发动机、轮盘结构及其制备方法与流程

本发明涉及发动机技术领域，尤其涉及一种发动机、轮盘结构及其制备方法。

背景技术：

轮盘结构广泛应用于航空发动机以及地面燃机中，轮盘主要有盘体和多个叶片构成。

但是，现有技术中的轮盘结构的盘体均为实心盘，盘体较重，且生产成本高。

因此，有必要提出一种新的轮盘结构及其制备方法。

所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的轮盘结构盘体较重，生产成本高的不足，提供一种盘体较轻以及生产成本较低的轮盘结构及其制备方法。

本发明的额外方面和优点将部分地在下面的描述中阐述，并且部分地将从描述中变得显然，或者可以通过本发明的实践而习得。

根据本发明的一个方面，一种轮盘结构，用于发动机，所述轮盘结构包括：

盘体；

多个环形空腔，设于所述盘体内。

在本公开的一种示例性实施例中，所述盘体还包括：

多个贯穿结构，设于所述盘体内，连接多个所述环形空腔中相邻的环形空腔；

其中，多个所述贯穿结构连接外部空间与所述外部空间相邻的所述环形空腔。

在本公开的一种示例性实施例中，所述盘体还包括：

多个支撑结构，设于所述环形空腔内，用于支撑轮盘的整体结构。

在本公开的一种示例性实施例中，所述轮盘结构为离心叶轮、轴流叶片盘或涡轮盘。

根据本公开的一个方面，提供一种轮盘结构的制备方法，包括：

扫描原有轮盘结构得到数据并建立第一轮盘结构模型；

对所述第一轮盘结构模型进行轻量化处理，得到盘体上设有多个环形空腔的第二轮盘结构模型；

依据第二轮盘结构模型来制备所述轮盘结构。

在本公开的一种示例性实施例中，所述轻量化处理的方式为拓扑优化。

在本公开的一种示例性实施例中，所述轮盘结构的制备方法还包括：

在所述环形空腔内形成贯穿结构，用于连接多个所述环形空腔中相邻的环形空腔。

在本公开的一种示例性实施例中，所述轮盘结构的制备方法还包括：

在所述环形空腔内形成多个支撑结构，用于支撑轮盘的整体结构。

在本公开的一种示例性实施例中，采用3d打印来制备所述轮盘结构。

由上述技术方案可知，本发明具备以下优点和积极效果中的至少之一：

本发明轮盘结构及其制备方法，用于发动机。在轮盘的盘体上开设有环形空腔，一方面，减少了材料的使用，可以减少成本；另一方面，盘体使用的材料减少，其外部体积不变，与现有技术中的外形规格相同，可以应用于现有的航空发动机与地面燃机中，同时减轻了盘体的重量；设置为环形空腔，保证轮盘结构的重量均匀，不会因为重力不均匀而影响发动机的正常工作。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施方式，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显。

图1是相关技术中离心叶轮的结构示意图；

图2是图1中的局部结构示意图；

图3是本发明离心叶轮的局部结构示意图；

图4是选定设计区域的结构示意图；

图5是对相关技术中离心叶轮进行拓扑优化后的局部结构示意图；

图6是第二轮盘结构模型的局部结构示意图；

图7是对图6进行尺寸优化后的结构示意图；

图8是本发明与相关技术的优化前后对比图；

图9是本发明轮盘结构制备方法的流程示意图。

图中主要元件附图标记说明如下：1、盘体；2、环形空腔；3、支撑结构；4、外部空间；5、贯穿结构；6、叶片；m、设计区域。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

参照图1和图2所示，相关技术中轮盘的均由盘体1和叶片6构成，叶片6与盘体连接，且叶片6均匀分布在盘体1上；相关技术中的轮盘结构的盘体1均为实体结构，盘体1重量较重，且生产成本也较高。相关技术中，轮盘的生产主要采用多轴高性能数控机床进行加工，加工费用高。

