[发明专利]复合热结构材料作的特别是大直径的叶轮及其制造方法

说明书

本发明涉及叶轮，具体涉及在通常温度大于1000℃的高温下操作的叶轮。

这种叶轮的一个应用领域是在炉子或在高温下进行物理化学处理的类似装置中搅拌气体或排风，环境介质由例如惰性气体或非活性气体构成。

这种叶轮通常用金属制作，一般由许多部件构成，这些部件用焊接方法组装在一起。采用金属会产生许多缺点。例如大质量的转动部件要求很大的传动轴和很大动力的马达，而且至少使速度受到限制。由于有金属蠕变的危险，所以温度也受到限制。

另外，由于金属对热冲击的敏感，可能会引起破裂或形变。这使得转动质量失去平衡，导致叶轮和其驱动马达寿命降低。然而在上述应用中很可能会发生激烈的热冲击，特别是在为了急速降低炉内温度以便减少处理周期的持续时间而喷入大量冷的气体时。

为了避免由金属产生的问题，已经提出采用其它材料，特别是采用复合热结构材料未制造叶轮。这些材料一般由纤维增强织物或“预成型件”构成，这些织物将利用一种基体致密硬化，这些材料的特征在于它的很适合于构成结构部件的机械特性和在高温下保持这种特性的能力。例如，通常的复合热结构材料是由碳纤维增强件和碳基体组成的碳-碳(C-C)复合材料，以及由碳纤维或陶瓷纤维增强件和陶瓷基体组成的陶瓷基体复合材料(CMC_s)。

与金属相比，复合热结构材料具一些重要优点，密度相当低，高温稳定性相当好。质量减小和蠕变危险的消除使得可以在很高转速下操作，可以达到很高的排气速度而不要求过大的驱动部件。另外，复合热结构材料具有很强的抗热冲击性。

因此复合热结构材料在操作性能方面具有显著的优点，但是因为其成本相当高而使其应用受到限制。其成本除所用原料的成本而外，主要来自致密硬化周期的持续时间长和制造纤维预成型件时所遇到的困难，特别是在要制作的部件形状复杂如在制作叶轮时。

因此本发明的目的是提出一种特别适合于用复合热结构材料制作的叶轮结构，使得可以受益于这种材料的优点而制造成本又是尽可能地低。

本发明另外一个目的是提供一种适合于制造大直径叶轮机的叶轮结构，即在这种结构中直径可以比1m大得多。

在本发明的一个方面中，本发明提供了一种制造叶轮的方法，该叶轮包括许多叶片，叶片绕轮毂配置并位于两个端板之间，叶片、轮毂和端板均用复合热结构材料制作，该方法的特征在于：

a)轮毂的制造方法是，沿一个共同的轴叠置平的环形的复合热结构材料板并紧固这些板，使得这些板可以被强制同时绕该轴线转动；

b)采用以下步骤单个地制造每个叶片：

成形基本上为两维的呈板状或片状的纤维织物，得到纤维预成型件；

用基体致密硬化该预成型件，得到用复合热结构材料作的叶片毛坯；

机械加工已致密硬化的预成型件的外形；

c)采用以下步骤制造每个端板；

利用基本上两维的呈板状或片状的纤维织物制作环形的或基本上环形的预成型件；

用基体致密硬化该预成型件，得到用复合热结构材料作的部件；

d)将叶片装在端板之间的轮毂上，每个叶片通过构成叶片根部的部分连接在轮毂上。

这样，叶轮的主要部分是通过将形状简单的部件组装在一起而构成的，例如平的环形板构成轮毂，或用形状简单的纤维预成型件(两维的片材或板材)制作部件例如叶片和端板。

这就避免了在制造和致密硬化形状复杂的预成型件时所遇到的困难，或避免了用复合热结构材料固体块加工形状复杂的部件时所造成的材料损失。

每个叶片通过将叶片根部插入在轮毂上形成的具有互补形状的槽中而连接到轮毂上。按照本法特有的特征，叶片的根部这样构成，即将一个插入件插在用于制造叶片预成型件的纤维织物中形成的狭缝中。

按照方法的另一个特征，构成轮毂的板至少和一个构成第一端板的环形板组装在一起，该第一端板通过沿轴向紧固在叶轮安装轴上的方法而封盖叶轮一端的在叶片之间的通道。

第二端板与轮毂相配合，形成用于抽吸流体通过叶片之间通道的环形流体入口区，第二端板装在叶片上，方法是将在叶片相邻边缘上形成的凸耳啮合在端板上形成的切口中和/或用粘合剂粘合。在一种变型例中，第二端板是静止的。

在另一方面，本发明提供了一种由复合热结构材料作的叶轮，该叶轮包括许多叶片，叶片围绕轮毂配置并位于两个端板之间，该叶轮的特征在于，它包括由复合热结构材料作的平的环形板，该环形板沿一公共轴线叠置并彼此紧固，使得可以被强制同时绕该轴线转动，由此构成轮毂，由复合热结构材料作的叶片分别通过构成叶片根部的相应部分连接在轮毂上。