CN1136142A - 压气机 - Google Patents

Abstract

这种压气机具有压气机轮(1)，它具有由塑料制成的带动叶片(5)的轮毂(2)，还具有与轮毂(2)相连的并沿轴线(4)延伸的轴和一个包围压气机轮(1)的壳体。

应该设置一个压气机，它具有塑料制作的压气机轮和适用于相当高的运行温度。它是如此实现的，该压气机轮(1)的轮毂(2)由一种用无头纤维强化的热塑性塑料制成；该动叶片(5，20)由一种用无头纤维强化的热塑性塑料单独预先制成并且结构吻合地与轮毂(2)相连接。

Description

压气机

本发明涉及一种压气机适用于气态流体并属于权利要求1前序部分的技术领域。

在EP0593797A1中公开了一种压气机，它是为压缩气体介质而设置的。该压气机具有一个带成型动叶片的压气机轮，其在气体介质流入的侧端设有外壳。该外壳与所有动叶片的端部相连接。该外壳不在动叶片的整个长度上延伸。在动叶片承受机械最高载荷的区域内不设置外壳，而外壳可以防止动叶片的振动或者至少有阻尼作用。

在专利文献CH 675279中公开了一个用于压气机的压气机轮，其由金属制成，同时，其动叶片是在压气机轮的轮毂上一体成形制造的。这种压气机轮原则上是完全借助昂贵的切削加工方法制造的。这个压气机轮具有一个相对大的质量，为了其运行必须花费相当大的能量。

另外公知的压气机具有一体式型料喷注制成的压气机轮。这些压气机轮部分设有纤维强化结构，然而至今普通的生产工艺仅可以实现一种所谓的短纤维的强化结构。这样结构的压气机轮只于以应用于圆周速度在最大400m/sec(米/秒)和运行温度在至最高为200℃。因为，用短纤维的强化不允许较高的应力载荷。

本发明如在独立的权利要求中标志的那样，解决了设置这样一个压气机的任务，该压气机具有一个塑料制作的压气机轮和尽管如此也能适用于相当高的运行温度。

可以看出，通过本发明实现的优点是，本压气机的运行温度和转数及依此其效率，相对于装有传统的塑料制压气机轮的压气机，是明显提高的，它能实现的运行温度可至约280℃且圆周速度可达660m/sec(米/秒)。

在压气机轮具有一个较轻的质量并可以相对简单的方式由不同的单个构件组装构成。在本压气机轮之一个特别优选的实施方案中，为了制作轮毂应用了一个预先制作的并碳素纤维强化的热塑性塑料带。在这个热塑性塑料带中、总是最佳地确保起强化作用的无头纤维之定位结构，因此，就能确保轮毂在相对高的运行温度和圆周速度情况下具有相当好的强度，由于压气机轮之相对较小的质量，因此它就只有一个较小的惯量矩，进而压气机在启动时以有利的短时间就可达到必需的运行转轮和因此很快地达到全有效功率。

本发明另外的结构方案是相关的权利要求的技术方案。

下面，本发明及其变型方案和由此可获得的优点借助其中仅描述一个可能实施方式的附图作详细阐述。附图中：

图1是通过带有压气机轮的第一实施方式的压气机的第一局部图；

图2是通过压气机轮的第一实施方式的第二局部图；

图3是通过带有压气机轮的第二实施方式的压气机之局部图；

图4是通过压气机轮的动叶片的第一实施方式的局部图，和

图5是通过压气机轮动的叶片的第二实施方式的局部图；

在所有附图中，相同作用的元件设有相同的参考偏号。所有直接理解本发明不必要的元件就不描述了。

图1表明通过一个压气机轮1的局部简图，该轮是为压缩气体流体，而设置的。该压气机轮1具有一个轮毂2，其由塑料制成。最好由一种用无端头纤维加强的热塑性材料制成。该轮毂2被固定在一个由金属制成的套筒3上。并可靠地防止转动和轴向地滑动。该轮毂2和套筒3具有一个共同的轴线4，它是压气机轮1的转轴。该套筒3具有一个中央通孔，它用于安装和固定未描述的压气机轮1的轴。在轮毂2之背离轴4的侧面上固定动叶片5。在动叶片5和未描述的包括压气机轮1的压气机壳体之间，设置未标明的流动通道，其中，流入气体介质在其中以公知的方式被加速和被压缩。

