專利名稱：復(fù)合熱結(jié)構(gòu)材料作的特別是大直徑的葉輪及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及葉輪，具體涉及在通常溫度大于1000℃的高溫下操作的葉輪。
這種葉輪的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域是在爐子或在高溫下進(jìn)行物理化學(xué)處理的類似裝置中攪拌氣體或排風(fēng)，環(huán)境介質(zhì)由例如惰性氣體或非活性氣體構(gòu)成。
這種葉輪通常用金屬制作，一般由許多部件構(gòu)成，這些部件用焊接方法組裝在一起。采用金屬會(huì)產(chǎn)生許多缺點(diǎn)。例如大質(zhì)量的轉(zhuǎn)動(dòng)部件要求很大的傳動(dòng)軸和很大動(dòng)力的馬達(dá)，而且至少使速度受到限制。由于有金屬蠕變的危險(xiǎn)，所以溫度也受到限制。
另外，由于金屬對(duì)熱沖擊的敏感，可能會(huì)引起破裂或形變。這使得轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量失去平衡，導(dǎo)致葉輪和其驅(qū)動(dòng)馬達(dá)壽命降低。然而在上述應(yīng)用中很可能會(huì)發(fā)生激烈的熱沖擊，特別是在為了急速降低爐內(nèi)溫度以便減少處理周期的持續(xù)時(shí)間而噴入大量冷的氣體時(shí)。
為了避免由金屬產(chǎn)生的問(wèn)題，已經(jīng)提出采用其它材料，特別是采用復(fù)合熱結(jié)構(gòu)材料未制造葉輪。這些材料一般由纖維增強(qiáng)織物或“預(yù)成型件”構(gòu)成，這些織物將利用一種基體致密硬化，這些材料的特征在于它的很適合于構(gòu)成結(jié)構(gòu)部件的機(jī)械特性和在高溫下保持這種特性的能力。例如，通常的復(fù)合熱結(jié)構(gòu)材料是由碳纖維增強(qiáng)件和碳基體組成的碳-碳(C-C)復(fù)合材料，以及由碳纖維或陶瓷纖維增強(qiáng)件和陶瓷基體組成的陶瓷基體復(fù)合材料(CMCs)。
與金屬相比，復(fù)合熱結(jié)構(gòu)材料具一些重要優(yōu)點(diǎn)，密度相當(dāng)?shù)?，高溫穩(wěn)定性相當(dāng)好。質(zhì)量減小和蠕變危險(xiǎn)的消除使得可以在很高轉(zhuǎn)速下操作，可以達(dá)到很高的排氣速度而不要求過(guò)大的驅(qū)動(dòng)部件。另外，復(fù)合熱結(jié)構(gòu)材料具有很強(qiáng)的抗熱沖擊性。
因此復(fù)合熱結(jié)構(gòu)材料在操作性能方面具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，但是因?yàn)槠涑杀鞠喈?dāng)高而使其應(yīng)用受到限制。其成本除所用原料的成本而外，主要來(lái)自致密硬化周期的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)和制造纖維預(yù)成型件時(shí)所遇到的困難，特別是在要制作的部件形狀復(fù)雜如在制作葉輪時(shí)。
因此本發(fā)明的目的是提出一種特別適合于用復(fù)合熱結(jié)構(gòu)材料制作的葉輪結(jié)構(gòu)，使得可以受益于這種材料的優(yōu)點(diǎn)而制造成本又是盡可能地低。
本發(fā)明另外一個(gè)目的是提供一種適合于制造大直徑葉輪機(jī)的葉輪結(jié)構(gòu)，即在這種結(jié)構(gòu)中直徑可以比1m大得多。
