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CN109139549A - 一种耐磨耐腐蚀的碳纤维轴流风机叶片装置 - Google Patents

一种耐磨耐腐蚀的碳纤维轴流风机叶片装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耐磨耐腐蚀的碳纤维轴流风机叶片装置，包括多层纤维复合材料层，每层纤维复合材料层按照设定的纤维取向与其他纤维复合材料层层叠设置成层合板，层合板厚度方向的中部，位于两纤维复合材料层之间设置金属材料的叶柄，叶柄的长度方向与层叠的方向平行，层叠的纤维复合材料层的迎风面上设置有叶片进口边。该发明的优点在于：叶柄和叶片进口边在纤维复合材料层的设置方式替代现有技术中铆接的方式，由于纤维复合材料层最后会挤压成型，该结构不仅起到连接禁锢的作用，而且可以保证整体叶片的强度。叶片进口边的设置可以增强整个叶片的耐磨性。

Description

一种耐磨耐腐蚀的碳纤维轴流风机叶片装置
技术领域
本发明涉及叶片领域，尤其是一种耐磨耐腐蚀的碳纤维轴流风机叶片装置。
背景技术
轴流风机广泛应用于通风换气、纺织、矿井、冶金、电站等各个领域中，是空气调节及通风系统的主要设备。相对于离心风机，轴流风机具有流量大、压头低等特点。随着技术的发展，越来越多条件苛刻的领域对轴流风机的需求也越来越多。比如风电领域，轴流风机体型较大，对其轻量化要求较高，而且风力发电很多在含沙量较高的戈壁地区，对风机的耐磨性要求也较高。
对于大型轴流风机，叶片作为轴流风机核心关键部件，对轻量化和耐磨性的要求很高。因此急需一种新的叶片装置来解决上述问题。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，为此，本发明提供一种耐磨耐腐蚀的碳纤维轴流风机叶片装置。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种耐磨耐腐蚀的碳纤维轴流风机叶片装置，包括多层纤维复合材料层，每层纤维复合材料层按照设定的纤维取向与其他纤维复合材料层层叠设置成层合板，层合板厚度方向的中部，位于两纤维复合材料层之间设置金属材料的叶柄，叶柄的长度方向与层叠的方向平行，层叠的纤维复合材料层的迎风面上设置有叶片进口边。
优化的，所述叶片进口边接触成层合板的侧面上设置有若干分支，所述叶柄伸入层合板的部分上也设置有多根分支。
优化的，叶片进口边上的分支垂直伸入靠中部的两层纤维复合材料层之间，若干分支沿叶片长度方向阵列。
优化的，叶柄上的一部分分支绕着叶柄的外边缘且垂直于叶柄的外边缘，一部分分支位于叶柄伸入纤维复合材料层顶端面上且与叶柄的长度方向平行设置。
优化的，每两层纤维复合材料层之间通过环氧树脂层粘结。
优化的，层合板的铺层方式为[0/90/45/-45/0/-45/45/0/45/-45]s。
优化的，所述纤维复合材料层的材料为T300碳纤维。
优化的，所述叶片进口边和叶柄外表面镶嵌钛合金TC4。
优化的，层合板最外侧的两层纤维复合材料层的外表面上喷涂有陶瓷漆层。
本发明的优点在于：
(1)本发明叶柄和叶片进口边在纤维复合材料层的设置方式替代现有技术中铆接的方式，由于碳纤维为丝束结构，穿制铆钉孔的时候很容易破坏纤维束，从而破坏叶片的整体强度，另外铆钉需要特殊的脑膜处理，不然长期使用中，铆钉磨损破坏会造成叶片飞车的严重事故，由于纤维复合材料层最后会挤压成型，该结构不仅起到连接禁锢的作用，而且可以保证整体叶片的强度。叶片进口边的设置可以增强整个叶片的耐磨性。
(2)纤维束可以紧裹分支，从而提高纤维复合材料层与叶片进口边和叶柄之间的连接度。
(3)纤维复合材料层的铺层方式可以使得1阶固有频率高，大型轴流风机叶片主要为了避开基频，一阶固有频率是个很重要的考核指标，其他方式铺层虽然部分2阶、3阶固有频率高于本发明披露的铺层，但主要影响叶片是否共振主要看1阶固有频率。而且本发明披露的铺层使得纤维束在不同角度都有铺层，叶片能承受不同方向的载荷。
(4)本发明中纤维复合材料层的材料和叶片进口边、叶柄的材料均可以降低整个叶片装置的重量，也增强了叶片的强度以及耐磨耐腐蚀性，陶瓷漆层的设置也增强了整个叶片的耐磨和耐腐蚀性。
附图说明
图1为本发明一种耐磨耐腐蚀的碳纤维轴流风机叶片装置的立体图。
图2为本发明一种耐磨耐腐蚀的碳纤维轴流风机叶片装置中叶片进口边的结构图。
图3为本发明一种耐磨耐腐蚀的碳纤维轴流风机叶片装置中叶柄的结构图。
图4为本发明一种耐磨耐腐蚀的碳纤维轴流风机叶片装置中纤维复合材料层铺层方式示意图。
图5为本发明一种耐磨耐腐蚀的碳纤维轴流风机叶片装置中叶片进口边安装在层叠后的纤维复合材料层安装图。
图中标注符号的含义如下：
1-层合板 11-纤维复合材料层 2-叶片进口边 3-叶柄 4-分支 5-陶瓷漆层
具体实施方式
