CN108412806B - 一种轮盘及具有该轮盘的压气机 - Google Patents
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Abstract
本发明属于航空发动机制造技术领域，公开了一种轮盘及具有该轮盘的压气机。该轮盘包括轮盘本体，轮盘本体上设置若干个主叶片和若干个副叶片，轮盘本体为一体成型结构，轮盘本体内部为中空结构，该中空结构包括沿轮盘本体周向设置的连通环组件、沿轮盘本体轴向设置的主管道组件、及沿轮盘本体径向设置的副管道组件。轮盘本体的顶部端面设置有若干个第一排粉孔，轮盘的底部外侧设置有若干个第二排粉孔。第一排粉孔、主管道组件、连通环组件、副管道组件及第二排粉孔相连通。本发明还提供了一种包括上述的轮盘的压气机。通过设置轮盘本体为一体成型结构，使得生产工序简化，进而缩短了生产周期。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机制造技术领域，尤其涉及一种轮盘及具有该轮盘的压气机。
背景技术
自20世纪30年代末，离心压气机首次应用于航空发动机以来，其在航空发动机的发展史中一直占有重要地位。
离心压气机主要应用于中小型航空发动机，尤其是涡轴发动机。随着设计技术的进步以及新结构、新材料的应用，离心压气机的效率和增压比不断提升，产品可靠性也越来越高，已经广泛应用于中小型涡轮航空发动机和几乎所有类型的辅助动力装置。离心压气机的特点是单级增压比高，稳定工作范围广，具有较好的抗腐蚀能力。同时，单级离心压气机能够实现多级轴流压气机的增压效果。因此采用离心压气机的航空发动机具有体积小、重量轻、结构简单、转子刚性较佳及维修性能好等优点，然而缺点是单位迎风面积的气流流量较小。
航空发动机的压气机轮盘包括若干个主叶片和若干个副叶片，其中两个相邻的主叶片之间设置有副叶片。由于航空发动机中轮盘的结构复杂，采用传统加工方式需要多个零件进行装配，加工难度大、耗时费力，使得生产工序复杂，进而导致生产周期长、生产成本高。同时，轮盘自身重量过大，不利于轮盘轻量化的需求。另外，轮盘的叶片根部容易产生应力集中，进而导致缩短轮盘的使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种轮盘及具有该轮盘的压气机，简化生产工艺，缩短生产周期，同时减轻轮盘重量，进而满足发动机轻量化的需求。
为达此目的，本发明提供了一种轮盘，包括轮盘本体，轮盘本体上设置若干个主叶片和若干个副叶片，所述轮盘为一体成型结构，且轮盘本体内部为中空结构；所述轮盘本体的所述中空结构包括沿所述轮盘本体周向设置的连通环组件、若干个沿所述轮盘本体轴向设置的主管道组件、及若干个沿所述轮盘本体径向设置的副管道组件；所述轮盘本体顶部端面设置有若干个第一排粉孔，所述轮盘本体的底面外侧设置有若干个第二排粉孔；所述第一排粉孔、所述主管道组件、所述连通环组件、所述副管道组件及所述第二排粉孔相连通。
作为优选，所述主管道组件包括若干层轴向设置的第一管道部件，相邻两层所述第一管道部件之间相连通，靠近所述轮盘本体顶部端的所述第一管道部件与所述第一排粉孔连通，远离所述轮盘顶面的所述第一管道部件与所述连通环组件连通。
作为优选，每层所述第一管道部件包括若干个周向均匀分布的壳体，相邻两个所述壳体之间相连通；靠近所述轮盘本体顶部端面的所述壳体分别连通于若干个所述第一排粉孔，远离所述轮盘本体顶部端面的所述壳体分别连通于所述连通环组件。
作为优选，所述主管道组件还包括若干个周向均匀分布且轴向设置的第三管道部件和第四管道部件，所述第三管道部件的一端与远离所述轮盘本体顶面的所述壳体连通，另一端与所述连通环组件连通，所述第四管道部件设置于所述连通管组件内部。
