本發(fā)明涉及一種葉輪，例如用于諸如渦輪壓縮機(jī)、渦輪機(jī)或類似裝置的離心機(jī)的葉輪。

背景技術(shù)：

眾所周知，渦輪壓縮機(jī)中使用的離心式壓縮機(jī)元件由可旋轉(zhuǎn)地固定在具有軸向入口和徑向出口的殼體中的葉輪組成，其中葉輪由輪轂和葉片形成，所述輪轂是實(shí)心喇叭形的型式以使在入口處吸入的氣體從軸向方向彎曲到出口處的徑向方向，所述葉片固定在輪轂上并且與輪轂和殼體一起限定變窄的通道，氣體被引導(dǎo)通過(guò)所述變窄的通道以將所述氣體壓縮。

葉輪設(shè)置有中心鉆孔，以能夠?qū)⑷~輪附接到驅(qū)動(dòng)軸。

已知這種葉輪以每分鐘數(shù)萬(wàn)轉(zhuǎn)的高速度被驅(qū)動(dòng)，其中葉輪出口處的直線周向速度可以達(dá)到每秒幾百米。

由于在這種高速度下產(chǎn)生較大的離心力，所以在葉輪的材料中產(chǎn)生非常大的應(yīng)力。

然而，具有完全實(shí)心輪轂的葉輪中的這些應(yīng)力分布得非常不均勻，應(yīng)力的峰值在中心鉆孔的位置處并且在軸向方向上靠近輪轂的后部，即在輪轂的具有最大直徑的端部處。

應(yīng)力梯度可以根據(jù)葉輪的幾何形狀而變化，但是葉輪的最大部段是欠載的，其應(yīng)力遠(yuǎn)低于制造葉輪的材料的彈性極限，其缺點(diǎn)在于這種材料的低效使用以及葉輪的不必要的高質(zhì)量。

盡管如此，葉輪質(zhì)量的降低對(duì)于保持葉輪固定在其上的驅(qū)動(dòng)軸的自然彎曲頻率足夠高以使得能夠?qū)崿F(xiàn)葉輪的較高速度是重要的，其本身對(duì)于渦輪壓縮機(jī)的高效節(jié)能操作是有用的。

在葉輪質(zhì)量較低的情況下，驅(qū)動(dòng)軸的軸承負(fù)載較小，以使得將渦輪壓縮機(jī)設(shè)計(jì)成其可以選擇來(lái)使用更小的軸承，從而導(dǎo)致更低的成本價(jià)格和/或更緊湊的壓縮機(jī)元件或更小直徑的驅(qū)動(dòng)軸。

wo2013/124314提出通過(guò)在葉輪的輪轂的中心部分中施加金屬網(wǎng)格結(jié)構(gòu)來(lái)減小葉輪質(zhì)量。

然而，如wo2013/124314中提出的這種網(wǎng)格結(jié)構(gòu)對(duì)于適應(yīng)徑向定向的離心力不是最佳的，其中網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在卸載方向上不一定是強(qiáng)而剛性的，這導(dǎo)致一定的重量劣勢(shì)。

us7.281.901描述了具有中空輪轂的葉輪結(jié)構(gòu)，其具有內(nèi)側(cè)加強(qiáng)件，所述內(nèi)側(cè)加強(qiáng)件主要被定向來(lái)減小慣性，但是所提出的解決方案不足以形成葉輪中的應(yīng)力的均勻分布。

這種均勻的應(yīng)力分布僅可以利用us7.281.901的解決方案通過(guò)葉輪的不同區(qū)域的尺寸仔細(xì)平衡來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而，在美國(guó)專利us7.281,901中沒(méi)有給出實(shí)現(xiàn)這種平衡的指導(dǎo)。

實(shí)際上，us7,281.901中出現(xiàn)的內(nèi)側(cè)加強(qiáng)件沒(méi)有考慮葉片的幾何，這導(dǎo)致在葉輪的輪轂中產(chǎn)生應(yīng)力集中。為了能夠適應(yīng)這些應(yīng)力集中，輪轂必須制得更厚，這導(dǎo)致葉輪的其他區(qū)域中的應(yīng)力增加。

因此，仍然需要具有材料的更好利用并且因此具有更低質(zhì)量的葉輪結(jié)構(gòu)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供如上述wo2013/124314和us7.281.901中所描述的與已知葉輪設(shè)計(jì)相關(guān)的一個(gè)或多個(gè)上述和其他缺點(diǎn)的解決方案。

