CN108368855B - 由增材制造制成的且在轮毂和护罩中具有空腔的闭式叶轮 - Google Patents

由增材制造制成的且在轮毂和护罩中具有空腔的闭式叶轮 Download PDF

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Abstract

一种用于制造具有内腔的闭式叶轮的方法。具有所提出的结构和根据所提出的方法制造的叶轮具有更小的质量并且能够实现更高的操作效率。

Description

由增材制造制成的且在轮毂和护罩中具有空腔的闭式叶轮
技术领域
本发明涉及一种用于制造闭式叶轮的方法。
背景技术
离心式叶轮在用于压缩气体的涡轮压缩机中使用。这种涡轮压缩机通常包括多个压缩级，每个压缩级具有压气机元件以便渐进地增加压力，由此，使得最终级达到最高压力。
“闭式叶轮”包括具有叶片的轮毂以及覆盖所述叶片的护罩。通常，这些叶轮由金属的实心件制成，其中材料通过车削和铣削去除，或者所述这些叶轮是通过利用焊接或硬焊将预加工的轮毂和预加工的护罩连接来生产。
轮毂包括用于将叶轮连接到驱动轴的中心孔。为了防止处于出口压力的气体过量泄漏到叶轮的入口中，通常在护罩上设置前密封件。所述护罩在其外表面包含多个台阶部，所述多个台阶部限定了用于密封件的座部。所述座部优选地具有圆柱形表面，因为所述圆柱形表面使得(例如由于驱动轴和叶轮的热膨胀和/或离心收缩造成的)叶轮的轴向位移成为可能。
另一个密封件可以可选地配合在叶轮的后部，即配合在出口的轴向侧上。
在运行期间，气体经由入口以入口压力流入叶轮的通道中，并且经由出口以出口压力离开所述通道。因此出口压力存在于护罩上以及轮毂的后部处。由于通道中的压力低于出口压力，这使得必然发生对叶片的压缩。由于这种压缩会影响叶片的尺寸并且由于期望较小的叶片横截面，因此优选的是找到一种减少这种运行压缩的方法。
在运行期间叶轮受到离心力。由于护罩位于叶片的顶部，护罩的变形大于轮毂的变形。这导致了叶片上的额外的负载。这就是为什么优选的是要减小护罩的质量。更小质量的护罩将使得更薄的叶片成为可能，这进而可以使得轮毂的质量减小。因此叶轮的总重量可以被减小。
增材制造技术可以使得无法利用传统的减材制造技术获得的叶轮结构成为可能。
在US 7.281.901中提出应用增材制造技术用于实现开式叶轮的内腔。其中提出使用选择性激光熔化技术或SLM来制造这些叶轮，所述选择性激光熔化技术或SLM基于细金属粉末的层的沉积以及该粉末的局部熔化，以便获得期望的部件横截面。当叶轮就绪时，剩余的粉末经由通道从内腔移除，所述通道将内腔连接到开式叶轮的中心孔。
对于US 7.281.901涉及的增压器，这种布置可能是足够的，因为这些叶轮的入口压力通常是大气压力。但是，这种解决方案不适于高压应用。所述高压应用中的叶轮通常装配在大气压力下。但在运行期间处于高入口压力，气体可能会通过中心孔逐渐地泄漏到内腔中。这在内腔中产生了不确定的压力，并且在拆卸叶轮时构成潜在的危险。
本发明的目的是针对上述问题中的一个或多个问题和/或其它问题提供解决方案。
发明内容
为此，本发明涉及一种通过增材制造来制造具有轮毂和护罩的闭式叶轮的方法，其中该方法包括通过增材制造在轮毂和/或护罩中设置一个或多个内腔的步骤。
本发明还涉及一种闭式叶轮，其包括：
-轮毂；
-一组叶片，所述一组叶片设置在所述轮毂上；
-护罩，所述护罩设置在这些叶片的上方，其中所述轮毂设置有具有第一内腔的部分，所述第一内腔与叶轮的后部流体连通，或者所述第一内腔与叶轮的入口流体连通，或者所述第一内腔与叶轮通道中的任意位置流体连通，所述叶轮通道在所述叶片之间延伸。
根据本发明的叶轮的优选实施例，护罩设置有第二内腔，所述第二内腔与所述叶轮的入口流体连通。这样，所述第二内腔受到叶轮的入口压力。优选地，所述第二内腔设置在所述护罩的下部中。
附图说明
为了更好地示出本发明的特征，参照附图以非限制性方式在下文中描述了用于实现本发明的一些优选的实施例和方法，附图中：
图1示意性地示出根据现有技术的闭式叶轮的常规结构；和
图2示意性地示出根据本发明的闭式叶轮。
具体实施方式
图1中示出了根据现有技术的闭式叶轮的常规结构。
叶轮1包括：具有中心孔3的轮毂2；设置在轮毂2上的一组叶片4；和位于所述叶片的顶部的护罩5，所述护罩覆盖叶片4之间的通道。
此外，叶轮1示出入口6和出口7。
用于前密封件的圆柱表面组8设置在护罩5的前部，即设置在护罩5在入口侧上的背离轮毂2的侧面。
用于后密封件的密封表面9可以可选地设置在叶轮1的后部。当叶轮1使用时，护罩5的外表面10以及轮毂2的外表面11承受叶轮1的出口压力。
在运行期间，当以已知的方式旋转地驱动叶轮以便压缩气体时，叶片4之间的通道中的压力从入口6处的入口压力变化到出口7处的出口压力。
由于叶轮1的通道中的压力通常低于出口压力，因此叶片4受到作用在表面10和11上的压缩。叶片4的厚度必须足够大以便防止过度的机械应力。