在本發(fā)明的一個(gè)方面中，本發(fā)明提供了一種制造葉輪的方法，該葉輪包括許多葉片，葉片繞輪轂配置并位于兩個(gè)端板之間，葉片、輪轂和端板均用復(fù)合熱結(jié)構(gòu)材料制作，該方法的特征在于a)輪轂的制造方法是，沿一個(gè)共同的軸疊置平的環(huán)形的復(fù)合熱結(jié)構(gòu)材料板并緊固這些板，使得這些板可以被強(qiáng)制同時(shí)繞該軸線轉(zhuǎn)動(dòng)；b)采用以下步驟單個(gè)地制造每個(gè)葉片成形基本上為兩維的呈板狀或片狀的纖維織物，得到纖維預(yù)成型件；用基體致密硬化該預(yù)成型件，得到用復(fù)合熱結(jié)構(gòu)材料作的葉片毛坯；機(jī)械加工已致密硬化的預(yù)成型件的外形；c)采用以下步驟制造每個(gè)端板；利用基本上兩維的呈板狀或片狀的纖維織物制作環(huán)形的或基本上環(huán)形的預(yù)成型件；用基體致密硬化該預(yù)成型件，得到用復(fù)合熱結(jié)構(gòu)材料作的部件；d)將葉片裝在端板之間的輪轂上，每個(gè)葉片通過(guò)構(gòu)成葉片根部的部分連接在輪轂上。
這樣，葉輪的主要部分是通過(guò)將形狀簡(jiǎn)單的部件組裝在一起而構(gòu)成的，例如平的環(huán)形板構(gòu)成輪轂，或用形狀簡(jiǎn)單的纖維預(yù)成型件(兩維的片材或板材)制作部件例如葉片和端板。
這就避免了在制造和致密硬化形狀復(fù)雜的預(yù)成型件時(shí)所遇到的困難，或避免了用復(fù)合熱結(jié)構(gòu)材料固體塊加工形狀復(fù)雜的部件時(shí)所造成的材料損失。
每個(gè)葉片通過(guò)將葉片根部插入在輪轂上形成的具有互補(bǔ)形狀的槽中而連接到輪轂上。按照本法特有的特征，葉片的根部這樣構(gòu)成，即將一個(gè)插入件插在用于制造葉片預(yù)成型件的纖維織物中形成的狹縫中。
按照方法的另一個(gè)特征，構(gòu)成輪轂的板至少和一個(gè)構(gòu)成第一端板的環(huán)形板組裝在一起，該第一端板通過(guò)沿軸向緊固在葉輪安裝軸上的方法而封蓋葉輪一端的在葉片之間的通道。
第二端板與輪轂相配合，形成用于抽吸流體通過(guò)葉片之間通道的環(huán)形流體入口區(qū)，第二端板裝在葉片上，方法是將在葉片相鄰邊緣上形成的凸耳嚙合在端板上形成的切口中和/或用粘合劑粘合。在一種變型例中，第二端板是靜止的。
在另一方面，本發(fā)明提供了一種由復(fù)合熱結(jié)構(gòu)材料作的葉輪，該葉輪包括許多葉片，葉片圍繞輪轂配置并位于兩個(gè)端板之間，該葉輪的特征在于，它包括由復(fù)合熱結(jié)構(gòu)材料作的平的環(huán)形板，該環(huán)形板沿一公共軸線疊置并彼此緊固，使得可以被強(qiáng)制同時(shí)繞該軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，由此構(gòu)成輪轂，由復(fù)合熱結(jié)構(gòu)材料作的葉片分別通過(guò)構(gòu)成葉片根部的相應(yīng)部分連接在輪轂上。
上述由復(fù)合熱結(jié)構(gòu)材料作的平的環(huán)形板最好構(gòu)成一個(gè)組件，該組件包括輪轂和第一端板，該端板封蓋葉輪機(jī)一端的在葉片之間的通道。
下面參照附圖并閱讀作為非限定性舉例的說(shuō)明，由此可看出本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)，這些附圖是