為此，本發(fā)明涉及一種葉輪，包括

-中心軸或中心管，其用于安裝在軸上；

-圍繞軸的中空輪轂，所述中空輪轂具有外側(cè)和朝向中心軸或中心管定向的內(nèi)側(cè)；

-一系列葉片，所述一系列葉片通過(guò)它們的基部附接到輪轂的外側(cè)，

其中，在與相關(guān)葉片的基部的附接部相對(duì)的位置處為每個(gè)葉片或者為這些葉片中的至少數(shù)個(gè)葉片設(shè)置加強(qiáng)肋，所述加強(qiáng)肋在中心軸或中心管上在徑向方向上延伸并且在中心軸或中心管與輪轂內(nèi)側(cè)之間形成徑向連接。

因此，提供了延伸作為徑向輻條的加強(qiáng)肋，可以說(shuō)是與葉片相一致，并且由于其徑向取向而適應(yīng)由葉片通過(guò)葉片的基部而施加在輪轂上的徑向離心力。

這有助于在構(gòu)成輪轂的主要載荷的離心力的方向上緩解輪轂，其中使用這些加強(qiáng)肋的整個(gè)質(zhì)量來(lái)允許輪轂中的應(yīng)力流走到葉輪的軸或管，而在輪轂中不存在對(duì)于葉輪的強(qiáng)度沒(méi)有貢獻(xiàn)的死質(zhì)量。

優(yōu)選地，為每個(gè)葉片設(shè)置加強(qiáng)肋。

這有助于通過(guò)離心力以非常均勻的方式將輪轂中的應(yīng)力分布到輪轂的材料上。

優(yōu)選地，加強(qiáng)肋的頭部在輪轂的內(nèi)側(cè)上的附接位置位于所述內(nèi)側(cè)上的對(duì)應(yīng)葉片的腳印范圍內(nèi)。

當(dāng)對(duì)應(yīng)葉片的腳印范圍內(nèi)的加強(qiáng)肋的上述附接位置相對(duì)于所述腳印范圍的中心線稍微側(cè)向偏移、優(yōu)選地在逆著葉輪所要旋轉(zhuǎn)的方向的方向上時(shí)，加強(qiáng)肋對(duì)于應(yīng)力的均勻分布的積極效果是最大的。

通過(guò)允許材料的厚度例如在輪轂、后壁、軸或管和/或加強(qiáng)肋中以特定方式變化，可以獲得甚至更均勻的應(yīng)力分布。

具體地，本發(fā)明適用于離心式葉輪。

本發(fā)明還適用于封閉式葉輪，其中葉片不僅附接到輪轂，而且其中在葉片周圍設(shè)置有護(hù)罩，所述護(hù)罩還在葉片的頂部處將葉片連接在一起。

本發(fā)明還涉及一種用于制造葉輪的方法，其中所述方法包括以下步驟：

-設(shè)置軸或管；

-在軸或管上設(shè)置后壁；

-在所述輪轂的外側(cè)上設(shè)置具有葉片的中空輪轂；

-在與相關(guān)葉片的基部的附接部相對(duì)的位置處為每個(gè)葉片或者為這些葉片中的至少數(shù)個(gè)葉片設(shè)置加強(qiáng)肋，其中軸或管上的這些加強(qiáng)肋在徑向方向上延伸并且在軸或管與輪轂內(nèi)側(cè)之間形成徑向連接。

附圖說(shuō)明

為了更好地示出本發(fā)明的特征的目的，下面參考附圖通過(guò)沒(méi)有任何限制性質(zhì)的實(shí)例來(lái)描述根據(jù)本發(fā)明的葉輪的優(yōu)選實(shí)施方案及制造這種葉輪的方法，在附圖中：