圆柱表面8有利于密封，因为它们使得由于运行中传动系统的离心轴向收缩和/或热膨胀而导致的叶轮1相对于对应的静止密封环(未在附图中示出)的轴向位移成为可能。为了防止通过前密封件的过度泄漏，经常使用密封环组。由于叶轮1的离心变形，使用单圆柱表面是不现实的。取而代之的是，应用了具有不同直径的短圆柱表面组8。这通常导致护罩5在入口6处过厚。
将增材制造技术用于生产叶轮使得可以针对减小叶轮重量、降低制造成本以及改善叶轮的运行的目的来优化叶轮结构。
增材制造技术也使得设计具有很大的自由度。例如，增材制造技术允许能够在叶轮中制造内腔和内部通道。
在图2中示出了根据本发明的叶轮12的构造，其中叶轮12包括这样的设计特征。
除了根据现有技术的叶轮1中所指出的元件之外，根据本发明的叶轮12还包括轮毂2中的第一内腔13。
覆盖内腔13的顶壁14被制造成相对于叶轮1的轴线X-X'成角度。该角度取决于所选择的制造技术和叶轮12的构建方向。如果选择SLM技术，则优选的构建方向将是从入口6到叶轮12的后部。在这种情况下，顶壁14与叶轮1轴线(X-X')之间的角度的最大值不应该超过SLM针对无支撑表面所允许的最大角度，所述最大角度当前为约45°。由于该限制，可以将支撑网格结构引入到叶轮通道中，然而该网格结构在稍后的阶段可以被移除。
第一内腔13与入口6流体连通，在这种情况下所述流体连通通过多个通道15来实现。
根据本发明的优选特征，在护罩5的前部设置额外的第二内腔16。该第二内腔16与入口6流体连通，在这种情况下所述流体连通通过通道组17来实现。第二内腔16确保在护罩5中一定质量的减小，另外也将密封表面8的离心变形与护罩5的其余部分的变形相分离。这使得密封表面的更大的径向变形成为可能以及因此使得更好的密封质量成为可能。
在这个例子中，通道15和17都用作为用于移除未熔金属粉末的排出通道，并且用作为压力平衡通道以便在第一内腔13和第二内腔16中提供对应的压力。当然，根据另一个实施例(未在附图中示出)，可以设置分离的通道，所述分离的通道旨在用于排出或用于压力平衡。
通道15的位置使得能够操纵第一内腔13中的内部压力。例如，通道15可以位于更大的半径处(即更靠近出口7)，以便在第一内腔13中提供更高的气体压力。这将减小顶壁14两侧的压差。
也可以在后壁18中制造通道15。在这种情况下，第一内腔13中的压力将等于在后密封件的后面可得到的背压。
在金属粉末已经从第一内腔13移除之后，也可以将通道15完全密封。当外部压力施加到顶壁14的表面时，这可以至少部分地将作用在轮毂2上的离心力的效应抵消。
出口压力施加至外表面10和11。但是，与根据现有技术的叶轮1相比，根据本发明的叶轮12中的叶片4的压缩将被显著降低。
由于壁14相对于叶轮12的轴线X-X'倾斜，这使得外表面11的面积减小。事实上，由于与叶片4之间的通道中的压力相比，第一内腔13中的压力更低，所以这进一步减小了对叶片4的压缩。在运行期间由于从入口到出口形成的压力而造成的离心负载和压缩通常决定了叶片4的厚度。如果运行压缩减小，则可以减小叶片的厚度。更小的叶片4的厚度将对叶轮12的性能产生积极的影响，因为叶片4之间的通道的横截面增加，从而能够降低轮毂2的质量。
护罩5和叶片4的质量降低不必然导致轮毂2的对应削弱。取而代之的是，可以利用类似的叶轮构造来实现更高的叶尖速度。
由于倾斜的顶壁14，与根据现有技术的叶轮1相比，根据本发明的叶轮12的暴露于出口压力的后表面也被减小。这将减小摩擦损失。为了防止气体在第一内腔13和/或第二内腔16中循环，可以引入隔膜组，所述隔膜组将内腔13和/或16分隔成不同的腔室。在这种情况下，每个腔室必须设置有分离的通道15和17。
可以处理叶轮12的外表面以便获得光滑的表面。
所提出的结构还可以扩展到在高压下运行的开式叶轮，所述开式叶轮未在叶片周围设置护罩。
增材制造是这样一种工艺：其中材料被结合以便由3D模型数据来(通常逐层地)制造物体，这与减材制造技术正相反(ASTMF2792-12a)。
增材制造是指一类制造方法，例如粉末层(powder bed)熔合(一种增材制造工艺，其中热能选择性地熔化粉末层的特定区域)和直接能量沉积(一种增材制造工艺，其中在材料正在沉积时使用聚焦的热能来熔化所述材料)。在所述粉末层熔合方法中，存在多种技术，例如电子束熔化(使用电子束来熔化粉末材料)、选择性激光熔化(SLM，一种使用激光来熔化粉末材料的生产工艺)、选择性激光烧结(使用激光来烧结粉末材料)。所述直接能量沉积还包括激光熔覆技术。
金属、陶瓷、聚合物或纤维增强聚合物，或者所述这些材料的任意组合可以用于制造具有所提出的构造的叶轮。
本发明不限于上述的实施例和方法，根据本发明的叶轮可以以不同的形状和尺寸实现，同样，根据本发明的用于制造叶轮的方法可以在不脱离本发明的范围的情况下以各种变体方案实现。