轮毂2由一种预制的并用无端头纤维加强的塑料带卷绕制成。作为塑料在此情况下特别适宜的有耐温的热塑材料，而为了加强则可应用碳素纤维。该轮毂2是按照一个与轮毂2之内轮廓相适应的原则如此卷绕的，即该碳素纤维安置在圆周方向上，因此在这个方向上引起轮毂2特别高的强度，依此就可实现压气机轮1的相对大的转数和进而使压气机实现相对大的效率。在卷绕期间，该热塑性材料带被短时间地加热并使相应在先铺置的带层被熔化。特别适用于这种按要求和可控的短时间加热是激光。这种形式的热塑材料卷绕方法应用激光作为能源是公知的。在卷绕过程结束以后，按上述原则如此预制的轮毂2被取下和按要求加工完毕。特别是，用于安装套筒3的开孔必须作补充加工和为此轮毂2的外部表面被抛光处理，以便使其可以作为安装表面和粘接表面应用于固定预制的动叶片5。

动叶片5分别具有一个利于流动而设置的迎流棱6，它位于压气机的流动通道中并于气体介质的入口侧。相对气体介质的流动而言，在流动通道的另一侧端上，分别置有动叶片5的出口棱7。该动叶片5是由多个预制的，同样用无端头纤维加强的构件组装而成，如在图4和5中简图所述的那样。下面详细说明这些图。该动叶片5分别具有一个作为基体的脚板8。该脚板8之对着轮毂2的表面9的侧面是与这个表面9如此精确适应的，即这个脚板8结构吻合地靠置在表面9上。该表面9在压气机轮1的入口侧具有一个台肩10，其上同样结构吻合地靠置着该脚板8之入口侧的端部件11。

该图4表明通过压气机轮1之动叶片5的第一实施方案的局部截面图。该动叶片5是以公知的方式按利于流动的原则设置的结构，它是相应的球面弯曲的叶片，在附图中未描述以简单明了。该动叶片5的基体构成预成形的，均匀厚度的脚板8。该脚板8设有一个隆起2b，它突入叶片5的内部和在叶片5的纵轴线方向上延伸，同时，它在流动下游总是越来越小的结构。该脚板8具有一个底侧27，它与轮毂2的表面9完全相似。在底侧27中由于隆起26而出现的凹陷是借助一个环氧树脂填充物28如此填充的，即也在脚板8的这个区域中设置一个完全和轮毂2的表面9相似的表面。该隆起26设有一个均匀倒圆的侧面。该叶片通过两个侧壁29和30构成。该侧壁29和30是由均匀厚度的并用无端头纤维加强的塑料板制成的，它们包括一个在径向上变窄的中空腔31。这个中空腔31可以为了一个更好的振动阻尼作用而用海绵填满。该中空腔31在动叶片5的迎流棱6的区域内借助一个未描述的并利于流动结构设置的盖件封闭住。

该侧壁29和30是预制成型的。它们在一个装配原则粘接在脚板8上或与之焊接一起。同时，该侧壁29和30在动叶片5的尖部区域内是平坦地粘接一起或焊接一起的。该侧壁29和30是如此结构设置的，即它分别具有一个脚件32a，32b，它们结构吻合地配合在脚板8的表面上，并且它们以半径33过度到相应侧壁之近似径向延伸的部分上。该脚件32a属于侧壁29的结构，而脚件32b属于侧壁30的结构。在脚件32a和32b之安置在上游的侧端上分别制有端件，其与脚板8的端件11相适应，并结构吻合地靠置在脚板8的表面上。该半径33是与隆起26侧面的半径精确配合的。由于使侧壁29和30的脚件32a和32b精确地配合到脚板28上，人们就可得到均匀的粘接缝，它能实现一个特别牢固的粘接。

图5表明通过压气机轮1之动叶片5第二实施方案的局部截面图。这个实施方案与图4的实施方案之不同在于，侧壁29和30之近似径向延伸的部分是稍微鼓出的。通过这个成型，就可实现在动叶片5有机械载荷情况下，在侧壁29和30之脚件32a和32b与脚板8之间的应力明显减小了，因此，这样结构设置的动叶片5具有特别的承受高离心力的能力。一个装有这种动叶片5的压气机轮1特别适用于特别高的圆周速度的情况。

