转筒式高速复合材料转子制造技术

本实用新型专利技术公布一种转筒式高速复合材料转子，属于复合材料结构技术领域。转筒式高速复合材料转子包括上环箍、筒体、上端盖、上管轴、下环箍、下端盖和下芯轴，筒体的筒壁的材料是基体为环氧树脂的复合材料，由环向缠绕纤维层和轴向纤维铺层交替合成，上端盖和下端盖均为螺旋式扇形织构叠层与基体复合模压成型的复合材料圆环板。本实用新型专利技术最主要特点为：筒体采用碳纤维单向布作为筒体的轴向刚度强化铺层，增加转筒的轴向长度；端盖中的纤维为螺旋式扇形织构叠层，螺旋式扇形织构采用斜纹织构或斜纹/平纹织构混合织构，螺旋式扇形织构叠层收尾处缝纫强化，提高了纺织织构预制件的结构稳定性。本实用新型专利技术适用于高速离心机或高速飞轮。（*该技术在2024年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
转筒式高速复合材料转子
本技术属于复合材料结构
，特别涉及一种转筒式高速复合材料转子。
技术介绍
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IOOOMPa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TO97/47898 (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。
技术实现思路
本技术的目的在于解决
技术介绍
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。本技术的技术方案如下:转筒式高速复合材料转子包括上环箍1、筒体2、上端盖3、上管轴4、下环箍5、下端盖6和下芯轴7，各零件为轴对称结构，组装后具有共同的旋转中心轴线；所述筒体2的外壁半径R为100~150mm，筒体中部内壁半径为R3, R与R3之差，即筒体壁厚d为5~60mm，内壁的上端口和下端口为台阶结构，自上向下，上端口的内壁半径分别为R1和R2，下端口的内壁半径分别为R4和R5，从R1至R5, R1^ R2> R3、R4、R5依次按相同的增加量递增，增加量为0.4~0.8mm,筒体2的长度与直径比为3:1到5:1 ;上端盖3和下端盖6均为圆环板,上端盖3和下端盖6的厚度为5~IOmm,上端盖3的外圆直径为2R2，内圆直径为20~60mm，下端盖6的外圆直径为2R4，内圆直径为20~60mm ；上管轴4由圆管段和圆环段构成，圆管段为两端相通的圆管，圆管段的外直径与上端盖3的内圆直径相同，下芯轴7由末端轴段和连接段构成，连接段的外直径与下端盖6的内圆直径相同，末端轴直径为5~IOmm ；上端盖3的外圆与筒体2上端口半径R2的内壁密封固接，下端盖6的外圆与筒体2下端口半径R4的内壁密封固接，上管轴4的圆管段在上端盖3圆孔中与上端盖3密封固接，上管轴4作为转子上支承的结构件和液体进出口，下芯轴7的连接段在下端盖6圆孔中与下端盖6密封固接，下芯轴7作为转子下支承的结构件；上环箍I固接在筒体2外壁上端，下环箍5固接在筒体2外壁下端；所述筒体2的筒壁的材料是基体为环氧树脂的复合材料，由环向缠绕纤维层21和轴向纤维铺层22交替合成，总层数为2η+1，η为5~30的正整数，单层厚度为0.3~1.8mm,其中，从内层到外层，奇数层为环向缠绕纤维层21，偶数层为轴向纤维铺层22，环向缠绕纤维层21和轴向纤维铺层22的单层厚度相同或者不相同，所述环向缠绕纤维层21的纤维为高强度碳纤维，纤维环向缠绕，所述轴向纤维铺层22的纤维为高模量碳纤维单向布，单向布的主纤维取向为轴向设置；环向纤维缠绕层21提供承担转子高速旋转时的离心应力所需要的力学强度，采用碳纤维单向布的轴向纤维铺层22提供转子的轴向抗弯刚度，保证筒体的弯曲临界频率充分高于转子的最高工作频率；所述上端盖3和下端盖6均为螺旋式扇形织构叠层与基体复合模压成型的复合材料圆环板，复合材料的基体为环氧树脂、铝合金或镁合金；所述螺旋式扇形织构叠层的螺旋式扇形织构为正交织构，采用斜纹或斜纹/平纹混合织造工艺，螺旋式扇形织构的