CN108757270A - 一体化成型复合材料桨叶结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了复合材料桨叶技术领域内的一种一体化成型复合材料桨叶结构，主要承力部件为碳梁，碳梁包括分叉部、过渡部和合抱部，分叉部包括两个扁平的分叉，分叉之间夹设有叶身泡沫层，在过渡部，两个分叉逐步合抱，直至到达合抱部，合抱成圆管状，过渡部和合抱部内设有叶柄泡沫层，过渡部外套设有圆筒状的碳纤维整形垫块，叶身泡沫层和分叉部外设有碳纤维蒙皮，整形垫块和合抱部外设有碳纤维缠绕层，合抱部后端内表面设置有金属衬管。本发明的一体化成型复合材料桨叶结构，叶柄和叶身采用碳纤维复合材料一体化成型，具有结构可靠、安全性高、整体重量轻的特点，能显著降低桨叶运行过程中的能耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合材料桨叶，特别涉及一种复合材料桨叶的一体化成型复合材料桨叶结构。
背景技术
现有技术的较先进的桨叶多采用复合材料制成，目前应用最多也是最重要的复合材料是碳纤维复合材料。碳纤维复合材料因有低密度、高强度、耐高温、耐腐蚀、热膨胀系数低和生体相容性好等优异性能，使其成为制备各种结构和功能复合材料的重要原材料。
但是复合材料不同于金属件，在结构使用中有很多局限性，譬如螺纹锁紧结构。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，特别是需要承载较大拉伸应力的工况下。因此，如图1所示，现有技术的复合材料桨叶都是采用复合材料的叶身1和金属的叶柄2通过螺栓3进行连接，通过叶柄2后端的螺纹4固定在旋转的轮毂上，从而带动叶身一起旋转。因为叶柄的材质是金属，所以重量重，运行中能耗高。
发明内容
本发明的目的是提供采用一体化成型复合材料桨叶结构，降低桨叶重量，从而降低运转能耗。
本发明的目的是这样实现的：一种一体化成型复合材料桨叶结构，主要承力部件为碳梁，碳梁包括分叉部、过渡部和合抱部，分叉部包括两个扁平的分叉，分叉之间夹设有叶身泡沫层，在过渡部，两个分叉逐步合抱，直至到达合抱部，合抱成圆管状，过渡部和合抱部内设有叶柄泡沫层，过渡部外套设有圆筒状的整形垫块，叶身泡沫层和分叉部外设有碳纤维蒙皮，整形垫块和合抱部外设有碳纤维缠绕层，合抱部后端内表面设置有金属衬管。
本发明的一体化成型复合材料桨叶结构，叶柄和叶身采用碳纤维复合材料一体化成型，具有结构可靠、安全性高、整体重量轻的特点，能显著降低复合材料桨叶运行过程中的能耗。
作为本发明的进一步改进，合抱部外的碳纤维缠绕层包括连接部、收缩部和外扩部，连接部外径与轮毂承力中环内径配合，外扩部向外扩散并与一体化成型复合材料桨叶结构的中心轴线呈25°~ 35°夹角。其中连接部用于将桨叶固定在轮毂上，收缩部和外扩部用于和锁紧件配合，实现锁紧。该夹角优选为30°，以更好地承受桨叶工作时的离心力。
作为本发明的进一步改进，合抱部后端及金属衬管后端均向外扩散并与一体化成型复合材料桨叶结构的中心轴线呈30°夹角，使叶柄各层（碳梁、碳纤维缠绕层、金属衬管）整体承受桨叶工作时的离心力，提高承力能力。
作为本发明的进一步改进，连接部前端设有与叶柄安装角固定盘配合的台阶，便于设置叶柄安装角固定盘，安装角调节螺钉穿过轮毂与叶柄安装角固定盘相抵，通过调节安装角调节螺钉可调节桨叶的安装旋转角度。
作为本发明的进一步改进，台阶前端设有凸肩，在桨叶装配过程中可起到限位的作用。
作为本发明的进一步改进，碳纤维缠绕层前端设有叶柄直段，叶柄直段外径与轮毂外环内径配合，便于桨叶的叶柄从轮毂外环插入固定。