圖1是一部分被切去的透視圖，示出本發(fā)明的組裝在一起的并安裝在傳動(dòng)軸上的葉輪；圖2是圖1葉輪的局部剖面圖；圖3是圖1葉輪的一個(gè)葉片的高度示意圖；圖4示出制造圖3葉片的連續(xù)步驟。
圖1和圖2示出一葉輪，它包括許多葉片10，該葉片規(guī)則地圍繞輪轂20分布并位于兩個(gè)端板30和40之間。葉輪的這些不同的組成部件均用復(fù)合熱結(jié)構(gòu)材料制作，例如用碳-碳(C-C)復(fù)合材料或陶瓷基體復(fù)合材料例如C-SiC(碳纖維增強(qiáng)件和碳化硅基體)復(fù)合材料。
其中，葉片10構(gòu)成流體流動(dòng)通道11。在葉輪的一個(gè)軸向端部，通道11由端板30封蓋，該端板為環(huán)形形狀，從輪轂20延伸到葉片10的自由外邊緣12。在另一個(gè)軸向端部，基本上為環(huán)形的端板40僅在葉片10的部分長(zhǎng)度上延伸，從葉片10的外邊緣12向內(nèi)延伸。
在端板40的內(nèi)邊緣41和輪轂20之間的空的空間形成一個(gè)入口區(qū)，流體從該入口區(qū)被抽吸通過(guò)通道11，經(jīng)葉輪的外環(huán)噴出，如圖2的箭頭F所示。
下面說(shuō)明如何制造葉輪的各種部件并將其裝配在一起。
輪轂20用沿葉輪機(jī)軸線A疊置的環(huán)形板21形成。該板21具有相同的構(gòu)成輪轂中心通道的內(nèi)直徑。在每一個(gè)板中，外直徑從它的靠近流體入口區(qū)的表面到它的相對(duì)表面逐漸增加，而兩個(gè)相鄰板的接觸端面具有相同的外直徑，因而板21的組合件構(gòu)成一個(gè)在端板40和端板30之間的厚度連續(xù)增加的輪轂，但沒(méi)有突變點(diǎn)。在輪轂的外周上形成燕尾槽23，以便安裝葉片10的根部和將葉片連接在輪轂上，這將在下面進(jìn)一步說(shuō)明。槽23沿軸向穿過(guò)輪轂的整個(gè)長(zhǎng)度，該槽23圍繞輪轂規(guī)則地分布。在大外直徑的板21中，槽23通過(guò)槽口23a與外部相通，該槽口的寬度基本上等于葉片的厚度。
每個(gè)環(huán)形板21分別由復(fù)合熱結(jié)構(gòu)材料制作。為此，可以采用呈板形的纖維結(jié)構(gòu)件，從該結(jié)構(gòu)件切出環(huán)形預(yù)成型件，這樣一種結(jié)構(gòu)件的制造方法可以是例如，將兩纖維織物的平板片例如細(xì)纖維片或粗股線的編織布等疊置起來(lái)，然后將板片用針縫法例如如文件FR-A-2584106所述的方法結(jié)合起來(lái)。
然后用構(gòu)成要制造的復(fù)合熱結(jié)構(gòu)材料基體的材料，致密硬化從上述板切出的環(huán)形預(yù)成型件，以常規(guī)方式進(jìn)行致密硬化處理，方法是用化學(xué)蒸氣滲透，或利用液體，即用基體的液態(tài)母體進(jìn)行浸漬，然后轉(zhuǎn)換母體。在致密硬化之后，加工環(huán)形板，使其達(dá)到最終的尺寸并形成切口，該切口在板被疊置之后形成槽23和槽口23a。
可利用沿軸向穿過(guò)所有板的螺釘26迫使板21同時(shí)繞軸線A轉(zhuǎn)動(dòng)，螺釘26用復(fù)合熱結(jié)構(gòu)材料塊制作。
蓋住通道11的遠(yuǎn)離流體入口區(qū)一側(cè)的端板30通過(guò)致密硬化纖維預(yù)成型件的方法用復(fù)合熱結(jié)構(gòu)材料制作。預(yù)成型件的制造方法例如是，將平的兩維板片疊置，然后用針縫法結(jié)合在一起。
