專利名稱：復合熱結構材料作的特別是大直徑的葉輪及其制造方法
技術領域：
本發明涉及葉輪，具體涉及在通常溫度大于1000℃的高溫下操作的葉輪。
這種葉輪的一個應用領域是在爐子或在高溫下進行物理化學處理的類似裝置中攪拌氣體或排風，環境介質由例如惰性氣體或非活性氣體構成。
這種葉輪通常用金屬制作，一般由許多部件構成，這些部件用焊接方法組裝在一起。采用金屬會產生許多缺點。例如大質量的轉動部件要求很大的傳動軸和很大動力的馬達，而且至少使速度受到限制。由于有金屬蠕變的危險，所以溫度也受到限制。
另外，由于金屬對熱沖擊的敏感，可能會引起破裂或形變。這使得轉動質量失去平衡，導致葉輪和其驅動馬達壽命降低。然而在上述應用中很可能會發生激烈的熱沖擊，特別是在為了急速降低爐內溫度以便減少處理周期的持續時間而噴入大量冷的氣體時。
為了避免由金屬產生的問題，已經提出采用其它材料，特別是采用復合熱結構材料未制造葉輪。這些材料一般由纖維增強織物或“預成型件”構成，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成結構部件的機械特性和在高溫下保持這種特性的能力。例如，通常的復合熱結構材料是由碳纖維增強件和碳基體組成的碳-碳(C-C)復合材料，以及由碳纖維或陶瓷纖維增強件和陶瓷基體組成的陶瓷基體復合材料(CMCs)。
與金屬相比，復合熱結構材料具一些重要優點，密度相當低，高溫穩定性相當好。質量減小和蠕變危險的消除使得可以在很高轉速下操作，可以達到很高的排氣速度而不要求過大的驅動部件。另外，復合熱結構材料具有很強的抗熱沖擊性。
因此復合熱結構材料在操作性能方面具有顯著的優點，但是因為其成本相當高而使其應用受到限制。其成本除所用原料的成本而外，主要來自致密硬化周期的持續時間長和制造纖維預成型件時所遇到的困難，特別是在要制作的部件形狀復雜如在制作葉輪時。
因此本發明的目的是提出一種特別適合于用復合熱結構材料制作的葉輪結構，使得可以受益于這種材料的優點而制造成本又是盡可能地低。
本發明另外一個目的是提供一種適合于制造大直徑葉輪機的葉輪結構，即在這種結構中直徑可以比1m大得多。
在本發明的一個方面中，本發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端板之間，葉片、輪轂和端板均用復合熱結構材料制作，該方法的特征在于a)輪轂的制造方法是，沿一個共同的軸疊置平的環形的復合熱結構材料板并緊固這些板，使得這些板可以被強制同時繞該軸線轉動；b)采用以下步驟單個地制造每個葉片成形基本上為兩維的呈板狀或片狀的纖維織物，得到纖維預成型件；用基體致密硬化該預成型件，得到用復合熱結構材料作的葉片毛坯；機械加工已致密硬化的預成型件的外形；c)采用以下步驟制造每個端板；利用基本上兩維的呈板狀或片狀的纖維織物制作環形的或基本上環形的預成型件；用基體致密硬化該預成型件，得到用復合熱結構材料作的部件；d)將葉片裝在端板之間的輪轂上，每個葉片通過構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將形狀簡單的部件組裝在一起而構成的，例如平的環形板構成輪轂，或用形狀簡單的纖維預成型件(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雜的預成型件時所遇到的困難，或避免了用復合熱結構材料固體塊加工形狀復雜的部件時所造成的材料損失。
每個葉片通過將葉片根部插入在輪轂上形成的具有互補形狀的槽中而連接到輪轂上。按照本法特有的特征，葉片的根部這樣構成，即將一個插入件插在用于制造葉片預成型件的纖維織物中形成的狹縫中。
按照方法的另一個特征，構成輪轂的板至少和一個構成第一端板的環形板組裝在一起，該第一端板通過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葉片之間通道的環形流體入口區，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，本發明提供了一種由復合熱結構材料作的葉輪，該葉輪包括許多葉片，葉片圍繞輪轂配置并位于兩個端板之間，該葉輪的特征在于，它包括由復合熱結構材料作的平的環形板，該環形板沿一公共軸線疊置并彼此緊固，使得可以被強制同時繞該軸線轉動，由此構成輪轂，由復合熱結構材料作的葉片分別通過構成葉片根部的相應部分連接在輪轂上。
上述由復合熱結構材料作的平的環形板最好構成一個組件，該組件包括輪轂和第一端板，該端板封蓋葉輪機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明，由此可看出本發明的其它特征和優點，這些附圖是

圖1是一部分被切去的透視圖，示出本發明的組裝在一起的并安裝在傳動軸上的葉輪；圖2是圖1葉輪的局部剖面圖；圖3是圖1葉輪的一個葉片的高度示意圖；圖4示出制造圖3葉片的連續步驟。
圖1和圖2示出一葉輪，它包括許多葉片10，該葉片規則地圍繞輪轂20分布并位于兩個端板30和40之間。葉輪的這些不同的組成部件均用復合熱結構材料制作，例如用碳-碳(C-C)復合材料或陶瓷基體復合材料例如C-SiC(碳纖維增強件和碳化硅基體)復合材料。
