CN110173444A - 分体式超临界二氧化碳闭式叶轮及制造方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种分体式超临界二氧化碳闭式叶轮及制造方法，该分体式超临界二氧化碳闭式叶轮包括：同轴设置的叶轮本体、叶轮轮盘以及主轴；叶轮本体，包括：多片叶轮叶片、设置于多片叶轮叶片内侧的轮毂和设置于多片叶轮叶片外侧的轮盖；其中，叶轮叶片、轮毂、轮盖之间分别形成第一闭式流道和半开式流道。本公开提供的分体式超临界二氧化碳闭式叶轮及制造方法解决了传统机械一体加工难以加工复杂流道闭式叶轮的问题；以及增材制造技术，制造精度低，高转速下叶轮寿命难以保证的问题。

Description

分体式超临界二氧化碳闭式叶轮及制造方法

技术领域

本公开涉及超临界流体压缩机技术领域，尤其涉及一种分体式超临界二氧化碳闭式叶轮及制造方法。

背景技术

压缩机(Compressor)是热力循环系统的核心部件之一，为循环中的流体工质提供能量，将动能转变为流体工质的压力能，提高流体工质的压力，主要分为离心式压缩机、活塞式压缩机、螺杆压缩机等，均具有其各自的特点，分别适用于不同的场合。本专利所讨论的离心式压缩机具有以下优点：结构紧凑，尺寸小，重量轻；排气连续、均匀；除轴承外，机器内部不需润滑，不污染被压缩的流体；

近年来，超临界二氧化碳压缩机作为特定化工循环、制冷循环、动力循环的核心部件，成为了叶轮机械领域的研究热点。目前，国内外研究的超临界二氧化碳压缩机规模都在10MW级以下，形式上大多采用离心式压缩机。超临界二氧化碳压缩机功率密度大，叶轮尺寸小，对加工制造水平要求极高。采用半开式叶轮的离心式压缩机，受到加工及装配水平所限，叶轮与压缩机机匣之间不可避免的会留有一定的叶尖间隙，由于超临界流体压缩机的工质特性，该型压缩机叶轮叶片高度小，压缩机效率受叶尖间隙影响大。采用闭式叶轮的离心式压缩机，能够有效的减少叶尖间隙泄漏，提高压缩机运行效率。因此，闭式叶轮加工方法成为了超临界二氧化碳离心式压缩机关键技术之一。

然而，在实现本公开的过程中，本申请人发现，现有闭式叶轮加工工艺可分为机械一体加工(例如：五轴加工中心)以及增材制造(例如：3D打印)。超临界流体压缩机工质物性变化剧烈，离心叶轮三维造型复杂，而且超临界流体工质密度大，叶轮流道较为狭窄，对于机械一体加工而言，下刀空间极小，加工精度要求又高，难以完成对闭式叶轮整个流道的一体铣削加工。以3D打印为代表的增材制造技术，尽管能够完成对任意复杂程度几何的制造，但在叶轮机械领域，仍然面临着制造精度低，高转速下叶轮寿命难以保证的问题。

公开内容

(一)要解决的技术问题

基于上述技术问题，本公开提供一种分体式超临界二氧化碳闭式叶轮及制造方法，以缓解现有技术中的闭式叶轮采用传统机械一体加工难以加工复杂流道闭式叶轮，采用增材制造技术，制造精度低，高转速下叶轮寿命难以保证的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供一种分体式超临界二氧化碳闭式叶轮，包括：叶轮本体，包括：多片叶轮叶片，多片所述叶轮叶片均匀地沿第一圆弧回转面排列，所述第一圆弧回转面呈一圆台形的侧面设置，且该圆台形的侧面向内凹陷；轮毂，其沿所述第一圆弧回转面设置于多片所述叶轮叶片的内侧，且其外侧面分别与多片所述叶轮叶片的内侧连接，所述轮毂的外侧面宽度小于所述第一圆弧回转面的宽度；轮盖，其沿所述第一圆弧回转面套设于多片所述叶轮叶片的外侧，且其内侧面分别与多片所述叶轮叶片的外侧连接，所述轮盖的内侧面宽度不小于所述第一圆弧回转面的宽度；其中，所述轮毂、所述轮盖和其二者之间的多片所述叶轮叶片形成第一闭式流道，多片所述叶轮叶片延伸出所述轮毂外侧面的部分与其外侧对应连接的所述轮盖形成半开式流道；叶轮轮盘，其与所述叶轮本体分体设置并固定连接，并与所述叶轮本体上的半开式流道配合形成第二闭式流道；主轴，其固定设置于所述叶轮轮盘的背部，其中，所述叶轮本体、所述叶轮轮盘和所述主轴同轴设置。

