摘 要

目前离心涡轮的发展趋势是高速、大型化、大功率和低噪声，这些变化给涡轮设计和制造带来许多困难。这些要求都影响了金属材料涡轮的进一步推广与应用，使得设计者们提出了运用碳纤维材料来设计制作离心涡轮的方案。与传统的金属涡轮相比，碳纤维材料涡轮具有低振动，低噪音，轻质高效，抗疲劳、热膨胀系数小、耐腐蚀、易维修等优点。

本次毕业设计主要根据离心涡轮满足的气动性能条件，进行涡轮的各部件基本参数设计。然后运用CAD软件进行模型建立，之后设计减重方案和碳纤维材料铺层方案，设计出碳纤维材料金属复合离心涡轮。最后运用有限元软件进行刚度强度分析，选定较优的铺层，对比碳纤维金属离心涡轮与金属涡轮的差异，验证设计的合理性。

关键词：离心涡轮；碳纤维；金属；有限元

Abstract

The current trend of centrifugal turbines is high speed, large size, high power and low noise, these changes certainly to the turbine design and manufacturing to bring many difficulties.These requirements have affected the further promotion and application of metal materials turbine, so that designers put forward the use of carbon fiber materials to design and manufacture of centrifugal turbine program.Compared with the traditional metal turbines, carbon fiber turbine has the advantages of low vibration, low noise, light and high efficiency, anti-fatigue, small thermal expansion coefficient, corrosion resistance and easy maintenance.

The graduation design mainly based on the centrifugal turbine to meet the aerodynamic performance conditions, the turbine components of the basic parameters of the design.And then use the CAD software to model the establishment, after the design of weight loss program and composite laminating program, designed centrifugal turbine.Finally, finite element software is used to analyze the stiffness and strength. The difference between the carbon fiber metal centrifugal turbine and the metal turbine is selected to verify the rationality of the design.

Key Words：centrifugal turbine；carbon fiber；metal；finite element

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景、内容和意义 1

1.2 国内外发展概况及研究现状 2

1.2.1 离心涡轮发展概况及研究现状 2

1.2.2 金属离心涡轮存在问题和碳纤维涡轮的优势 3

1.2.3 离心涡轮未来发展趋势 3

1.3 本文的主要内容 3

第2章 离心涡轮简介及设计 5

2.1 离心涡轮结构简介 5

2.1.1 离心涡轮叶轮类型简介 5

2.1.2 离心涡轮工作原理简介 6

2.2 离心涡轮的设计 6

2.2.1 离心涡轮气动性能基本参数设计 6

2.2.2 离心涡轮部分结构参数设计及建模 11

第3章 碳纤维金属涡轮减重方案及铺层设计分析 14

3.1 材料选用 14

3.2 拟定减重方案 14

3.2.1 全金属涡轮 14

3.2.2 方案一全碳纤维（除轴盘）设计 15

3.2.3 方案二碳纤维复合材料叶片设计 15

3.2.4 方案三碳纤维复合材料轮盖轮盘设计 16

3.3 综合比较选定减重方案 16

3.4 铺层方案设计与分析 16

3.4.1 铺层原理简介 16

3.4.2 铺层方案设计 17

3.4.3 铺层方案分析 17

第4章 离心涡轮有限元仿真与分析 21

4.1 复合材料强度理论简介 21

4.2 碳纤维材料金属复合涡轮的应力应变分析 22

4.3 全金属涡轮应力应变分析 28

4.4 碳纤维材料金属复合涡轮与金属涡轮比较 30

第5章 总结与展望 31

5.1 总结 31

5.2 展望 31

参考文献 32

致 谢 33

第1章 绪论

1.1 课题研究背景、内容和意义

随着社会的迅速发展，非开挖掘技术在城市的建设和清理中越来越重要，与传统的明挖方法相比，非开挖掘技术的社会成本较低，且破坏性较小，因此真空挖掘技术，真空吸吐技术，以及真空抽吸装置越来越多的运用在城市的建设中^[1]。真空抽吸具有不同于传统的挖掘技术的破坏性，因而在未来城市建设中具有广阔的前景^[2]。而真空抽吸系统的核心是高速旋转的离心涡轮。

高速旋转的离心涡轮提供强劲吸力保证抽吸系统的高效运行是真空抽吸系统的关键核心部位^[3]。而涡轮气动性能是影响挖掘抽吸车性能的关键，传统的挖掘抽吸系统多选用合金铸铁，高强度钢等材料做涡轮。这些材料密度大，在增加叶轮及其轴重的同时降低了涡轮转速，影响了燃料的使用效率；在较大吸入条件下工作时，金属叶片表面的气蚀现象会降低涡轮性能，并且金属材料的声阻尼性能也较差，导致由振动引发的噪声问题。而目前风机涡轮的发展趋势是高速、大型化、大功率和低噪声，这些变化肯定给涡轮设计和制造带来许多困难^[4]。这些诸多不利的性质都影响了金属材料涡轮的进一步推广与应用，使得设计者们不得不考虑更适合生产离心涡轮的可行性材料。

现代工业的发展，对材料也提出了越来越高的要求，在要求材料拥有高强度的同时也对材料提出了更轻的质量、更高的耐蚀性以及更优异的摩擦磨损性的要求^[5]。而这样一来，传统的金属材料就表现出明显的局限性，如传统的金属弹簧钢已经发展到性能的瓶颈。另一方面，碳纤维由于其优异的力学性能,如高比强度、高比模量以及优异的耐疲劳性和耐腐蚀性，利用碳纤维增强轻质金属，如铝镁合金，可有效改善这些金属强度的综合性能，满足越来越严苛的工业生产要求^[6]。

目前，纤维增强复合材料在涡轮机械中的使用日益广泛，它所具有的各种优异性能也日益凸现。与传统的金属叶轮相比，复合材料涡轮具有低振动，低噪音，轻质高效，抗疲劳、热膨胀系数小、耐腐蚀、易维修等优点，这就给涡轮的设计者提供了全新的契机，从而提出了纤维增强复合材料涡轮的设计思想。 本次涡轮设计材料采用碳纤维金属复合材料，其在原有的涡轮结构的前提下，运用碳纤维材料取代一些部分，从而达到在满足金属离心涡轮的性能的同时能够使得涡轮更加轻量。其中由于碳纤维材料的一些特性满足不了叶轮的性能要求，所以有些部分不能完全取代金属材料，从而组成碳纤维材料-金属复合涡轮。这样设计的涡轮就具备了相比于金属材料涡轮更具有低振动，低噪音，轻质高效，抗疲劳、热膨胀系数小、耐腐蚀、易维修等优点，因此在设计这些关键结构的时候就要进行力学理论分析和利用有限元软件分析验证优化。