CN208619176U - 一种3d打印成型的径流式空心叶轮结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种3D打印成型的径流式空心叶轮结构，针对具有狭长型流道的径流式叶轮，采用3D打印技术制造出满足各种要求的复杂结构的径流式空心叶轮；为了减小叶轮质量从而提高转子动力学特性和设计的自由度，打印时将叶轮轮盘靠近轴的部分进行部分去重；为了满足轮盘部分去重后的叶轮应力要求，在中空部分加入筋板，该筋板形式有轴向、径向、轴向径向混合形等多种结构。对需要冷却的高温叶轮，可以在轮盘背部设置进气孔和出气孔，冷却气体通入中空部分来实现叶轮冷却的目的。通过该结构的应用，可以明显提高叶轮加工效率，减少加工周期，同优化其气体动力学、力学和转子动力学等特性，提高叶轮的效率、功重比，使机组的设计自由度更大。

Description

一种3D打印成型的径流式空心叶轮结构

技术领域

本实用新型涉及流体力学领域中的叶轮机械，涉及径流式叶轮的加工成型，具体涉及一种3D打印成型径流式空心叶轮结构。

背景技术

近年来，随着径流式叶轮技术的不断发展，其应用领域不断被拓展，工业压缩机、小型航空发动机、汽车涡轮增压等技术中均用到了径流式叶轮。径流式叶轮具有结构紧凑、简单可靠、运行范围宽、在小流量下具有较高效率等一系列特点。其结构有闭式、半开式及开式三种结构，与半开式及开式结构相比，闭式结构能够有效的避免叶顶泄露，提高叶轮效率。对于小比转速的向心涡轮，其流道一般较为狭长，传统的数控加工、精密铸造、挤压成型等技术难以对流道内部进行直接加工。由于径流式叶轮的中心孔相对较小，中间部分的加工去重变的比较困难，这导致了叶轮质量的进一步增加，影响转子动力学设计。

目前，对于闭式叶轮的加工主要有以下几种加工方式。第一种方式是数控机床直接加工，但是存在加工难度大的问题，而且对于大多数狭长型流道无法加工。第二种方式是叶轮和轮盘盖分开加工，然后再进行焊接组装，这种方式的叶轮加工难度低，但同时叶轮的强度也受到了很大影响。第三种方式是采用精密铸造的技术，这种技术存在着模具贵，且内部流道出现缺陷时难以修复的问题。第四种方式是粉末冶金技术，但是其缺点在于模具成本高，热等/冷等静压设备费用大。过分析以上技术可以看出，目前具有狭长型流道的闭式径流式叶轮的加工技术存在着各种困难，因此需要一种新的方式来满足加工相对容易、精度较高、强度大等一系列要求的径流式叶轮。

实用新型内容

针对现有技术所存在的上述问题和不足，本实用新型公开了一种3D打印成型的径流式空心叶轮结构，该结构能够在满足应力要求的基础上大大减小径流式叶轮的加工难度，同时能够根据需求加工出各种中空结构，具有良好的应用前景，可广泛应用于工业压缩机、小型航空发动机、汽车涡轮增压等技术中径流式叶轮的加工成型。

针对以上提到的问题，本实用新型的解决方案如下：

一种3D打印成型的径流式空心叶轮结构，包括轮盘以及沿周向均布在所述轮盘上的多个径流叶片，其特征在于，

所述轮盘和径流叶片通过3D打印一体成型，

所述轮盘为中空结构，其中心处设有一沿轴向延伸的中心孔，所述中心孔用以与主轴机械连接，

所述轮盘背部的底板和/或所述中心孔的内壁上开若干个封堵孔，各所述封堵孔上均配设有堵头，所述封堵孔用以去除所述轮盘的中空部分中未硬化的粉末，所述堵头用以在取出未硬化的粉末后对所述封堵孔进行封堵。