本发明首先提供一种轮盘结构，参照图3所示，该轮盘结构可以包括盘体1和环形空腔2。环形空腔设于盘体1内部。减少了材料的使用，可以减少成本；盘体1使用的材料减少，其外部体积不变，与现有技术中的外形规格相同，可以应用于现有的航空发动机与地面燃机中，同时减轻了盘体1的重量。

轮盘结构可以为离心叶轮、轴流叶片盘或涡轮盘，以下主要以离心叶轮为例来对本发明轮盘结构进行详细说明。

设置为环形空腔2是为了保证轮盘结构的重量均匀分布，防止因为轮盘盘体1重量不均匀而对轮盘以及发动机的工作造成影响。

在本示例实施方式中，参照图3所示，环形空腔2的数量可以为三个，在另一示例实施方式中，环形空腔2的数量也可以为一个或者两个，环形空腔2的数量还可以为四个、五个或者更多。在本实施方式中不做具体限定。

在本示例实施方式中，参照图3所示，环形空腔2截面的形状可以是有光滑的曲线构成的不规则图形；在另一示例实施方式中，环形空腔2的截面形状也可以是由多线段构成的不规则图形，环形空腔2截面的形状还可以是规则图形，例如，三角形、矩形、圆形、椭圆形或五边形等，在本实施方式中不做具体限定。

在本示例实施方式中，参照图3所示，轮盘结构还可以包括贯穿结构5，当环形空腔2的数量为多个时，贯穿结构首先用于连接多个环形空腔2中相邻的环形空腔2，其次，还用于连接外部空间4与和外部空间相邻的环形空腔2。两个相邻环形空腔2之间的贯穿结构5的数量可以是一个、两个、三个、或更多；与之对应的，外部空间4与和外部空间4相邻的环形空腔2之间的贯穿结构5的数量也可以是一个、两个、三个或更多。

当环形空腔2的数量为一个时，贯穿结构5只用于连接外部空间4与环形空腔2；此时贯穿结构5的数量可以为一个、两个或更多。

在本示例实施方式中，参照与3所示，贯穿结构5可以是通孔；通孔的截面形状可以为圆形，在另一示例实施方式中，贯穿结构5的截面形状也可以是三角形、矩形或五边形等，在本示例实施方式中不做具体限定。

在本示例实施方式中，参照图3所示，轮盘结构还可以包括支撑结构3，支撑结构可以用于支撑盘体1的整体结构，使盘体1可以正常工作，不会由于空腔的存在导致盘体1损坏。支撑结构3可以设置在环形空腔2内部，支撑结构3的数量可以是一个，也可以是多个，在另一示例实施方式中，还可以不设置支撑结构3，只需要满足盘体1的正常工作，不会出现坍塌等损坏即可，在本实施方式中不做具体限定。

需要说明的是，上述示例实施方式主要是针对离心叶轮结构的介绍，包括附图也主要以离心叶轮为例来说明，相关技术人员可以认为的是，轮盘结构的种类较多，此处不能将其完全列举出来，因此，上述所述的轴流叶片盘或涡轮盘均可以采用上述所述轮盘结构，且应当属于保护范围内。

参照图7所示，本发明的优点可以以图标的形式体现，利用有限元仿真分析对传统轮盘构型及本发明轮盘构型进行了对比分析，相关技术中轮盘结构的整体重量为1.260kg，本发明的轮盘结构整体重量为0.996kg，本发明相较于相关技术整体重量下降20％；相关技术的轮盘结构的综合位移为0.672mm，本发明轮盘结构的综合位移为0.661mm，本发明轮盘结构相较于相关技术综合位移下降1.6％；相关技术的轮盘结构的轮心最大当量为287mpa，本发明轮盘结构的轮心最大当量为272mpa，本发明轮盘结构相较于相关技术轮心最大当量下降5.3％；相关技术的轮盘结构的轮背最大当量为257mpa，本发明轮盘结构的轮背最大当量为254mpa。本发明轮盘结构相较于相关技术轮背最大当量下降1％。通过数据分析可以很好的看出本发明的优点。