在本公开的一些实施例中，其中：所述轮毂和所述叶轮轮盘的中心处对应设置有通孔；所述主轴的中心处对应设置有容纳槽；所述分体式超临界二氧化碳闭式叶轮还包括：叶轮拉杆，其一端穿过所述轮毂和所述叶轮轮盘上的所述通孔并插入所述主轴上的所述容纳槽中，另一端通过限位块将所述叶轮本体和所述叶轮轮盘轴向固定；其中，所述主轴上的所述容纳槽与所述叶轮拉杆螺纹连接。

在本公开的一些实施例中，其中：所述轮毂的底部和所述叶轮轮盘上对应设置有端面齿，用于在周向上固定所述叶轮本体和所述叶轮轮盘的相对位置；优选地，所述叶轮轮盘上设置有与半开式流道上的叶轮叶片相匹配的槽道。

在本公开的一些实施例中，其中：所述轮盖为与所述轮毂的外侧面凹凸一致的回转体；所述叶轮轮盘上对应所述半开式流道的部分表面设置有与所述轮盖凹凸一致的第二圆弧回转面。

根据本公开的另一个方面，还提供一种分体式超临界二氧化碳闭式叶轮的制备方法，包括：步骤A：在叶轮本体棒料上依次加工出轮盖外表面、半开式流道、第一闭式流道以及端面齿；步骤B：在叶轮轮盘棒料上加工出第二圆弧回转面以及端面齿；步骤C：加工叶轮拉杆与主轴；步骤D：将叶轮本体、叶轮轮盘以及主轴进行周向和轴向定位与装配；步骤E：对装配后的叶轮本体、叶轮轮盘以及主轴进行动平衡测试。

在本公开的一些实施例中，所述步骤A包括：步骤A1：利用车床加工方法在叶轮本体棒料上加工出轮盖外表面；步骤A2：利用铣削加工方法在步骤A1得到的棒料上加工半开式流道；步骤A3：利用铣削加工方法在步骤A2得到的棒料上，沿流体进口方向和半开式流道方向同时加工得到第一闭式流道；步骤A4：利用铣削加工方法在步骤A3得到的棒料上加工端面齿。

在本公开的一些实施例中，所述步骤B包括：步骤B1：利用车床加工方法在叶轮轮盘棒料上加工出第二圆弧回转面；步骤B2：利用铣削加工方法在步骤A1得到的棒料上加工端面齿；步骤B3：利用车床加工方法，加工所述主轴容纳槽，并加工螺纹。

在本公开的一些实施例中，所述步骤C包括：步骤C1：利用车床加工方法对叶轮拉杆和主轴外形加工；以及步骤C2：利用车床加工方法在步骤C1得到的叶轮拉杆、主轴棒料上加工螺纹。

在本公开的一些实施例中，所述步骤D包括：步骤D1：将叶轮本体和叶轮轮盘通过端面齿进行周向定位；以及步骤D2：将叶轮拉杆依次穿过叶轮本体和叶轮轮盘，与主轴进行螺纹装配。

在本公开的一些实施例中，所述步骤E中：对装配后的分体式超临界二氧化碳闭式叶轮进行3000RPM转速下动平衡测试，其中平衡精度为G2.5级。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开提供的分体式超临界二氧化碳闭式叶轮及制造方法具有以下有益效果的其中之一或其中一部分：

