一种复合材料风机叶轮的制作方法

本发明涉及叶轮技术领域，具体涉及一种复合材料风机叶轮。

背景技术：

风机是对气体压缩和气体输送机械的习惯简称，其工作原理是通过高速旋转的叶轮使气体的速度加快，然后使其减速，与此同时改变气体的流向，就可使动能转换为势能。

叶轮是轮盘与安装其上的转动叶片的总称，可将机械能转化为气体的静压能和动能。其作为工业生产中必不可少的设备，大多用于泵、压缩机等机械中。

目前的传统叶轮在大批量工业化生产的同时，加工精度得不到准确保证，在设计上也存在一定缺陷：(1)叶轮结构设计上存在缺陷，导致能效转换率低，且旋转是稳定性差，能耗高；(2)大多采用钢制或轻铝合金叶轮，重量大且降低了装配效率，耐蚀耐磨性较差；(3)采用peek材料的叶轮性能虽有所提升，但还是存在缺陷：peek材料虽然具有优良的物理、力学性能，且耐热、耐腐蚀、耐磨损及抗疲劳等优异性能，但是当叶轮的转速很高时，其机械强度不够，不能满足高转速下的使用要求。

因此提高风机的性能并使叶轮的各项性能得到优化，是风机行业极为关注且亟待解决的问题。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提出了一种复合材料风机叶轮，通过对结构设计及材料上的优化，提高了叶轮的能效转换率，并且使得叶轮旋转的稳定性好，能耗低。

为实现上述技术方案，本发明提供了一种复合材料风机叶轮，包括轮盘，所述轮盘的中部设置有转轴连接部，所述转轴连接部中心设置有轴孔，轴孔的后端面设置有端面齿，所述轮盘的前侧端面上设置有多个由内向外渐缩且由内向外逐步翻转的弧形主叶片，多个主叶片以轴孔为中心呈圆周阵列分布，相邻两主叶片之间均安装有由内向外渐缩且由内向外逐步翻转的弧形分流叶片，所述分流叶片的体积小于主叶片，且分流叶片安装在由相邻两主叶片之间形成的流道的中心线上。

在上述技术方案中，通过设置端面齿，可以缩短转轴轴向的连接尺寸，紧凑可靠，拆装方便，即能迅速啮合上，又能很快脱离开。通过对主叶片及分流叶片的采用三元流设计，通过将主叶片设计成由内向外渐缩且由内向外逐步翻转的弧形状，可以保证叶轮高速旋转时具有良好的气动性能；并将多个主叶片设计成以轴孔为中心呈圆周阵列分布，可以使得叶轮在高速旋转时具有良好的稳定性。通过在相邻两主叶片之间形成的流道的中心线上安装有形状与主叶片相同但是体积更小的分流叶片，可以加强对气流的扰动，进一步提高叶轮旋转时的气动性能，提高叶轮的能效转换率，降低能耗。

优选的，所述主叶片包括叶片本体和设置在叶片本体尾部的尾鳍，所述尾鳍沿流道方向逐步翻转竖立，所述主叶片上叶片本体的内端部宽度a与主叶片上叶片本体的外端部宽度b之间的比例为5：1。通过在叶片本体尾部设置沿流道方向逐步翻转竖立尾鳍，根据空气动力学设计，使得叶片本体宽度较大的内端部与叶片本体宽度较小的外端部之间形成空气流动的互补效应，使得气流朝前流动时更加均匀，增强空气流动时的气动性能。在实际的工作过程中发现，叶片本体的内端部宽度a与叶片本体的外端部宽度b之间的比例对空气流动时的气动性能具有较大的影响，当主叶片上叶片本体的内端部宽度a与主叶片上叶片本体的外端部宽度b之间的比例过大时，叶轮在旋转过程中，中间部分的风力过大，叶轮外侧的风力过小，会导致中部的风力向外侧外溢，降低叶轮的能效转换率。当主叶片上叶片本体的内端部宽度a与主叶片上叶片本体的外端部宽度b之间的比例过小时，叶轮在旋转过程中，中间部分的风力小，叶轮外侧的风力大，会导致外部的风力向内侧收拢，同样降低叶轮的能效转换率。经过试验测试后发现，当主叶片上叶片本体的内端部宽度a与主叶片上叶片本体的外端部宽度b之间的比例为5：1，叶轮旋转时，叶轮中间部分与叶轮外侧的风力相当，可以避免出现风力外溢或者向内收拢的情况，使得风力平直的向前输送，进而可以提高叶轮旋转时的气动性能，提高叶轮的能效转换率，降低能耗。