本实用新型的3D打印成型的径流式空心叶轮结构，采用3D打印技术加工制备，该技术适用于以钛合金、高温镍基合金及不锈钢为材料的径流式叶轮，按照打印物体的外形一层层的铺上合金粉末，然后采用电子束熔、激光束熔等方式将相应部分的粉末硬化成型，完成后将多余的金属粉末去除得到打印实体，最后对叶轮进行加工处理以满足技术要求。采用3D打印的径流式叶轮的强度能够得到很好的满足。将叶轮的轮盘设计成中空结构，可以减小叶轮质量。该技术可适用于各种弯、扭、掠、倾斜等叶型设计复杂的复杂叶轮。

优选地，所述若干个封堵孔对称布置在所述轮盘背部的底板上，每一所述封堵孔上均配设有堵头。

优选地，各所述堵头焊接在对应的各所述封堵孔上。

优选地，所述轮盘背部的底板上设有与所述轮盘的中空部分连通的进气孔和出气孔，冷却气体通过所述进气孔和出气孔进出所述轮盘的中空部分以冷却叶轮。

优选地，所述轮盘的中空部分中沿周向设有多个轴向筋板，所述轴向筋板将所述轮盘的中空部分沿周向划分为多个独立封闭的空间，所述轮盘背部的底板上对应每一所述空间的位置至少设置一个所述封堵孔。叶轮通过轴向筋板来加强轴向支撑。

优选地，所述轮盘的中空部分中沿轴向设有多个径向筋板，所述径向筋板将所述轮盘的中空部分沿轴向划分为多个独立封闭的空间，所述轮盘的中心孔内壁上对应每一所述空间的位置至少设置一个所述封堵孔。叶轮通过径向筋板来加强径向支撑。

进一步地，相邻两所述径向筋板之间沿周向设有多个轴向筋柱。此时，叶轮通过径向筋板和轴向筋柱同时加强径向和轴向支撑。

优选地，所述径流式空心叶轮为闭式径流式叶轮、半开式径流式叶轮或开式径流式叶轮。

同现有技术相比，本实用新型的3D打印成型的径流式空心叶轮结构，其优点与有益效果为：(1)采用3D打印成型技术制造径流式叶轮使叶轮的加工难度大大降低，尤其是对于狭长流道的闭式径流式叶轮；(2)采用3D打印成型技术制造径流式叶轮的材料范围较广，可打印钛合金、高温镍基合金、铝合金、不锈钢等多种材料的叶轮，能够加工各种弯、扭、掠、倾斜等叶型设计的复杂叶轮；(3)采用3D打印成型技术制造径流式叶轮可以将轮盘做成空心结构，从而减小叶轮的质量，提高了转子动力学特性及机组设计的自由度；(4)采用3D打印成型技术制造径流式叶轮可以在空心部分制作筋板、筋柱等结构，从而满足叶轮的应力要求；(5)采用3D打印成型技术制造径流式叶轮可以在空心轮盘部分设置进气口和出气口、从而达到对于高温叶轮的冷却作用。

附图说明

图1为空心径流式叶轮示意图；

图2为具有轴向筋板的空心径流式叶轮示意图；

图3为具有径向筋板的空心径流式叶轮示意图；

图4为具有径向筋板与轴向筋柱混合结构的空心径流式叶轮示意图；

图5为具有冷却通道的空心径流式叶轮示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本实用新型进一步详细说明。

图1～5示出了本实用新型采用3D打印成型技术加工而成的空心径流式叶轮，包括轮盘以及沿周向均布在所述轮盘上的多个径流叶片，所述轮盘和径流叶片通过3D打印一体成型，所述轮盘为中空结构，其中心处设有一沿轴向延伸的中心孔，所述中心孔用以与主轴机械连接，所述轮盘背部的底板和/或所述中心孔的内壁上开若干个封堵孔2，各所述封堵孔2上均配设有堵头(图中未示出)，所述封堵孔用以去除所述轮盘的中空部分中未硬化的粉末，所述堵头用以在取出未硬化的粉末后对所述封堵孔进行封堵。