(1)本公开提供的分体式超临界二氧化碳闭式叶轮及制造方法解决了传统机械一体加工难以加工复杂流道闭式叶轮的问题；

(2)本公开提供的分体式超临界二氧化碳闭式叶轮及制造方法解决了增材制造技术，制造精度低，高转速下叶轮寿命难以保证的问题。

附图说明

图1为本公开实施例提供的分体式超临界二氧化碳闭式叶轮的结构示意图。

图2为图1所示的分体式超临界二氧化碳闭式叶轮中叶轮本体的剖视结构示意图。

图3为图1所示的分体式超临界二氧化碳闭式叶轮中叶轮本体的立体结构示意图。

图4为图1所示的分体式超临界二氧化碳闭式叶轮中叶轮本体的另一视角的立体结构示意图。

图5为图1所示的分体式超临界二氧化碳闭式叶轮中叶轮轮盘和主轴的立体结构示意图。

图6为图1所示的分体式超临界二氧化碳闭式叶轮中叶轮轮盘和主轴的另一种立体结构示意图。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

10-叶轮本体；

11-叶轮叶片；

12-轮毂；

13-轮盖；

20-叶轮轮盘；

30-主轴；

40-叶轮拉杆；

50-端面齿；

60-槽道。

具体实施方式

本公开提供的分体式超临界二氧化碳闭式叶轮及制造方法解决传统机械一体加工难以加工复杂流道闭式叶轮的问题。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

根据本公开的一个方面，提供一种分体式超临界二氧化碳闭式叶轮，如图1所示，包括：叶轮本体10、叶轮轮盘20以及主轴30。

在本公开的一些实施例中，如图1至图4所示，叶轮本体10包括：多片叶轮叶片11、轮毂12以及轮盖13；多片叶轮叶片11均匀地沿第一圆弧回转面排列，第一圆弧回转面呈一圆台形的侧面设置，且该圆台形的侧面向内凹陷；轮毂12沿第一圆弧回转面设置于多片叶轮叶片11的内侧，且其外侧面分别与多片叶轮叶片11的内侧连接，轮毂12的外侧面宽度小于第一圆弧回转面的宽度；轮盖13沿第一圆弧回转面套设于多片叶轮叶片11的外侧，且其内侧面分别与多片叶轮叶片11的外侧连接，轮盖13的内侧面宽度不小于第一圆弧回转面的宽度；其中，轮毂12、轮盖13和其二者之间的多片叶轮叶片11形成第一闭式流道，多片叶轮叶片11延伸出轮毂12外侧面的部分与其外侧对应连接的轮盖13形成半开式流道。

在本公开的一些实施例中，如图1、图5-图6所示，叶轮轮盘20与叶轮本体10分体设置并固定连接，并与叶轮本体10上的半开式流道配合形成第二闭式流道，实际应用中，分体式超临界二氧化碳闭式叶轮高速旋转，工作流体从闭式叶轮第一闭式流道进入，流经由半开式流道与叶轮轮盘20共同组成的第二闭式流道，并流出分体式超临界二氧化碳闭式叶轮，完成整个工作流程。

在本公开的一些实施例中，如图1、图5-图6所示，主轴30固定设置于叶轮轮盘20的背部，其中，叶轮本体10、叶轮轮盘20和主轴30同轴设置。

在本公开的一些实施例中，如图1所示，其中：轮毂12和叶轮轮盘20的中心处对应设置有通孔；主轴30的中心处对应设置有容纳槽；分体式超临界二氧化碳闭式叶轮还包括：叶轮拉杆40，其一端穿过轮毂12和叶轮轮盘20上的通孔并插入主轴30上的容纳槽中，另一端通过限位块将叶轮本体10和叶轮轮盘20轴向固定；其中，主轴30上的容纳槽与叶轮拉杆40螺纹连接。

在本公开的一些实施例中，如图4和图6所示，其中：轮毂12的底部和叶轮轮盘20上对应设置有端面齿50，用于在周向上固定叶轮本体10和叶轮轮盘20的相对位置。

在本公开的一些实施例中，如图6所示，叶轮轮盘20上设置有与半开式流道上的叶轮叶片11相匹配的槽道60，进行装配时，在叶轮本体10与叶轮轮盘20通过叶轮拉杆40进行连接前，需要进行热装，将叶轮叶片11与叶轮轮盘20内的槽道60进行过盈配合，通过设置槽道60，从而使分体式闭式叶轮结构更加紧凑，力学性能更加接近一体式闭式叶轮，适用于大功率、高扭矩的应用场合。

