叶轮、配备有叶轮的涡轮压缩机和用于制造叶轮的方法技术

本发明专利技术涉及叶轮、配备有叶轮的涡轮压缩机和用于制造叶轮的方法。一种叶轮，包括：用于安装在驱动轴上的中心轴或中心管(2)；围绕中心轴或中心管的中空轮毂(3)，轮毂在从一端部(4)到另一端部(5)的方向上直径增大，轮毂具有外侧(6)和朝向中心轴或中心管的内侧(7)；后壁(9)，设置在轮毂的具有最大直径的所述另一端部处，垂直于中心轴或中心管，并且至少部分地封闭轮毂的中空空间(10)；一系列叶片(11)，叶片的基部(12)附接到轮毂的外侧；其特征在于，设置有多个平直的加强肋(13)，加强肋在中心轴或中心管上在大致径向上延伸，并且在中心轴或中心管与轮毂的内侧之间形成径向连接。

【技术实现步骤摘要】
叶轮、配备有叶轮的涡轮压缩机和用于制造叶轮的方法
本专利技术涉及叶轮，例如用于离心机(例如涡轮压缩机、涡轮机等)的叶轮。
技术介绍
已知有用于涡轮压缩机中的离心压缩机元件，例如叶轮，叶轮可旋转地安装在具有轴向入口和径向出口的壳体中，叶轮由实心的喇叭形轮毂和叶片形成，轮毂用以将在入口处吸入的气体从轴向弯曲到出口处的径向，叶片安装在轮毂上并与轮毂和壳体一起限定了供气体引导通过以进行压缩的狭窄通道。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驱动，从而叶轮出口处的线性周速度可以达到每秒数百米。如此高的速度产生的巨大离心力在叶轮材料上产生巨大的应力。然而，在具有完全实心轮毂的叶轮中，这些应力分布非常不均匀。叶轮上的应力场是各个不同方向(通常是多轴定向的，即根据不同的轴线)上应力的组合。在轮毂的后部处，即在轮毂的具有最大直径的端部处，应力主要在径向和周向上。这两个应力分量是离心力的结果。轮毂后部上的轴向应力是二阶效应。轴向应力对于中心钻孔非常重要，这是因为用张紧螺栓使叶轮在轴上沿轴向张紧。取决于叶轮的几何形状，应力梯度会变化，但是叶轮的最大截面受到的应力远远低于叶轮制造材料的弹性极限从而所受载荷不足，缺点是这种材料的使用效率不足并且叶轮质量不必要地过高。尽管如此，减小叶轮质量非常重要，以使安装有叶轮的驱动轴的固有弯曲频率高到足以使叶轮具有更高速度，这本身就对涡轮压缩机的高能效操作是有益的。通过减小叶轮质量还将限制由于离心力而导致的施加在中心钻孔上、轮毂后部上以及后轮毂过渡部处的圆化部上的高应力。在叶轮质量较小的情况下，驱动轴的轴承所受载荷较小，从而通过设计可以在涡轮压缩机中选择较小的轴承，以便降低成本价格和/或实现更紧凑的压缩机元件或较小直径的驱动轴。减小叶轮质量的解决方案是已知的，例如，如WO2013/124314中所公开的在轮毂的中心区段中采用金属格栅结构，但是这不太能吸收径向离心力，使得格栅结构在未受载荷的方向上不必要地坚固和刚性，从而导致一定的重量缺点。另一解决方案是如US7,281,901中所公开给中空轮毂提供内部加强件。它们的主要目的是减小惯性，并且不适合在叶轮中均匀分布应力，这会导致应力集中的发生。WO2016/127225公开了叶轮的内部结构，由具有加强肋的中空轮毂组成，加强肋专门用于吸收径向离心力，使得所产生的应力可以流入轮毂。加强肋在叶片基部处从轮毂延伸到中心轴或中心管并形成径向辐条(打比方说)。加强肋遵循叶片的曲线形，因此自身也在高度和长度上是曲线形，以便因此能够吸收离心力。尽管这种叶轮较好地吸收离心力，但是仍然有必要使轮毂和/或加强肋在一些部位较厚，以便能够吸收应力。由于这种叶轮的设计，需要通过增材制造方法来制造。优选地，为此使用粉末床熔融，利用热能选择性地使粉末床中的一些区域熔合在一起，这将允许以必要的精度“打印”所有细节。这种增材制造方法的一个特性是，所制造结构的表面粗糙度将取决于结构的倾斜度：结构越直，表面越平坦或越光滑。在WO2016/127225的叶轮中，加强肋包括倾斜结构，从而它们相对粗糙。这对疲劳性能有非常不利的影响。此外，曲线形加强肋将在中空轮毂中限定出具有相对复杂形式的腔，从而难以从这些腔中移除残余的未熔融粉末。因此，每个腔室必须设置两个通道或孔，以便能够经由这些孔吹出并移除粉末。这些孔当然不利于叶轮的强度或刚度以及疲劳性能。
