jīng)軸盤安裝于電機(jī)的軸伸端，使葉輪的振動(dòng)通過(guò)輪轂傳遞至電機(jī)轉(zhuǎn)子，增加了風(fēng)機(jī) 整體振動(dòng)性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017] 本發(fā)明為了避免現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，提供一種采用阻尼材料制作風(fēng)機(jī)葉 輪。
[0018] 本發(fā)明解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案：
[0019] 一種采用碳纖維復(fù)合材料制備離心式通風(fēng)機(jī)葉輪的方法，其特征在于，將葉輪分 解為輪蓋、葉片和輪盤三個(gè)獨(dú)立部分，分別單獨(dú)成型，再將三部分組裝為一個(gè)整體；所述輪 蓋、葉片和輪盤單獨(dú)成型方法如下：
[0020] (1)輪蓋成型模具為鋼制模具；鋪層順序從模具的凸面開始，輪蓋底部鋪兩層 T300正交碳纖維布預(yù)浸料，每層厚度為0. 212mm ;中間鋪1700單軸碳纖維布預(yù)浸料16層， 每層厚度0. 125mm，鋪層順序按0°、90°、45°、-45°、-45°、45°、90°、0°循環(huán)；輪蓋頂 部鋪一層T300正交碳纖維布預(yù)浸料，厚度為0. 212_ ;鋪層后抽真空進(jìn)爐中溫固化，固化溫 度 125°C;
[0021] (2)葉片成型模具為鋼制模具，為增加葉片與輪蓋和輪盤固化成型時(shí)的結(jié)合強(qiáng)度， 葉片與輪蓋和輪盤接觸部位均增加1個(gè)與葉片垂直的側(cè)面；鋪層順序從模具的凸面開始， 葉片底部鋪一層T300正交碳纖維布預(yù)浸料，厚度為0. 212mm;葉片側(cè)面鋪1700單軸碳纖維 布 12 層，每層厚度 0.125_，鋪層順序 0°、90°、45°、-45°、0°、-45°、45°、90°、0°、 45°、-45°、0°循環(huán)旋轉(zhuǎn)鋪設(shè)；葉片部分鋪1700單軸碳纖維布16層，每層厚度0. 125_， 鋪層順序按0°、90°、45°、-45°、-45°、45°、90°、0°、循環(huán)；葉片頂部和外側(cè)面鋪 一層T300正交碳纖維布預(yù)浸料，厚度為0. 212mm;鋪層后抽真空進(jìn)爐中溫固化，固化溫度 125。。；
[0022] (3)輪盤成型，輪盤底部鋪一層T300正交碳纖維布預(yù)浸料，厚度為0. 212mm ;中間 鋪1700單軸碳纖維布64層，每層厚度0. 125mm，鋪層順序按0°、90°、45°、-45°、-45°、 45°、90°、0°循環(huán)；輪盤頂部鋪一層T300正交碳纖維布預(yù)浸料，厚度為0.212mm;鋪層后 抽真空進(jìn)爐中溫固化，固化溫度125°C。
[0023] 將所述輪蓋、葉片和輪盤拼接在一起，接合面采用環(huán)氧樹脂中溫固化體系3234形 成單膜，抽真空后再次回爐進(jìn)行中溫固化，固化溫度125°C，最終形成一個(gè)整體。
[0024] 一種離心式通風(fēng)機(jī)葉輪結(jié)構(gòu)，包括風(fēng)機(jī)葉輪和軸盤，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在于，所述風(fēng)機(jī)葉 輪由輪蓋、葉片、輪盤組成，所述輪蓋、葉片和輪盤采用權(quán)利要求1所述方法單獨(dú)成型并固 化為一體，所述輪盤通過(guò)鉚釘與軸盤固定連接，所述軸盤孔中熱套有軸套，所述軸盤通過(guò)軸 套安裝于電機(jī)的軸伸端。
[0025] 所述軸盤和鉚釘采用不銹鋼或鈦合金材質(zhì)，所述軸套采用阻尼合金材質(zhì)。
[0026] 與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在：
[0027] 1、本發(fā)明風(fēng)機(jī)葉輪采用碳纖維復(fù)合材料，由于碳纖維復(fù)合材料的1. 7kg/m3,僅為 鈦合金的1/3~1/4,比強(qiáng)度是鈦合金的4倍左右，因此采用碳纖維復(fù)合材料的葉輪可以有 效降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子的不平衡激勵(lì)。
[0028] 2、本發(fā)明葉輪采用碳纖維復(fù)合材料，其功耗因子n比鋼材和鋁材大一個(gè)數(shù)量級(jí)， 具有優(yōu)異的振動(dòng)的衰減特性。采用碳纖維制造的輪蓋、葉片及輪盤對(duì)于氣流激勵(lì)有很好的 衰減作用，可有效降低葉輪的振動(dòng)；阻尼合金軸套熱套于軸盤內(nèi)孔，利用阻尼合金具有大的 阻尼特性，可有效隔離葉輪的振動(dòng)通過(guò)輪轂傳遞至電機(jī)轉(zhuǎn)子。
[0029] 3、本發(fā)明風(fēng)機(jī)葉輪設(shè)計(jì)為抗振結(jié)構(gòu)，具有較小的振動(dòng)響應(yīng)。利用碳纖維復(fù)合材料 高的比強(qiáng)度、各向異性和可設(shè)計(jì)性，加強(qiáng)葉輪結(jié)構(gòu)剛度的薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)行剛度的合理分配與 平衡，以提高葉輪的共振頻率和降低振動(dòng)響應(yīng)，最大限度提升葉輪的抗振潛力。
[0030] 4、本發(fā)明葉輪采用碳纖維復(fù)合材料，碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中碳纖維是力的主要承 載材料，在纖維不同方向上其承載能力是不同的，因此碳纖維復(fù)合材料具有可設(shè)計(jì)性。"纖 維取向"設(shè)計(jì)的目標(biāo)是力求最大限度地利用碳纖維材料的方向性以及保持結(jié)構(gòu)中傳力路徑 的連續(xù)性，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)承受面內(nèi)載荷的層壓板可以設(shè)計(jì)為不同方向的鋪層，以滿足結(jié)構(gòu) 的需求。
[0031] 5、阻尼合金是指具有結(jié)構(gòu)材料應(yīng)有的強(qiáng)度并能通過(guò)阻尼過(guò)程（內(nèi)耗）把振動(dòng)能較 快地轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芟牡舻暮辖?。不同種類的合金，它們的減振機(jī)理是不同的。根據(jù)其減振 機(jī)理可將阻尼合金大致可分為復(fù)合型、鐵磁型、位錯(cuò)型和孿晶型四大類型。本發(fā)明在軸盤與 電機(jī)軸之間設(shè)有阻尼合金軸套，能有效隔離葉輪的振動(dòng)通過(guò)輪轂傳遞至電機(jī)轉(zhuǎn)子。
【附圖說(shuō)明】
[0032] 圖1是艦船