专利名称：用于离心式叶轮的模具，模具嵌入件及用于建造离心式叶轮的方法
技术领域：
本文中所公开的主题的实施例大体上涉及用于涡轮机械(特别而言，但不排他地，用于石油和天然气应用)的复合离心式叶轮(impeller)及相关的生产方法。其它实施例大体上涉及用于生产该离心式叶轮的模具，利用该模具来制造该离心式叶轮的一些特定构件，以及可在其中使用所述叶轮的涡轮机械。
背景技术：
离心式涡轮机械的一个构件是离心式叶轮，其通常将能量从驱动涡轮机械的马达 传递至通过使流体从旋转中心向外加速而被压缩或泵送的工作流体；当该流体的向外运动被扩散器和机械壳体限界时，由叶轮施加至工作流体的动能被转变成压力能。这种离心机械通常被称为压缩机(如果工作流体是气体)或泵(如果工作流体是液体)。另一种类型的离心式涡轮机械是膨胀器，其通过使用流体可在其中膨胀的叶轮来使用工作流体的压力在轴上产生机械功。US 4676722描述了一种用于离心式压缩机的叶轮，其由多个纤维装填的戽部(scoop)制成。这种特定叶轮的一个缺点是，各个戽部大致沿径向方向具有直接纤维增强，所以很难平衡高速旋转下由离心力所产生的周向应力。制造之后，通过结合剂的粘接强度使部段彼此连接，这限制最大操作速度。此外，制造的方法(在其中通过纤维丝将组件拉到位)受限于相对简单的可具有低的空气动力学效率的几何结构(例如，带有直边缘的部段)。US 5944485描述了一种热结构复合材料的涡轮(尤其是具有大的直径的涡轮)，以及用于制造该涡轮的方法，该方法依靠螺栓、凹槽、槽口等提供用于其组件的机械联接。这种叶轮的一个缺点是，当使用腐蚀性或侵蚀性工作流体时机械联接不能确保高旋转速度下的高抗性。因此该构件的可靠性可急剧降低。此外，用于将翼型件附接至轮轴(hub)的结构在通路的内部拐角周围为使用者提供连续的纤维。由于这些通常是高应力区，期望具有从翼型件到盖以及从翼型件到轮轴的连续的纤维。US 6854960描述了一种分段复合式叶轮或螺旋桨装置和制造方法。这种叶轮的主要缺点是，它依赖于粘接结合来连接相同节段。因此，它不具有对在高旋转速度下工作的高机械抗性，并且离心力可使相同节段分离并破坏叶轮本身。另一个缺点是，不可能建造带有具有复杂几何结构的导叶的叶轮，而在三维或类似叶轮中的情况是这样的。大体而言，所有前述叶轮的缺点是，它们呈现相对复杂的机械结构，因为它们由若干不同构件组成，这些构件需要独立地制成并且然后机械地组装在一起。此外，由纤维制成的构件通常需要通过昂贵的金属模具来建造，从而增加了制造的成本。此外，对于每种不同类型的叶轮，需要使用不同的金属模具来建造这些纤维构件，这显著增加了制造的成本。再次，这些机械组件不容易依靠自动化机械实现，进一步增加了制造的时间和成本。另一个缺点是，这些叶轮的导叶没有被以任何方式保护而免于悬浮于工作流中的固体或酸性颗粒的损害，因此侵蚀和腐蚀问题可很严重并可导致构件的破坏。又一个缺点是，可能难以实现所有构件的机械装配，这是叶轮在高速下的最佳操作所需要的。此外，由使用期间形成的张力和作用力所产生的任何变形可在操作期间(尤其是在高速下)造成问题；在操作期间可出现振动，其由磨损和/或由各种构件的错误组装引起。因此，叶轮可失效。迄今为止，尽管在技术上有发展，但是，这些缺点造成问题并且形成这样的需要，即，以甚至更快和更便宜的方式生产用于涡轮机械的简单并且廉价的离心式叶轮，同时生产一种改进的并且高品质的成品。存在通过利用复合和纤维技术来生产创新的离心式叶轮的特定需求，并且同时保持机械叶轮的机械的、流体动力学的及空气动力学的性质，以便在涡轮机械领域中有效地使用该创新的叶轮。需要设计上的改进以更好地利用复合材料的固有强度，并且与典型的金属叶轮所能做到的相比使在更高梢速下的安全操作能够实现。
发明内容
本发明的一个目的是，生产一种用于建造离心式叶轮的简单、快速、廉价的模具，克服上述至少一些弊端。进一步的目的是，开发一种用于生产所述叶轮的方法，特别是一种用于使用复合材料形成叶轮的方法。进一步的目的是，生产一些构件以便以简单且廉价的方式通过所述模具制成所述叶轮。根据第一方面，用于涡轮机械的离心式叶轮包括多个空气动力学导叶；每个导叶包括内壁，织物(fabric)元件至少关联在该内壁上。换言之，空气动力学导叶是相邻叶片之间的空的空间。在叶轮的使用期间，简单说来，工作流体进入每个空气动力学导叶的入口孔，经过导叶，该流体在导叶中被导叶自身的几何结构以及叶轮的旋转径向地推进，并且最终通过每个导叶的出口孔离开。必须理解，在该描述和在所附权利要求中，用语“织物”被用来表示许多织成模式的各种不同纤维结构的一种或者多种，该模式例如编织模式、缝制模式，或者层的组件(而不仅仅是编织配置)。参见下面的描述。在所公开的主题的特别有利的实施例中，第一织物元件配置为围绕每个空气动力学导叶以便大体上复制空气动力学导叶的形状，使得保持所述导叶的空气动力学特性。该织物包括纤维，这些纤维有利地并且优选地在每个导叶的整个内表面周围连续，从而提供对在这些位置处产生的机械应力的高抗性。这样，单个导叶变得特别耐机械应力，并且同时能保持其空气动力学特性。在本发明的另一有利的实施例中，第二织物元件配置为交替地围绕导叶的上壁以及沿着在其间的相应叶片延伸的相邻导叶的下壁，使得保持所述导叶的空气动力学特性。