在出口侧，该轮毂2具有一个环箍12，对着它顶置动叶片5的出口侧端部13。该端部13由被脚件32a和32b覆盖的脚板8所构成。该环箍12在这个位置上具有和动叶片5的这一出口侧端部13的厚度相同的高度，因此不存在突出的边棱会干扰从压气机轮1流出的已压缩介质的流动。该脚板8的底侧与轮毂2的表面9相粘接或焊接一起。该脚板8是如此用脚件32a和32b覆盖的，即在完工的压气机轮1情况下，整个的表面9被盖住。在此处表示的压气机轮1之实施方案中，在入口侧于粘接以后并且粘接剂硬化以后附加安装一个轮缘14，为的是，每个脚板8的端件11与脚件32a和32b的端件一起被挤压到轮毂2的台肩10上。该轮缘14可由预制的并用无头纤维强化的塑料带卷绕而成。作为塑料在这种情况下特别适宜的是耐温的用碳素纤维强化的热塑性塑料。该轮缘14如此卷绕而成，即碳素纤维位于圆周方向上，因此导致在此方向上一个特别高的轮缘14的强度，进而，脚板8和脚件32a和32b即使在压气机轮1为相当高的转数下也保持牢固固定。在卷绕期间，该带的热塑性材料被短时间加热并且相应前面敷置的层带被熔化。此后借助与轮毂2相同的方法将轮缘14制造完毕。在卷绕完成以后，该轮缘14的表面15被补充加工，以使其(14)达到一个利于流动的形状。

在按图1的压气机轮1情况下，动叶片5通过粘接或通过焊接以及轮缘14和环箍12而被固定。这一固定结构足以使压机轮1适应相当高的转数。但是如果要求更高的转数时，则动叶片5要附加借助金属铆钉与轮毂2相互铆接起来。并且该脚件32a和32b与脚板8及轮毂2一起铆接起来。在铆接时请注意，铆钉头不应干扰介质在流动通道中的流动，因为这种干扰会导致效率损失。

图2表明通过图1的压气机轮的局部截面简图。且表示A-A截面图。这由多个部分组装而成的动叶片5在边缘区域中具有倾斜部16a，16b，在所述边缘区域中动片5与相邻的动叶片5相接触。上述倾斜部16a，16b，可允许动叶片5的边缘重叠推置和一个完全有效的粘接，进而，就可实现流动通道18对着轴线4的侧面为一个闭合的表面17。该点划线19表明了压气机壳体，它将由动叶片5限定的流动通道18在侧向于外部封闭住。

图3表明通过压气机轮的第二实施方案的局部截面图。这个实施方案与图1方案的不同在于，在两个动叶片5之间的中间腔中各设置一个另外的动叶片20，它具有一个入口棱21，其安置在动叶片5入口棱6的下游。每个流动通道在下游都通过动叶片20被分割成两个流动通道，该动叶片20具有一个出口棱，它安置在如动叶片5出口棱7相同的平面中。该动叶片20是与动叶片5相一致的结构。同样该动叶片20设有一个脚板，其上安装着相应的脚件。这些脚板和与其相连的脚件与动叶片5之脚件32a及32b的凹槽精确配合，因此，该动叶片20可分别结构吻合地被推入动叶片5的下方。该动叶片5借助燕尾形的齿结构将动叶片20附加固定到其粘接结构或焊接结构上。此后该动叶片20以与动叶片5相类似的方式固定到轮毂2上。该动叶片5的脚件32a和32b在这个实施方案中同样如动叶片20的脚件那样在下游的端侧分别置有成形的端部件，其与脚板8的出口侧的端件22相适配，并结构吻合地靠置在脚板8的表面上。该端件22结构吻合地靠置在轮毂2的一个台面23上。在此处图3表明的压气机轮1的实施方案中，在动叶片5和20粘接或焊接以后并且在粘接到硬化之后，除了轮缘14外还设置一个轮缘24，为的是，每个动叶片5和20的端部件22与相应脚件的端部件一起被挤压到轮毂2的台面23上。该轮缘24，与轮缘14相同，可由一个预制的并用无头纤维加强的塑料带卷绕制成并相应地焊接起来。轮缘24的表面同样为利于流动的结构设置。

