叶轮和配备有叶轮的涡轮压缩机
技术领域
本实用新型涉及叶轮，例如用于离心机(例如涡轮压缩机、涡轮机等)的叶轮。
背景技术
已知有用于涡轮压缩机中的离心压缩机元件，例如叶轮，叶轮可旋转地安装在具有轴向入口和径向出口的壳体中，叶轮由实心的喇叭形轮毂和叶片形成，轮毂用以将在入口处吸入的气体从轴向弯曲到出口处的径向，叶片安装在轮毂上并与轮毂和壳体一起限定了供气体引导通过以进行压缩的狭窄通道。
叶轮设置有中心钻孔，以能够将叶轮附接到驱动轴。
已知这种叶轮以每分钟数万转的高速度驱动，从而叶轮出口处的线性周速度可以达到每秒数百米。
如此高的速度产生的巨大离心力在叶轮材料上产生巨大的应力。
然而，在具有完全实心轮毂的叶轮中，这些应力分布非常不均匀。叶轮上的应力场是各个不同方向(通常是多轴定向的，即根据不同的轴线)上应力的组合。在轮毂的后部处，即在轮毂的具有最大直径的端部处，应力主要在径向和周向上。这两个应力分量是离心力的结果。
轮毂后部上的轴向应力是二阶效应。轴向应力对于中心钻孔非常重要，这是因为用张紧螺栓使叶轮在轴上沿轴向张紧。
取决于叶轮的几何形状，应力梯度会变化，但是叶轮的最大截面受到的应力远远低于叶轮制造材料的弹性极限从而所受载荷不足，缺点是这种材料的使用效率不足并且叶轮质量不必要地过高。
尽管如此，减小叶轮质量非常重要，以使安装有叶轮的驱动轴的固有弯曲频率高到足以使叶轮具有更高速度，这本身就对涡轮压缩机的高能效操作是有益的。
通过减小叶轮质量还将限制由于离心力而导致的施加在中心钻孔上、轮毂后部上以及后轮毂过渡部处的圆化部上的高应力。
在叶轮质量较小的情况下，驱动轴的轴承所受载荷较小，从而通过设计可以在涡轮压缩机中选择较小的轴承，以便降低成本价格和/或实现更紧凑的压缩机元件或较小直径的驱动轴。
减小叶轮质量的解决方案是已知的，例如，如WO 2013/124314中所公开的在轮毂的中心区段中采用金属格栅结构，但是这不太能吸收径向离心力，使得格栅结构在未受载荷的方向上不必要地坚固和刚性，从而导致一定的重量缺点。
另一解决方案是如US 7,281,901中所公开给中空轮毂提供内部加强件。
它们的主要目的是减小惯性，并且不适合在叶轮中均匀分布应力，这会导致应力集中的发生。
WO 2016/127225公开了叶轮的内部结构，由具有加强肋的中空轮毂组成，加强肋专门用于吸收径向离心力，使得所产生的应力可以流入轮毂。
加强肋在叶片基部处从轮毂延伸到中心轴或中心管并形成径向辐条(打比方说)。加强肋遵循叶片的曲线形，因此自身也在高度和长度上是曲线形，以便因此能够吸收离心力。
尽管这种叶轮较好地吸收离心力，但是仍然有必要使轮毂和/或加强肋在一些部位较厚，以便能够吸收应力。
由于这种叶轮的设计，需要通过增材制造方法来制造。
优选地，为此使用粉末床熔融，利用热能选择性地使粉末床中的一些区域熔合在一起，这将允许以必要的精度“打印”所有细节。
这种增材制造方法的一个特性是，所制造结构的表面粗糙度将取决于结构的倾斜度：结构越直，表面越平坦或越光滑。
在WO2016/127225的叶轮中，加强肋包括倾斜结构，从而它们相对粗糙。这对疲劳性能有非常不利的影响。
此外，曲线形加强肋将在中空轮毂中限定出具有相对复杂形式的腔，从而难以从这些腔中移除残余的未熔融粉末。
因此，每个腔室必须设置两个通道或孔，以便能够经由这些孔吹出并移除粉末。
这些孔当然不利于叶轮的强度或刚度以及疲劳性能。
实用新型内容
因此，仍然需要一种具有更好材料利用率和更小质量的叶轮结构，其中，离心力和轴向张紧力得到最佳吸收，并且可以通过增材制造方法容易且精确地制成。
本实用新型的目的是为前述WO2013/124314、US 7,281,901和WO2016/127225中公开的已知叶轮设计有关的一个或多个前述和其他缺点提供解决方案。