本实用新型的3D打印成型的径流式空心叶轮结构，采用3D打印技术加工制备，具体方式为按照打印物体的外形一层层的铺上合金粉末，然后采用电子束熔、激光束熔等方式将相应部分进行粉末硬化成型。完成后将多余的金属粉末去除后得到打印实体，最后对叶轮进行加工以满足技术要求。

对于图1所示的径流式空心叶轮，3D打印时需要取出轮盘中空部分1未硬化的合金粉末，此时可在轮盘底部对称位置开若干个封堵孔2，将粉末去除后再用堵头或焊接方式进行封堵。可以对径向和轴向支撑部分的厚度进行调整，或者对中空的形状进行调整，从而达到叶轮的应力要求。

对于图2所示的径流式空心叶轮，在空心部分设置轴向筋板3。该叶轮通过轴向筋板来加强轴向支撑，形成了多个独立封闭的空间，为了取出封闭空间未硬化的合金粉末，需要在轮盘底部每个部分打封堵孔，取出粉末后再用堵头或焊接方式进行封堵。

对于图3所示的需要加强径向支撑的径流式空心叶轮，在空心部分设置径向筋板4。该叶轮沿轴向设置了径向支撑筋板。同时在中心孔沿轴向预留了封堵孔从而取出未硬化的冶金粉末。

对于图4所示的需要同时加强轴向和径向支撑的径流式空心叶轮，需要在空心部分设置轴向筋柱和径向筋板5。该结构空心部分通道互联，从而需要在叶轮的底部开较少的封堵孔而实现取出未硬化的冶金粉末。

对于图5所示的需要冷却轮盘的高温叶轮，在轮盘的背部设置进气孔6使冷却气体进入轮盘空心部分，气体在中间流动实现冷却，在将冷却气体通过轮盘背部的排气孔7排出。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的范围之内。

Claims (8)

1.一种3D打印成型的径流式空心叶轮结构，包括轮盘以及沿周向均布在所述轮盘上的多个径流叶片，其特征在于，

所述轮盘和径流叶片通过3D打印一体成型，

所述轮盘为中空结构，其中心处设有一沿轴向延伸的中心孔，所述中心孔用以与主轴机械连接，

所述轮盘背部的底板和/或所述中心孔的内壁上开若干个封堵孔，各所述封堵孔上均配设有堵头，所述封堵孔用以去除所述轮盘的中空部分中未硬化的粉末，所述堵头用以在取出未硬化的粉末后对所述封堵孔进行封堵。

2.根据权利要求1所述的径流式空心叶轮结构，其特征在于，所述若干个封堵孔对称布置在所述轮盘背部的底板上，每一所述封堵孔上均配设有堵头。

3.根据权利要求1或2所述的径流式空心叶轮结构，其特征在于，各所述堵头焊接在对应的各所述封堵孔上。

4.根据权利要求1所述的径流式空心叶轮结构，其特征在于，所述轮盘背部的底板上设有与所述轮盘的中空部分连通的进气孔和出气孔，冷却气体通过所述进气孔和出气孔进出所述轮盘的中空部分以冷却叶轮。

5.根据权利要求1所述的径流式空心叶轮结构，其特征在于，所述轮盘的中空部分中沿周向设有多个轴向筋板，所述轴向筋板将所述轮盘的中空部分沿周向划分为多个独立封闭的空间，所述轮盘背部的底板上对应每一所述空间的位置至少设置一个所述封堵孔。

6.根据权利要求1所述的径流式空心叶轮结构，其特征在于，所述轮盘的中空部分中沿轴向设有多个径向筋板，所述径向筋板将所述轮盘的中空部分沿轴向划分为多个独立封闭的空间，所述轮盘的中心孔内壁上对应每一所述空间的位置至少设置一个所述封堵孔。

7.根据权利要求6所述的径流式空心叶轮结构，其特征在于，相邻两所述径向筋板之间沿周向设有多个轴向筋柱。

8.根据权利要求1所述的径流式空心叶轮结构，其特征在于，所述径流式空心叶轮为闭式径流式叶轮、半开式径流式叶轮或开式径流式叶轮。