在本公开的一些实施例中，如图1-图2所示，其中：轮盖13为与轮毂12的外侧面凹凸一致的回转体；叶轮轮盘20上对应半开式流道的部分表面设置有与轮盖13凹凸一致的第二圆弧回转面。

根据本公开的另一个方面，还提供一种分体式超临界二氧化碳闭式叶轮的制备方法，包括：步骤A：在叶轮本体棒料上依次加工出轮盖外表面、半开式流道、第一闭式流道以及端面齿；步骤B：在叶轮轮盘棒料上加工出第二圆弧回转面以及端面齿；步骤C：加工叶轮拉杆与主轴；步骤D：将叶轮本体、叶轮轮盘以及主轴进行周向和轴向定位与装配；步骤E：对装配后的叶轮本体、叶轮轮盘以及主轴进行动平衡测试。

在本公开的一些实施例中，在加工前，根据分体式超临界二氧化碳闭式叶轮强度分析以及加工工艺确定分体式超临界二氧化碳闭式叶轮的尺寸及材质，准备分体式超临界二氧化碳闭式叶轮中不同组件所需的加工棒料，包括：叶轮本体棒料、叶轮轮盘棒料、叶轮拉杆棒料以及主轴棒料。

在本公开的一些实施例中，步骤A包括：步骤A1：利用车床加工方法在叶轮本体棒料上加工出轮盖外表面；步骤A2：利用铣削加工方法在步骤A1得到的棒料上加工半开式流道；步骤A3：利用铣削加工方法在步骤A2得到的棒料上，沿流体进口方向和半开式流道方向同时加工得到第一闭式流道；以及步骤A4：利用铣削加工方法在步骤A3得到的棒料上加工端面齿。

在本公开的一些实施例中，步骤B包括：步骤B1：利用车床加工方法在叶轮轮盘棒料上加工出第二圆弧回转面；步骤B2：利用铣削加工方法在步骤A1得到的棒料上加工端面齿；步骤B3：利用车床加工方法，加工主轴30中心处的容纳槽，并加工螺纹。

在本公开的一些实施例中，步骤C包括：步骤C1：利用车床加工方法对叶轮拉杆和主轴外形加工；以及步骤C2：利用车床加工方法在步骤C1得到的叶轮拉杆、主轴棒料上加工螺纹。

在本公开的一些实施例中，步骤D包括：步骤D1：将叶轮本体和叶轮轮盘通过端面齿进行周向定位；以及步骤D2：将叶轮拉杆依次穿过叶轮本体和叶轮轮盘，与主轴进行螺纹装配。

在本公开的一些实施例中，步骤E中：对装配后的分体式超临界二氧化碳闭式叶轮进行3000RPM转速下动平衡测试，其中平衡精度为G2.5级，其中，G2.5级是指：根据由国际标准化组织建议标准IS01940《转子刚体的平衡质量》，适用于标准中G2.5级——透平轮压缩机。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开实施例提供的分体式超临界二氧化碳闭式叶轮及制造方法有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供的分体式超临界二氧化碳闭式叶轮及制造方法解决了传统机械一体加工难以加工复杂流道闭式叶轮，且增材制造技术，制造精度低，高转速下叶轮寿命难以保证的问题。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如前面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种分体式超临界二氧化碳闭式叶轮，包括：