在另一有利的实施例中，第三织物元件具有大体上锥形的表面，其中织物叶片从该表面伸出；这些织物叶片能大致地复制成品叶轮的叶片。
显然，可根据制造或使用的特定需求以不同方式实现上述三个实施例；并且，不排除以彼此组合的方式来实现这些实施例。在另一实施例中，成形构件关联在每个空气动力学导叶内，以便抵抗由工作流体所造成的侵蚀或腐蚀现象。事实上，工作流体可为 气体、液体或通常其混合物，并且侵蚀或腐蚀过程可由于叶轮的高旋转速度而恶化，这导致在流中的液体或固体颗粒以更高的作用力冲击叶片。在另一有利的实施形式中，叶轮包括放置在空气动力学导叶上方的第四织物元件；该第四织物元件可大致具有离心罩的形状和功能。此外，叶轮可包括具有大致环形平坦形状的第五织物元件，其大致实现用于叶轮自身的后板。第六织物元件可适配在空气动力学导叶的下方；该元件具有大致环形的形状并且能与导叶的外部在下(inferior)表面匹配。第七织物元件可有利地适配在轴孔(涡轮机械的转子适配在该轴孔内)周围。可提供第四、第五、第六和第七织物元件(优选地以彼此组合的方式)，以便增加成品叶轮的机械抗性；但是，必须理解，根据制造或使用的特定需求，这些织物元件可单独使用或者以不同的组合的方式使用。在有利的实施例中，所有上述织物元件(当提供时)被包封或关联在填充材料(通常被称为“基质”)中，以便获得用于叶轮的更刚性的形状。在特别有利的实施例中，所有上述织物元件(当提供时)匹配或压在一起以便最小化在它们之间的空的空间。在这种情况下，尽可能地减少用于填充在相邻纤维元件之间的空间的填充材料，以便最大化体积内的结构纤维的量。这将进一步增加成品叶轮的机械抗性。在又一有利的实施例中，内部核心元件放置在空气动力学导叶的下方以便于叶轮的制造过程，特别是便于所述第四、第五、第六和第七纤维元件沉积即位，并且，当提供时，为纤维布置提供基础。此外，核心元件可有利地配置为在成品叶轮于高旋转速度下工作期间赋予更高的强度和刚度。该核心可由至少比填充材料(在其固化之前)更刚性的材料制成，例如木头(例如轻木)，泡沫(例如环氧树脂、酹醒塑料、聚丙烯(polypropelyne)、聚氨酯、聚氯乙烯PVC、丙烯腈丁二烯-苯乙烯ABS、纤维素醋酸酯(cellulois acetate)),蜂巢状物质(例如芳绝纸、牛皮纸、碳纤维或玻璃增强塑料、铝合金、钛，以及其它金属合金)，聚合物(例如酚醛塑料、聚酰亚胺、聚醚酰亚酯、聚醚醚酮)，或者金属材料或其它。 在特别有利的实施例中，该核心包括未填充的腔，其降低核心的整体密度，使得其大大低于织物或填充材料的密度。这将导致在经受高旋转速度时对相邻结构较低的作用力。在具体实施例中，核心可部分地被上述织物元件的至少一种包围-单独地或者以不同组合(当提供时)_以便获得特别紧凑、刚性和有抗性的系统。根据本发明的优选实施例，上述织物元件由多个单向或多向纤维制成，大致实现为至少沿优选方向具有高的各向异性。这些纤维可具有大致螺纹形的形状，如例如碳纤维、玻璃纤维、石英、硼、玄武岩、聚合聚乙烯(例如芳香族聚酰胺或伸直链聚乙烯)、陶瓷(例如碳化硅或氧化铝)等等。但是，并不排除这些织物元件可实现为带有两层或更多层纤维、带有不同类型的纤维的组合或带有不同类型的元件，如例如带有粒状、薄片状或球状元件，或者编造、缝合、编织、非卷曲的或其它织物，单向条带或丝束，或任何其它纤维构造。上述填充材料可通过能保持在一起的材料实现，以便在内部均匀分布张力，并为织物元件提供对高温和磨损的高抗性；反之，织物元件主要能在叶轮的工作期间提供对张力的高抗性。此外，填充材料可布置为呈现低的比质量或密度以便降低叶轮的重量以及因此在工作期间生成的离心力。填充材料可优选地是有机、天然或合成的聚合物材料，其主要成分是带有高分子量分子的聚合物，并且其由通过化学键连接在一起的大量基本单元(单体)形成。在结构上，这些分子可由直链或支链(彼此缠结在一起)或三维晶格形成，并且主要由碳原子和氢原子(以及在一些情况下，氧、氮、氯、硅、氟、硫等)组成。通常，聚合物材料是成百上千种不同物质的非常大的族群。可将一种或多种辅助性化合物添加至聚合物材料，例如微米或纳米微粒，其根据 具体需求具有不同的功能，例如增强、增韧、稳定、保护、液化、着色、漂白或保护聚合物使之免于氧化。在本发明的有利的实施形式中，聚合物填充材料至少部分地由热塑性聚合物组成，热塑性聚合物例如PPS (聚苯硫醚)、PA (聚酰胺或尼龙),PMMA (或丙烯酸)、LCP (液态晶体聚合物)、Ρ0Μ(乙缩醛)和PAI (聚酰胺酰亚胺)、PEEK (聚醚醚酮)，PEKK (聚醚酮酮)、PAEK (聚芳基醚酮)、PET (聚对苯二甲酸乙二酯)、PC (聚碳酸)、PE (聚乙烯)、PEI (聚醚酰亚胺)、PES (聚醚)、PPA(聚邻苯二 (甲)酰胺(poliptalamide))、PVC(聚氯乙烯)、PU(聚氨酯)、PP(聚丙烯)、PS(聚苯乙烯)、PPO(聚苯醚(polifenilene oxide))、PI (聚酰亚胺；存在为热固性物质)，等等。