为此，本实用新型涉及一种叶轮，包括：
用于安装在驱动轴上的中心轴或中心管；
围绕中心轴或中心管的中空轮毂，轮毂在从一端部到另一端部的方向上直径增大，轮毂具有外侧和朝向中心轴或中心管的内侧；
后壁，设置在轮毂的具有最大直径的所述另一端部处，垂直于中心轴或中心管，并且至少部分地封闭轮毂的中空空间；
一系列叶片，叶片的基部附接到轮毂的外侧；
其特征在于，设置有多个平直的加强肋，加强肋在中心轴或中心管上在大致径向上延伸，并且在中心轴或中心管与轮毂的内侧之间形成径向连接。
在一实施例中，加强肋的几何平面在轮毂的具有最大直径的所述另一端部处与叶片的叶尖相交。
在一实施例中，中心轴或中心管的几何中心线与加强肋的几何平面重合。
加强肋延伸的“大致径向”意指径向加强肋与叶轮中心轴或中心管的几何中心线之间的角度最大为10度，更好地最大为7度，优选地最大为5度。
这提供了以下优点，即：这种叶轮(如WO2016/127225中的情况)由于其中空结构而非常轻，使得叶轮将能够以非常高的速度旋转。这样，设置有叶轮的涡轮压缩机将能够供应更多的压缩空气。
另一个优点是，由于加强肋的定向，内部结构更具刚性，使得与WO2016/127225中具有曲线形加强肋的情况相比，直的加强肋将更好地吸收离心力。这样的结果或优点是，轮毂或加强肋不必在一些部位较厚以吸收在此处出现的应力。
此外，加强肋还将沿平直的方向轴向延伸，使得叶轮也更好地吸收轴向力。实际上，由于通过张紧螺栓在轴向上张紧，叶轮在安装到涡轮机中时受到压缩。由于具有平直加强肋的内部结构，可以更好地吸收此压缩，使得在叶轮上产生的应力较小。
另一个优点是，在制造中，仅需打印直立结构以用于加强肋。因此，表面将更光滑，使得将出现更少的疲劳。
附加的优点是，由加强肋形成的腔室具有更简单的形状，使得在打印之后将更容易从这些腔室中移除粉末。仅需设置一个孔以移除粉末。
优选地，加强肋的数量与叶片的数量成比例。
这将确保叶轮是周期性对称的，这意味着它将包括多个重复的区段。
这样，重量也将以周期性对称方式分布，这对于叶轮的平衡是必要的。
在一实施例中，中心轴或中心管设置有孔，孔在轴向上延伸并且在轮毂的中空空间与外界环境之间形成连通。
在一可行实施例中，叶轮设置有至少一个多边形部或环形部，多边形部或环形部将所有加强肋彼此连接并且与中心轴或中心管同心。
由于此多边形部或环形部，在两个相继径向加强肋之间的空间被分成两个所谓的腔室。
多边形部或环形部将使叶轮的机械强度更高，并且更不易变形。
已知对于叶轮来说必须限制变形，即通常小于零点几毫米。
在一实施例中，多边形部或环形部设置有通道，使得在位于两个加强肋之间的多边形部或环形部的区段中始终设置有至少一个通道。
在一实施例中，在位于轮毂的具有最小直径的所述一端部处的中心轴或中心管的端部处，叶轮具有中心轴或中心管的局部增厚部。
在一实施例中，在外缘处，叶轮具有后壁的局部增厚部。
在一实施例中，加强肋与后壁直接连接。
根据本实用新型的优选特征，在加强肋以及同心的所述至少一个多边形部或环形部与叶轮其余部分之间的附接部是圆化的。
通过圆化由例如加强肋和多边形部或环形部产生的所有内部的边缘、侧面和拐角，将疲劳减小到最低。
本实用新型还涉及一种涡轮压缩机，其特征在于，涡轮压缩机设置有根据本实用新型的叶轮。
这种涡轮压缩机的优点与根据本实用新型的叶轮的优点直接相关。
因此，与具有已知常规实心叶轮的涡轮压缩机相比，涡轮压缩机将能够以更高速度旋转，使得可以供应更多的压缩空气。
附图说明
为了更好地示出本实用新型的特征，以下参考附图以非限制性示例的方式来描述根据本实用新型的叶轮和配备叶轮的涡轮压缩机的几个优选实施例，在附图中：
图1示意性地示出根据本实用新型的叶轮的透视图；
图2示出根据图1中的平面II-II的剖视图；
