孔洞结构式轻质叶轮的制作方法

本发明属流体机械领域，涉及一种叶轮机械的叶轮，具体是一种具有孔洞结构的轻质叶轮。

背景技术：

叶轮机械一般是指以连续旋转叶片为本体，使流体工质的能量通过叶轮转换为轴动力的动力机械，如燃气轮机、蒸汽轮机、风力机、水轮机等原动机，也可以是指将轴动力的能量通过叶轮传递给流体工质的动力机械，如鼓风机、水泵、离心式压气机等工作机。叶轮机械在国民经济尤其是整个重工业体系中占有十分重要的地位，已广泛应用于航空、电站、舰船以及冶金、勘探、化工、土木等领域。

叶轮是通过旋转运动与工质进行能量传递和转换的部件，是整个叶轮机械的关键部件,通常由实心结构的轮盘和固定于轮盘上的叶片构成。对于将轴动力的能量传递给流体工质的工作机而言，叶轮出口的圆周线速度是影响叶轮输出能量大小的重要参数，叶轮的转速越高，其圆周线速度也越高，叶轮机械输出的能量越大。相对应的，叶轮在工作时的线速度越高，所产生的离心力越大，这对叶轮的制作材料提出了较高的要求，材料的强度直接制约了叶轮出口线速度的进一步提高。为了获得更高的转速和性能，技术人员通常采用高强度制作材料的措施来提高叶轮出口的线速度，比如在航空发动机领域，压气机、涡轮广泛采用钛合金、镍基高温合金等强度较高的材料，但这些材料不仅价格昂贵，加工难度也很高，使得叶轮的制造成本非常高，大大增加了用户的花费，也限制了其应用范围。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种孔洞结构式轻质叶轮，其轮盘内部设计为孔洞式结构，使轮盘重量大大减轻，有效地减小叶轮在高转速下所产生的离心力，同样的材料可以制造出口线速度更高的叶轮。使得采用强度较低的铝合金就可以加工出目前需要钛合金才能满足强度要求的叶轮成为可能，而采用钛合金则可以加工出目前无法实现的更高出口线速度的叶轮。

本发明所采用的技术原理：叶轮在旋转时所产生的离心应力不仅与叶轮出口的线速度有关，还与叶轮的质量有关，叶轮出口线速度越大、质量越大，则叶轮轴心或轴孔位置的离心应力越大，因此，如果减小叶轮的质量，则叶轮轴心或轴孔位置的离心应力就会相应减小。本发明就是通过在叶轮内部设置较多数量的孔洞来减轻叶轮的质量，以此来减小叶轮轴心或轴孔的离心应力，进而可以在保证叶轮结构强度的条件下进一步提高叶轮的转速,提高出口的线速度。

本发明所采用的技术方案：

一种孔洞结构式轻质叶轮，包括轮盘以及固定于轮盘上的叶片，其特征是轮盘的内部设计为多孔洞结构。轮盘内部采用多孔洞结构后，可减轻叶轮的质量，既可以减小叶轮的离心力载荷,减轻轴心或轴孔位置的应力载荷，同时又可利用孔洞之间的介质(类似于孔洞壁)将叶轮的离心力向轴孔或轴心方向分散、传递，使得整个叶轮的应力在径向分布更加合理，使得叶轮可以在保证结构强度的情况下以更高的线速度工作。实施本发明时，若采用传统机械加工技术，可以先制作实心轮盘，再通过打孔或钻孔等方式加工，最后在轮盘的外表面采用焊接等方式密封覆盖一层表层即可；若采用3D打印技术，则可根据设计要求直接制作出产品。

所述孔洞呈不规则设置，即其大小、方向和形状原则上可以不限，可以根据性能需要和便于加工选择合适的形状和尺寸，叶轮的动平衡可以通过配重来实现。

作为本发明的进一步改进，孔洞在轮盘的内部呈轴对称分布，能更好地实现动平衡。

作为本发明的进一步改进，为了更好地分散应力，防止应力集中，孔洞设计为规则形状。所述规则形状是正六边形柱体或圆柱体。正六边形柱体类似于蜂窝的结构，能最大限度减轻质量，实现材料最省，但这种结构的加工量和加工难度较大，比较适合采用3D打印技术进行加工。将前述的正六边形用内切的圆形代替，孔洞的形状变为圆柱体，这种结构虽然无法做到叶轮质量最轻，但更便于机加工，也能较好地达到减轻叶轮质量的效果。