技术实现思路
因此，仍然需要一种具有更好材料利用率和更小质量的叶轮结构，其中，离心力和轴向张紧力得到最佳吸收，并且可以通过增材制造方法容易且精确地制成。本专利技术的目的是为前述WO2013/124314、US7,281,901和WO2016/127225中公开的已知叶轮设计有关的一个或多个前述和其他缺点提供解决方案。为此，本专利技术涉及一种叶轮，包括：用于安装在驱动轴上的中心轴或中心管；围绕中心轴或中心管的中空轮毂，轮毂在从一端部到另一端部的方向上直径增大，轮毂具有外侧和朝向中心轴或中心管的内侧；后壁，设置在轮毂的具有最大直径的所述另一端部处，垂直于中心轴或中心管，并且至少部分地封闭轮毂的中空空间；一系列叶片，叶片的基部附接到轮毂的外侧；其特征在于，设置有多个平直的加强肋，加强肋在中心轴或中心管上在大致径向上延伸，并且在中心轴或中心管与轮毂的内侧之间形成径向连接。加强肋延伸的“大致径向”意指径向加强肋与叶轮中心轴或中心管的几何中心线之间的角度最大为10度，更好地最大为7度，优选地最大为5度。这提供了以下优点，即：这种叶轮(如WO2016/127225中的情况)由于其中空结构而非常轻，使得叶轮将能够以非常高的速度旋转。这样，设置有叶轮的涡轮压缩机将能够供应更多的压缩空气。另一个优点是，由于加强肋的定向，内部结构更具刚性，使得与WO2016/127225中具有曲线形加强肋的情况相比，直的加强肋将更好地吸收离心力。这样的结果或优点是，轮毂或加强肋不必在一些部位较厚以吸收在此处出现的应力。此外，加强肋还将沿平直的方向轴向延伸，使得叶轮也更好地吸收轴向力。实际上，由于通过张紧螺栓在轴向上张紧，叶轮在安装到涡轮机中时受到压缩。由于具有平直加强肋的内部结构，可以更好地吸收此压缩，使得在叶轮上产生的应力较小。另一个优点是，在制造中，仅需打印直立结构以用于加强肋。因此，表面将更光滑，使得将出现更少的疲劳。附加的优点是，由加强肋形成的腔室具有更简单的形状，使得在打印之后将更容易从这些腔室中移除粉末。仅需设置一个孔以移除粉末。优选地，加强肋的数量与叶片的数量成比例。这将确保叶轮是周期性对称的，这意味着它将包括多个重复的区段。这样，重量也将以周期性对称方式分布，这对于叶轮的平衡是必要的。在一可行实施例中，叶轮设置有至少一个多边形部或环形部，多边形部或环形部将所有加强肋彼此连接并且与中心轴或中心管同心。由于此多边形部或环形部，在两个相继径向加强肋之间的空间被分成两个所谓的腔室。多边形部或环形部将使叶轮的机械强度更高，并且更不易变形。已知对于叶轮来说必须限制变形，即通常小于零点几毫米。根据本专利技术的优选特征，加强肋以及所述至少一个多边形部或环形部与叶轮其余部分之间的附接部是圆化的。通过圆化由例如加强肋和多边形部或环形部产生的所有内部的边缘、侧面和拐角，将疲劳减小到最低。本专利技术还涉及一种涡轮压缩机，其特征在于，涡轮压缩机设置有根据本专利技术的叶轮。这种涡轮压缩机的优点与根据本专利技术的叶轮的优点直接相关。因此，与具有已知常规实心叶轮的涡轮压缩机相比，涡轮压缩机将能够以更高速度旋转，使得可以供应更多的压缩空气。本专利技术还涉及一种用于制造叶轮的方法，包括以下步骤：设置用于安装在驱动轴上的中心轴或中心管；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种叶轮，包括：/n用于安装在驱动轴上的中心轴或中心管(2)；/n围绕中心轴或中心管(2)的中空轮毂(3)，轮毂在从一端部(4)到另一端部(5)的方向上直径增大，轮毂(3)具有外侧(6)和朝向中心轴或中心管(2)的内侧(7)；/n后壁(9)，设置在轮毂(3)的具有最大直径的所述另一端部(5)处，垂直于中心轴或中心管(2)，并且至少部分地封闭轮毂(3)的中空空间(10)；/n一系列叶片(11)，叶片的基部(12)附接到轮毂(3)的外侧(6)；/n其特征在于，设置有多个平直的加强肋(13)，加强肋在中心轴或中心管(2)上在大致径向上延伸，并且在中心轴或中心管(2)与轮毂(3)的内侧(7)之间形成径向连接。/n