对于特别高温的应用，各种聚酰亚胺，例如聚合的单体反应物(PMR)树脂、带有苯乙炔封端的6F-聚酰亚胺(HFPE)，以及苯乙炔封端的酰亚胺(PETI)低聚物可以是优先的。在本发明的另一有利的实施形式中，聚合物填充材料至少部分地由热固性聚合物组成，例如环氧树脂、酚醛塑料、聚酯、乙烯基酯、胺、呋喃、PI (也存在为热塑性材料)、BMI (双马来酰亚胺)、CE(氰酸盐)、酞腈(Pthalanonitrile)、苯并恶嗪或更多的。对于特别高温的应用，可优先考虑各种热固性聚酰亚胺，例如聚合的单体反应物(PMR)树脂、带有苯乙炔封端的6F-聚酰亚胺(HFPE)，以及苯乙炔封端的酰亚胺(PETI)低聚物。根据本发明的另一有利的实施例，填充材料由陶瓷材料(例如碳化硅或氧化铝等)组成，或者甚至至少部分地由金属(例如铝、钛、镁、镍、铜或它们的合金)、碳(如在碳-碳复合材料的情况下)等组成。根据本发明形成的叶轮的优点是其呈现出高品质和创新的特性。特别而言，该叶轮非常轻，但是同时，相对于用于涡轮机械领域的由金属制成的已知叶轮而言具有可比较的抗性(对于高旋转速度并且对于高压力比而言)。事实上,传统的金属叶轮的重量取决于叶轮大小可从大约10千克至2000千克,而根据本发明的叶轮的重量可从大约O. 5千克至20千克(对于同样类型的叶轮而言)。因此,重量减少大于75%。另一优点是，根据本发明制成的叶轮可与很多不同的流体(液体、气体或其混合物)一起使用并且与呈现高腐蚀性或侵蚀特性的流体一起使用。进一步的优点来自于这样的事实，即，生产和处理起来特别便宜和简单。参见下面的描述。另一优点是，特别易于应用更多的构件或元件以便根据具体要求提高叶轮的品质或机械特性，类似于成形构件或制成为具体形状的纤维元件等。同样，另一优点是，根据本发明制成的叶轮可为不同类型，同时保持空气动力学和机械特性。例如，该叶轮可为三维叶轮、二维叶轮或其它。根据第二方面，存在一种涡轮机械，其中应用了如上所述的至少一种离心式叶轮。特别而言，该涡轮机械可为离心式压缩机(对于气体)或泵(对于液体)，或者，它可为离心式膨胀器；在任何情况下，该涡轮机械优选地具有多个这样的叶轮，其关联在由金属或其它材料(例如复合材料)制成的公共轴上。根据第三方面，存在一种用以建造用于涡轮机械的离心式叶轮的模具，其至少包 括，复制成品叶轮的空气动力学导叶的包括多个空气动力学导叶嵌入件的环形嵌入件。特别而言，环形嵌入件可由单个部件制成，或者优选地，通过将多个部件接合在一起，见下文。该模具优选地并且有利地包括具有内部面和外部面的基板，内部面配置为复制叶轮的后表面，外部面与内部面大致相对；上部环具有内部面和外部面，内部面配置为复制叶轮的前表面，并且外部面与该内部面大致相对。在其它实施例中，该模具包括上述的织物元件，其优选地并且有利地具有(半)刚性的形状并且在置于模具内之前单独制造。在本发明的特别有利的实施例中，该模具包括关联在离心式叶轮平台下方并且在基板上方的内部核心；根据不同的技术需求或使用要求，该内部核心可在许多不同的实施例中实现。见下文。在本发明的另一优选实施例中，该模具包括多个成形构件，其能关联在每个空气动力学导叶嵌入件的外表面上；这些成形构件配置为在成品叶轮的工作期间抵抗工作流体的侵蚀或腐蚀。特别而言，这些成形构件可关联在上述织物元件中的一个以及环形嵌入件对应于导叶的壁的表面之间，在工作流体所造成的侵蚀或腐蚀过程更高的位置处。可提供封闭系统以便封闭在基板与上部/环之间的平台，从而使所述叶轮平台在它们之间居中并锁定在它们之间。该系统可在多种不同类型下实现，例如在机械系统(定位销、螺丝或其它)中，几何系统(成形孔、成形槽、成形牙、成形面或其它)中，或者其它系统。提供了喷射系统以便依靠制成于基板和/或上部环内的喷射通道将填充材料注入模具内。根据本发明的模具的优点是，该模具产生的成品叶轮是高品质的并且具有用于涡轮机械领域的创新特性。另一优点是，用于环形嵌入件的材料可为成本低廉并且易于加工的东西，例如高密度泡沫或陶瓷。此外，该材料很紧凑但又非常灵活，因为在提供具体几何结构和形状的环形嵌入件的情况下可制成许多不同类型的叶轮(特别是三维或二维叶轮)。该模具设计的又一优点是,它允许填充材料通过整个部件的单步灌输(infusion)和固化。这提供了高强度的部件并且消除了对可能昂贵和费时的第二接合操作(例如结合、加工或机械附连)的需要。此外，消除了操作之间的部分污染或处理损坏的可能性。根据第四方面，存在空气动力学导叶嵌入件，其配置为至少复制成品离心式叶轮的空气动力学导叶，使得保持成品叶轮的导叶的空气动力学特性。有利地，该空气动力学导叶嵌入件至少包括中央区域以及端部区域，该至少一个中央区域配置为合适地复制空气动力学导叶，端部区域配置为与相邻嵌入件的端部区域关联，从而形成环形组件。在特别有利的实施例中，这些成形端部区域配置为与相邻嵌入件的端部区域关联以便形成入口孔和相应的出口孔，其用于工作流体并且还用于将嵌入件处理、定位在模具内，以及容纳树脂通道。此外，成形端部区域可设有密封元件以避免填充材 料在注射期间的泄漏。在优选实施例中，空气动力学导叶嵌入件至少由单个部件制成；但是不排除嵌入件可由两个或更多的部件制成，或者相反，根据特定实施例，单个嵌入件可产生两个或更多个空气动力学导叶。本发明的该方面的优点是，其允许制造带有复杂3D几何结构的导叶，使得可在填充材料已固化后容易地将嵌入件从叶轮移除。