在所示的例子中，端板30的厚度從其外周到其內(nèi)圓周連續(xù)地增加。在固有的輪轂20和固有端板30之間可以插入中間環(huán)形板31，上述板31的外部形狀可使對(duì)著葉輪內(nèi)部的板30的端面沒(méi)有突變點(diǎn)地連接輪轂10的外表面。通過(guò)復(fù)合熱結(jié)構(gòu)材料作的螺釘26可迫使板31隨同板21一起轉(zhuǎn)動(dòng)?？梢钥吹?，端板30的形狀可以通過(guò)疊置外直徑逐漸減少的環(huán)形板片的方法制得的預(yù)成型件獲得。
在致密硬化之后，將端板加工到其最終尺寸。端板30的內(nèi)環(huán)形端面37特別作成截錐形，以使葉輪可以裝在一傳動(dòng)軸上。通過(guò)用復(fù)合熱結(jié)構(gòu)材料作的將端板30連接在板31上的螺釘36可強(qiáng)制端板30隨同輪轂20繞軸線A轉(zhuǎn)動(dòng)。
每個(gè)葉片10為具有曲面的薄板形狀，其輪廓高度示意地示于圖3。每個(gè)葉片10的連接在輪轂20的內(nèi)端具有加大的部分，該部分構(gòu)成形狀和尺寸與輪轂中槽23的形狀和尺寸相同的葉片根部13。每個(gè)鄰接流體入口區(qū)的葉片10的邊緣從根部13開(kāi)始構(gòu)成一個(gè)第一凹形部分14a，該部分結(jié)束于構(gòu)成凸耳的徑向凸出部16。凸耳通過(guò)第二凹形部分14b與端緣12相連接。離開(kāi)流體入口區(qū)的葉片的邊緣從根部13開(kāi)始是徑向部分15a，該部分由凸形部分15b加長(zhǎng)，該凸形部分15b符合中間板31和板30的相鄰表面的外形。
圖4示出用復(fù)合熱結(jié)構(gòu)材料構(gòu)成葉片10的連續(xù)步驟。
起始材料是呈片狀和板狀的可形變纖維結(jié)構(gòu)件，該結(jié)構(gòu)件的厚度等于葉片的厚度，如文件FR-A-2584106或文件FR-A-2686907所述，該厚度是通過(guò)例如疊置和針縫二維纖維板片而形成的。
將纖維構(gòu)件切成約為葉片的外形(步驟100)，然后使對(duì)應(yīng)根部位置的邊緣劈開(kāi)，使得可以裝入插入物I，位于狹縫兩側(cè)部分纖維構(gòu)件沿該插入物進(jìn)行折疊(步驟101)。隨后用樹(shù)脂預(yù)浸潰纖維結(jié)構(gòu)件并用夾具T成形，以便得到接近待制造葉片形狀的形狀(步驟102)。在樹(shù)脂于夾具中固化之后便得到葉片的預(yù)成型件P。然后熱解樹(shù)脂，留下例如碳的殘?jiān)?，該殘?jiān)阋允估w維緊固在一起，從而保證預(yù)成型件保持其形狀。然后在夾具的外面或者利用液體方法或者用化學(xué)蒸氣滲透法繼續(xù)致密硬化(步驟103)。
在致密硬化之后，準(zhǔn)確加工葉片的外形，特別是形成凸耳16和邊緣12、14和15(步驟104)。
環(huán)形端板40具有對(duì)應(yīng)于葉片邊緣部分14b外形的彎曲外形。該端板通過(guò)致密硬化呈片狀或板狀的纖維織物制作，和葉片10所用方法相同。在致密硬化之后，加工端板40，達(dá)到其最終尺寸并形成安裝葉片10凸耳16的切口46。
葉輪的組裝如下。
使凸耳16嚙合在切口46中，從而使葉片10鉤在端板40上。然后一個(gè)一個(gè)地疊置板21構(gòu)成輪轂20，同時(shí)將葉片的根部13同時(shí)插入槽23。將板31插入就位，然后利用螺釘26使板21連接在一起并與板31連接。然后通過(guò)例如螺釘36使端板30安裝就位?？梢钥吹?，在端板40和30的內(nèi)側(cè)表面上可以形成相應(yīng)的槽44和35，葉片的相應(yīng)邊緣24b和25b可以插入該槽中，從而可以更有效地固定葉片。