优选的，所述分流叶片包括叶片本体和设置在叶片本体尾部的尾鳍，所述尾鳍沿流道方向逐步翻转竖立，所述分流叶片上叶片本体的内端部宽度a与分流叶片上叶片本体的外端部宽度b之间的比例为4：1，且分流叶片上叶片本体的外端部宽度与主叶片上叶片本体的外端部宽度相同。经过试验得出，当分流叶片上叶片本体的外端部宽度与主叶片上叶片本体的外端部宽度相同，且主叶片上叶片本体的内端部宽度a与主叶片上叶片本体的外端部宽度b之间的比例为5：1，分流叶片上叶片本体的内端部宽度a与分流叶片上叶片本体的外端部宽度b之间的比例为4：1时，整个叶轮的气动性能达到最佳，叶轮的能效转换率达到最佳，且能耗较低。

优选的，所述转轴连接部前侧端面上设置有向外凸起的圆柱凸台，所述圆柱凸台上均匀设置有四个固定螺孔，便于与转轴的对接。

优选的，所述轮盘的背面设置有向外凸起的螺纹对接盘，便于轮盘与外部设备的整体快速对接安装。

优选的，所述轮盘的前侧端面上设置有七个由内向外渐缩且由内向外逐步翻转的弧形主叶片，相邻两主叶片之间形成的流道的中心线上均安装有一个分流叶片。

优选的，所述叶轮出口直径d1为234mm，叶轮进口直径d2为123.6mm，主叶片尾部与分流叶片尾部形成的流道出口宽度d3为16.65mm。

优选的，所述轮盘、主叶片和分流叶片之间采用质量比为7:3的聚醚醚酮树脂和短碳纤维材料复合后经熔芯铸造后一体成型。聚醚醚酮(peek)树脂是一种性能优异的特种工程塑料，碳纤维是一种高强度、高模量、高耐磨纤维。当工程上制造高性能零部件时，对peek常常进行共混、填充等复合增强改性，使其性能更加优越。短碳纤维增强克服了普通热塑性树脂弹性模量低等缺点，进一步增强peek的机械、摩擦等性能。当叶轮的转速很高时，短碳纤维增强peek复合材料有效的保证了叶轮的机械强度。且叶轮采用悬臂结构，叶轮重量轻对于高速旋转的转子在转子动力学设计上具有非常大的优势，可以在保证叶轮强度的前提下，减少驱动能耗，尤其是在轻质高强、抗疲劳、减振降噪、耐腐蚀以及材料与结构的可设计性等方面有优越的性能。

本发明提供的一种复合材料风机叶轮的有益效果在于：

(1)本复合材料风机叶轮对叶轮结构进行了优化改进，通过对主叶片及分流叶片采用三元流设计，通过将主叶片设计成由内向外渐缩且由内向外逐步翻转的弧形状，可以保证叶轮高速旋转时具有良好的气动性能；并将多个主叶片设计成以轴孔为中心呈圆周阵列分布，可以使得叶轮在高速旋转时具有良好的稳定性。通过在相邻两主叶片之间形成的流道的中心线上安装有形状与主叶片相同但是体积更小的分流叶片，可以加强对气流的扰动，进一步提高叶轮旋转时的气动性能，提高叶轮的能效转换率，降低能耗。

(2)本复合材料风机叶轮通过在轴孔后端设置端面齿，可以缩短转轴轴向的连接尺寸，紧凑可靠，拆装方便，即能迅速啮合上，又能很快脱离开，在实际传动过程中，通过端面齿与电机轴上设置的齿牙啮合传动，端面齿与电机轴是靠端面齿形传递转矩，而不是通过拉紧螺栓传递，正常工况下连接螺栓不受剪切力，只受轴向拉紧力，传递的转矩由多个齿牙来分担，受力非常均匀，避免了应力集中，因此螺栓不易失效，此外端面齿还可以起到定心作用，避免了连接件转轴不同心带来的偏摆。

(3)本复合材料风机叶轮通过对主叶片和分流叶片的结构设计，使得叶轮旋转时，叶轮中间部分与叶轮外侧的风力相当，可以避免出现风力外溢或者向内收拢的情况，使得风力平直的向前输送，进而可以提高叶轮旋转时的气动性能，提高叶轮的能效转换率，降低能耗。