根据另一示例性实施例，空气动力学导叶嵌入件与其它导叶嵌入件接合以形成环形组件，其复制成品叶轮的所有空气动力学导叶，使得保持成品叶轮的导叶的空气动力学特性。该环形嵌入件也可由单个部件制成。见下文。在优选实施例中，该环形嵌入件优选地并且有利地包括第一面、第二面、多个成形槽口，以及轴向孔。第一面配置为复制成品叶轮的所有空气动力学导叶的环形组件的上表面；第二面与第一面大致相对并配置为复制上述环形组件的下表面；多个成形槽口提供成大致复制导叶的侧壁；并且轴向孔大致复制成品叶轮的轴向孔(涡轮机械的转子放置于其中)。有利地，可根据制作工艺或成品叶轮的类型通过合适的材料制成空气动力学导叶嵌入件和环形嵌入件，并且该材料可为可溶性的或易碎的材料、可改良的材料，或者在多个部件中可提取的固体材料，例如但不限于金属、陶瓷、聚合物、木材或蜡。一些具体的例子包括水溶性陶瓷(例如来自Advanced Ceramics Manufacturing的Aquapour ),状态变化材料(例如来自2Phase Technologies的“快速改良工具系统”)，形状记忆聚合物(例如来自 Cornerstone Research Group 的 Verif lex 可重复使用模芯(Mandrels))。根据本发明的空气动力学导叶嵌入件和环形嵌入件的优点是，它们能建造用于涡轮机械领域的具有高品质并带有创新特性的成品叶轮。另一个优点是，它们非常灵活，因为可能在提供具体几何结构和其形状的情况下制成许多不同类型的空气动力学导叶，例如二维或三维类型的叶轮，或其它。又一优点是-大体而言-成品叶轮可在单次注射中制成并且不要求后续的组装和结合。这减少制造时间并提高部件的结构完整性。然而，并不排除将每个导叶单独注射和固化并且然后在后续步骤中将这些导叶与轮轴和罩组合。根据第五方面，存在一种建造用于涡轮机械的离心式叶轮的方法，其至少包括这样的步骤，即，制作包括多个空气动力学导叶嵌入件的环形嵌入件，该空气动力学导叶嵌入件复制成品叶轮的空气动力学导叶，使得保持导叶和成品叶轮的空气动力学特性。空气动力学导叶是两个相邻叶片之间的空的空间，当叶轮工作时工作流体可流动通过其中，还参见之前的描述。在本发明的有利的实施例中，该方法包括这样的步骤，S卩，建造多个由所述合适材料制成的空气动力学导叶嵌入件，每个嵌入件至少复制叶轮的空气动力学导叶并且每个嵌入件配置为彼此关联以实现环形嵌入件。在本发明的备选实施例中，提供了这样的步骤，S卩，使用具体模具从单个部件建造环形嵌入件。在本发明的另一实施例中，提供这样的步骤，S卩，建造能关联在每个所述空气动力学导叶嵌入件周围的第一织物元件。 在又一实施例中，提供了另一步骤来建造第二织物元件，第二织物元件能关联在导叶的上壁上以及环形嵌入件的相邻导叶的下壁上。此外，提供了其它步骤来建造第三织物元件，第三织物元件能连续地形成多个叶片壁以及在叶片之间的壁。但是，显然，根据组件或应用需求，可存在很多方式以建造织物元件并将它们关联在叶轮嵌入件上。在本发明的另一实施例中，提供了另一步骤以使成形构件至少关联在每个空气动力学导叶嵌入件(在关联织物元件到其上之前)的外表面上。以这种方式，可能将成形构件包封在空气动力学导叶嵌入件及相应的织物元件之间。在本发明的又一实施例中，提供了另一步骤以将内部核心关联在环形嵌入件下方，以便在成品叶轮于高旋转速度下工作期间赋予更高的强度和刚度，并且同时，有助于其结构为纤维布置提供坚实的基础。有利地，可通过灌输工艺将填充材料填充在模具内，该灌输工艺例如树脂传递模塑(RTM)、真空辅助树脂传递模塑(VARTM)、结构反应注射成型(SRIM)、增强反应注射成型(RRIM),等等。显然,不排除根据构建(construction)或使用的具体需要而使用其它方法。在另一优选实施例中，提供了另一步骤以便在填充材料的灌输和固化工艺之后移除环形嵌入件；这可以通过利用液体或气体冲洗(在可溶性嵌入件的情况下)，加热(在可熔嵌入件的情况下)，破碎(在易碎嵌入件的情况下)，或者将环形嵌入件的几何结构设计为使得其可没有变化地移除(在固体嵌入件的情况下)来实现。总之，该移除步骤使得可在使得保持成品叶轮的导叶的空气动力学特性的情况下，在灌输工艺之后将环形嵌入件从成品叶轮取出或分离。在另一优选实施例中，还提供了另一步骤以便制作空气动力学导叶嵌入件和环形嵌入件的全部或部分，其使用叠加(additive)制造技术以最小化对嵌入件进行加工的需要。这些叠加制造方法包括但不仅限于光成形、熔融沉积建模、激光烧结和电子束熔炼。方法的选择将取决于许多因素，包括成型温度和所需的叶轮尺寸公差。这对于要生产带有相同形状的少量的叶轮的应用而言尤其具有吸引力。在又一优选实施例中，可使用压模(die)来铸造全部或部分的嵌入件，该压模由上面提到的叠加制造方法中的一种制成。在这种情况下，嵌入件材料可包括可溶的陶瓷。
