随着当今社会的迅速发展，地下施工的工程量日益增多，传统挖掘技术的效率低，安全问题和安全隐患多，而真空挖掘技术可以减少人机的接触，其高效性和安全性得到证实，真空挖掘技术也开始了广泛应用[1]。真空挖掘技术采用抽吸的方式进行挖掘，以高压气或者高压水作为介质来破碎坚硬的土层，通过抽吸过程将混合物从地下转入接收坑[2]。真空挖掘技术不仅可用于挖掘工作，也可用于管道清理、污染治理以及各种市政工作等等，已经广泛应用，在目前取得了很大的使用价值[3]。

在真空挖掘技术中，最大的好处就是施工过程没有机械设备去接触地下管线，并且土层直接被吸入接收坑或是封闭罐体，使得灰尘少。使用压缩空气进行挖掘时，挖出的是干燥的土，可以用来回填[4]。早在19世纪五十年代第一台压缩空气抽吸机便产生了，不过当时只用于特殊施工，并未形成产线化。到了1988年，在香港翻新地铁隧道工程中，DISAB公司[5]第一次使用了真空挖掘技术AB挖掘机——Railvac,用来抽走地下水和废渣。在此之后，瑞典铁路的承包商买入了一台真空挖掘设备，操作者用操纵杆来控制的这种抽吸设备，用空气流和真空泵很快的把土质上层部分疏松后抽走。这样人工移动重的软管钻入地下，用15000-18000立方米每小时的空气和800mbar的真空泵有效抽走地下物质[6]。

挖掘系统在工作过程中通过叶轮的高速旋转提升气体的压力，并使气体在流道内流动，因此叶轮的性能对挖掘系统至关重要，有研究数据表明，叶轮的工作性能主要和材料、结构、安装等方面有关[7]。特别是在目前叶轮的材料选取普遍是采用钢制或者铝制的金属材料，这些金属离心叶轮质量大、易腐蚀，在高速旋转下材料容易被破坏，并且降低了叶轮转速，影响燃料的使用效率[8]。而碳纤维复合材料则是一种现在很先进的非金属材料，具有轻质高强、可设计性强、疲劳性能好、耐腐蚀、免维护等诸多优点，相比于传统金属材料，有明显的优势，也是设计离心叶轮的理想材料[9]。最普通的碳纤维材料抗拉强度也是钢材的五倍左右，但比重只有普通钢材的五分之一，碳纤维的模量也是普通钢材的两倍以上，其热膨胀系数很小，变形小。因此，选用碳纤维复合材料能大大提高高速离心叶轮的工作寿命，以及提高燃料的使用效率。在我国，碳纤维可谓是高科技产品的重中之重，运载火箭、蛟龙号等等都离不开碳纤维的使用，在碳纤维的产业化制造中，外国对我国是严密封锁，我国碳纤维的产业化道路也是十分艰难。在最近十年来，我国独立自主完成了对碳纤维制造的产业化，重点企业已经完成了T800的量产和干喷湿纺技术的突破，也使得我国在碳纤维材料上不用受制于人。在碳纤维生产方面，我国取得了T300、T700、T800的技术和装备自主化，实现了产业化，更高级别的T1000、M40等也正重点开发，但是在国际上，目前为止全球碳纤维产能最高的仍是日本，达到了6.8万吨，排名第二的我国仅有2.4万吨，因此，在碳纤维的开发和制造上，我国仍然需要经历漫长的时间努力。

叶轮是抽吸系统的关键组件，也是易损零件[10]在运行过程中由于制造加工、材料、外界工况的不确定性因素的影响，其运行工况难免产生波动，对叶轮的刚度、强度产生影响，因此降低挖掘系统的各种性能。为了提高叶轮结构特性，对叶轮的结构研究对推动节能减排、城市建设具有很大的帮助。在工作过程中，气体由压缩机入口进入叶轮叶道内部，在高速旋转的叶片推动下，做复杂的运动[11]。一方面，气体随着叶轮的旋转进行周向的运动；另一方面气体会沿着叶轮流道做径向运动。在叶轮的作用下，工质气体的压力和动能得到提高。叶轮的部分由前盖、叶片、轮毂等组成。叶轮的相关参数有叶片进口直径、叶轮出口直径、叶片进口安装角、出口安装角以及叶片进口宽度、叶片出口宽度、叶片数等[12]。根据叶轮参数的不同，可以设计出性能良好的叶轮，从而使挖抽吸系统高效运行。

通过参考国内外现有的离心叶轮结构，例如叶片有平板形叶片，圆弧形叶片和机翼形叶片等。平板型和圆弧形叶片的生产工艺相对较为简单，便于生产，但是气动效率不高；而中空机翼型叶片有良好的气动外形，气动效率和强度比平板形叶片和圆弧形叶片要高，但是叶片的生产过程比较麻烦。而且当叶片出现裂纹或者破损，一些颗粒会进入叶片内，使得高速旋转的叶片失去平衡，进而产生振动现象；颗粒还会继续撞击叶片的壁面，造成叶片更大的破损或者开裂。

离心叶轮前盘的型式有平前盘、锥形前盘、弧形前盘等。

根据叶片的出口安装角不同分为前向、径向和后向三种叶片[13]。前向、径向和后向。出口角大于90度的称为前向叶片，出口角小于90度的称为后向叶片，出口角等于90度的称为径向叶片。在离心叶轮工作过程中，电动机提供动力，带动转轴旋转，进而转轴带动风机叶轮旋转。叶轮里的叶片带动流体，使得流体在离心力的作用下被甩出蜗壳。由于气动布局的原因，使得叶轮内的压力比进风口小，故而新的流体在压差的作用下被压入叶轮。这样，就完成了流体不断被吸入、不断被排出的过程[14]。

在离心叶轮的结构中，由前盘、后盘、长短叶片或者轮毂组成。很多离心压气机采用较多的是图一的叶轮结构，该结构的叶片连接在轮毂之上，随着气体的流入，轮毂可以起到引流的作用。但是在设计过程中，沿气体流向叶轮的轮盖型线由轴向转变为径向，由于曲率变化的存在，气流在流动的过程中易发生边界层流动分离，导致叶轮效率的降低。因此，在设计过程中需要调整轮毂和轮盖的型线，调整轮盖的曲率半径光滑过渡以减少流动损失[15]。图二的叶轮结构则由前盘、叶片和后盘所组成，该叶轮径向尺寸一般较大，叶片贴合在轮盘上面，气体由前盘入口处流入，通过高速旋转的离心力被压入外蜗壳。