葉輪及制造這種葉輪的方法與流程

本發明涉及一種葉輪，例如用于諸如渦輪壓縮機、渦輪機或類似裝置的離心機的葉輪。

背景技術：

眾所周知，渦輪壓縮機中使用的離心式壓縮機元件由可旋轉地固定在具有軸向入口和徑向出口的殼體中的葉輪組成，其中葉輪由輪轂和葉片形成，所述輪轂是實心喇叭形的型式以使在入口處吸入的氣體從軸向方向彎曲到出口處的徑向方向，所述葉片固定在輪轂上并且與輪轂和殼體一起限定變窄的通道，氣體被引導通過所述變窄的通道以將所述氣體壓縮。

葉輪設置有中心鉆孔，以能夠將葉輪附接到驅動軸。

已知這種葉輪以每分鐘數萬轉的高速度被驅動，其中葉輪出口處的直線周向速度可以達到每秒幾百米。

由于在這種高速度下產生較大的離心力，所以在葉輪的材料中產生非常大的應力。

然而，具有完全實心輪轂的葉輪中的這些應力分布得非常不均勻，應力的峰值在中心鉆孔的位置處并且在軸向方向上靠近輪轂的后部，即在輪轂的具有最大直徑的端部處。

應力梯度可以根據葉輪的幾何形狀而變化，但是葉輪的最大部段是欠載的，其應力遠低于制造葉輪的材料的彈性極限，其缺點在于這種材料的低效使用以及葉輪的不必要的高質量。

盡管如此，葉輪質量的降低對于保持葉輪固定在其上的驅動軸的自然彎曲頻率足夠高以使得能夠實現葉輪的較高速度是重要的，其本身對于渦輪壓縮機的高效節能操作是有用的。

在葉輪質量較低的情況下，驅動軸的軸承負載較小，以使得將渦輪壓縮機設計成其可以選擇來使用更小的軸承，從而導致更低的成本價格和/或更緊湊的壓縮機元件或更小直徑的驅動軸。

wo2013/124314提出通過在葉輪的輪轂的中心部分中施加金屬網格結構來減小葉輪質量。

然而，如wo2013/124314中提出的這種網格結構對于適應徑向定向的離心力不是最佳的，其中網格結構在卸載方向上不一定是強而剛性的，這導致一定的重量劣勢。

us7.281.901描述了具有中空輪轂的葉輪結構，其具有內側加強件，所述內側加強件主要被定向來減小慣性，但是所提出的解決方案不足以形成葉輪中的應力的均勻分布。

這種均勻的應力分布僅可以利用us7.281.901的解決方案通過葉輪的不同區域的尺寸仔細平衡來實現。然而，在美國專利us7.281,901中沒有給出實現這種平衡的指導。

實際上，us7,281.901中出現的內側加強件沒有考慮葉片的幾何，這導致在葉輪的輪轂中產生應力集中。為了能夠適應這些應力集中，輪轂必須制得更厚，這導致葉輪的其他區域中的應力增加。

因此，仍然需要具有材料的更好利用并且因此具有更低質量的葉輪結構。

技術實現要素：

本發明的目的是提供如上述wo2013/124314和us7.281.901中所描述的與已知葉輪設計相關的一個或多個上述和其他缺點的解決方案。

為此，本發明涉及一種葉輪，包括

-中心軸或中心管，其用于安裝在軸上；

-圍繞軸的中空輪轂，所述中空輪轂具有外側和朝向中心軸或中心管定向的內側；

-一系列葉片，所述一系列葉片通過它們的基部附接到輪轂的外側，

其中，在與相關葉片的基部的附接部相對的位置處為每個葉片或者為這些葉片中的至少數個葉片設置加強肋，所述加強肋在中心軸或中心管上在徑向方向上延伸并且在中心軸或中心管與輪轂內側之間形成徑向連接。

因此，提供了延伸作為徑向輻條的加強肋，可以說是與葉片相一致，并且由于其徑向取向而適應由葉片通過葉片的基部而施加在輪轂上的徑向離心力。

這有助于在構成輪轂的主要載荷的離心力的方向上緩解輪轂，其中使用這些加強肋的整個質量來允許輪轂中的應力流走到葉輪的軸或管，而在輪轂中不存在對于葉輪的強度沒有貢獻的死質量。