根据本发明的方法的优点是，通过该方法生产的成品叶轮是高品质的并且具有用于涡轮机械领域的前述创新特性。另一个优点是，特别容易提供进一步的阶段来添加构件或元件，以便根据具体要求提高成品叶轮的质量或机械特性。又一优点是，这种方法非常灵活，因为可能在保持其空气动力学和机械特性的情形下建造不同类型的叶轮，例如二维或三维叶轮或其它。
通过理解说明书和附图将使本发明更加明显，附图示意性地显示并且不是按比例的，从而并不限制实际的实施例。更具体而言，在附图中，相同的标号表示相同或相应的部分
图1A、图IB和图IC显示了根据不同实施例的叶轮的截面；
图2显示了根据本发明的一个实施例的模具的分解装配；
图3显示类似于图2的模具的侧向和分解视 图4显示了用于图3的模具的构件；
图5和图6显示了图2或图3的模具的构件的多个视 图7和图8显示了根据本发明的特定实施例的其它构件；
图9A、图9B和图9C显示了根据本发明的特定实施例的相应纤维元件；
图10显示了图2或图3的模具的截面；以及 图IlA至图IlL显示用于本发明的不同实施例的多种纤维。
具体实施例方式在附图中，其中相同的标号在所有各个图中对应相同的部分，大体上利用标号IOA来表示根据本发明的第一实施例的用于涡轮机械的成品离心式叶轮，参见图1A。该叶轮IOA包括形成于空气动力学叶片15之间的多个空气动力学导叶13，空气动力学叶片15由第一织物元件IA (也参见9A)制成并渗透有第一填充材料M，其通常被称为“基质”。显然，织物元件、空气动力学叶片和相应导叶的数量和形状将根据叶轮的特定实施例而改变。参见上面的描述。工作流体沿着进入方向A进入每个导叶13的入口孔，行进通过导叶13，并且沿着方向B从相同导叶的出口孔离开。成形构件19(在图IA中未按照比例显示)布置在每个叶片15之间的导叶13的在下壁131上以便防止工作流体在叶轮IOA的工作期间的侵蚀。第四织物元件4有利地提供在导叶13上方，其具有大致离心罩的形状和功能。内部核心元件21关联在导叶13下，并且可被多个进一步的织物元件5、6、7包围。参见下面的描述。在该实施例中，(也参见图7的描述)该成形构件19大致复制导叶13的在下壁131 (在那里由工作流体的流导致的侵蚀过程可能更高)的形状；但是不排除这些构件19可利用另一形状或其它材料制成。参见下面的描述。图IB显示了第二实施例，其中，叶轮IOB被提供有第二织物元件IB(也参见图9B的描述)，其配置为交替地围绕导叶13的上壁以及沿着在其之间的相应叶片15延伸的相邻导叶13的下壁。
图Ic显示了第三实施例，其中，叶轮IOC被提供有第三织物元件1C(也参见图9C的描述)，其配置为形成叶片15以及每个叶片15之间的导叶13的在上(superior)壁13S ；该第三织物元件IC大致由环形板组成，其带有多个从板伸出的成形板材以形成叶片。在实施例IOB和IOC中均可提供对于图IA的第一实施例描述的相同元件，如图自身所示的那样，比如成形元件19、内部核心21，以及其它。在图2中显示了用以建造所述离心式叶轮10A、IOB或IOC的模具100的分解视图，模具100基本上包括环形嵌入件110 (在该图中以分解视图将其自身显示)以及在基板113与上部环115之间的内部核心元件21。 在该特定实施例中，环形嵌入件110通过使多个空气动力学导叶嵌入件200 (它们中的每一个复制成品叶轮的空气动力学导叶13)关联而制成，以便形成大致环形或环面的组件。见下文。基板113具有内部面113A以及外部面113B，内部面113A配置为复制成品叶轮10AU0B或IOC的后表面，外部面113B与内部面113A大致相对。上部环115具有内部面115A以及外部面115B，内部面115A配置为复制叶轮的前表面，外部面115B与内部面115A大致相对。内部核心元件21关联在环形嵌入件110下方，并呈现第一面21A(也参见图2、图3和图9)、相对的第二面21B以及轴向孔21C。第一面21A有利地具有罩形的形式(类似于钟或康乃馨(tulipan))，其配置为匹配平台110的在下表面；相对的第二面21B配置为大致复制成品叶轮的后表面，并且轴向孔21C能关联在机械的轴R(成品叶轮可安装在那里)上。在该图中，核心元件21被第五纤维元件5、第六纤维元件6以及第七纤维元件7包围。见下文。必须指出的是，在这些图中，核心元件21的形状被显示为完全填充轴与平台110之间的空间；并不排除将核心元件21实现为部分地填充该空间以便降低压力并且同时降低成品叶轮的重量。