作为优选，所述连通环组件包括第一连通环和第二连通环，所述第三管道部件的另一端连通于所述第一连通环，所述第四管道部件的两端分别连通于所述第一连通环和所述第二连通环。
作为优选，所述副管道组件包括若干个周向均匀分布且径向设置的第一副管道部件，所述第一副管道部件的一端连通于所述第二连通环，另一端连通于所述第二排粉孔。
作为优选，所述第一副管道部件包括第一径向管道及均与所述第二排粉孔对应设置的空心条砖和第二径向管道，所述第二连通环、所述第一径向管道、所述空心条砖、所述第二径向管道及所述第二排粉孔依次连通。
作为优选，所述副管道组件还包括若干个周向均匀分布且径向设置的第二副管道部件，所述第二副管道部件包括第三径向管道，所述第三径向管道的一端连通于所述第一连通环，另一端连通有主叶片叶根空心管道，所述主叶片叶根空心管道沿主叶片的叶根设置。
作为优选，所述副管道组件包括若干个周向均匀分布且径向设置的第三副管道部件，所述第三副管道部件包括第四径向管道，所述第四径向管道的一端连通于所述第二连通环，另一端连通有副叶片叶根空心管道，所述副叶片叶根空心管道沿副叶片的叶根设置。
为达上述目的，本发明还提供了一种压气机，包括上述的轮盘。
本发明的有益效果：
1)通过设置轮盘本体为一体成型结构，将各个部件融合为一个整体，可以减少轮盘各部件间的支撑和连接结构，使得生产工序简化，便于加工，进而缩短了生产周期、降低了生产成本和维护成本。
2)通过设置轮盘本体为中空结构，且轮盘本体的内部设置有均为中空结构的连通环组件、主管道组件及副管道组件，使得在维持及提升轮盘现有功能性能指标的前提下，可适度地降低轮盘的重量，满足轮盘轻量化的需求。
3)通过轮盘本体的内部设置有连通环组件、主管道组件及副管道组件，增强了轮盘的强度和刚度。
4)由于轮盘本体采用增材制造技术制造，在生产制造过程中会产生大量的粉末，通过设置第一排粉孔、主管道组件、连通环组件、副管道组件及第二排粉孔相连通，在不影响强度的前提下，可以实现高效地将粉末排出。
附图说明
图1是本发明轮盘的结构示意图；
图2是本发明轮盘的俯视图；
图3是图2在A-A处的剖视图；
图4是图3在B-B处的剖视图；
图5是图3在C-C处的剖视图；
图6是图3在D-D处的剖视图；
图7是图3在E-E处的剖视图；
图8是图3在F-F处的剖视图。
图中：
1、第一排粉孔；2、主管道组件；3、连通环组件；4、副管道组件；5、第二排粉孔；6、主叶片7、副叶片；
21、第一管道部件；22、第二管道部件；23、第三管道部件；
211、壳体；
31、第一连通环；32、第二连通环；
41、第一副管道部件；42、第二副管道部件；43、第三副管道部件；
411、第一径向管道；412、空心条砖；
422、主叶片叶根空心管道；
431、第四径向管道；432、副叶片叶根空心管道。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
本实施例提供一种轮盘，如图1-7所示，该轮盘轮盘包括轮盘本体，轮盘本体上设置若干个主叶片6和若干个副叶片7，且轮盘本体内部为中空结构，轮盘本体为一体成型结构，且轮盘本体内部为中空结构。其中轮盘本体的中空结构包括沿轮盘本体周向设置的连通环组件3、若干个沿轮盘本体轴向设置的主管道组件2、若干个沿轮盘本体径向设置的副管道组件4。同时，轮盘顶部顶面设置有若干个第一排粉孔，且轮盘的底面外侧设置有若干个第二排粉孔5。同时第一排粉孔1、主管道组件2、连通环组件3、副管道组件4及第二排粉孔5相连通。