優選地，為每個葉片設置加強肋。

這有助于通過離心力以非常均勻的方式將輪轂中的應力分布到輪轂的材料上。

優選地，加強肋的頭部在輪轂的內側上的附接位置位于所述內側上的對應葉片的腳印范圍內。

當對應葉片的腳印范圍內的加強肋的上述附接位置相對于所述腳印范圍的中心線稍微側向偏移、優選地在逆著葉輪所要旋轉的方向的方向上時，加強肋對于應力的均勻分布的積極效果是最大的。

通過允許材料的厚度例如在輪轂、后壁、軸或管和/或加強肋中以特定方式變化，可以獲得甚至更均勻的應力分布。

具體地，本發明適用于離心式葉輪。

本發明還適用于封閉式葉輪，其中葉片不僅附接到輪轂，而且其中在葉片周圍設置有護罩，所述護罩還在葉片的頂部處將葉片連接在一起。

本發明還涉及一種用于制造葉輪的方法，其中所述方法包括以下步驟：

-設置軸或管；

-在軸或管上設置后壁；

-在所述輪轂的外側上設置具有葉片的中空輪轂；

-在與相關葉片的基部的附接部相對的位置處為每個葉片或者為這些葉片中的至少數個葉片設置加強肋，其中軸或管上的這些加強肋在徑向方向上延伸并且在軸或管與輪轂內側之間形成徑向連接。

附圖說明

為了更好地示出本發明的特征的目的，下面參考附圖通過沒有任何限制性質的實例來描述根據本發明的葉輪的優選實施方案及制造這種葉輪的方法，在附圖中：

圖1示意性地示出根據本發明的葉輪的透視圖，其中一部段被部分地省略；

圖2示出圖1的葉輪的另一透視圖，但是階梯式地省略了一部段；

圖3示出根據本發明的葉輪的截斷部段的另一透視圖；

圖4示出沿著圖1中的曲線iv-iv的截面；

圖5示出根據圖1的葉輪的變型。

具體實施方式

作為一實例，圖1至圖3所示的葉輪1是離心式壓縮機元件的葉輪。

葉輪1包括中心管2，葉輪1利用所述中心管2可以安裝在圖中未示出的軸上，以便圍繞壓縮機元件的殼體中的管的幾何中心線x-x'被驅動。

徑向延伸的后壁4靠近一個端部3設置在管2上，在所示實例的情況下基本上是圓盤形。

在后壁4的一側上，葉輪1包括圍繞管2延伸的中空喇叭形輪轂5，所述輪轂5通過其具有最大直徑的端部6連接到后壁4，并且通過其具有最小直徑的另一端部7連接到管2的另一端部8。

輪轂5的外表面9以傾斜方式從端部7處的基本軸向方向x-x'變化到端部6處的基本徑向方向。

中空空間10封閉在輪轂5、管2和后壁4之間。

以已知的方式，輪轂5設置有一系列彎曲的葉片11，所述一系列彎曲的葉片通過它們的基部12附接到輪轂5。

在示出的實例中，提供了兩個系列的葉片，即一方面是主葉片11a，所述主葉片11a從輪轂5的軸向定向的端部7延伸一定長度到輪轂5的徑向定向的端部6，另一方面是“分流葉片”11b，所述“分流葉片”11b在主葉片11a之間在較短的長度上延伸，在從距輪轂5的端部7一軸向距離處開始到輪轂5的端部6。

然而，本發明不限于兩個系列的葉片11，而是也可應用于任何數量的系列的葉片11，其中例如不存在分流葉片11b，或者相反可以設置數個系列的分流葉片11b。

根據本發明，在輪轂5的中空空間10中設置加強肋13，其數量優選地等于葉片11的數量，其中為每個葉片11設置加強肋13，所述加強肋13與相關葉片11的基部12相一致地相對于管2在徑向方向上延伸。

加強肋13形成輪轂5的內側14與管2之間的連接，其中加強肋13通過它們的基部15連接到管2，并且在與對應的葉片11的基部12的附接部相對的位置處(更具體地在輪轂5的內側14上的對應的葉片11的腳印范圍17的輪廓內并且在所述腳印范圍的基本上整個長度上，如沿著圖4中的加強肋13的頭部16的橫截面中所示)通過它們的頭部16連接到輪轂5的內側。