在另一有利的实施例中，当核心元件21由金属材料制成时，可不提供这些进一步的织物元件5、6或7。此外，成形腔或孔可提供在由金属材料制成的核心元件21上并且嵌入有织物元件的一部分以便使这些元件更稳固地适配在其上。此外，在图2中显示了一个封闭系统119，其包括(在该有利的实施例中)多个固定在基板113的内部面113A的边缘上的封闭销119A，并且其中相应的封闭孔119B制成于上部环115的内部面115A的边缘上；嵌入孔119C在特定位置处提供在每个空气动力学导叶嵌入件200上，见下面的描述。显然，封闭系统119在这里被描述为实际情况的一个示例；该系统可根据特定实施例而极大地改变。在图2中显示了更多的轴向嵌入件121，以便形成由具体材料制成的成品叶轮的轴向孔21C，最终同样材料的平台110和/或嵌入件200。
应当指出的是，图2还显示了多个第一织物元件1A，它们中的每一个关联在相应空气动力学导叶嵌入件200的外表面上；显然，模具100还可分别包括第二织物元件IB和第三织物元件IC (为了简单起见未在图2中显示)，以便实现分别在图IB和图IC中示意性显示的成品叶轮。图3显示了类似于图2那样的模具的分解视图和侧视图，其中嵌入件200关联在一起以形成环形嵌入件110。在该图中，为了简单起见，既没有显示第一织物元件1A，也没有显示第二织物元件IB或第三织物元件1C。此外，在该图中显示了第四、第五和第六织物元件4、5、6，其可提供在模具100内以形成在本发明的有利的实施例中的成品叶轮。
特别而言，第四织物元件4配置为关联在环形嵌入件110与上部环115之间；第五织物元件5配置为关联在核心21与基板113的内部面113A之间；第六织物元件6配置为关联在环形嵌入件110与核心21之间；第七织物元件7配置为关联在核心21的轴向孔21C内。这些织物元件4、5、6、7在制造过程期间可渗透有第一填充材料M。此外，在图3中还以截面部分地显示了环形嵌入件110，并且其配置为复制成品叶轮的多个空气动力学导叶的环形组件，使得保持成品叶轮的空气动力学特性。在这里所述的优选实施例中，环形嵌入件110包括第一面110A，其由导叶环形组件的上表面形成并且具有大致类似于钟或郁金香的形式，并且能与第四织物元件4匹配。第二面IlOB与第一面IlOA大致相对并且由导叶环形组件的下表面制成；提供了多个成形槽口 137以便大致复制每个导叶13的叶片15和轴向孔21C(其能被关联至涡轮机械的转子R)。该环形嵌入件110可通过互相接合多个所述空气动力学导叶嵌入件200 (如在这些图中所示的)或者通过单个部件而形成，如上面所述地。在图4中示意性地显示了分段织物元件37 (也参见图1A)，其能适配在所述成形槽口 137的拐角处的空间内，以增加成品叶轮的整体组件的刚度，对于填充材料消除优选流动路径，并且避免仅仅包含填充材料而没有纤维的区域(在固化期间可能开始开裂)。
在优选实施例中，所有织物元件I至7和37由呈现软或(半)刚性特征的织物材料制成，所以它们可单独制成或在模具组装期间关联在一起。然而，根据不同实施例或成品叶轮的使用的需求，织物材料可由其它的类型制成。此外，根据不同的实施例，这些织物元件可由不同类型的纤维材料制成，见下文。在图5和图6中示意性地显示了根据本发明的有利实施例的空气动力学导叶嵌入件200，其中其包括中央区域200A和相对的成形端部区域200B、200C，中央区域200A配置为复制成品叶轮的导叶13，成形端部区域200B、200C配置为与相邻导叶嵌入件200的成形端部区域200B和200C分别关联以便将环形组件安排为实现环形嵌入件110。特别而言，端部区域200B、200C分别包括侧表面200D、200E，其能分别与相邻导叶嵌入件200的侧表面200D和200E接合。有利地，相对的成形端部区域200B、200C复制导叶13的入口孔和相应出口孔。 此外，在该特定实施例中，端部区域200B、200C被成形以便配合相邻嵌入件200的端部区域，并且，同时，用于在模具100内处理和定位导叶嵌入件200。显然，根据本发明的特定实施例，这些端部区域200B、200C的形式和形状可变化。
应当指出，如本文所示，导叶嵌入件200呈现为三维导叶；但是，显然，可根据其它不同类型制成该嵌入件200，例如二维导叶或其它。