(4)本复合材料风机叶轮采用性能良好的短碳纤维增强peek复合材料，和传统的钢材相比，两者机械性能等同，但复合材料的重量只有钢材的六分之一，且叶轮采用悬臂结构，叶轮重量轻对于高速旋转的转子在转子动力学设计上具有非常大的优势，可以在保证叶轮强度的前提下，减少驱动能耗，尤其是在轻质高强、抗疲劳、减振降噪、耐腐蚀以及材料与结构的可设计性等方面有优越的性能。

附图说明

图1为本发明的立体结构前视图；

图2为本发明的前视图；

图3为本发明的立体结构后视图；

图4为本发明的剖视图；

图5为本发明中主叶片的立体结构图；

图中：1、轮盘；2、主叶片；21、叶片本体；22、尾鳍；3、分流叶片；4、转轴连接部；41、轴孔；42、固定螺孔；5、端面齿；6、螺纹对接盘。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明的保护范围。

实施例：一种复合材料风机叶轮。

参照图1至图5所示，一种复合材料风机叶轮，包括轮盘1，所述轮盘1的背面设置有向外凸起的螺纹对接盘6，便于轮盘1与外部设备的整体快速对接安装，所述轮盘1的中部设置有转轴连接部4，所述转轴连接部4中心设置有轴孔41，转轴连接部4前侧端面上设置有向外凸起的圆柱凸台，所述圆柱凸台上均匀设置有四个固定螺孔42，便于实际安装过程中与转轴的对接，轴孔41的后端面设置有端面齿5，通过端面齿5可以缩短转轴轴向的连接尺寸，紧凑可靠，拆装方便，即能迅速啮合上，又能很快脱离开，在实际传动过程中，通过端面齿5与电机轴上设置的齿牙啮合传动，端面齿5与电机轴是靠端面齿形传递转矩，而不是通过拉紧螺栓传递，正常工况下连接螺栓不受剪切力，只受轴向拉紧力，传递的转矩由多个齿牙来分担，受力非常均匀，避免了应力集中，因此螺栓不易失效，此外端面齿还可以起到定心作用，避免了连接件转轴不同心带来的偏摆；所述轮盘1的前侧端面上设置有七个由内向外渐缩且由内向外逐步翻转的弧形主叶片2，七个主叶片2以轴孔41为中心呈圆周阵列分布，相邻两主叶片2之间均安装有由内向外渐缩且由内向外逐步翻转的弧形分流叶片3，所述分流叶片3的体积小于主叶片2，且分流叶片3安装在由相邻两主叶片2之间形成的流道的中心线上。通过对主叶片2及分流叶片3的采用三元流设计，通过将主叶片2设计成由内向外渐缩且由内向外逐步翻转的弧形状，可以保证叶轮高速旋转时具有良好的气动性能；并将七个主叶片2设计成以轴孔41为中心呈圆周阵列分布，可以使得叶轮在高速旋转时具有良好的稳定性。通过在相邻两主叶片2之间形成的流道的中心线上安装有形状与主叶片2相同但是体积更小的分流叶片3，可以加强对气流的扰动，进一步提高叶轮旋转时的气动性能，提高叶轮的能效转换率，降低能耗。

参照图4和图5所示，本实施例中，所述叶轮出口直径d1为234mm，叶轮进口直径d2为123.6mm，主叶片尾部与分流叶片尾部形成的流道出口宽度d3为16.65mm，并且所述主叶片2包括叶片本体21和设置在叶片本体尾部的尾鳍22，所述尾鳍22沿流道方向逐步翻转竖立，所述主叶片2上叶片本体21的内端部宽度a与主叶片上叶片本体21的外端部宽度b之间的比例为5：1，具体而言，主叶片2上叶片本体21的内端部宽度a为15mm，主叶片2上叶片本体21的外端部宽度b为3mm。通过在叶片本体21尾部设置沿流道方向逐步翻转竖立尾鳍22，根据空气动力学设计，使得叶片本体21宽度较大的内端部与叶片本体21宽度较小的外端部之间形成空气流动的互补效应，使得气流朝前流动时更加均匀，增强空气流动时的气动性能。在实际的工作过程中发现，叶片本体21的内端部宽度a与叶片本体21的外端部宽度b之间的比例对空气流动时的气动性能具有较大的影响，当主叶片2上叶片本体21的内端部宽度a与主叶片2上叶片本体21的外端部宽度b之间的比例过大时，叶轮在旋转过程中，中间部分的风力过大，叶轮外侧的风力过小，会导致中部的风力向外侧外溢，降低叶轮的能效转换率。当主叶片2上叶片本体21的内端部宽度a与主叶片2上叶片本体21的外端部宽度b之间的比例过小时，叶轮在旋转过程中，中间部分的风力小，叶轮外侧的风力大，会导致外部的风力向内侧收拢，同样降低叶轮的能效转换率。经过试验测试后发现，当主叶片2上叶片本体21的内端部宽度a与主叶片2上叶片本体21的外端部宽度b之间的比例为5：1时，叶轮旋转时，叶轮中间部分与叶轮外侧的风力相当，可以避免出现风力外溢或者向内收拢的情况，使得风力平直的向前输送，进而可以提高叶轮旋转时的气动性能，提高叶轮的能效转换率，降低能耗。

