[发明专利]转筒式高速复合材料转子及其制作方法

说明书

技术领域

本发明属于复合材料结构技术领域，特别涉及一种转筒式高速复合材料转子及其制作方法。

背景技术

工业中存在许多小型高速旋转机械：比如飞轮储能电源机组、离心机和涡轮分子泵等，为承担转子高速旋转时巨大的离心应力，转子结构材料一般采用高比强度（高强度、低密度）的超硬铝、钛合金以及纤维增强复合材料。

旋转结构件的应力跟随转速上升而按平方关系增加，受金属材料强度和密度的制约，飞轮储能密度难以超过40Wh/kg，转筒结构的转子外缘线速度难以超过500m/s。玻璃纤维和碳纤维等高性能纤维已被广泛应用于制造复合材料高速转子。

目前比较成熟的高速飞轮或离心机转子制造工艺是采用预浸环氧树脂的纤维环向缠绕芯模，获得预定厚度的转筒后高温固化脱模而成，连接转筒与芯轴一般采用金属制成的轮毂或端盖结构。金属材料轮毂或端盖的强度有限、刚度协调能力不足限制了转子速度的进一步提高。纤维缠绕转子的轴向刚度不足还限制了转筒长度的增加。

纤维缠绕的复合材料转子是各向异性的，其环向与纤维方向一致，因此强度很高，可以达到1000MPa以上；而径向强度主要由环氧树脂与纤维/树脂界面提供，通常低于30MPa。均匀材料圆盘形转子工作在高速旋转状态，其环向拉应力与径向拉应力与转速的平方成正比，最大径向拉应力还与转子径向厚度的平方成正比。对于纤维环向缠绕的复合材料转子，其较低的径向强度大大制约了径向厚度，因此不适合作为大径向尺寸的轮毂以及转子端盖。国内外学者对此问题进行了大量研究，提出了多层圆环复合材料转子设计方法，采用一组环向缠绕的薄圆环组成，各圆环层间再采用过盈装配，以产生层间预压应力来平抑转子旋转时产生径向拉应力，也可以采用纤维张紧缠绕来实现层间的预压应力。

为解决纯环向缠绕复合材料径向强度不足的问题的另一个思路是在径向引入强化纤维，一种方式是纯径向纤维铺层与环向缠绕层混合叠层；另一种的方式是引入纺织工艺，在环向分布主要纤维的同时径向织构适当纤维强化径向强度，织造出圆环板形织物螺旋叠层，并与环氧树脂复合得到高径向强度圆环板（空心薄圆盘）转子。

专利US5702795提出一种螺旋正交机织纤维织构预制件，用作储能飞轮，该织构的特点是层内环向纱线纤维排列密度沿径向增大而增加。该专利没有明确说明纺织结构中纱线的交织细节，螺旋叠层最外层的收尾问题没有解决方案。

国际专利WO97/47898（PCT/US97/11500）及中国专利CN1228147A公布了一种螺旋形编织复合材料飞轮轮缘，该结构的特点是轮缘织构的径向中间部分分布较多的径向纤维，以承担较大的径向应力，单层织构采用正交二维平纹织构或三维正交织构，该专利同样没有解决螺旋叠层的收尾问题。平纹织构及三维正交织构稳定性高，但因交织点密，纤维弯曲较严重而导致纤维强度损失较多。

日本专利JP2251631-A的纺织圆盘织构的环向纤维采用单一连续纤维束由内向外螺旋排布，形成一单层完整圆盘，避免了螺旋叠层结构的收尾问题。

中国专利02129080.6“一种机织物及其织造方法”为螺旋叠层圆环织构提供了纤维织物的成熟方法。

工程实践表明，螺旋叠层或环向缠绕转子的最外层收尾处理不好，高速旋转结构件的局部破坏或材料脱落引起的失衡量将会对转子的高速运行造成严重的破坏。这是因为环向纤维最外层不连续，在收尾处局部强度取决于纤维与基体的连接强度，该强度远远低于纤维的强度，从而成为局部强度弱点。收尾处的局部强化是螺旋叠层圆环板结构实用化的前提条件。环向缠绕叠层的收尾采用插入次外层与和次外层相邻的缝隙之间并通过与张力锁紧方法处理，但轴向螺旋叠层无法采用类似的方法处理。

纤维环向缠绕的转筒的因纤维高刚度方向与转筒轴向垂直，轴向刚度完全由低刚度的环氧树脂提供，纤维环向缠绕转子轴向刚度不足限制了转筒的长度增加，因为较长的低轴向刚度转筒的弯曲临界频率较低，从而限制了转子的最高工作频率。而转筒长度增加对提高离心机的分离能力和提高转子储能量是十分必要的，增加转筒长度又不减少弯曲临界频率的技术方法是提高转筒的轴向刚度，即沿轴向铺设必要的强化纤维。

因此，对于用作飞轮轮毂或离心机转子复合材料结构，为了达到高速性能，需要一种对转筒的筒壁结构和端板的螺旋叠层进行强化处理的技术方案，提高转筒式高速复合材料转子的转筒的轴向刚度和端板螺旋叠层的强度。

发明内容

本发明的目的在于解决背景技术所述的达到飞轮轮毂或离心机转子复合材料结构的高速性能的问题，提供一种转筒式高速复合材料转子及其制作方法。

本发明的技术方案如下：