其中，葉片10構成流體流動通道11。在葉輪的一個軸向端部，通道11由端板30封蓋，該端板為環形形狀，從輪轂20延伸到葉片10的自由外邊緣12。在另一個軸向端部，基本上為環形的端板40僅在葉片10的部分長度上延伸，從葉片10的外邊緣12向內延伸。
在端板40的內邊緣41和輪轂20之間的空的空間形成一個入口區，流體從該入口區被抽吸通過通道11，經葉輪的外環噴出，如圖2的箭頭F所示。
下面說明如何制造葉輪的各種部件并將其裝配在一起。
輪轂20用沿葉輪機軸線A疊置的環形板21形成。該板21具有相同的構成輪轂中心通道的內直徑。在每一個板中，外直徑從它的靠近流體入口區的表面到它的相對表面逐漸增加，而兩個相鄰板的接觸端面具有相同的外直徑，因而板21的組合件構成一個在端板40和端板30之間的厚度連續增加的輪轂，但沒有突變點。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，這將在下面進一步說明。槽23沿軸向穿過輪轂的整個長度，該槽23圍繞輪轂規則地分布。在大外直徑的板21中，槽23通過槽口23a與外部相通，該槽口的寬度基本上等于葉片的厚度。
每個環形板21分別由復合熱結構材料制作。為此，可以采用呈板形的纖維結構件，從該結構件切出環形預成型件，這樣一種結構件的制造方法可以是例如，將兩纖維織物的平板片例如細纖維片或粗股線的編織布等疊置起來，然后將板片用針縫法例如如文件FR-A-2584106所述的方法結合起來。
然后用構成要制造的復合熱結構材料基體的材料，致密硬化從上述板切出的環形預成型件，以常規方式進行致密硬化處理，方法是用化學蒸氣滲透，或利用液體，即用基體的液態母體進行浸漬，然后轉換母體。在致密硬化之后，加工環形板，使其達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。
可利用沿軸向穿過所有板的螺釘26迫使板21同時繞軸線A轉動，螺釘26用復合熱結構材料塊制作。
蓋住通道11的遠離流體入口區一側的端板30通過致密硬化纖維預成型件的方法用復合熱結構材料制作。預成型件的制造方法例如是，將平的兩維板片疊置，然后用針縫法結合在一起。
在所示的例子中，端板30的厚度從其外周到其內圓周連續地增加。在固有的輪轂20和固有端板30之間可以插入中間環形板31，上述板31的外部形狀可使對著葉輪內部的板30的端面沒有突變點地連接輪轂10的外表面。通過復合熱結構材料作的螺釘26可迫使板31隨同板21一起轉動。可以看到，端板30的形狀可以通過疊置外直徑逐漸減少的環形板片的方法制得的預成型件獲得。
在致密硬化之后，將端板加工到其最終尺寸。端板30的內環形端面37特別作成截錐形，以使葉輪可以裝在一傳動軸上。通過用復合熱結構材料作的將端板30連接在板31上的螺釘36可強制端板30隨同輪轂20繞軸線A轉動。
每個葉片10為具有曲面的薄板形狀，其輪廓高度示意地示于圖3。每個葉片10的連接在輪轂20的內端具有加大的部分，該部分構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。每個鄰接流體入口區的葉片10的邊緣從根部13開始構成一個第一凹形部分14a，該部分結束于構成凸耳的徑向凸出部16。凸耳通過第二凹形部分14b與端緣12相連接。離開流體入口區的葉片的邊緣從根部13開始是徑向部分15a，該部分由凸形部分15b加長，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示出用復合熱結構材料構成葉片10的連續步驟。
起始材料是呈片狀和板狀的可形變纖維結構件，該結構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，該厚度是通過例如疊置和針縫二維纖維板片而形成的。
將纖維構件切成約為葉片的外形(步驟100)，然后使對應根部位置的邊緣劈開，使得可以裝入插入物I，位于狹縫兩側部分纖維構件沿該插入物進行折疊(步驟101)。隨后用樹脂預浸潰纖維結構件并用夾具T成形，以便得到接近待制造葉片形狀的形狀(步驟102)。在樹脂于夾具中固化之后便得到葉片的預成型件P。然后熱解樹脂，留下例如碳的殘渣，該殘渣足以使纖維緊固在一起，從而保證預成型件保持其形狀。然后在夾具的外面或者利用液體方法或者用化學蒸氣滲透法繼續致密硬化(步驟103)。
在致密硬化之后，準確加工葉片的外形，特別是形成凸耳16和邊緣12、14和15(步驟104)。
環形端板40具有對應于葉片邊緣部分14b外形的彎曲外形。該端板通過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。然后一個一個地疊置板21構成輪轂20，同時將葉片的根部13同時插入槽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。然后通過例如螺釘36使端板30安裝就位。可以看到，在端板40和30的內側表面上可以形成相應的槽44和35，葉片的相應邊緣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安裝在傳動軸50上以組合的狀態被固定在一起(僅在圖2中示出)。該傳動軸具有截錐形的肩部51，該肩部靠在端板30的相應截錐形的內環形表面37上。該傳動軸穿過輪轂20并具有伸出其端部的螺紋部分52。