葉輪的各種部件通過(guò)安裝在傳動(dòng)軸50上以組合的狀態(tài)被固定在一起(僅在圖2中示出)。該傳動(dòng)軸具有截錐形的肩部51，該肩部靠在端板30的相應(yīng)截錐形的內(nèi)環(huán)形表面37上。該傳動(dòng)軸穿過(guò)輪轂20并具有伸出其端部的螺紋部分52。
在遠(yuǎn)離端板30的那一輪轂端部的板21上放置襯墊53，該襯墊的直徑大到足以封閉槽23。板21、31和端板30均由螺帽55緊固在一起，該螺帽擰在螺紋部分52上并通過(guò)另一襯墊56對(duì)襯墊53施力。襯墊53和56通過(guò)錐形面彼此壓靠。
端板40僅通過(guò)與葉片凸耳16的緊扣嚙合便可固定。
在一個(gè)變形例中，可以用粘合劑將端板40固定在葉片上，此時(shí)可以同時(shí)采用或不采用將凸耳裝入端板切口中的機(jī)械嚙合方法。在使用粘合劑之后，最好進(jìn)行化學(xué)蒸氣滲透操作，以便硬化粘合劑的粘合并在已粘合在一起的部件的界面上形成基體的連續(xù)性。
在另一種變型例中，因?yàn)槿~片通過(guò)安裝在輪轂上并插在端板30的槽中而被充分地固定，所以端板40可以由一個(gè)靜止部件構(gòu)成，即該部件不受迫隨葉輪的其余部分轉(zhuǎn)動(dòng)。
圖1和圖2所示的葉輪采用C-C復(fù)合材料制作，其直徑為950mm，軸向?qū)挾葹?50mm。該葉輪已用于抽吸溫度為1200℃的氣體，轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分，提供的流速為130000m3/h。
與相同尺寸的金屬葉輪相比，質(zhì)量減輕的比例約為5∶1，即C-C復(fù)合材料約為40kg，而金屬葉輪為200kg。金屬葉輪機(jī)的質(zhì)量意味著它的轉(zhuǎn)速實(shí)際上不會(huì)超過(guò)約800轉(zhuǎn)/分。
權(quán)利要求
1.一種制造葉輪的方法，該葉輪包括許多葉片，該葉片圍繞輪轂配置并位于兩個(gè)端板之間，葉片、輪轂和端板均用復(fù)合熱結(jié)構(gòu)材料制造，該方法的特征在于a)輪轂這樣制造，將平的復(fù)合熱結(jié)構(gòu)材料的環(huán)形板沿一根公用軸線疊置起來(lái)，然后緊固該板，使得它們可被強(qiáng)制同時(shí)繞該軸線轉(zhuǎn)動(dòng)；b)采用以下步驟單個(gè)地制造每個(gè)葉片成形基本上為兩維的呈板狀或片狀的纖維織物，獲得葉片預(yù)成型件；用基體致密硬化該預(yù)成型件，獲得由復(fù)合熱結(jié)構(gòu)材料作的葉片毛坯；加工已致密硬化的預(yù)成型件的外形；c)利用下列步驟制造每個(gè)端板采用基本上兩維的呈板狀或片狀的纖維織物制作環(huán)形的或基本上環(huán)形的預(yù)成型件；用基體致密硬化該預(yù)成型件，獲得由復(fù)合熱結(jié)構(gòu)材料作的部件；d)將葉片組裝在端板之間的輪轂上，每個(gè)葉片通過(guò)構(gòu)成葉片根部的部分連接在輪轂上。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，每個(gè)葉片通過(guò)將葉片根部插入在輪轂上形成的具有互補(bǔ)形狀的槽中而連接到輪轂上。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，通過(guò)成形預(yù)浸漬纖維織物而制作每個(gè)葉片的預(yù)成型件。