作为本发明的进一步改进，碳纤维缠绕层由碳丝以与一体化成型复合材料桨叶结构的中心轴线呈89°缠绕角缠绕成型，以增加叶柄和叶身的整体性，提高连接强度。
作为本发明的进一步改进，收缩部和外扩部外表面套设有与之配合的锁紧开环，锁紧开环尾部与轮毂承力中环相抵，锁紧开环外表面套设有锁紧整环，锁紧整环、锁紧开环和金属衬管的后端面上均设有供锁紧螺钉穿过的连接孔。从而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。
作为本发明的进一步改进，金属衬管前端外表面向外扩散并与一体化成型复合材料桨叶结构的中心轴线呈1°夹角。因此在锁定螺钉拧紧的过程中，金属衬管不会被锁定螺钉拉出。
附图说明
图1为现有技术的一体化成型复合材料桨叶结构的示意图。
图2为本发明的一体化成型复合材料桨叶结构的示意图。
图3为本发明的一体化成型复合材料桨叶结构的叶柄后端内部结构的示意图。
图4为本发明的一体化成型复合材料桨叶结构的碳梁结构的示意图。
图5为本发明的一体化成型复合材料桨叶结构的叶身内部结构的示意图。
图6为本发明的一体化成型复合材料桨叶结构的整形垫块的示意图。
图7为本发明的一体化成型复合材料桨叶结构的碳纤维缠绕层的示意图。
其中，1叶身，2叶柄，3螺栓，4螺纹，5碳梁，5A 分叉部，5B 过渡部，5C 合抱部，6叶身泡沫层，7碳纤维蒙皮，8叶柄泡沫层，9整形垫块，10 碳纤维缠绕层，10A 连接部，10B 收缩部，10C 外扩部，10D台阶，10E 凸肩，11金属衬管，12轮毂承力中环，13叶柄安装角固定盘，14轮毂，15 锁紧开环，16锁紧整环，17 连接孔，18叶柄直段，19轮毂外环，20安装角调节螺钉。
具体实施方式
如图2、图3所示的一体化成型复合材料桨叶结构，包括叶身1和叶柄2。该桨叶结构由内之外依次包括泡沫层、碳梁5、整形垫块和包覆层，其中泡沫层分为叶身泡沫层6和叶柄泡沫层8，包覆层分为叶身包覆层（即碳纤维蒙皮7）和叶柄包覆层（即碳纤维缠绕层10）。泡沫层的作用是在桨叶模压制造时起到内支撑并利用其弹性施加反压，使桨叶各处碳纤维预浸料层铺被压实。以下为便于描述，定义靠近桨叶的叶身方向为“前”，远离桨叶的叶身方向为“后”，远离叶柄中心轴线方向为“外”。
如图4、图5所示，碳梁5包括分叉部5A、过渡部5B和合抱部5C。分叉部5A包括两个扁平的分叉，分叉之间夹设有叶身泡沫层6，叶身泡沫层6和分叉部5A外设有碳纤维蒙皮7，从而形成本一体化成型复合材料桨叶结构的叶身。
如图3、图4所示，在碳梁5的过渡部5B，两个分叉逐步合抱，直至到达合抱部5C，合抱成圆管状。在过渡部5B和合抱部5C内设有叶柄泡沫层8，过渡部5C外还套设有圆筒状的整形垫块9，其结构如图6所示，由于碳梁从叶身引出时为方形结构，通过设置整形垫块9，可使叶柄变圆，便于叶柄包覆层的成形。在整形垫块9和合抱部5C外设有碳纤维缠绕层10，碳纤维缠绕层10由碳丝以与一体化成型复合材料桨叶结构的中心轴线呈89°缠绕角缠绕成型，使碳梁的合抱部5C和整形垫块9成为一个整体，增加叶柄强度，并提高整体性，保证分体的叶柄碳梁在承受气动弯矩时不致张口。合抱部5C后端表面设置有金属衬管11，其主要作用是承受叶柄后端在离心力时的向内压力，并承接固定锁定螺钉的作用。