在图7中示意性地显示了根据本发明的有利的实施例的上述成形元件19，其能覆盖成品叶轮的导叶13的侵蚀过程更高的部分，例如其底部(参见图1A)。特别而言，该成形元件19通过第一表面SI以及侧边缘S2和S3实现，第一表面SI能复制导叶13的形状并且关联在导叶13的在下壁131上，也参见图IA ;侧边缘S2和S3用以部分地复制导叶13内的叶片15的形状并且关联在叶片15的侧壁上。有利的是，该成形元件19可关联在导叶嵌入件200的中央区域200A上并且被第一织物元件1A、第二织物元件IB或第三织物元件IC包封，也参见图5和图6。在图8中显示了相对于图7的不同实施例，其中，成形构件20能够套住或完全覆盖导叶13的壁；换句话说，该成形构件20大致形成能完全复制导叶13的封闭通道，工作流体在该封闭通道中流动。特别而言，该成形元件20通过第一在下表面LI、侧边缘L2和L3以及第二在上表面L4实现，第一下表面LI能复制导叶13的形状并关联在导叶13的在下壁131上；侧边缘L2和L3用以复制导叶13内的叶片15的形状并关联在叶片15的侧壁上，第二在上表面L4·用以复制导叶13的在上壁13S的形状并关联在在上壁13S上。同时，该成形元件20可关联在嵌入件200的中央区域200A上并且被第一织物元件1A、第二织物元件IB或第三织物元件IC包封。这些成形元件19、20可由耐侵蚀或腐蚀的材料(如例如金属或陶瓷或聚合物或其它)制成，并且还可进一步被用来提高成品叶轮的机械抗性。显然，成形元件19、20必须复制导叶的形状，所以它们可为三维或二维类型，或者根据特定导叶(其将被关联到其中)的形状的其它类型。应当指出，成形元件19、20可通过填充材料M并且还通过其成形形式以简单而有用的方式固定在导叶13内。图9A显示了第一纤维元件IA(也参见图1A)，其所呈现的形状近似地复制导叶13的形状。在这种情况下，该元件IA可由任何类型的纤维(如前所述)制成并且其可有利地为半弹性或适应性，以致扩展自身以越过嵌入件200的端部区域200B或200C并且然后在中央区域200A周围封闭。显然，在又一实施例中，嵌入件200可不包括端部区域200B、200C。在另一实施例中，可将元件IA直接编织(或者以其它方式生产)在嵌入件200上，因而不要求织物变形。图9B显示了第二纤维元件IB (也参见图1B)，其呈现出配置为交替地环绕导叶13的在上壁13S以及沿着其间的相应叶片15延伸的相邻导叶13的在下壁131的形状。特别而言，该第二元件IB大致由罩板制成，该罩板成形为以致连续地形成环形组件的所有导叶13，在模具100的组装期间将导叶嵌入件200和相邻导叶嵌入件200相对地放置在其表面上。图9C显示了第三纤维元件1C(也参见图1C)，其呈现大致由环形板形成的构造以便形成在上壁13S或在下壁131，同时叶片表面从该板伸出以形成成品叶轮的叶片15 ;可在模具100的组装期间将该第三织物元件IC大致放置在环形嵌入件110 (如图9C中所示)上方或环形嵌入件110 (如图IC中所示)下方。在图10中示意性地显示了图2和图3的模具100的截面，在其中你可特别地看到导叶嵌入件200和空的空间，在该空间内包含上述织物元件I到7，并且在其中填充有填充材料Μ。在一个特别有利的实施例中，该空的空间被制成为用以将放置于其中的织物元件I到7配合或压在一起，使得相邻的织物元件相互严格接触。这样，可能使在两个相邻的纤维元件I至7之间的空的空间尽可能降低；填充材料M能填充相同的纤维元件I至7的纤维之间的空间，以便提供高的、受控的纤维体积分数，见上文；特别而言，使用封闭的模具可能控制这些空间以便提供高的、受控的纤维体积分数。填充材料M可从制成于基板113和/或上部环115中的多个注射孔123注入。根据本发明的不同实施例，在图IIA到图IIL中显示了可被用来制成纤维元件1Α、1B、1C、4、5、6、7或37的多个纤维。 特别而言，在图IlA中显示了包括填充材料M的复合材料，多个连续的纤维R2被包封在其中，纤维R2可沿优选的方向定向以便在成品叶轮的使用期间在纤维元件上具有最佳的强度分布。在图IlB和图IlC中显示了包括填充材料M的复合材料，多个微粒纤维R3和相应的不连续纤维R4被包封在其中。在图IlD到图IlL中分别显示了由双轴网格R5、缝状网格R6、三轴网格R7、多层翘曲网格R8、三维缠绕纤维R9、圆柱形三维网格RlO以及相应的三维交织网格Rll组成的纤维。所有这些类型的纤维或网格可不同地定向以便在纤维元件上具有最佳的强度分布。应当指出，多年来已经开发出多种类型的合成纤维，其呈现可用于根据特定实施例的特定应用的具体特性。例如，“HighPerformance Fibers b. v. Corporation，，公司的 Dyneema (也被称为“凝胶纺聚乙烯”，或HDPE)是一种适于生产用于牵引的缆线的人工合成纤维，并且它被用于诸如风筝冲浪、登山、垂钓和防具生产的运动；类似于Dyneema纤维的另一种纤维是由美国公司拥有专利的Spectra ;并且可从市场得到的另一种纤维是Nomex ，其是由杜邦在60年代初制成的一种芳纟仑纤维物质。所公开的示例性实施例提供物件和方法以便实现带有创新特征的叶轮。应当理解，该描述不意图限制本发明。相反，示例性实施例意图覆盖被包括在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的替代物、变型和等同物。此外，在示例性实施例的详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对主张权利的发明的全面理解。