通过设置轮盘本体为一体成型结构，将各个部件融合为一个整体，可以减少轮盘各部件间的支撑和连接结构，使得生产工序简化，便于加工，进而缩短了生产周期、降低了生产成本和维护成本。同时通过设置轮盘本体为中空结构，且轮盘本体的内部设置有均为中空结构的连通环组件3、主管道组件2及副管道组件4，使得在维持及提升轮盘现有功能性能指标的前提下，可适度地降低轮盘的重量，满足轮盘轻量化的需求。另外，通过轮盘本体的内部设置有连通环组件3、主管道组件2及副管道组件4，增强了轮盘的强度。同时，由于轮盘本体采用增材制造技术制造，在生产制造过程中会产生大量的粉末，通过设置第一排粉孔1、主管道组件2、连通环组件3、副管道组件4及第二排粉孔5依次连通，在不影响强度的前提下，可以实现高效地将粉末排出。
本实施例利用雷尼绍的AM400和EOS的M390两款增材制造设备，采用增材制造技术对轮盘进行一体成型的制造，避免了传统加工方式需要多个零件进行装配的情况，降低了加工难度、省时省力，使得生产工序简化。其中增材制造技术俗称3D打印，融合了计算机辅助设计、材料加工与成形技术。以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。相对于传统对原材料切削、组装的加工模式，是一种“自下而上”通过材料累加的制造方法，这使得过去受到传统制造方式的约束，而无法实现的复杂结构件制造变为可能。
如图1所示，轮盘本体包括六个主叶片6及六个副叶片7，且相邻两个主叶片6之间设置有副叶片7，轮盘本体的顶部端面设置有六个第一排粉孔1，该第一排粉孔1的直径为1.8mm。轮盘本体的底面外侧周向设置以十二个为一组，且每组设置有三个，即一共三十六个第二排粉孔5，且该第一排粉孔1的直径为0.5mm。由于轮盘本体采用增材制造技术生产，会产生大量的粉末，粉末可以从第一排粉孔1进入轮盘本体内部，并最终从第二排粉孔5排出。
如图1-8所示，上述主管道组件2包括五层呈轴向设置的第一管道部件21，相邻两层第一管道部件21之间相连通。每层第一管道部件21包括十八个沿周向均匀分布的壳体211，相邻两个壳体211之间相连通，其中该壳体211以六个为一组，且每组设置有三个。同时，该壳体211为空心球体结构，且空心球体的直径不大于2mm。该壳体211不仅可以减轻轮盘整体结构的重量，还便于进入第一排粉孔1的粉末顺利排出。另外，靠近轮盘本体顶部顶面的壳体211分别连通于六个第一排粉孔1，远离所述轮盘本体顶部顶面的壳体211分别连通于连通环组件3。
如图1-8所示，上述主管道组件2还包括六个均周向均匀分布且轴向设置的第二管道部件22和第三管道部件23，第二管道部件22的一端连通于远离轮盘本体顶部顶面的壳体211，另一端连通于连通环组件3，第三管道部件23设置于连通管组件内部。其中，第二管道部件22和第三管道部件23均为圆柱形结构，且该圆柱形结构的直径不大于2mm。由于第二管道部件22用于第一管道部件21与连通环组件3之间的连通，第三管道部件23用于连通环组件3内部之间的连通，使得第一排粉孔1、主管道组件2及连通环组件3依次连通，便于粉末高效地排出。
需要特别说明的是，第一管道部件21、第二管道部件22和第三管道部件23可以均为空心球体结构，或者圆柱形结构，本实施例对第一管道部件21、第二管道部件22和第三管道部件23的具体形状并不作限定，可以根据实际生产需要进行调整。
如图1-8所示，上述连通环组件3包括第一连通环31和第二连通环32，其中第二管道部件22的一端连通于远离轮盘本体顶部顶面的壳体211，另一端连通于第一连通环31。第三管道部件23的两端分别连通于第一连通环31和第二连通环32，用于第一连通环31和第二连通环32之间的连通。