Claims (11)

1.一种闭式的涡轮压缩机叶轮(12)，所述闭式的涡轮压缩机叶轮包括：
-轮毂(2)；
-一组叶片(4)，所述一组叶片设置在所述轮毂(2)上；
-护罩(5)，所述护罩设置在所述叶片(4)的顶部上；
其特征在于，所述轮毂(2)设置有具有第一内腔(13)的部分，所述第一内腔(13)与所述叶轮(12)的后部流体连通，或者所述第一内腔与所述叶轮(12)的入口(6)流体连通，或者所述第一内腔与叶轮通道中的任意位置流体连通，所述叶轮通道在所述叶片(4)之间延伸，所述护罩(5)包括第二内腔(16)，所述第二内腔(16)与所述叶轮(12)的入口(6)流体连通。
2.如权利要求1所述的闭式的涡轮压缩机叶轮，其特征在于，所述第二内腔设置在所述护罩(5)的位于所述入口(6)处的前部中。
3.如权利要求1所述的闭式的涡轮压缩机叶轮，其特征在于，所述叶轮(12)还设置有通道，所述通道被设计成使得所述通道能够移除未熔化的金属粉末。
4.如权利要求1所述的闭式的涡轮压缩机叶轮，其特征在于，所述叶轮(12)还设置有压力平衡通道，所述压力平衡通道被设计成使得所述压力平衡通道在所述第一内腔(13)和所述第二内腔(16)中提供对应的压力。
5.一种制造闭式的涡轮压缩机叶轮的方法，所述涡轮压缩机叶轮的结构如前述权利要求中任一项所述，其特征在于，叶轮(12)是通过一种或多种增材制造技术制造。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述叶轮(12)由金属制成。
7.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述叶轮(12)制造成单体部件。
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述叶轮(12)是逐层构建的，所述方法还包括以下步骤：
-制造所述叶轮，其中在所述护罩(5)与所述轮毂(2)之间包含中间支撑网格结构；
-移除过量的金属粉末；
-移除所述中间支撑网格结构。
9.一种通过增材制造来制造具有轮毂(2)和护罩(5)的闭式的涡轮压缩机叶轮的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：通过增材制造在所述轮毂(2)和/或所述护罩(5)中设置一个或多个内腔(13、16)，其中所述内腔中的第一内腔(13)与叶轮(12)的后部流体连通，或者所述第一内腔与所述叶轮(12)的入口(6)流体连通，或者所述第一内腔与叶轮通道中的任意位置流体连通，所述叶轮通道在叶片(4)之间延伸，所述内腔中的第二内腔(16)与所述叶轮(12)的入口(6)流体连通。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述叶轮(12)是逐层构建的，所述方法还包括以下步骤：
-制造所述叶轮，其中在所述护罩(5)与所述轮毂(2)之间包含中间支撑网格结构；
-移除过量的金属粉末；
-移除所述中间支撑网格结构。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：在所述叶轮(12)的外表面(10，11)上对所述叶轮进行加工。
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