[實用新型]轉筒式高速復合材料轉子

有效

• 申請號: 201420148055.2
• 申請日: 2014-03-28
• 公開（公告）號: CN203770524U
• 公開（公告）日: 2014-08-13
• 發明（設計）人: 戴興建;張小章;郭興峰;汪勇
• 申請（專利權）人: 清華大學;天津工業大學
• 主分類號: F16F15/305
• 分類號: F16F15/305;B04B7/08;D03D15/00;D03D13/00
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 朱印康

技術領域

本實用新型屬于復合材料結構技術領域，特別涉及一種轉筒式高速復合材料轉子。

背景技術

工業中存在許多小型高速旋轉機械：比如飛輪儲能電源機組、離心機和渦輪分子泵等，為承擔轉子高速旋轉時巨大的離心應力，轉子結構材料一般采用高比強度（高強度、低密度）的超硬鋁、鈦合金以及纖維增強復合材料。

旋轉結構件的應力跟隨轉速上升而按平方關系增加，受金屬材料強度和密度的制約，飛輪儲能密度難以超過40Wh/kg，轉筒結構的轉子外緣線速度難以超過500m/s。玻璃纖維和碳纖維等高性能纖維已被廣泛應用于制造復合材料高速轉子。

目前比較成熟的高速飛輪或離心機轉子制造工藝是采用預浸環氧樹脂的纖維環向纏繞芯模，獲得預定厚度的轉筒后高溫固化脫模而成，連接轉筒與芯軸一般采用金屬制成的輪轂或端蓋結構。金屬材料輪轂或端蓋的強度有限、剛度協調能力不足限制了轉子速度的進一步提高。纖維纏繞轉子的軸向剛度不足還限制了轉筒長度的增加。

纖維纏繞的復合材料轉子是各向異性的，其環向與纖維方向一致，因此強度很高，可以達到1000MPa以上；而徑向強度主要由環氧樹脂與纖維/樹脂界面提供，通常低于30MPa。均勻材料圓盤形轉子工作在高速旋轉狀態，其環向拉應力與徑向拉應力與轉速的平方成正比，最大徑向拉應力還與轉子徑向厚度的平方成正比。對于纖維環向纏繞的復合材料轉子，其較低的徑向強度大大制約了徑向厚度，因此不適合作為大徑向尺寸的輪轂以及轉子端蓋。國內外學者對此問題進行了大量研究，提出了多層圓環復合材料轉子設計方法，采用一組環向纏繞的薄圓環組成，各圓環層間再采用過盈裝配，以產生層間預壓應力來平抑轉子旋轉時產生徑向拉應力，也可以采用纖維張緊纏繞來實現層間的預壓應力。

為解決純環向纏繞復合材料徑向強度不足的問題的另一個思路是在徑向引入強化纖維，一種方式是純徑向纖維鋪層與環向纏繞層混合疊層；另一種的方式是引入紡織工藝，在環向分布主要纖維的同時徑向織構適當纖維強化徑向強度，織造出圓環板形織物螺旋疊層，并與環氧樹脂復合得到高徑向強度圓環板（空心薄圓盤）轉子。

專利US5702795提出一種螺旋正交機織纖維織構預制件，用作儲能飛輪，該織構的特點是層內環向紗線纖維排列密度沿徑向增大而增加。該專利沒有明確說明紡織結構中紗線的交織細節，螺旋疊層最外層的收尾問題沒有解決方案。

國際專利WO97/47898（PCT/US97/11500）及中國專利CN1228147A公布了一種螺旋形編織復合材料飛輪輪緣，該結構的特點是輪緣織構的徑向中間部分分布較多的徑向纖維，以承擔較大的徑向應力，單層織構采用正交二維平紋織構或三維正交織構，該專利同樣沒有解決螺旋疊層的收尾問題。平紋織構及三維正交織構穩定性高，但因交織點密，纖維彎曲較嚴重而導致纖維強度損失較多。

日本專利JP2251631-A的紡織圓盤織構的環向纖維采用單一連續纖維束由內向外螺旋排布，形成一單層完整圓盤，避免了螺旋疊層結構的收尾問題。

中國專利02129080.6“一種機織物及其織造方法”為螺旋疊層圓環織構提供了纖維織物的成熟方法。

工程實踐表明，螺旋疊層或環向纏繞轉子的最外層收尾處理不好，高速旋轉結構件的局部破壞或材料脫落引起的失衡量將會對轉子的高速運行造成嚴重的破壞。這是因為環向纖維最外層不連續，在收尾處局部強度取決于纖維與基體的連接強度，該強度遠遠低于纖維的強度，從而成為局部強度弱點。收尾處的局部強化是螺旋疊層圓環板結構實用化的前提條件。環向纏繞疊層的收尾采用插入次外層與和次外層相鄰的縫隙之間并通過與張力鎖緊方法處理，但軸向螺旋疊層無法采用類似的方法處理。

纖維環向纏繞的轉筒的因纖維高剛度方向與轉筒軸向垂直，軸向剛度完全由低剛度的環氧樹脂提供，纖維環向纏繞轉子軸向剛度不足限制了轉筒的長度增加，因為較長的低軸向剛度轉筒的彎曲臨界頻率較低，從而限制了轉子的最高工作頻率。而轉筒長度增加對提高離心機的分離能力和提高轉子儲能量是十分必要的，增加轉筒長度又不減少彎曲臨界頻率的技術方法是提高轉筒的軸向剛度，即沿軸向鋪設必要的強化纖維。

因此，對于用作飛輪輪轂或離心機轉子復合材料結構，為了達到高速性能，需要一種對轉筒的筒壁結構和端板的螺旋疊層進行強化處理的技術方案，提高轉筒式高速復合材料轉子的轉筒的軸向剛度和端板螺旋疊層的強度。

實用新型內容

本實用新型的目的在于解決背景技術所述的達到飛輪輪轂或離心機轉子復合材料結構的高速性能的問題，提供一種轉筒式高速復合材料轉子及其制作方法。

本實用新型的技術方案如下：