如图1-8所示，上述副管道组件4包括六个周向均匀分布且径向设置的第一副管道部件41，第一副管道部件41的一端连通于第二连通环32，另一端连通于第二排粉孔5。其中第一副管道部件41包括第一径向管道411及均与第二排粉孔5对应设置的空心条砖412和第二径向管道(图中未标出)。其中该空心条砖412和第二径向管道均以六个为一组，且每组设置有三个。每个空心条砖412的一端均连通于第一径向管道411，另一端对应连通于一个第二径向管道的一端，且第二径向管道的另一端连通于第二排粉孔5。
由于第一径向管道411、空心条砖412、第二径向管道及第二排粉孔5依次连通，将进入第二连通环32的粉末依次通过第一径向管道411、空心条砖412、第二径向管道及第二排粉孔5排出。同时，通过设置第一径向管道411、空心条砖412、第二径向管道，增强了轮盘本体的强度和刚度。另外，在维持及提升轮盘本体现有功能性能指标的前提下，可适度地降低轮盘本体的重量，满足轮盘本体轻量化的需求。
如图1-8所示，上述副管道组件4还包括六个周向均匀分布且径向设置的第二副管道部件42，其中第二副管道部件42包括第三径向管道(图中未标出)，第三径向管道的一端连通于第一连通环31，另一端连通有主叶片叶根空心管道422，且主叶片叶根空心管道422沿主叶片6的叶根设置。通过主叶片叶根空心管道422沿主叶片6的叶根设置，增加主叶片6在叶根处的弹性形变，消除主叶片6在叶根部的应力集中，降低工作时高速离心应力对主叶片6叶根的伤害，同时，利于轮盘本体自身减重，满足轻量化的需要。
如图1-8所示，上述副管道组件4还包括六个周向均匀分布且径向设置的第三副管道部件43，其中第三副管道部件43包括第四径向管道431，第四径向管道431的一端连通于所述第二连通环32，另一端连通有副叶片叶根空心管道432，且副叶片叶根空心管道432沿副叶片7的叶根设置。通过副叶片叶根空心管道432沿副叶片7的叶根设置，增加副叶片7在叶根处的弹性形变，消除副叶片7在叶根部的应力集中，降低工作时高速离心应力对副叶片7叶根的伤害。同时，利于轮盘本体自身减重，满足轻量化的需要。
通过主叶片叶根空心管道422沿主叶片6的叶根设置，且副叶片叶根空心管道432沿副叶片7的叶根设置，使得轮盘本体的中心处的应力由358MPa降低到26MPa，主叶片6在叶根部的应力和副叶片7在叶根部的应力由440MPa降低到310MPa，进而极大了消弱了应力集中。
需要特别说明的是，上述第一径向管道411、第三径向管道、第四径向管道431均为圆柱形结构，其直径不大于2mm。
本实施例还提供了轮盘的生产方法，包括以下步骤：
1)根据轮盘的使用要求，确定轮盘本体的外形，完成轮盘本体的主体轮廓设计；
2)根据装配和强度要求，完成轮盘本体的外形结构的模型；
3)将模型导入有限元分析工具，进行强度分析；
4)根据3)的应力应变分析结果，按照增材制造免支撑、易排粉的工艺要求设置轮盘本体的内部空心结构，同时规划第二排粉孔5的尺寸、数量及分布情况；
5)再次将模型导入有限元分析软件，校核轮盘本体的强度，当强度超出设定值时，返回步骤4)调整轮盘本体的空心结构、第二排粉孔5的尺寸、数量及分布情况，当强度达到设定值时进入下一步；
6)将模型导入增材制造设备完成制造；
7)将制造完成的轮盘安装到动平衡机上进行动平衡测试和处理，以保证最佳的装配要求和使用效果。
本实施还提供了一种压气机，包括上述轮盘的结构。