如图2、图3、图7所示，合抱部5C外的碳纤维缠绕层10包括连接部10A、收缩部10B和外扩部10C。连接部10A穿过轮毂承力中环12，连接部10A前端设有与叶柄安装角固定盘13配合的台阶10D，安装角调节螺钉20穿过轮毂14上边与叶柄安装角固定盘13相抵，通过调节安装角调节螺钉20可调节桨叶的安装角度。台阶10D前端设有凸肩10E，在桨叶装配过程中可起到限位的作用。外扩部10C、合抱部5C后端及金属衬管11后端均向外扩散并与一体化成型复合材料桨叶结构的中心轴线呈30°夹角，以更好地承受桨叶工作时的离心力。收缩部10B和外扩部10C外表面套设有与之配合的锁紧开环15，锁紧开环15尾部与轮毂承力中环12相抵，锁紧开环15外表面套设有锁紧整环16，锁紧整环16、锁紧开环15和金属衬管11的端面上均设有供锁紧螺钉穿过的连接孔17。从而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。金属衬管11前端外表面向外扩散并与一体化成型复合材料桨叶结构的中心轴线呈1°夹角，因此在锁定螺钉拧紧的过程中，金属衬管11不会被锁定螺钉拉出。
如图3、图7所示，碳纤维缠绕层10前端设有叶柄直段18，叶柄直段18外径与轮毂外环19内径配合，便于桨叶的叶柄从轮毂外环19插入固定。
本实施例的一体化成型复合材料桨叶结构叶身和叶柄均采用碳纤维复合材料。由于碳纤维复合材料的密度仅为1650kg/m3，所以极大地减轻了桨叶重量。这种设计具备结构可靠、安全性高、整体重量轻的特点。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种一体化成型复合材料桨叶结构，其特征在于：主要承力部件为碳梁，所述碳梁包括分叉部、过渡部和合抱部，所述分叉部包括两个扁平的分叉，所述分叉之间夹设有叶身泡沫层，在所述过渡部，两个所述分叉逐步合抱，直至到达所述合抱部，合抱成圆管状，所述过渡部和合抱部内设有叶柄泡沫层，所述过渡部外套设有圆筒状的整形垫块，所述叶身泡沫层和分叉部外设有碳纤维蒙皮，所述整形垫块和合抱部外设有碳纤维缠绕层，所述合抱部后端内表面设置有金属衬管。
2.根据权利要求1所述的一体化成型复合材料桨叶结构，其特征在于：所述合抱部外的碳纤维缠绕层包括连接部、收缩部和外扩部，所述连接部外径与轮毂承力中环内径配合，所述外扩部向外扩散并与所述一体化成型复合材料桨叶结构的中心轴线呈25°~ 35°夹角。
3.根据权利要求2所述的一体化成型复合材料桨叶结构，其特征在于：所述外扩部与所述一体化成型复合材料桨叶结构的中心轴线呈30°夹角。
4.根据权利要求3所述的一体化成型复合材料桨叶结构，其特征在于：所述合抱部后端及金属衬管后端均向外扩散并与所述一体化成型复合材料桨叶结构的中心轴线呈30°夹角。
5.根据权利要求2所述的一体化成型复合材料桨叶结构，其特征在于：所述连接部前端设有与叶柄安装角固定盘配合的台阶。
6.根据权利要求5所述的一体化成型复合材料桨叶结构，其特征在于：所述台阶前端设有凸肩。
7.根据权利要求2所述的一体化成型复合材料桨叶结构，其特征在于：所述碳纤维缠绕层前端设有叶柄直段，所述叶柄直段外径与轮毂外环内径配合。
8.根据权利要求1~7任一项所述的一体化成型复合材料桨叶结构，其特征在于：所述碳纤维缠绕层由碳丝以与所述一体化成型复合材料桨叶结构的中心轴线呈80° ~89°缠绕角缠绕成型。
9.根据权利要求1~7任一项所述的一体化成型复合材料桨叶结构，其特征在于：所述收缩部和外扩部外表面套设有与之配合的锁紧开环，所述锁紧开环尾部与所述轮毂承力中环相抵，所述锁紧开环外表面套设有锁紧整环，所述锁紧整环、锁紧开环和金属衬管的后端面上均设有供锁紧螺钉穿过的连接孔。
10.根据权利要求9所述的一体化成型复合材料桨叶结构，其特征在于：所述金属衬管前端外表面向外扩散并与所述一体化成型复合材料桨叶结构的中心轴线呈1°夹角。
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