[发明专利]涡轮机叶轮制造

说明书

本发明公开一种涡轮机叶轮(120)，所述涡轮机叶轮(120)包括由固化粉末材料形成的多个固化层。所述叶轮包括由实心表层结构(S)所环绕的框格结构(L)构成的至少一个部分。

技术领域

本发明大体上涉及制造涡轮机叶轮，诸如用于离心压缩机、离心泵或涡轮膨胀机的叶轮。更确切地，本发明涉及通过增材制造型生产工艺(additive-manufacturing-typeproduction process)来制造涡轮机叶轮。

背景技术

用于例如离心压缩机或离心泵的涡轮机叶轮是几何结构复杂的部件。图1示出示例性离心压缩机叶轮的透视图。图2示出沿着带护罩压缩机叶轮的一部分的径向平面的示例性截面。

整体标示为1的叶轮包括入口2和出口3。从入口2延伸到出口3的用于将要压缩的气体的流动通道形成于轮毂4与护罩5之间。叶片6布置在轮毂4与护罩5之间。在相邻叶片6之间，形成从气体入口2延伸到气体出口3的流动导叶7。叶轮1具有中心孔,压缩机轴(未示出)经过所述中心孔。叶轮轮毂4环绕中心孔的部分称为“叶轮基部(impeller foot)”，并以参考数字8来标示。

设有护罩5(如图1所示的护罩)的叶轮制造起来特别复杂。具体地说，三维叶片要求使用诸如放电加工或电化学加工等制造工艺。带护罩叶轮进一步要求，一旦叶片已经或将要通过使用5轴数控加工工具从实心金属件开始进行完全铣削而被加工出来，护罩将被焊接到轮毂上。

为实现这种部件更有效且更便宜的制造，现今已研究增材制造型生产工艺。这些工艺中的一种是所谓的电子束层熔融工艺。这种制造工艺提供复杂部件的逐层构造。部件通过按顺序分布经熔融并随后固化的粉末材料层来制造。每层沿着所述层的由将在相关层的层面上制造的制品的截面的边界限定的一部分熔融并且固化。

涡轮机叶轮经受高动态机械应力，并且有时需要在特别困难的环境中工作(例如，在由压缩机处理酸性气体或潮湿气体时)。此外，存在对减轻叶轮的重量同时维持所需要的机械和化学-物理抗性的恒定需要。

发明内容

减小通过增材制造型生产工艺制造出的涡轮机叶轮的重量通过以下方式实现：控制用于熔融或烧结粉末材料的高能量源，以便所述涡轮机叶轮的大块部分形成为具有内部框格结构，所述内部框格结构由实心结构环绕，即由提供实心连续外表面的一种表层环绕。框格结构可以通过以下方式来获得：适当控制所述高能量源所传送的能量，以便所述粉末材料逐点熔融，并且单独体积的已熔融粉末材料将固化并彼此粘附以在它们之间留出体积，在所述体积中，所述粉末材料并未熔融并且随后将被移除，以在所述固化材料内留出空的空间，从而形成所述框格结构。

根据一个实施例，提供一种使用粉末材料来逐层制造涡轮机叶轮的方法。所述粉末材料用高能量源来照射并熔融，并且固化以形成所述叶轮。所述高能量源受到控制以使得所述涡轮机叶轮的至少一个大体积部分受到照射，以使由实心表层结构环绕的框格结构中的粉末材料固化，从而封闭所述框格结构。

在特别有利的实施例中，使用电子束源。由电子束枪产生的电子束局部熔融粉末材料。已熔融材料的随后冷却产生所述涡轮机叶轮的每层的最终结构。

虽然以下具体实施方式将确切地提及电子束源，但是本说明书所公开的方法也可使用不同高能量源来实行。对高能量源的选择可取决于例如所使用材料的种类。例如，可使用激光源替代电子束枪。在其他实施例中，可例如使用适当布置并控制的电极来对将要固化的粉末材料施加电能。

本说明书使用的术语“固化(solidify)”和“固化(solidification)”应大体上理解为使松散粉末材料转变成具有给定形状的硬质主体的任何动作或过程。在一些实施例中，粉末材料熔融，并且随后固化。然而，在其他实施例中，粉末材料可能经历一个不同固化工艺(例如，烧结工艺)，而非熔融并且随后固化工艺。

在一些实施例中，所述方法包括以下步骤：