为了进一步增加上述正六边形柱体或圆柱体孔洞叶轮的结构稳定性，可以将孔洞设计为两层或多层结构，层与层之间相互错开，层与层之间用薄板相连。这种结构较为复杂，适合用3D打印技术进行加工。

作为本发明的进一步改进，轮盘由圆周边缘向着轴心或轴孔方向，孔洞之间的间距(孔洞的壁厚)逐渐加大，以使整个叶轮轴心或轴孔方向能承受更大的载荷。

作为本发明的进一步改进，轮盘的轴心或轴孔部位设计为实心结构。由于叶轮在高速旋转时，轴心或轴孔的线速度虽然低，但却要承担几乎整个叶轮传递过来的离心力，应力通常最大，因此，在轴心或轴孔的位置采用实心结构以增加叶轮的结构强度。

作为本发明的进一步改进，叶轮叶片的内部设计为多孔洞结构，这种设计可以进一步减轻叶轮的质量。

本发明这种孔洞结构设计理念可以应用到叶轮机械的其他构件，并可以推广应用到其他领域。如果用钛合金材料加工成孔洞式结构的离心叶轮，则其出口气流的速度有望达到两倍音速以上，从而可以利用冲压效应，气流从叶轮出口进入扩压器时，利用激波增压，则压比有望达到20左右甚至更高，使得单级离心式压气机的压比达到前所未有的高度，可应用于中小型燃气轮机和航空发动机。

本发明采用孔洞式结构，节省材料，可有效减轻叶轮整体质量，有效减小叶轮在高转速下所产生的离心力，可以用较低强度的材料代替目前只有用高强度材料才能满足强度要求的叶轮，在制作材料同等的条件下可以制造出口线速度更高的叶轮，为研制高性能叶轮提供技术基础。

附图说明

图1是本发明的轴向剖面结构示意图。

图2是图1中沿A-A线剖面结构示意图。

图中：1、叶片；2、轮盘；3、孔洞；4、轴孔。

具体实施方式

下面结合附图和通过实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。

在图1、2所示的结构中，本发明所提供的孔洞结构式轻质叶轮，包括轮盘2以及固定于轮盘上的叶片1，轮盘2的轴孔4部位设计为实心结构，其他部位(圆周方向)的内部设计为多孔洞结构，孔洞3设计为正六边形柱体形状，方向与轮盘的轴向平行，使轮盘的径向截面呈多孔网状结构(除轴孔4附近采用实心结构外的其他部位)，类似于蜂窝的结构，并且由圆周边缘向着轴孔4方向，孔洞的尺寸逐步减小，孔洞之间的间距逐渐加大(相当于孔洞的壁厚逐渐加大)，以逐步增加对离心载荷的承载能力。因采用孔洞结构，可有效减轻轮盘的质量，进而减轻叶轮的质量，从而可以减小叶轮的离心力载荷，同时又可将叶轮外缘的部分离心力载荷向轴孔方向分散、传递，使得整个叶轮的应力分布更加均匀合理，避免轴孔附近的应力过大，使得叶轮可以在保证结构强度的情况下以更高的线速度工作，为研制高性能叶轮提供技术基础。

依据本发明这种孔洞结构设计理念，为了减小叶片施加给轮盘的应力载荷，其内部也可以设计为孔洞结构，为了最大限度减轻叶片质量，内部孔洞设计为正六边形柱体，叶片的孔洞结构渗透到轮盘的孔洞结构中，与之融合，既可以减轻叶片重量，进而更大程度地减轻叶轮质量，又使轮盘上的叶片更加稳固。

实施本发明时，用钛合金材料加工成孔洞式结构的离心叶轮，则其出口气流的速度有望达到两倍音速以上，利用冲压效应，叶轮出口气流进入扩压器，利用激波增压，则压比有望达到20左右甚至更高，使得单级离心式压气机的压比达到前所未有的高度，在中小型燃气轮机和航空发动机有着光明的应用前景。

在实施本发明时，为了提高叶轮的热传导性能，可以在部分或全部孔洞中填充轻质高导热材料。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。