图3示出根据图1中的平面III-III的剖视图；
图4示出根据图1的箭头F4的视图。
具体实施方式
图1到图4所示的叶轮1例如是涡轮压缩机的叶轮。
如图1所示，根据本实用新型的叶轮1在外观设计上与传统已知的叶轮非常相似。
叶轮1包括中心管2，叶轮1可通过中心管安装在驱动轴(图中未示出)上，以便在例如压缩机元件的壳体中围绕中心管2的几何中心线X-X'驱动叶轮。
代替中心管2，叶轮1也可以设置有实心轴，实心轴可以联接到驱动轴。
叶轮1还包括围绕中心管2延伸的喇叭形轮毂3，轮毂在从一端部4到另一端部5的方向上直径增大。
根据本实用新型，轮毂3是中空的轮毂3，具有外侧6和朝向中心管2定向的内侧7。这在图2和图3中可见。
轮毂3的具有最小直径的端部4连接到中心管2的一端部8a。此端部4也称为轮毂3的轴向端部。
轮毂3的具有最大直径的端部5连接到后壁9，这在图3和图4中可见。此端部5也称为轮毂3的径向端部。
在中心管2的另一端部8b处，此大致盘形的后壁9垂直于中心管2延伸，并且将封闭或包封在轮毂3、中心管2与后壁9之间的中空空间10。
轮毂3的外侧6或外表面以倾斜方式从在具有最小直径的端部4处的大致轴向X-X’改变为在具有最大直径的端部5处的大致径向。此倾斜在图3中可见。
在轮毂3上附接有一系列曲线形的叶片11，叶片的基部12附接在轮毂3的外侧6上。
在所示的实例中，设置有两个系列的叶片，即：一方面为主叶片11a，主叶片从轮毂3的轴向端部4延伸一定长度到轮毂3的径向端部5；另一方面为分流叶片11b，分流叶片在主叶片11a之间从距轮毂3的端部4一段轴向距离开始延伸一段较短长度到轮毂3的端部5。
然而，本实用新型不限于两个系列的叶片11，而是也适用于任何数量系列的叶片11，例如：不存在分流叶片11b；或者相反，可以设置多个系列的分流叶片11b。
根据本实用新型，在轮毂3的中空空间10中，设置有平直的加强肋13，加强肋在中心管2上沿径向延伸并且在中心管2与轮毂3的内侧7之间形成径向连接。
加强肋13的基部14连接到中心管2，并且加强肋13的头部15连接到轮毂3的内侧7。
在这种情况下，加强肋13从后壁9延伸到轮毂3的具有最小直径的端部4，如图3所示。换句话说，加强肋13在其整个高度上沿着边缘16直接连接到后壁9。
加强肋13将中空空间10划分成多个腔室17。
在这种情况下，加强肋13的几何平面将在轮毂3的具有最大直径的端部5与叶片11的叶尖18相交。
该几何平面也指的是加强肋13的几何延伸部或假想延伸部。
以此方式，加强肋13位于最大离心力的方向上，以便能最佳地吸收离心力。
此外，中心管2的几何中心线X-X’与加强肋13的几何平面重合。这意味着加强肋13与中心轴2的几何中心线X-X’之间的角度为零度。这对于本实用新型不是必须的，根据本实用新型此角度最大为十度，优选地最大为七度，甚至更优选地最大为五度。
加强肋13的数量对于本实用新型不是限制性的，并且将取决于叶轮1的尺寸等因素。通常，较大的叶轮1将需要更多的加强肋13，因为因尺寸的缘故叶轮将受到更大的离心力。
然而，优选地，加强肋13的数量始终与叶片11的数量成比例。
这意味着，例如，当存在八个主叶片11a和八个分流叶片11b时，则存在十六个加强肋13。在所示实例中也是如此。
例如，也可以设置三十二个加强肋13。此外，也不排除加强肋13的数量与主叶片11a的数量成比例，使得也可以仅设置八个加强肋13。
根据以上所述，将确保获得周期性对称结构，从而叶轮1包括重复的多个区段19，在附图的实例中为八个区段。
加强肋13主要处在拉伸载荷下，从而加强肋13的全部质量用于将一部分应力从轮毂3转移到中心管2，并且如果需要的话还转移到后壁9，因此，在轮毂3的中空空间10中没有或几乎没有未对叶轮1径向强度作出贡献的“死”质量(换句话说是无载荷质量)。
