叶轮及制造这种叶轮的方法与流程

本发明涉及一种叶轮，例如用于诸如涡轮压缩机、涡轮机或类似装置的离心机的叶轮。

背景技术：

众所周知，涡轮压缩机中使用的离心式压缩机元件由可旋转地固定在具有轴向入口和径向出口的壳体中的叶轮组成，其中叶轮由轮毂和叶片形成，所述轮毂是实心喇叭形的型式以使在入口处吸入的气体从轴向方向弯曲到出口处的径向方向，所述叶片固定在轮毂上并且与轮毂和壳体一起限定变窄的通道，气体被引导通过所述变窄的通道以将所述气体压缩。

叶轮设置有中心钻孔，以能够将叶轮附接到驱动轴。

已知这种叶轮以每分钟数万转的高速度被驱动，其中叶轮出口处的直线周向速度可以达到每秒几百米。

由于在这种高速度下产生较大的离心力，所以在叶轮的材料中产生非常大的应力。

然而，具有完全实心轮毂的叶轮中的这些应力分布得非常不均匀，应力的峰值在中心钻孔的位置处并且在轴向方向上靠近轮毂的后部，即在轮毂的具有最大直径的端部处。

应力梯度可以根据叶轮的几何形状而变化，但是叶轮的最大部段是欠载的，其应力远低于制造叶轮的材料的弹性极限，其缺点在于这种材料的低效使用以及叶轮的不必要的高质量。

尽管如此，叶轮质量的降低对于保持叶轮固定在其上的驱动轴的自然弯曲频率足够高以使得能够实现叶轮的较高速度是重要的，其本身对于涡轮压缩机的高效节能操作是有用的。

在叶轮质量较低的情况下，驱动轴的轴承负载较小，以使得将涡轮压缩机设计成其可以选择来使用更小的轴承，从而导致更低的成本价格和/或更紧凑的压缩机元件或更小直径的驱动轴。

wo2013/124314提出通过在叶轮的轮毂的中心部分中施加金属网格结构来减小叶轮质量。

然而，如wo2013/124314中提出的这种网格结构对于适应径向定向的离心力不是最佳的，其中网格结构在卸载方向上不一定是强而刚性的，这导致一定的重量劣势。

us7.281.901描述了具有中空轮毂的叶轮结构，其具有内侧加强件，所述内侧加强件主要被定向来减小惯性，但是所提出的解决方案不足以形成叶轮中的应力的均匀分布。

这种均匀的应力分布仅可以利用us7.281.901的解决方案通过叶轮的不同区域的尺寸仔细平衡来实现。然而，在美国专利us7.281,901中没有给出实现这种平衡的指导。

实际上，us7,281.901中出现的内侧加强件没有考虑叶片的几何，这导致在叶轮的轮毂中产生应力集中。为了能够适应这些应力集中，轮毂必须制得更厚，这导致叶轮的其他区域中的应力增加。

因此，仍然需要具有材料的更好利用并且因此具有更低质量的叶轮结构。

技术实现要素：

本发明的目的是提供如上述wo2013/124314和us7.281.901中所描述的与已知叶轮设计相关的一个或多个上述和其他缺点的解决方案。

为此，本发明涉及一种叶轮，包括

-中心轴或中心管，其用于安装在轴上；

-围绕轴的中空轮毂，所述中空轮毂具有外侧和朝向中心轴或中心管定向的内侧；

-一系列叶片，所述一系列叶片通过它们的基部附接到轮毂的外侧，

其中，在与相关叶片的基部的附接部相对的位置处为每个叶片或者为这些叶片中的至少数个叶片设置加强肋，所述加强肋在中心轴或中心管上在径向方向上延伸并且在中心轴或中心管与轮毂内侧之间形成径向连接。

因此，提供了延伸作为径向辐条的加强肋，可以说是与叶片相一致，并且由于其径向取向而适应由叶片通过叶片的基部而施加在轮毂上的径向离心力。

这有助于在构成轮毂的主要载荷的离心力的方向上缓解轮毂，其中使用这些加强肋的整个质量来允许轮毂中的应力流走到叶轮的轴或管，而在轮毂中不存在对于叶轮的强度没有贡献的死质量。