圖1示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的葉輪的透視圖，其中一部段被部分地省略；

圖2示出圖1的葉輪的另一透視圖，但是階梯式地省略了一部段；

圖3示出根據(jù)本發(fā)明的葉輪的截?cái)嗖慷蔚牧硪煌敢晥D；

圖4示出沿著圖1中的曲線iv-iv的截面；

圖5示出根據(jù)圖1的葉輪的變型。

具體實(shí)施方式

作為一實(shí)例，圖1至圖3所示的葉輪1是離心式壓縮機(jī)元件的葉輪。

葉輪1包括中心管2，葉輪1利用所述中心管2可以安裝在圖中未示出的軸上，以便圍繞壓縮機(jī)元件的殼體中的管的幾何中心線x-x'被驅(qū)動(dòng)。

徑向延伸的后壁4靠近一個(gè)端部3設(shè)置在管2上，在所示實(shí)例的情況下基本上是圓盤形。

在后壁4的一側(cè)上，葉輪1包括圍繞管2延伸的中空喇叭形輪轂5，所述輪轂5通過(guò)其具有最大直徑的端部6連接到后壁4，并且通過(guò)其具有最小直徑的另一端部7連接到管2的另一端部8。

輪轂5的外表面9以傾斜方式從端部7處的基本軸向方向x-x'變化到端部6處的基本徑向方向。

中空空間10封閉在輪轂5、管2和后壁4之間。

以已知的方式，輪轂5設(shè)置有一系列彎曲的葉片11，所述一系列彎曲的葉片通過(guò)它們的基部12附接到輪轂5。

在示出的實(shí)例中，提供了兩個(gè)系列的葉片，即一方面是主葉片11a，所述主葉片11a從輪轂5的軸向定向的端部7延伸一定長(zhǎng)度到輪轂5的徑向定向的端部6，另一方面是“分流葉片”11b，所述“分流葉片”11b在主葉片11a之間在較短的長(zhǎng)度上延伸，在從距輪轂5的端部7一軸向距離處開(kāi)始到輪轂5的端部6。

然而，本發(fā)明不限于兩個(gè)系列的葉片11，而是也可應(yīng)用于任何數(shù)量的系列的葉片11，其中例如不存在分流葉片11b，或者相反可以設(shè)置數(shù)個(gè)系列的分流葉片11b。

根據(jù)本發(fā)明，在輪轂5的中空空間10中設(shè)置加強(qiáng)肋13，其數(shù)量?jī)?yōu)選地等于葉片11的數(shù)量，其中為每個(gè)葉片11設(shè)置加強(qiáng)肋13，所述加強(qiáng)肋13與相關(guān)葉片11的基部12相一致地相對(duì)于管2在徑向方向上延伸。

加強(qiáng)肋13形成輪轂5的內(nèi)側(cè)14與管2之間的連接，其中加強(qiáng)肋13通過(guò)它們的基部15連接到管2，并且在與對(duì)應(yīng)的葉片11的基部12的附接部相對(duì)的位置處(更具體地在輪轂5的內(nèi)側(cè)14上的對(duì)應(yīng)的葉片11的腳印范圍17的輪廓內(nèi)并且在所述腳印范圍的基本上整個(gè)長(zhǎng)度上，如沿著圖4中的加強(qiáng)肋13的頭部16的橫截面中所示)通過(guò)它們的頭部16連接到輪轂5的內(nèi)側(cè)。

優(yōu)選地，如圖4所示，加強(qiáng)肋13的頭部16在對(duì)應(yīng)的葉片11的腳印范圍17內(nèi)的前述附接位置在葉輪所要旋轉(zhuǎn)的方向a上稍微側(cè)向偏移。

加強(qiáng)肋13優(yōu)選地還在加強(qiáng)肋的高度上沿著邊緣18連接到后壁4。

當(dāng)加強(qiáng)肋13徑向定向時(shí)，各加強(qiáng)肋與產(chǎn)生的離心力一致，并且各加強(qiáng)肋限制輪轂5在徑向方向上的變形。

加強(qiáng)肋13主要處于拉伸載荷下，其中加強(qiáng)肋13的整個(gè)質(zhì)量用于將應(yīng)力的一部分從輪轂5轉(zhuǎn)移到管52并且如果需要還轉(zhuǎn)移到后壁4，因此在輪轂5的中空空間10中不存在或?qū)嶋H上沒(méi)有對(duì)葉輪的徑向方向上的強(qiáng)度沒(méi)有貢獻(xiàn)的死質(zhì)量(即，未加載質(zhì)量)。

前述內(nèi)容不以任何方式假設(shè)加強(qiáng)肋13的厚度必須對(duì)應(yīng)于葉片11的厚度。實(shí)際上，加強(qiáng)肋13的厚度可以在加強(qiáng)肋13的長(zhǎng)度和高度上變化，考慮到，與在以更短距離與管2相距的區(qū)域中相比，在以更大徑向距離與管2相距的區(qū)域中，輪轂5暴露于更大的離心力，因此這些區(qū)域受到更大的變形和應(yīng)力。