进一步的，本发明还提供一种轮盘结构的制备方法，该轮盘结构的制备方法可以包括以下步骤：

步骤s110，扫描原有轮盘结构得到数据并建立第一轮盘结构模型；

步骤s120，对所述第一轮盘结构模型进行轻量化处理，得到盘体1上设有环形空腔2的第二轮盘结构模型；

步骤s130，依据第二轮盘结构模型来制备所述轮盘结构。

下面，将对本示例实施例中的温度控制方法进行进一步的说明。

在步骤s110中，扫描原有轮盘结构得到数据并建立第一轮盘结构模型；

在本示例实施方式中，扫描轮盘的整体结构，建立第一轮盘结构模型，第一轮盘结构模型为有限元模型，然后施加载荷和边界条件，添加材料属性，创建载荷工况，导出计算文件。

在步骤s120，对所述第一轮盘结构模型进行轻量化处理，得到盘体1上设有环形空腔2的第二轮盘结构模型。

在本示例实施方式中，参照图4、图5、以及图6所示，首先确定第一轮盘模型的设计区域m，然后创建体积、刚度、应力以及位移响应；其次根据上述操作定义目标函数以及约束条件，之后根据约束参数用轻量化处理方法处理得到对其进行轻量化处理，再然后，对轻量化处理后的模型进行尺寸优化并重新建立模型，形成第二轮盘结构模型。

轻量化处理的方式可以是拓扑优化，根据需要的约束参数对第一轮盘模型进行轻量化处理；约束参数可以包括材料参数、载荷参数和边界变量；约束参数还可以包括设计变量、几何限制和工艺约束等。

拓扑优化的方式可以是采用拓扑优化软件来完成，拓扑优化软件可以包括tosca软件、optistruct软件或者abaqus软件的atom模块等；对拓扑优化软件得到模型进行尺寸优化，然后重新建模，得到第二轮盘结构模型。

参照图3所示，第二轮盘结构模型盘体1上设有多个环形空腔2，环形空腔2的数量可以为三个，在另一示例实施方式中，环形空腔2的数量也可以为一个或者两个，环形空腔2的数量还可以为四个、五个或者更多。在本实施方式中不做具体限定。

在本示例实施方式中，参照图3所示，环形空腔2截面的形状可以是有光滑的曲线构成的不规则图形；在另一示例实施方式中，环形空腔2的截面形状也可以是由多线段构成的不规则图形，环形空腔2截面的形状还可以是规则图形，例如，三角形、矩形、圆形、椭圆形或五边形等，在本实施方式中不做具体限定。

在本示例实施方式中，参照图3所示，轮盘结构还可以包括贯穿结构5，当环形空腔2的数量为多个时，贯穿结构5首先用于连接多个环形空腔2中相邻的环形空腔2，其次，还用于连接外部空间4与和外部空间4相邻的环形空腔2。两个相邻环形空腔2之间的贯穿结构5的数量可以是一个、两个、三个、或更多；与之对应的，外部空间4与和外部空间4相邻的环形空腔2之间的贯穿结构5的数量也可以是一个、两个、三个或更多。

当环形空腔2的数量为一个时，贯穿结构5只用于连接外部空间4与环形空腔2；此时环形空腔2的数量可以为一个、两个或更多。

在本示例实施方式中，参照图3所示，贯穿结构5可以是通孔；通孔的截面形状可以为圆形，在另一示例实施方式中，贯穿结构5的截面形状也可以是三角形、矩形或五边形等，在本示例实施方式中不做具体限定。

在本示例实施方式中，参照图3所示，轮盘结构还可以包括支撑结构3，支撑结构3可以用于支撑盘体1的整体结构，使盘体1可以正常工作，不会由于空腔的存在导致盘体1损坏。支撑结构3可以设置在环形空腔2内部，支撑结构3的数量可以是一个，也可以是多个，只需要满足盘体1可以正常工作，不会出现坍塌等损坏即可，在本是实施方式中不做具体限定。