如图1-5所示，一种耐磨耐腐蚀的碳纤维轴流风机叶片装置，包括多层纤维复合材料层11，每层纤维复合材料层11按照设定的纤维取向与其他纤维复合材料层11层叠设置成层合板1。每两层纤维复合材料层11之间通过环氧树脂层粘结。层合板1厚度方向的中部，位于两纤维复合材料层11之间设置金属材料的叶柄3，叶柄3的长度方向与层叠的方向平行，层叠的纤维复合材料层11的迎风面上设置有叶片进口边2。
所述纤维复合材料层11的材料为T300碳纤维。所述叶片进口边2和叶柄3的材料为钛合金TC4。便于与轮毂连接，整个叶片重量轻，强度高，叶片平均密度＜2g/cm3。
层合板1最外侧的两层纤维复合材料层11的外表面上喷涂有陶瓷漆层5。由于T300碳纤维本身耐腐蚀性能极佳，但耐磨性能差，陶瓷漆层5的硬度大于砂砾的硬度，可以承受沙尘的磨损。叶片进口边2是磨损最严重的区域，在叶片进口片上镶嵌钛合金TC4，可以增强体叶片的耐磨性。
碳纤维复合材料结构中碳纤维是力的主要承载材料，在纤维不同方向上其承载能力是不同的，因此碳纤维复合材料具有可设计性。“纤维取向”设计的目标是力求最大限度地利用碳纤维材料的方向性以及保持结构中传力路径的连续性，在结构设计时承受面内载荷的层压板可以设计为0°、90°、±45°等不同方向的铺层，以满足结构的需求。对不同铺层方式的碳纤维层合板1的进行激振试验测试其固有频率，在该实施例中，如图4所示，纤维复合材料层11的铺层方式为[0/90/45/-45/0/-45/45/0/45/-45]s。不同铺层的层合板1激振试验结果如表1所示。
表1
根据表1的结果，可以看到按照0°方向铺层的固有频率最高，但单向铺层无法承受不同方向的载荷，综合来看，本发明的铺层方式铺层1阶固有频率高，大型轴流风机叶片主要为了避开基频，一阶固有频率是个很重要的考核指标，其他方式铺层虽然部分2阶、3阶固有频率高于本发明披露的铺层，但主要影响叶片是否共振主要看1阶固有频率。碳纤维束在不同角度都有铺层，叶片能承受不同方向的载荷，T300碳纤维的抗拉强度达到3530MPa，这种铺层方式可以使叶片在各个方向承受3000MPa以上的载荷，叶片强度高。
如图2-3所示，所述叶片进口边2接触层合板1的侧面上设置有若干分支4，所述叶柄3伸入层合板1处也设置有多根分支4。在该实施例中，叶片进口边2上的分支4垂直伸入靠中部的两层纤维复合材料层11之间，若干分支4沿叶片长度方向阵列。叶柄3上的一部分分支4绕着叶柄3的外边缘且垂直于叶柄3的外边缘，一部分分支4位于叶柄3伸入层合板1的顶端面上且与叶柄3的长度方向平行设置。叶片进口边2上每个100mm伸出一根长度为40mm的分支4，如图5所示，在叶片装置成型后，纤维束紧紧包裹分支4。每两层碳纤维复合材料层11通过环氧树脂粘接在一起，具有很高的可塑性，可以保证在缠绕分支4之后碳纤维叶片的整体形状不会发生变化。这种结构避免采用了铆钉结构，不仅可以起到连接紧固的作用，而且整体叶片装置的强度也有保证。
以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种耐磨耐腐蚀的碳纤维轴流风机叶片装置，其特征在于，包括多层纤维复合材料层(11)，每层纤维复合材料层(11)按照设定的纤维取向与其他纤维复合材料层(11)层叠设置成层合板(1)，层合板(1)厚度方向的中部，位于两纤维复合材料层(11)之间设置金属材料的叶柄(3)，叶柄(3)的长度方向与层叠的方向平行，层叠的纤维复合材料层(11)的迎风面上设置有叶片进口边(2)。
2.根据权利要求1所述的一种耐磨耐腐蚀的碳纤维轴流风机叶片装置，其特征在于，所述叶片进口边(2)接触成层合板(1)的侧面上设置有若干分支(4)，所述叶柄(3)伸入层合板(1)的部分上也设置有多根分支(4)。
3.根据权利要求2所述的一种耐磨耐腐蚀的碳纤维轴流风机叶片装置，其特征在于，叶片进口边(2)上的分支(4)垂直伸入靠中部的两层纤维复合材料层(11)之间，若干分支(4)沿叶片长度方向阵列。
4.根据权利要求2所述的一种耐磨耐腐蚀的碳纤维轴流风机叶片装置，其特征在于，叶柄(3)上的一部分分支(4)绕着叶柄(3)的外边缘且垂直于叶柄(3)的外边缘，一部分分支(4)位于叶柄(3)伸入纤维复合材料层(11)顶端面上且与叶柄(3)的长度方向平行设置。
5.根据权利要求1所述的一种耐磨耐腐蚀的碳纤维轴流风机叶片装置，其特征在于，每两层纤维复合材料层(11)之间通过环氧树脂层粘结。
6.根据权利要求5所述的一种耐磨耐腐蚀的碳纤维轴流风机叶片装置，其特征在于，层合板(1)的铺层方式为[0/90/45/-45/0/-45/45/0/45/-45]s。
7.根据权利要求1所述的一种耐磨耐腐蚀的碳纤维轴流风机叶片装置，其特征在于，所述纤维复合材料层(11)的材料为T300碳纤维。
8.根据权利要求1所述的一种耐磨耐腐蚀的碳纤维轴流风机叶片装置，其特征在于，所述叶片进口边(2)和叶柄(3)外表面镶嵌钛合金TC4。
9.根据权利要求1所述的一种耐磨耐腐蚀的碳纤维轴流风机叶片装置，其特征在于，层合板(1)最外侧的两层纤维复合材料层(11)的外表面上喷涂有陶瓷漆层(5)。
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