一种风洞用复合材料叶片的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种风洞用复合材料叶片，该风洞用复合材料叶片包括蒙皮、前/后缘加强区、泡沫芯材、主承力梁以及金属叶柄；其中，金属叶柄包括方框形的叶片部分和长杆状的轴部；叶片部分伸入叶片形的蒙皮内中部区域，在蒙皮内部前/后端均设置前/后缘加强区，泡沫芯材填充在蒙皮及叶片部分内；在蒙皮与叶片部分之间嵌有方形的主承力梁；该主承力梁厚度采用变厚度从轴部一侧开始阶梯递减，主承力梁宽度采用变宽度从轴部一侧开始逐渐变窄。本发明使用了碳纤维复合材料使叶片既轻又强。泡沫芯材对翼型型面起到了有效的支承作用。主承力梁承担了叶片大部分的载荷。
【专利说明】—种风洞用复合材料叶片
【技术领域】
[0001]本发明属于风洞叶片【技术领域】，具体涉及一种风洞用复合材料叶片。
【背景技术】
[0002]由于风洞中风轮叶片的转速很高，会随之产生很大的离心力，因此原有金属叶片需要做减重处理；同时原有金属叶片的耐腐蚀性、耐久性、耐疲劳性能也面临挑战。
[0003]碳纤维材料基本性能如下:密度小、质量轻，密度为1.5?2g/cm3，相当于钢密度的1/4、铝合金密度的1/2;强度、弹性模量高，弹性回复100% ;具有各向异性，热膨胀系数小，导热率随温度升高而下降，耐骤冷、急热，即使从几千度的高温突然降到常温也不会炸裂；耐高温和低温性好，在300(TC非氧化气氛下不融化、不软化，在液氮温度下依旧很柔软，也不脆化；耐酸性好，对酸呈惰性，能耐浓HC1、H3PO4, H2SO4等侵蚀。碳纤维材料以其优良的性能，成为风洞叶片材料首选。
[0004]国内在风洞叶片领域此前均采用金属叶片。由于复合材料具有较大的比强度、t匕刚度特性，是一种轻质高效的材料，并且具有耐腐蚀、耐疲劳性能、耐久性能，成为风洞叶片的首选材料。但是纵观国内外文献和专利，鲜有风洞用复合材料叶片具体结构构造和叶片生产工艺的报道。虽然文章 STRUCTURAL DESIGN, OPTIMISATION AND MANUFACTURING OF ACOMPOSITE WIND TURBINE BLADE中介绍了关于声学风洞复合材料叶片的大致结构和分析计算的内容，但是对细节处理的内容并未提及。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种可以减轻结构重量，还可以耐低温、水雾等环境影响的风洞用复合材料叶片。
[0006]实现本发明目的的技术方案:一种风洞用复合材料叶片，该风洞用复合材料叶片包括蒙皮、前/后缘加强区、泡沫芯材、主承力梁以及金属叶柄；其中，金属叶柄包括方框形的叶片部分和长杆状的轴部；叶片部分伸入叶片形的蒙皮内中部区域，在蒙皮内部前/后端均设置前/后缘加强区，泡沫芯材填充在蒙皮及叶片部分内；在蒙皮与叶片部分之间嵌有方形的主承力梁；该主承力梁厚度采用变厚度从轴部一侧开始阶梯递减，主承力梁宽度采用变宽度从轴部一侧开始逐渐变窄。
[0007]如上所述一种风洞用复合材料叶片，其所述的蒙皮、前/后缘加强区以及主承力梁所用材料均为碳纤维增强环氧树脂基复合材料。
[0008]如上所述一种风洞用复合材料叶片，其所述的主承力梁的碳纤维按一定角度铺放，碳纤维铺放方向与金属叶柄的旋转轴线所成角度在O?±45度范围内；主承力梁厚度采用阶梯递减铺层，从轴部一侧开始逐渐变薄。
[0009]如上所述一种风洞用复合材料叶片，其所述的金属叶柄为35CrMo钢或42CrMo钢锻造而成。
[0010]如上所述一种风洞用复合材料叶片，其所述的金属叶柄的叶片部分长度占金属叶柄总长度的1/8?1/3。
[0011]如上所述一种风洞用复合材料叶片，其所述的金属叶柄的轴部用于连接风洞轮盘。
[0012]如上所述一种风洞用复合材料叶片，其所述的泡沫芯材为PMI芯材或聚氨酯芯材中的一种或组合。
[0013]本发明的效果在于:
[0014]本发明所述的风洞用复合材料叶片是一种特殊的耐低温型的叶片，其使用了碳纤维复合材料，碳纤维复合材料密度小，模量高，抗变形能力强，使叶片既轻又强。本发明在叶片内部填充高硬度泡沫(PMI芯材或聚氨酯芯材)，更加减轻了叶片重量。经过合理的优化设计，确保优异气动外形的同时，保证了叶片的强度，更大幅地减轻了叶片的重量，使得叶片的综合性能显著提高，还可以耐低温、水雾等环境影响，在大系统运行时大大节约了所消耗的电力能源。
[0015]本发明中泡沫芯材对翼型型面起到了有效的支承作用。前/后缘设立单独加强区，起到了提高抗冲击性能和叶片局部刚度的作用，同时增强叶片耐冲刷侵蚀性能，保证叶片型面精度。主承力梁承担了叶片大部分的载荷，主承力梁纤维按一定角度铺放，厚度设计成阶梯铺层，增加叶片组件抗变形能力的同时，使材料优化配置，同时满足各剖面变形量基本符合线性分布的设计要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本发明所述的风洞用复合材料叶片结构剖视图；