通过设置轮盘本体为一体成型结构，将各个部件融合为一个整体，可以减少轮盘各部件间的支撑和连接结构，使得生产工序简化，便于加工，进而缩短了生产周期、降低了生产成本和维护成本。同时通过设置轮盘本体为中空结构，且轮盘的内部设置有均为中空结构的连通环组件3、主管道组件2及副管道组件4，使得在维持及提升轮盘现有功能性能指标的前提下，可适度地降低轮盘本体的重量，满足轮盘轻量化的需求。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种轮盘，包括轮盘本体，所述轮盘本体上设置若干个主叶片(6)和若干个副叶片(7)，其特征在于，所述轮盘本体为一体成型结构，且轮盘本体内部为中空结构；
所述轮盘本体的所述中空结构包括沿所述轮盘本体周向设置的连通环组件(3)、沿所述轮盘本体轴向设置的主管道组件(2)和沿所述轮盘本体径向设置的副管道组件(4)；
所述轮盘本体的顶部端面设置有若干个第一排粉孔(1)，所述轮盘本体的底部外侧设置有若干个第二排粉孔(5)；
所述第一排粉孔(1)、所述主管道组件(2)、所述连通环组件(3)、所述副管道组件(4)及所述第二排粉孔(5)相连通；所述主管道组件(2)包括若干层轴向设置的第一管道部件(21)，相邻两层所述第一管道部件(21)之间相连通，靠近所述轮盘本体顶部端的所述第一管道部件(21)与所述第一排粉孔(1)连通，远离所述轮盘本体顶面的所述第一管道部件(21)与所述连通环组件(3)连通；每层所述第一管道部件(21)包括若干个周向均匀分布的壳体(211)，相邻两个所述壳体(211)之间相连通；
靠近所述轮盘本体顶部端面的所述壳体(211)分别连通于若干个所述第一排粉孔(1)，远离所述轮盘本体顶部端面的所述壳体(211)分别连通于所述连通环组件(3)；所述主管道组件(2)还包括若干个周向均匀分布且轴向设置的第二管道部件(22)和第三管道部件(23)，所述第二管道部件(22)的一端与远离所述轮盘本体顶面的所述壳体(211)连通，所述第二管道部件(22)的另一端与所述连通环组件(3)连通，所述第三管道部件(23)设置于所述连通环组件(3)内部；所述连通环组件(3)包括第一连通环(31)和第二连通环(32)，所述第二管道部件(22)的另一端连通于所述第一连通环(31)，所述第三管道部件(23)的两端分别连通于所述第一连通环(31)和所述第二连通环(32)；所述副管道组件(4)包括若干个周向均匀分布且径向设置的第一副管道部件(41)，所述第一副管道部件(41)的一端连通于所述第二连通环(32)，另一端连通于所述第二排粉孔(5)；所述第一副管道部件(41)包括第一径向管道(411)及均与所述第二排粉孔(5)对应设置的空心条砖(412)和第二径向管道，所述第二连通环(32)、所述第一径向管道(411)、所述空心条砖(412)、所述第二径向管道及所述第二排粉孔(5)依次连通。
2.根据权利要求1所述的轮盘，其特征在于，所述副管道组件(4)还包括若干个周向均匀分布且径向设置的第二副管道部件(42)，所述第二副管道部件(42)包括第三径向管道，所述第三径向管道的一端连通于所述第一连通环(31)，另一端连通有主叶片叶根空心管道(422)，所述主叶片叶根空心管道(422)沿主叶片(6)的叶根设置。
3.根据权利要求2所述的轮盘，其特征在于，所述副管道组件(4)还包括若干个周向均匀分布且径向设置的第三副管道部件(43)，所述第三副管道部件(43)包括第四径向管道(431)，所述第四径向管道(431)的一端连通于所述第二连通环(32)，另一端连通有副叶片叶根空心管道(432)，所述副叶片叶根空心管道(432)沿副叶片(7)的叶根设置。
4.一种压气机，其特征在于，包括权利要求1-3任一所述的轮盘。
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