然而，本领域技术人员应当理解，许多实施例可不带有这样的具体细节来实施。虽然本示例性实施例的特征和元件在实施例中以特定组合而描述，但是，每个特征或元件可单独使用而不带有实施例的其它特征和元件，或者在不同组合中带有或不带有本文所公开的其它特征和元件。本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统并实施任何合并的方法。本发明的专利保护范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员所想到的其它示例。如果其它示例包括与权利要求的字面语言并无不同的结构元件或者如果其它示例包括与权利要求的字面语言并无实质差别的等效结构元件，则这些其它示例预期在权利要求的范围内。
权利要求
1.一种用以建造用于涡轮机械的离心式叶轮的模具，其中，所述模具包括环形嵌入件(110)，所述环形嵌入件(110)包括复制成品叶轮的空气动力学导叶(13)的多个空气动力学导叶嵌入件(200)。
2.根据权利要求I所述的模具，其特征在于，所述模具包括能关联在每个所述空气动力学导叶嵌入件(200)的外表面上的多个成形构件(19;20)，其中，所述成形构件(19;20)配置为用以在所述成品叶轮的工作期间抵抗工作流体的侵蚀。
3.根据权利要求I所述的模具，其特征在于，所述环形嵌入件(110)由单个部件制成或者通过彼此接合多个部件而制成。
4.根据至少权利要求I所述的模具，其特征在于，所述模具包括下列项中的至少一项 基板(113)，所述基板(113)具有内部面(113A)和外部面(113B)，所述内部面(113A)配置为复制所述成品叶轮的后表面，并且所述外部面(113B)与所述内部面(113A)大致相对； 上部环(115)，所述上部环(115)具有内部面(115A)和外部面(115B)，所述内部面(115A)配置为复制所述成品叶轮的前表面，并且所述外部面(115B)与所述内部面(115A)大致相对； 内部核心元件(21)，所述内部核心元件(21)关联在所述环形嵌入件(110)下方并在所述基板(113)上方。
5.一种空气动力学导叶嵌入件(200)，配置为至少复制成品离心式叶轮的空气动力学导叶(13)。
6.根据权利要求5所述的空气动力学导叶嵌入件，其特征在于，所述空气动力学导叶嵌入件包括下列项中的至少一项 中央区域(200A)，所述中央区域(200A)配置为大致复制所述空气动力学导叶(13);以及 相对的成形端部区域(200B;200C)，所述成形端部区域(200B; 200C)配置为与相邻导叶嵌入件(200)的端部区域(200B;200C)关联以便形成环形嵌入件(110)； 成形构件(19; 20)，所述成形构件(19; 20)能关联在所述空气动力学导叶嵌入件的外表面上；所述成形构件(19;20)配置为在所述成品叶轮的工作期间抵抗工作流体的侵蚀。
7.根据至少权利要求5所述的空气动力学导叶嵌入件，其特征在于，所述空气动力学导叶嵌入件由单个部件制成或者由两个或更多部件制成。
8.根据至少权利要求5所述的空气动力学导叶嵌入件，其特征在于，所述空气动力学导叶嵌入件由可溶材料、易碎材料、可改良材料或者可在多个部件中提取的固体材料制成。
9.一种用于建造用于涡轮机械的离心式叶轮的方法，所述方法包括制作环形嵌入件(110)，所述环形嵌入件(110)包括复制成品叶轮的空气动力学导叶(13)的多个空气动力学导叶嵌入件(200)。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法包括下列项中的至少一项 至少在将织物元件(1A;1B;1C)关联到每个所述空气动力学导叶嵌入件(200)的外表面上之前，使成形构件(19; 20)至少关联在每个所述空气动力学导叶嵌入件(200)的外表面上； 建造第一织物元件(IA)，所述第一织物元件(IA)能关联在每个所述空气动力学导叶嵌入件(200)周围； 建造第二织物元件(IB)，所述第二织物元件(IB)能关联在每个所述空气动力学导叶嵌入件(200)的上壁上并且关联在相邻的所述空气动力学导叶嵌入件(200)的下壁上；建造第三织物元件(1C)，所述第三织物元件(IC)能在所述空气动力学导叶嵌入件(200)之间连续地形成多个叶片(15)。
全文摘要
一种用以建造用于涡轮机械的离心式叶轮的模具，特征在于包括能复制成品叶轮的空气动力学导叶(13)的环形组件的至少一个环形嵌入件(110)；所述环形嵌入件(110)被用来形成空气动力学导叶(13)并且这样使其可在模铸工艺期间从所述模具容易地移除。
文档编号F01D5/28GK102713307SQ201080062105
公开日2012年10月3日 申请日期2010年11月22日 优先权日2009年11月23日
发明者A.马西尼, B.阿克塞尔, C.拉诺, I.焦文内蒂, J.奥弗林, M.盖诺兹, S.芬 申请人:诺沃皮尼奥内有限公司