经纱与纬纱的交织方式为二上二下的斜纹织造或斜纹与单上单下的平纹混合织造，螺旋式扇形织构叠层的层数为5~20，单层厚度0.5~2.0mm,经纱和纬纱的材料为高强度碳纤维；在螺旋式扇形织本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种转筒式高速复合材料转子，包括上环箍(1)、筒体(2)、上端盖(3)、上管轴(4)、下环箍(5)、下端盖(6)和下芯轴(7)，各零件为轴对称结构，组装后具有共同的旋转中心轴线，其特征在于，所述筒体(2)的外壁半径R为100～150mm，筒体中部内壁半径为R3，R与R3之差，即筒体壁厚d为5～60mm，内壁的上端口和下端口为台阶结构，自上向下，上端口的内壁半径分别为R1和R2，下端口的内壁半径分别为R4和R5，从R1至R5，R1、R2、R3、R4、R5依次按相同的增加量递增，增加量为0.4～0.8mm，筒体(2)的长度与直径比为3∶1到5∶1； 所述上端盖(3)和下端盖(6)均为圆环板，上端盖(3)和下端盖(6)的厚度为5～10mm，上端盖(3)的外圆直径为2R2，内圆直径为20～60mm，下端盖(6)的外圆直径为2R4，内圆直径为20～60mm； 所述上管轴(4)由圆管段和圆环段构成，圆管段为两端相通的圆管，圆管段的外直径与上端盖(3)的内圆直径相同，所述下芯轴(7)由末端轴段和连接段构成，连接段的外直径与下端盖(6)的内圆直径相同，末端轴直径为5～10mm； 上端盖(3)的外圆与筒体(2)上端口半径R2的内壁密封固接，下端盖(6)的外圆与筒体(2)下端口半径R4的内壁密封固接，上管轴(4)的圆管段在上端盖(3)圆孔中与上端盖(3)密封固接，上管轴(4)作为转子上支承的结构件和液体进出口，下芯轴(7)的连接段在下端盖(6)圆孔中与下端盖(6)密封固接，下芯轴(7)作为转子下支承的结构件，上环箍(1)固接在筒体(2)外壁上端，下环箍(5)固接在筒体(2)外壁下端。...

【技术特征摘要】
1.一种转筒式高速复合材料转子，包括上环箍(I)、筒体(2)、上端盖(3)、上管轴(4)、下环箍(5)、下端盖(6)和下芯轴(7)，各零件为轴对称结构，组装后具有共同的旋转中心轴线，其特征在于，所述筒体(2)的外壁半径R为100~150mm，筒体中部内壁半径为R3, R与R3之差，即筒体壁厚d为5~60mm,内壁的上端口和下端口为台阶结构，自上向下,上端口的内壁半径分别为R1和R2，下端口的内壁半径分别为R4和R5，从R1至R5, R1^ R2> R3> R4>R5依次按相同的增加量递增，增加量为0.4~0.8mm，筒体(2)的长度与直径比为3:1到5:1; 所述上端盖⑶和下端盖(6)均为圆环板，上端盖(3)和下端盖(6)的厚度为5~IOmm,上端盖(3)的外圆直径为2R2,内圆直径为20~60mm,下端盖(6)的外圆直径为2R4,内圆直径为20~60mm ； 所述上管轴(4)由圆管段和圆环段构成，圆管段为两端相通的圆管，圆管段的外直径与上端盖(3)的内圆直径相同，所述下芯轴(7)由末端轴段和连接段构成，连接段的外直径与下端盖(6)的内圆直径相同,末端轴直径为5~IOmm ； 上端盖(3)的外圆与筒体(2)上端口半径R2的内壁密封固接，下端盖(6)的外圆与筒体(2)下端口半径R4的内壁密封固接，上管轴(4)的圆管段在上端盖(3)圆孔中与上端盖(3)密封固接，上管轴(4)作为转子上支承的结构件和液体进出口，下芯轴(7)的连接段在下端盖(6)圆孔中与下端盖(6)密封固接，下芯轴(7)作为转子下支承的结构件，上环箍(I)固接在筒体(2)外壁上 端，下环箍(5)固接在筒体(2)外壁下端。2.根据权利要求1所述的转筒式高速复合材料转子，其特征在于，所述筒体(2)的筒壁的材料是基体为环氧树脂的复合材料，由环向缠绕纤维层(21)和轴向纤...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴兴建，张小章，郭兴峰，汪勇，
申请(专利权)人：清华大学，天津工业大学，
类型：新型
国别省市：北京;11