[0017]图2为本发明所述的风洞用复合材料叶片整体结构示意图；
[0018]图3为图2的轴向剖视图；
[0019]图4为主承力梁阶梯铺层示意图。
[0020]图中:1.前/后缘加强区；2.蒙皮；3.泡沫芯材；4.主承力梁；5.叶片部分；6.轴部。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图和具体实施例对本发明所述的一种风洞用复合材料叶片作进一步详细的描述:
[0022]如图1至图3所示，本发明所述的风洞用复合材料叶片包括蒙皮2、前/后缘加强区1、泡沫芯材3、主承力梁4以及金属叶柄。金属叶柄为35CrMo钢或42CrMo钢锻造而成。泡沫芯材3为PMI芯材或聚氨酯芯材中的一种或组合。蒙皮2、前/后缘加强区I以及主承力梁4所用材料均为碳纤维增强环氧树脂基复合材料。
[0023]其中，金属叶柄包括方框形的叶片部分5和长杆状的轴部6。金属叶柄的叶片部分5长度占金属叶柄总长度的1/8?1/3(例如:1/8、1/2或1/3)。金属叶柄的轴部6用于连接风洞轮盘。
[0024]叶片部分5伸入叶片形的蒙皮2内中部区域。在蒙皮2内部前/后端均设置前/后缘加强区I，泡沫芯材3填充在蒙皮2及叶片部分5内。
[0025]在蒙皮2与叶片部分5之间嵌有方形的主承力梁4。该主承力梁4厚度采用变厚度从轴部6 —侧开始阶梯递减(具体厚度变化由10_至3_)，主承力梁4宽度采用变宽度从轴部6 —侧开始逐渐变窄(具体宽度变化由280mm至200mm)。
[0026]如图4所示，主承力梁4主要分布于轴线两侧，主承力梁4的纤维按一定角度铺放，纤维铺放方向与金属叶柄的旋转轴线所成角度在O?±45度范围内；主承力梁4厚度采用阶梯递减铺层，从轴部6 —侧开始逐渐变薄。
[0027]本实施例中风洞叶片组件结构总重31.2kg，其中，叶片部分总重为12.8kg，在600rpm的转速下叶片产生的离心力约为14.2t，满足质量轻和离心力小的要求。
[0028]本实施例中风洞叶片在气动载荷作用于叶尖工况下，叶片的挥舞方向最大位移为
3.87mm摆振方向最大位移为0.86mnl,等效综合最大位移为4.04mm,其中挥舞方向位移在等效综合位移中起主导作用。结果显示各项指标均满足设计要求。
[0029]本实施例中风洞叶片选用泡沫夹层结构:主承力梁承受在挥舞、摆振和扭转方向的气动载荷；蒙皮承受气动载荷所带来的扭矩以及一部分弯曲载荷；前/后缘加强区起到了提高抗冲击性能和叶片局部刚度的作用，同时增强叶片耐冲刷侵蚀性能，保证叶片型面精度。泡沫芯材提高了叶片的弯曲刚度和扭转刚度。
【权利要求】
1.一种风洞用复合材料叶片，其特征在于:该风洞用复合材料叶片包括蒙皮(2)、前/后缘加强区(I)、泡沫芯材(3)、主承力梁(4)以及金属叶柄；其中，金属叶柄包括方框形的叶片部分(5)和长杆状的轴部(6);叶片部分(5)伸入叶片形的蒙皮(2)内中部区域，在蒙皮(2)内部前/后端均设置前/后缘加强区(I)，泡沫芯材(3)填充在蒙皮(2)及叶片部分(5)内； 在蒙皮(2)与叶片部分(5)之间嵌有方形的主承力梁(4);该主承力梁(4)厚度采用变厚度从轴部(6) —侧开始阶梯递减，主承力梁(4)宽度采用变宽度从轴部(6) —侧开始逐渐变窄。
2.根据权利要求1所述一种风洞用复合材料叶片，其特征在于:所述的蒙皮(2)、前/后缘加强区(I)以及主承力梁(4)所用材料均为碳纤维增强环氧树脂基复合材料。
3.根据权利要求2所述一种风洞用复合材料叶片，其特征在于:所述的主承力梁(4)的碳纤维按一定角度铺放，碳纤维铺放方向与金属叶柄的旋转轴线所成角度在O?±45度范围内；主承力梁(4)厚度采用阶梯递减铺层，从轴部(6) —侧开始逐渐变薄。
4.根据权利要求1所述一种风洞用复合材料叶片，其特征在于:所述的金属叶柄为35CrMo钢或42CrMo钢锻造而成。
5.根据权利要求1所述一种风洞用复合材料叶片，其特征在于:所述的金属叶柄的叶片部分(5)长度占金属叶柄总长度的1/8?1/3。
6.根据权利要求5所述一种风洞用复合材料叶片，其特征在于:所述的金属叶柄的轴部(6)用于连接风洞轮盘。
7.根据权利要求1所述一种风洞用复合材料叶片，其特征在于:所述的泡沫芯材(3)为PMI芯材或聚氨酯芯材中的一种或组合。
【文档编号】F04D29/26GK103982463SQ201410231078
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年5月28日 优先权日:2014年5月28日
【发明者】冷霜, 虞择斌, 蔡勇, 罗业, 杨智勇, 易美军, 王建昌, 许晓燕 申请人:航天材料及工艺研究所, 中国运载火箭技术研究院