优选地，为每个叶片设置加强肋。

这有助于通过离心力以非常均匀的方式将轮毂中的应力分布到轮毂的材料上。

优选地，加强肋的头部在轮毂的内侧上的附接位置位于所述内侧上的对应叶片的脚印范围内。

当对应叶片的脚印范围内的加强肋的上述附接位置相对于所述脚印范围的中心线稍微侧向偏移、优选地在逆着叶轮所要旋转的方向的方向上时，加强肋对于应力的均匀分布的积极效果是最大的。

通过允许材料的厚度例如在轮毂、后壁、轴或管和/或加强肋中以特定方式变化，可以获得甚至更均匀的应力分布。

具体地，本发明适用于离心式叶轮。

本发明还适用于封闭式叶轮，其中叶片不仅附接到轮毂，而且其中在叶片周围设置有护罩，所述护罩还在叶片的顶部处将叶片连接在一起。

本发明还涉及一种用于制造叶轮的方法，其中所述方法包括以下步骤：

-设置轴或管；

-在轴或管上设置后壁；

-在所述轮毂的外侧上设置具有叶片的中空轮毂；

-在与相关叶片的基部的附接部相对的位置处为每个叶片或者为这些叶片中的至少数个叶片设置加强肋，其中轴或管上的这些加强肋在径向方向上延伸并且在轴或管与轮毂内侧之间形成径向连接。

附图说明

为了更好地示出本发明的特征的目的，下面参考附图通过没有任何限制性质的实例来描述根据本发明的叶轮的优选实施方案及制造这种叶轮的方法，在附图中：

图1示意性地示出根据本发明的叶轮的透视图，其中一部段被部分地省略；

图2示出图1的叶轮的另一透视图，但是阶梯式地省略了一部段；

图3示出根据本发明的叶轮的截断部段的另一透视图；

图4示出沿着图1中的曲线iv-iv的截面；

图5示出根据图1的叶轮的变型。

具体实施方式

作为一实例，图1至图3所示的叶轮1是离心式压缩机元件的叶轮。

叶轮1包括中心管2，叶轮1利用所述中心管2可以安装在图中未示出的轴上，以便围绕压缩机元件的壳体中的管的几何中心线x-x'被驱动。

径向延伸的后壁4靠近一个端部3设置在管2上，在所示实例的情况下基本上是圆盘形。

在后壁4的一侧上，叶轮1包括围绕管2延伸的中空喇叭形轮毂5，所述轮毂5通过其具有最大直径的端部6连接到后壁4，并且通过其具有最小直径的另一端部7连接到管2的另一端部8。

轮毂5的外表面9以倾斜方式从端部7处的基本轴向方向x-x'变化到端部6处的基本径向方向。

中空空间10封闭在轮毂5、管2和后壁4之间。

以已知的方式，轮毂5设置有一系列弯曲的叶片11，所述一系列弯曲的叶片通过它们的基部12附接到轮毂5。

在示出的实例中，提供了两个系列的叶片，即一方面是主叶片11a，所述主叶片11a从轮毂5的轴向定向的端部7延伸一定长度到轮毂5的径向定向的端部6，另一方面是“分流叶片”11b，所述“分流叶片”11b在主叶片11a之间在较短的长度上延伸，在从距轮毂5的端部7一轴向距离处开始到轮毂5的端部6。

然而，本发明不限于两个系列的叶片11，而是也可应用于任何数量的系列的叶片11，其中例如不存在分流叶片11b，或者相反可以设置数个系列的分流叶片11b。

根据本发明，在轮毂5的中空空间10中设置加强肋13，其数量优选地等于叶片11的数量，其中为每个叶片11设置加强肋13，所述加强肋13与相关叶片11的基部12相一致地相对于管2在径向方向上延伸。

加强肋13形成轮毂5的内侧14与管2之间的连接，其中加强肋13通过它们的基部15连接到管2，并且在与对应的叶片11的基部12的附接部相对的位置处(更具体地在轮毂5的内侧14上的对应的叶片11的脚印范围17的轮廓内并且在所述脚印范围的基本上整个长度上，如沿着图4中的加强肋13的头部16的横截面中所示)通过它们的头部16连接到轮毂5的内侧。