叶轮本体，包括：

多片叶轮叶片，多片所述叶轮叶片均匀地沿第一圆弧回转面排列，所述第一圆弧回转面呈一圆台形的侧面设置，且该圆台形的侧面向内凹陷；

轮毂，其沿所述第一圆弧回转面设置于多片所述叶轮叶片的内侧，且其外侧面分别与多片所述叶轮叶片的内侧连接，所述轮毂的外侧面宽度小于所述第一圆弧回转面的宽度；

轮盖，其沿所述第一圆弧回转面套设于多片所述叶轮叶片的外侧，且其内侧面分别与多片所述叶轮叶片的外侧连接，所述轮盖的内侧面宽度不小于所述第一圆弧回转面的宽度；

其中，所述轮毂、所述轮盖和其二者之间的多片所述叶轮叶片形成第一闭式流道，多片所述叶轮叶片延伸出所述轮毂外侧面的部分与其外侧对应连接的所述轮盖形成半开式流道；

叶轮轮盘，其与所述叶轮本体分体设置并固定连接，并与所述叶轮本体上的半开式流道配合形成第二闭式流道；

主轴，其固定设置于所述叶轮轮盘的背部，其中，所述叶轮本体、所述叶轮轮盘和所述主轴同轴设置。

2.根据权利要求1所述的分体式超临界二氧化碳闭式叶轮，其中：

所述轮毂和所述叶轮轮盘的中心处对应设置有通孔；

所述主轴的中心处对应设置有容纳槽；

所述分体式超临界二氧化碳闭式叶轮还包括：叶轮拉杆，其一端穿过所述轮毂和所述叶轮轮盘上的所述通孔并插入所述主轴上的所述容纳槽中，另一端通过限位块将所述叶轮本体和所述叶轮轮盘轴向固定；

其中，所述主轴上的所述容纳槽与所述叶轮拉杆螺纹连接。

3.根据权利要求2所述的分体式超临界二氧化碳闭式叶轮，其中：

所述轮毂的底部和所述叶轮轮盘上对应设置有端面齿，用于在周向上固定所述叶轮本体和所述叶轮轮盘的相对位置；

优选地，所述叶轮轮盘上设置有与半开式流道上的叶轮叶片相匹配的槽道。

4.根据权利要求1所述的分体式超临界二氧化碳闭式叶轮，其中：

所述轮盖为与所述轮毂的外侧面凹凸一致的回转体；

所述叶轮轮盘上对应所述半开式流道的部分表面设置有与所述轮盖凹凸一致的第二圆弧回转面。

5.一种分体式超临界二氧化碳闭式叶轮的制备方法，包括：

步骤A：在叶轮本体棒料上依次加工出轮盖外表面、半开式流道、第一闭式流道以及端面齿；

步骤B：在叶轮轮盘棒料上加工出第二圆弧回转面以及端面齿；

步骤C：加工叶轮拉杆与主轴；

步骤D：将叶轮本体、叶轮轮盘以及主轴进行周向和轴向定位与装配；

步骤E：对装配后的叶轮本体、叶轮轮盘以及主轴进行动平衡测试。

6.根据权利要求5所述的分体式超临界二氧化碳闭式叶轮的制备方法，所述步骤A包括：

步骤A1：利用车床加工方法在叶轮本体棒料上加工出轮盖外表面；

步骤A2：利用铣削加工方法在步骤A1得到的棒料上加工半开式流道；

步骤A3：利用铣削加工方法在步骤A2得到的棒料上，沿流体进口方向和半开式流道方向同时加工得到第一闭式流道；

步骤A4：利用铣削加工方法在步骤A3得到的棒料上加工端面齿。

7.根据权利要求5所述的分体式超临界二氧化碳闭式叶轮的制备方法，所述步骤B包括：

步骤B1：利用车床加工方法在叶轮轮盘棒料上加工出第二圆弧回转面；

步骤B2：利用铣削加工方法在步骤A1得到的棒料上加工端面齿；

步骤B3：利用车床加工方法，加工所述主轴容纳槽，并加工螺纹。

8.根据权利要求5所述的分体式超临界二氧化碳闭式叶轮的制备方法，所述步骤C包括：

步骤C1：利用车床加工方法对叶轮拉杆和主轴外形加工；以及

步骤C2：利用车床加工方法在步骤C1得到的叶轮拉杆、主轴棒料上加工螺纹。

9.根据权利要求5所述的分体式超临界二氧化碳闭式叶轮的制备方法，所述步骤D包括：

步骤D1：将叶轮本体和叶轮轮盘通过端面齿进行周向定位；以及

步骤D2：将叶轮拉杆依次穿过叶轮本体和叶轮轮盘，与主轴进行螺纹装配。

10.根据权利要求5所述的分体式超临界二氧化碳闭式叶轮的制备方法，所述步骤E中：对装配后的分体式超临界二氧化碳闭式叶轮进行3000RPM转速下动平衡测试，其中平衡精度为G2.5级。