通過(guò)合適的厚度梯度的選擇，可以在葉輪1中獲得實(shí)際上均勻的應(yīng)力分布。

優(yōu)選地，輪轂5的厚度在軸向方向上從具有最小直徑的端部7到具有最大直徑的端部6增加，并且在與后壁4的連接的部位(level)處具有增厚部。

優(yōu)選地，后壁4的厚度在徑向方向上朝與管2連接的連接部增加。

加強(qiáng)肋的厚度優(yōu)選地朝與后壁4連接的連接部和/或朝與管2連接的連接部增加。

加強(qiáng)肋13與葉輪1的其余部分之間的連接部?jī)?yōu)選地為圓形，以防止應(yīng)力集中。

應(yīng)當(dāng)注意，輪轂5的、后壁4的、管2的以及加強(qiáng)肋13的上述厚度梯度不一定需要一起應(yīng)用，而是各自也可以單獨(dú)地或組合地應(yīng)用于葉輪1。

在葉片11數(shù)量少的情況下，不排除提供處于中間的加強(qiáng)肋(圖中未示出)，其位于與葉片11相一致地地徑向延伸的加強(qiáng)肋13之間。

因此，輪轂可以比在沒(méi)有這些處于中間的加強(qiáng)肋的情況下制得更薄。

處于中間的加強(qiáng)肋的厚度可以與和葉片11相一致的加強(qiáng)肋13的厚度不同。

加強(qiáng)肋13的數(shù)量?jī)?yōu)選地為葉片11的數(shù)量的整數(shù)倍。

如圖1和圖2所示，葉輪1可以在輪轂5的端部7處設(shè)置有實(shí)心環(huán)19，以便能夠通過(guò)例如借助鉆孔從環(huán)19局部移除材料來(lái)平衡葉輪1。

根據(jù)如上所述的本發(fā)明的葉輪優(yōu)選地通過(guò)應(yīng)用加成制造方法來(lái)制造，其中材料被接合在一起以在數(shù)字3d模型的基礎(chǔ)上制作物體，其中物體通常逐層地構(gòu)建，這與如標(biāo)準(zhǔn)astmf2792-12a中描述的移除材料的去除制造方法形成對(duì)比。

加成制造是指一類制造方法，例如粉末床熔融，其中使用熱能來(lái)選擇性地使粉末床中的某些區(qū)域能夠熔融在一起，或者通過(guò)直接能量沉積，其中使用成束熱能來(lái)使材料熔化同時(shí)使它們沉積。

在粉末床熔融類別中，存在許多技術(shù)，例如，電子束熔化，其中粉末材料通過(guò)使用電子束而被熔化；選擇性激光熔化，其中粉末材料借助于激光被熔化，選擇性激光燒結(jié)，其中粉末材料通過(guò)使用激光來(lái)被燒結(jié)。直接能量沉積的類別包括激光鍍層技術(shù)。

為了制造根據(jù)本發(fā)明的葉輪，可以使用金屬或陶瓷材料或聚合物或纖維增強(qiáng)聚合物或者這些材料的任何組合。

根據(jù)本發(fā)明的方法可以包括在管2中提供孔20的步驟，所述孔形成輪轂5的中空空間10與周圍環(huán)境之間的連接，目的是能夠從空間10中排出剩余的非熔融粉末。

孔20優(yōu)選地設(shè)置在管2的前端8處，換句話說(shuō)，設(shè)置在離后壁4最遠(yuǎn)的端部8處。

在去除剩余的粉末或其他材料之后，可以密封這些孔。

在不需要去除粉末的情況下，例如在激光鍍層的情況下，可以省略管2中的孔20。

所提出的加強(qiáng)肋13的類型也可應(yīng)用于葉輪1，其中在具有葉片11的輪轂5周圍設(shè)置護(hù)罩21，所述護(hù)罩21在葉片11的頂部處將葉片連接在一起，如圖5所示。

很明顯，代替管2，還可以使用實(shí)心軸，所述實(shí)心軸設(shè)置有用于從空間10中去除粉末的孔或其它。

本發(fā)明絕不限于作為實(shí)例描述并且在附圖中示出的葉輪的實(shí)施方案，但是這種葉輪及制造這種葉輪的方法在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下可以根據(jù)不同的變型來(lái)實(shí)現(xiàn)。