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，通過(guò)將一種插入物置于用于制造葉片預(yù)成型件的纖維織物中形成的狹縫中而構(gòu)成葉片根部。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，構(gòu)成輪轂的板與至少一個(gè)環(huán)形板組裝在一起，該至少一個(gè)環(huán)形板構(gòu)成第一端板，該端板封蓋在葉輪一端的葉片之間的通道，葉片由于軸向緊固在安裝葉輪的傳動(dòng)軸上而連接于該端板。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，第二端板裝置在葉片上，該端板與輪轂配合，形成用于抽吸流體通過(guò)葉片之間通道的環(huán)形流體入口區(qū)。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，第二端板具有切口，在葉片相鄰邊緣上形成的凸耳嚙合在該切口中。
8.如權(quán)利要求6或7所述的方法，其特征在于，第二端板用粘合劑粘接到葉片的相鄰邊緣上。
9.一種用復(fù)合熱結(jié)構(gòu)材料制造的葉輪， 該葉輪包括許多葉片(10)，該葉片圍繞兩個(gè)端板(30、40)之間的輪轂(20)配置，該葉輪的特征在于，它包括由復(fù)合熱結(jié)構(gòu)材料作的平的環(huán)形板(21)，該板沿一條公共軸線疊置并彼此緊固在一起，使得可以被強(qiáng)制同時(shí)繞該軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，由此形成輪轂(20)，復(fù)合熱結(jié)構(gòu)材料的葉片(10)通過(guò)構(gòu)成葉片根部(13)的相應(yīng)部分分別地連接于該輪轂。
10.如權(quán)利要求9所述的葉輪，其特征在于，上述復(fù)合熱結(jié)構(gòu)材料的平的環(huán)形板(21、31、30)構(gòu)成一個(gè)組合件，該組合件包括輪轂(20)和第一端板(30)，該端板封蓋葉輪一端的葉片之間的通道。
11.如權(quán)利要求9或10所述的葉輪，其特征在于，第二端板(40)固定在葉片上，該端板與輪轂(20)配合，形成用于抽吸流體通過(guò)葉片之間通過(guò)(11)的環(huán)形流體入口區(qū)。
12.如權(quán)利要求9或10所述的葉輪，其特征在于，第二端板是靜止的，該端板與輪轂配合，形成用于抽吸流體通過(guò)葉片之間通道的環(huán)形流體入口區(qū)。
全文摘要
葉輪有葉片10，葉片圍繞兩端板30、40間的輪 轂20配置，葉片、輪轂和端板均由復(fù)合熱結(jié)構(gòu)材料制作。輪轂 的制造方法是沿一公共軸 疊置復(fù)合熱結(jié)構(gòu)材料的平 環(huán)形板。葉片單個(gè)制作，方 法是，成型板狀或片狀的兩 維纖維物，作成預(yù)成型件，用 基體致密硬化預(yù)成型件，得 到復(fù)合熱結(jié)構(gòu)材料的毛坯， 然后加工硬化的預(yù)成型件外形。制造端板的方法是，用板狀或 片狀的兩維纖維織物制作環(huán)形預(yù)成型件，然后用基體致密硬化 預(yù)成型件獲得復(fù)合熱結(jié)構(gòu)材料的部件，葉片通過(guò)根部13裝在 輪轂上。
文檔編號(hào)F04D29/02GK1148673SQ96111239
公開(kāi)日1997年4月30日 申請(qǐng)日期1996年8月28日 優(yōu)先權(quán)日1995年8月30日
發(fā)明者讓-皮埃爾·莫姆斯, 居伊·馬丹 申請(qǐng)人:推進(jìn)歐洲公司