【技术特征摘要】
20181227 BE 2018/5957;20190809 BE 2019/55171.一种叶轮，包括：
用于安装在驱动轴上的中心轴或中心管(2)；
围绕中心轴或中心管(2)的中空轮毂(3)，轮毂在从一端部(4)到另一端部(5)的方向上直径增大，轮毂(3)具有外侧(6)和朝向中心轴或中心管(2)的内侧(7)；
后壁(9)，设置在轮毂(3)的具有最大直径的所述另一端部(5)处，垂直于中心轴或中心管(2)，并且至少部分地封闭轮毂(3)的中空空间(10)；
一系列叶片(11)，叶片的基部(12)附接到轮毂(3)的外侧(6)；
其特征在于，设置有多个平直的加强肋(13)，加强肋在中心轴或中心管(2)上在大致径向上延伸，并且在中心轴或中心管(2)与轮毂(3)的内侧(7)之间形成径向连接。


2.根据权利要求1所述的叶轮，其特征在于，加强肋(13)的几何平面在轮毂(3)的具有最大直径的所述另一端部(5)处与叶片(11)的叶尖(18)相交。


3.根据权利要求1或2所述的叶轮，其特征在于，中心轴或中心管(2)的几何中心线与加强肋(13)的几何平面重合。


4.根据前述权利要求中任一项所述的叶轮，其特征在于，加强肋(13)的数量与叶片(11)的数量成比例。


5.根据前述权利要求中任一项所述的叶轮，其特征在于，中心轴或中心管(2)设置有孔(21)，孔在轴向上延伸并且在轮毂(3)的中空空间(10)与外界环境之间形成连通。


6.根据前述权利要求中任一项所述的叶轮，其特征在于，叶轮(1)设置有至少一个多边形部或环形部(20)，多边形部或环形部将所有加强肋(13)彼此连接，并且多边形部或环形部与中心轴或中心管(2)同心。


7.根据权利要求6所述的叶轮，其特征在于，多边形部或环形部(20)设置有通道(22)，使得在位于两个加强肋(13)之间的多边形部或环形部(20)的区段中始终设置有至少一个通道(22)。


8.根据前述权利要求中任一项所述的叶轮，其特征在于，在位于轮毂(3)的具有最小直径的所述一端部(4)处的中心轴或中心管(2)的端部(8a)处，叶轮(1)具有中心轴或中心管(2)的局部增厚部(23)。


9.根据前述权利要求中任一项所述的叶轮，其特征在于，在外缘(25)处，叶轮(1)具有后壁(9)的局部增厚部(24)。


10.根据前述权利要求中任一项所述的叶轮，其特征在于，加强肋(13)与后壁(9)直接连接。


11.根据前述权利要求中任一项所述的叶轮，其特征在于，在加强肋(13)和同心的所述至少一个多边形部或环形部(20)与叶轮(1)其余部分之间的附接部是圆化的。


12.一种涡轮压缩机，其特征在于，涡轮压缩机设置有根据前述权利要求中任一项所述的叶轮(1)。


13.一种用于制造叶轮的方法，包括以下步骤：
设置用于安装在驱动轴上的中心轴或中心管(2)...

【专利技术属性】
技术研发人员：K·肯彭，H·德格泽姆，G·德格雷夫，
申请(专利权)人：阿特拉斯·科普柯空气动力股份有限公司，
类型：发明
国别省市：比利时;BE