在遠離端板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上并通過另一襯墊56對襯墊53施力。襯墊53和56通過錐形面彼此壓靠。
端板40僅通過與葉片凸耳16的緊扣嚙合便可固定。
在一個變形例中，可以用粘合劑將端板40固定在葉片上，此時可以同時采用或不采用將凸耳裝入端板切口中的機械嚙合方法。在使用粘合劑之后，最好進行化學蒸氣滲透操作，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性。
在另一種變型例中，因為葉片通過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可以由一個靜止部件構成，即該部件不受迫隨葉輪的其余部分轉動。
圖1和圖2所示的葉輪采用C-C復合材料制作，其直徑為950mm，軸向寬度為250mm。該葉輪已用于抽吸溫度為1200℃的氣體，轉速為3000轉/分，提供的流速為130000m3/h。
與相同尺寸的金屬葉輪相比，質量減輕的比例約為5∶1，即C-C復合材料約為40kg，而金屬葉輪為200kg。金屬葉輪機的質量意味著它的轉速實際上不會超過約800轉/分。
權利要求
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端板之間，葉片、輪轂和端板均用復合熱結構材料制造，該方法的特征在于a)輪轂這樣制造，將平的復合熱結構材料的環形板沿一根公用軸線疊置起來，然后緊固該板，使得它們可被強制同時繞該軸線轉動；b)采用以下步驟單個地制造每個葉片成形基本上為兩維的呈板狀或片狀的纖維織物，獲得葉片預成型件；用基體致密硬化該預成型件，獲得由復合熱結構材料作的葉片毛坯；加工已致密硬化的預成型件的外形；c)利用下列步驟制造每個端板采用基本上兩維的呈板狀或片狀的纖維織物制作環形的或基本上環形的預成型件；用基體致密硬化該預成型件，獲得由復合熱結構材料作的部件；d)將葉片組裝在端板之間的輪轂上，每個葉片通過構成葉片根部的部分連接在輪轂上。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，每個葉片通過將葉片根部插入在輪轂上形成的具有互補形狀的槽中而連接到輪轂上。
3.如權利要求1或2所述的方法，其特征在于，通過成形預浸漬纖維織物而制作每個葉片的預成型件。
4.如權利要求1至3中任一項所述的方法，其特征在于，通過將一種插入物置于用于制造葉片預成型件的纖維織物中形成的狹縫中而構成葉片根部。
5.如權利要求1至4中任一項所述的方法，其特征在于，構成輪轂的板與至少一個環形板組裝在一起，該至少一個環形板構成第一端板，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軸上而連接于該端板。
6.如權利要求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葉片之間通道的環形流體入口區。
7.如權利要求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。
9.一種用復合熱結構材料制造的葉輪， 該葉輪包括許多葉片(10)，該葉片圍繞兩個端板(30、40)之間的輪轂(20)配置，該葉輪的特征在于，它包括由復合熱結構材料作的平的環形板(21)，該板沿一條公共軸線疊置并彼此緊固在一起，使得可以被強制同時繞該軸線轉動，由此形成輪轂(20)，復合熱結構材料的葉片(10)通過構成葉片根部(13)的相應部分分別地連接于該輪轂。
10.如權利要求9所述的葉輪，其特征在于，上述復合熱結構材料的平的環形板(21、31、30)構成一個組合件，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葉片之間通過(11)的環形流體入口區。
12.如權利要求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葉片之間通道的環形流體入口區。
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、輪轂和端板均由復合熱結構材料制作。輪轂 的制造方法是沿一公共軸 疊置復合熱結構材料的平 環形板。葉片單個制作，方 法是，成型板狀或片狀的兩 維纖維物，作成預成型件，用 基體致密硬化預成型件，得 到復合熱結構材料的毛坯， 然后加工硬化的預成型件外形。制造端板的方法是，用板狀或 片狀的兩維纖維織物制作環形預成型件，然后用基體致密硬化 預成型件獲得復合熱結構材料的部件，葉片通過根部13裝在 輪轂上。
文檔編號F04D29/02GK1148673SQ96111239
公開日1997年4月30日 申請日期1996年8月28日 優先權日1995年8月30日
發明者讓-皮埃爾·莫姆斯, 居伊·馬丹 申請人:推進歐洲公司