在这种情况下，但不是必须的，在例如较小的叶轮1中，叶轮1设置有将所有加强肋13彼此连接的一个环形部20。
也可以是多于一个环形部20。
此外，代替环形部20，可以采用一个或多个多边形部或可以采用多边形部与环形部20的组合。
为了保持周期性对称，环形部20与中心管2同心。
环形部20将每个腔室17细分为两个子腔室17a、17b。
环形部20将提供坚固性或机械强度并抵抗变形。
实际上重要的是，叶轮1不能过度变形。实际上，为了抵抗空气损失和气压损失，向内变形不能太大。向外变形也很关键，因为叶轮1周围存在壳体，从而旋转的叶轮1一定不能接触此壳体和压缩机元件的其他静止部件。
如图所示，在加强肋13和所述至少一个同心多边形部或环形部20与叶轮1其余部分之间的附接部是圆化的。
这意味着所有内部的边缘、侧面和拐角都是圆化的。这对于避免应力集中是重要的。
这在叶轮1通过增材制造方法制造时也是必要的。
增材制造是指这样一种制造方法，例如：粉末床熔融，利用热能将粉末床中的一些区域选择性地熔合在一起；或者定向能量沉积，在沉积材料的同时利用束流热能熔化材料。
在粉末床熔融的范畴内，存在多种技术，例如：电子束熔化，使用电子束熔化粉末材料；选择性激光熔化，通过激光来熔化粉末材料；选择性激光烧结，采用激光来烧结粉末材料。定向能量沉积的范畴包括激光熔覆技术。
在基于粉末床熔融的制造方法中，重要的是不应存在倾斜度太大的结构，从而在一些情况下必须圆化拐角以避免这种倾斜。
这种制造方法的另一个结果是，中空的内部空间和(子)腔室17、17a，17b必须与外界环境相通，以便能够移除残余的粉末。
在这种情况下，在通过粉末床熔融来制造螺杆转子1期间，粉末将残余在腔室17和子腔室17a、17b中。
正因为以上缘故，在所示实例中中心管2设置有孔21，孔21沿轴向延伸并且在轮毂3的中空空间10与外界环境之间形成连通。
环形部20也设置有通道22，使得在位于两个加强肋13之间的环形部20的区段中始终设置有至少一个通道22。
优选地，在制造过程期间已经设置了这些孔21和通道22。
经由孔21和通道22，粉末将能够离开(子)腔室。
由于加强肋13的平直形以及环形部20的直形，可以简单地通过晃动叶轮1来移除粉末。
在叶轮1已制造成并且移除了残余粉末之后，对每个叶轮1进行平衡。这意味着对叶轮1进行测量或称重，并在一些部位移除或添加材料，直到叶轮1达到平衡为止，这意味着：重量(周期性)对称分布。这对于叶轮1的正常运作非常重要，因为最小的不平衡也会由于不想要的应力和振动而导致不利影响。
当在本文中提到周期性对称时，必须指出，在实践中很难实现完美的周期性对称。因此，在本文中，需要将其解释为“几乎是周期性对称的”，在上下文中对应于一方面中心轴的几何中心线与另一方面加强肋和后壁的交点之间的最大距离，该最大距离是叶轮高度的10％。
为了使叶轮1尽可能接近实际中可实现的周期性对称，可以在叶轮1中的多个部位设置附加材料，这些附加材料随后可用于通过局部移除材料来平衡叶轮1。
如图3和图4所示，叶轮1具有在中心管2的端部8a处的中心管2的局部增厚部23。
此局部增厚部23可以为在管2的端部8a处的实心环形部，从而可以从此环形部移除材料(例如通过钻孔)。
叶轮1具有在外缘25处的后壁9的局部增厚部24。
换句话说，此增厚部24位于轮毂3的具有最大直径的端部5与后壁9接触的部位处。
也可以在此部位处移除材料以进行平衡，例如通过铣削或研磨。
如已提到过的，代替在中心管2上实施，也可以在实心轴上实施，其中，可以设置或可以不设置用来从空间中移除粉末的孔21。
本实用新型不限于作为实例描述且在图中示出的实施例，而是可在不脱离本实用新型范围的情况下以各种形式和尺寸实现根据本实用新型的叶轮和配备叶轮的涡轮压缩机。