優選地，如圖4所示，加強肋13的頭部16在對應的葉片11的腳印范圍17內的前述附接位置在葉輪所要旋轉的方向a上稍微側向偏移。

加強肋13優選地還在加強肋的高度上沿著邊緣18連接到后壁4。

當加強肋13徑向定向時，各加強肋與產生的離心力一致，并且各加強肋限制輪轂5在徑向方向上的變形。

加強肋13主要處于拉伸載荷下，其中加強肋13的整個質量用于將應力的一部分從輪轂5轉移到管52并且如果需要還轉移到后壁4，因此在輪轂5的中空空間10中不存在或實際上沒有對葉輪的徑向方向上的強度沒有貢獻的死質量(即，未加載質量)。

前述內容不以任何方式假設加強肋13的厚度必須對應于葉片11的厚度。實際上，加強肋13的厚度可以在加強肋13的長度和高度上變化，考慮到，與在以更短距離與管2相距的區域中相比，在以更大徑向距離與管2相距的區域中，輪轂5暴露于更大的離心力，因此這些區域受到更大的變形和應力。

通過合適的厚度梯度的選擇，可以在葉輪1中獲得實際上均勻的應力分布。

優選地，輪轂5的厚度在軸向方向上從具有最小直徑的端部7到具有最大直徑的端部6增加，并且在與后壁4的連接的部位(level)處具有增厚部。

優選地，后壁4的厚度在徑向方向上朝與管2連接的連接部增加。

加強肋的厚度優選地朝與后壁4連接的連接部和/或朝與管2連接的連接部增加。

加強肋13與葉輪1的其余部分之間的連接部優選地為圓形，以防止應力集中。

應當注意，輪轂5的、后壁4的、管2的以及加強肋13的上述厚度梯度不一定需要一起應用，而是各自也可以單獨地或組合地應用于葉輪1。

在葉片11數量少的情況下，不排除提供處于中間的加強肋(圖中未示出)，其位于與葉片11相一致地地徑向延伸的加強肋13之間。

因此，輪轂可以比在沒有這些處于中間的加強肋的情況下制得更薄。

處于中間的加強肋的厚度可以與和葉片11相一致的加強肋13的厚度不同。

加強肋13的數量優選地為葉片11的數量的整數倍。

如圖1和圖2所示，葉輪1可以在輪轂5的端部7處設置有實心環19，以便能夠通過例如借助鉆孔從環19局部移除材料來平衡葉輪1。

根據如上所述的本發明的葉輪優選地通過應用加成制造方法來制造，其中材料被接合在一起以在數字3d模型的基礎上制作物體，其中物體通常逐層地構建，這與如標準astmf2792-12a中描述的移除材料的去除制造方法形成對比。

加成制造是指一類制造方法，例如粉末床熔融，其中使用熱能來選擇性地使粉末床中的某些區域能夠熔融在一起，或者通過直接能量沉積，其中使用成束熱能來使材料熔化同時使它們沉積。

在粉末床熔融類別中，存在許多技術，例如，電子束熔化，其中粉末材料通過使用電子束而被熔化；選擇性激光熔化，其中粉末材料借助于激光被熔化，選擇性激光燒結，其中粉末材料通過使用激光來被燒結。直接能量沉積的類別包括激光鍍層技術。

為了制造根據本發明的葉輪，可以使用金屬或陶瓷材料或聚合物或纖維增強聚合物或者這些材料的任何組合。

根據本發明的方法可以包括在管2中提供孔20的步驟，所述孔形成輪轂5的中空空間10與周圍環境之間的連接，目的是能夠從空間10中排出剩余的非熔融粉末。

孔20優選地設置在管2的前端8處，換句話說，設置在離后壁4最遠的端部8處。

在去除剩余的粉末或其他材料之后，可以密封這些孔。

在不需要去除粉末的情況下，例如在激光鍍層的情況下，可以省略管2中的孔20。

所提出的加強肋13的類型也可應用于葉輪1，其中在具有葉片11的輪轂5周圍設置護罩21，所述護罩21在葉片11的頂部處將葉片連接在一起，如圖5所示。

很明顯，代替管2，還可以使用實心軸，所述實心軸設置有用于從空間10中去除粉末的孔或其它。

本發明絕不限于作為實例描述并且在附圖中示出的葉輪的實施方案，但是這種葉輪及制造這種葉輪的方法在不脫離本發明的范圍的情況下可以根據不同的變型來實現。