该图3的压气机轮1具有一个平衡环25，它在轮毂2卷绕中嵌置进去。该平衡环25是由金属制造的。在制成的压气机轮1平衡时，可从这个平衡环25上切去材料，以便消除存在的不平衡。还可能的是，该套筒3具有较大的质量并从其上实现必需的材料切除，这样就可以省去平衡环25。为使侧壁29及30与脚板8相连接和使入口棱6的盖件连接到动叶片5上以及为使动叶片5与轮毂2连接，在碳酸树脂的基础上设置一个粘接剂，此处，已经证明特别适宜的是由公司AmericanCyanamid Company生产的粘接材料HT 424，地址：1300革命街，Havre de Grace，MD 21087。另外，由相同制造商生产的在改进的缩合一聚酰亚胺基础上的粘接剂标志为FM 36也很好地适合于上述的组装连接。除了粘接以外，用于连接动叶片5的构件还可以想到一个借助激光的焊接过程或者一种两个方法的组合。该动叶片20以相同的方式组装。

用于制造轮毂2和轮缘14及24的带材具有一个由热塑性塑料制成的基料。作为热塑性塑料特别提及的是聚对苯二甲酰硫化物(Polyphenylen Sulfid)，此外，用聚醚醚酮(Polyether etherketon)也可实现好的结果。由聚对苯二甲酰硫化物制成的基料可用体积含量为约53％的碳纤维来强化。这个带材的横截面计为5mm×0.158mm。该带材的弹性模数为114GPa。由聚醚醚酮制成的基料用体积含量为61％的碳纤维强化。这个带材的横截面计数5mm×0.125mm。该带材的弹性模数可达134.000MPa。在此情况下应用温度约280℃。

作为用于制造动叶片5.20的材料可应用一种热塑性塑料，它用无头纤维结构的碳纤维强化。这种材料以均匀厚度的板材提供。作为特别适宜的一种基料由Polyetheretherketon制成并含有体积容量为61％的碳纤维。这种板材被嵌置成形和在热载荷下借助公知的方法制成确定的结构造型，并因此致力于，该无头纤维在动叶片5，20之动载荷的主要方向上定位。这样预制的动叶片5、10之构件，侧壁29和30以及脚板8，如已经描述的，按照一个装配原则被组装成完工的动叶片5及20。

参考编号

1    压气机轮        20    动叶片2    轮毂            21    入口棱3    套筒            22    端件4    轴线            23    台面5    动叶片          24    轮缘6    迎流棱          25    平衡环7    出口棱          26    隆起8    脚板            27    底侧9    表面            28    环氧树脂填料10   台肩            29、30侧壁11   端件            31    中空腔12   环箍            32a、b脚件13   端部            33    半径14   轮缘15   表面16a、b倾斜面17   表面18   流动通道19   点划线

Claims (10)

1.带压气机轮(1)的压气机，该压气机轮具有其上装动叶片(5)的塑料制轮毂(2)，该压气机具有一个与轮毂(2)相连的并沿轴线(4)延伸的轴，还具有一个包围压气机轮(1)的壳体，其特征在于：

该轮毂(2)是由一种用无头纤维加强的热塑性塑料制成的；该动叶片(5，20)是由一种用无头纤维加强的热塑性塑料单独预先制造的，然后与轮毂(2)结构吻合地相连接。

2.按权利要求1所述的压气机，其特征在于：该轮毂(2)以相应的原则被卷绕成层结构，同时，在卷绕期间，该热塑性材料被短时间加热并使相应在先铺置的层料熔化。

3.按权利要求2所述的压气机，其特征在于：该轮毂(2)是由一种预制的碳素纤维强化的热塑性塑料带卷绕制成的。

4.按权利要求3所述的压气机，其特征在于：该热塑性塑料带的基料是由Polyphenylensulfid制成的。

5.按权利要求3所述的压气机，其特征在于：

该热塑性塑料带的基料是由Polyetheretherketen制成的。

6.按权利要求1所述的压气机，其特征在于：该动叶片(5，20)是由至少两个预制成形的单个构件组装而成的。

7.按权利要求1所述的压气机，其特征在于：该动叶片(5，20)的单个构件是借助一种粘接工艺或焊接工艺组装而成的；

该动叶片(5，20)的结构吻合的固定是借助粘接工艺或焊接工艺实现的。

8.按权利要求7所述的压气机，其特征在于：

该动叶片(5，20)的固定借助至少一个由预先制成的碳素纤维强化的热塑性塑料带所制作的轮缘(14，24)而加以强化，同时，在轮缘(14，24)的卷绕期间，该热塑性的材料被短时加热和使相应在先设置的层料熔化。

9.按权利要求1所述的压气机，其特征在于：

该轮毂(2)缩置在金属制的套筒(3)上，它是为容置轴而设置的。

10.按权利要求1所述的压气机，其特征在于：

为了结构吻合的固定动叶片(5，20)应用铆钉结构。

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