在步骤s130，依据第二轮盘结构模型来制备所述轮盘结构。

在本示例实施方式中，根据上述所述的第二轮盘结构模型来制备轮盘，制备方法可以采用3d打印，相对于相关技术中采用多轴高性能数控机床进行加工有效的节约了加工费用。

在本示例实施方式中，3d打印的方式可以是slm(selectivelasersintering，选择性激光融化)，在另一实施方式中，3d打印的方式还可以是sla(stereolithographyappearance，立体光固化成型)、fdm(fuseddepositionmodeling，熔融层积造型)或sls(selectedlasersintering，选择性激光烧结)；在本实施方式中不做具体限定。

在本示例实施方式中，上述所述贯穿结构用于排出在3d打印过程中在环形空腔2内残留的粉尘。上述所述支撑结构还可以用于在3d打印是避免因环形空腔较大而造成打印时坍塌，使得3d打印的生产过程更加稳固和安全。

需要说明的是，上述示例实施方式主要是针对离心叶轮的制备方法进行的介绍，包括附图也主要以离心叶轮为例来说明，相关技术人员可以认为的是，轮盘结构的种类较多，此处不能将其完全列举出来，因此，上述所述的轴流叶片6盘或涡轮盘均可以采用上述所述轮盘结构的制备方法来进行制备，且应当属于保护范围内。

参照图7所示，本发明的优点可以以图标的形式体现，利用有限元仿真分析对传统轮盘构型及本发明轮盘构型进行了对比分析，相关技术中轮盘结构的整体重量为1.260kg，本发明的轮盘结构整体重量为0.996kg，本发明相较于相关技术整体重量下降20％；相关技术的轮盘结构的综合位移为0.672mm，本发明轮盘结构的综合位移为0.661mm，本发明轮盘结构相较于相关技术综合位移下降1.6％；相关技术的轮盘结构的轮心最大当量为287mpa，本发明轮盘结构的轮心最大当量为272mpa，本发明轮盘结构相较于相关技术轮心最大当量下降5.3％；相关技术的轮盘结构的轮背最大当量为257mpa，本发明轮盘结构的轮背最大当量为254mpa。本发明轮盘结构相较于相关技术轮背最大当量下降1％。通过数据分析可以很好的看出本发明的优点。

上述所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中，如有可能，各实施例中所讨论的特征是可互换的。在上面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组件、材料等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本发明的各方面。

更进一步的，本发明还提供一种发动机，该发动机可以包括上述所述的轮盘结构，轮盘结构的具体结构上述所述已经进行了详细介绍，因此，此处不再赘述。

本说明书中使用“约”“大约”的用语通常表示在一给定值或范围的20％之内，较佳是10％之内，且更佳是5％之内。在此给定的数量为大约的数量，意即在没有特定说明的情况下，仍可隐含“约”“大约”“大致”“大概”的含义。

虽然本说明书中使用相对性的用语，例如“上”“下”来描述图标的一个组件对于另一组件的相对关系，但是这些术语用于本说明书中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。能理解的是，如果将图标的装置翻转使其上下颠倒，则所叙述在“上”的组件将会成为在“下”的组件。其他相对性的用语，例如“高”“低”“顶”“底”“前”“后”“左”“右”等也作具有类似含义。当某结构在其它结构“上”时，有可能是指某结构一体形成于其它结构上，或指某结构“直接”设置在其它结构上，或指某结构通过另一结构“间接”设置在其它结构上。

本说明书中，用语“一个”、“一”、“该”、“所述”和“至少一个”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包含”、“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等；用语“第一”、“第二”和“第三”等仅作为标记使用，不是对其对象的数量限制。

应可理解的是，本发明不将其应用限制到本说明书提出的部件的详细结构和布置方式。本发明能够具有其他实施方式，并且能够以多种方式实现并且执行。前述变形形式和修改形式落在本发明的范围内。应可理解的是，本说明书公开和限定的本发明延伸到文中和/或附图中提到或明显的两个或两个以上单独特征的所有可替代组合。所有这些不同的组合构成本发明的多个可替代方面。本说明书所述的实施方式说明了已知用于实现本发明的最佳方式，并且将使本领域技术人员能够利用本发明。