本实施例中，所述分流叶片3的构造与主叶片2相同，包括叶片本体21和设置在叶片本体尾部的尾鳍22，所述尾鳍22沿流道方向逐步翻转竖立，所述分流叶片3上叶片本体21的内端部宽度a与分流叶片3上叶片本体21的外端部宽度b之间的比例为4：1，且分流叶片3上叶片本体21的外端部宽度与主叶片2上叶片本体21的外端部宽度相同，具体而言，分流叶片3上叶片本体21的内端部宽度a为12mm，分流叶片3上叶片本体21的外端部宽度b为3mm。经过试验得出，当分流叶片3上叶片本体21的外端部宽度与主叶片2上叶片本体21的外端部宽度相同，且主叶片2上叶片本体21的内端部宽度a与主叶片2上叶片本体21的外端部宽度b之间的比例为5：1，分流叶片3上叶片本体21的内端部宽度a与分流叶片3上叶片本体21的外端部宽度b之间的比例为4：1时，整个叶轮的气动性能达到最佳，叶轮的能效转换率达到最佳，且能耗较低。

本实施例中，所述轮盘1、主叶片2和分流叶片3之间采用质量比为7:3的聚醚醚酮树脂和短碳纤维材料复合后经熔芯铸造后一体成型。聚醚醚酮(peek)树脂是一种性能优异的特种工程塑料，碳纤维是一种高强度、高模量、高耐磨纤维。当工程上制造高性能零部件时，对peek常常进行共混、填充等复合增强改性，使其性能更加优越。短碳纤维增强克服了普通热塑性树脂弹性模量低等缺点，进一步增强peek的机械、摩擦等性能。当叶轮的转速很高时，短碳纤维增强peek复合材料有效的保证了叶轮的机械强度。

本实施例中采用熔芯铸造技术，铸造时的温度为380℃。熔芯成型是将传统的砂型铸造、失蜡铸造成型工艺与复合材料成型技术结合在一起，利用peek与短碳纤维复合后的低熔点合金作为型芯来生产形状复杂制品的工艺。通过模具将低熔点合金浇铸制成熔芯嵌件，然后将熔芯嵌件放入模具中进行成型，冷却后取出含有熔芯嵌件的制件，再加热使低熔点合金熔化分离获得制品。

本复合材料风机叶轮对叶轮结构进行了优化改进，通过对主叶片2及分流叶片3采用三元流设计，通过将主叶片2设计成由内向外渐缩且由内向外逐步翻转的弧形状，可以保证叶轮高速旋转时具有良好的气动性能；并将七个主叶片2设计成以轴孔41为中心呈圆周阵列分布，可以使得叶轮在高速旋转时具有良好的稳定性。通过在相邻两主叶片2之间形成的流道的中心线上安装有形状与主叶片2相同但是体积更小的分流叶片3，可以加强对气流的扰动，进一步提高叶轮旋转时的气动性能，提高叶轮的能效转换率，降低能耗。并且通过对主叶片2和分流叶片3的结构设计，使得叶轮旋转时，叶轮中间部分与叶轮外侧的风力相当，可以避免出现风力外溢或者向内收拢的情况，使得风力平直的向前输送，进而可以提高叶轮旋转时的气动性能，提高叶轮的能效转换率，降低能耗。

本复合材料风机叶轮采用性能良好的短碳纤维增强peek复合材料，和传统的钢材相比，两者机械性能等同，但复合材料的重量只有钢材的六分之一，且叶轮采用悬臂结构，叶轮重量轻对于高速旋转的转子在转子动力学设计上具有非常大的优势，可以在保证叶轮强度的前提下，减少驱动能耗，尤其是在轻质高强、抗疲劳、减振降噪、耐腐蚀以及材料与结构的可设计性等方面有优越的性能。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应局限于该实施例和附图所公开的内容，所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。