优选地，如图4所示，加强肋13的头部16在对应的叶片11的脚印范围17内的前述附接位置在叶轮所要旋转的方向a上稍微侧向偏移。

加强肋13优选地还在加强肋的高度上沿着边缘18连接到后壁4。

当加强肋13径向定向时，各加强肋与产生的离心力一致，并且各加强肋限制轮毂5在径向方向上的变形。

加强肋13主要处于拉伸载荷下，其中加强肋13的整个质量用于将应力的一部分从轮毂5转移到管52并且如果需要还转移到后壁4，因此在轮毂5的中空空间10中不存在或实际上没有对叶轮的径向方向上的强度没有贡献的死质量(即，未加载质量)。

前述内容不以任何方式假设加强肋13的厚度必须对应于叶片11的厚度。实际上，加强肋13的厚度可以在加强肋13的长度和高度上变化，考虑到，与在以更短距离与管2相距的区域中相比，在以更大径向距离与管2相距的区域中，轮毂5暴露于更大的离心力，因此这些区域受到更大的变形和应力。

通过合适的厚度梯度的选择，可以在叶轮1中获得实际上均匀的应力分布。

优选地，轮毂5的厚度在轴向方向上从具有最小直径的端部7到具有最大直径的端部6增加，并且在与后壁4的连接的部位(level)处具有增厚部。

优选地，后壁4的厚度在径向方向上朝与管2连接的连接部增加。

加强肋的厚度优选地朝与后壁4连接的连接部和/或朝与管2连接的连接部增加。

加强肋13与叶轮1的其余部分之间的连接部优选地为圆形，以防止应力集中。

应当注意，轮毂5的、后壁4的、管2的以及加强肋13的上述厚度梯度不一定需要一起应用，而是各自也可以单独地或组合地应用于叶轮1。

在叶片11数量少的情况下，不排除提供处于中间的加强肋(图中未示出)，其位于与叶片11相一致地地径向延伸的加强肋13之间。

因此，轮毂可以比在没有这些处于中间的加强肋的情况下制得更薄。

处于中间的加强肋的厚度可以与和叶片11相一致的加强肋13的厚度不同。

加强肋13的数量优选地为叶片11的数量的整数倍。

如图1和图2所示，叶轮1可以在轮毂5的端部7处设置有实心环19，以便能够通过例如借助钻孔从环19局部移除材料来平衡叶轮1。

根据如上所述的本发明的叶轮优选地通过应用加成制造方法来制造，其中材料被接合在一起以在数字3d模型的基础上制作物体，其中物体通常逐层地构建，这与如标准astmf2792-12a中描述的移除材料的去除制造方法形成对比。

加成制造是指一类制造方法，例如粉末床熔融，其中使用热能来选择性地使粉末床中的某些区域能够熔融在一起，或者通过直接能量沉积，其中使用成束热能来使材料熔化同时使它们沉积。

在粉末床熔融类别中，存在许多技术，例如，电子束熔化，其中粉末材料通过使用电子束而被熔化；选择性激光熔化，其中粉末材料借助于激光被熔化，选择性激光烧结，其中粉末材料通过使用激光来被烧结。直接能量沉积的类别包括激光镀层技术。

为了制造根据本发明的叶轮，可以使用金属或陶瓷材料或聚合物或纤维增强聚合物或者这些材料的任何组合。

根据本发明的方法可以包括在管2中提供孔20的步骤，所述孔形成轮毂5的中空空间10与周围环境之间的连接，目的是能够从空间10中排出剩余的非熔融粉末。

孔20优选地设置在管2的前端8处，换句话说，设置在离后壁4最远的端部8处。

在去除剩余的粉末或其他材料之后，可以密封这些孔。

在不需要去除粉末的情况下，例如在激光镀层的情况下，可以省略管2中的孔20。

所提出的加强肋13的类型也可应用于叶轮1，其中在具有叶片11的轮毂5周围设置护罩21，所述护罩21在叶片11的顶部处将叶片连接在一起，如图5所示。

很明显，代替管2，还可以使用实心轴，所述实心轴设置有用于从空间10中去除粉末的孔或其它。

本发明绝不限于作为实例描述并且在附图中示出的叶轮的实施方案，但是这种叶轮及制造这种叶轮的方法在不脱离本发明的范围的情况下可以根据不同的变型来实现。