壓氣機的製作方法

2023-04-30 03:32:16 2

專利名稱：壓氣機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種壓氣機適用於氣態流體並屬於權利要求1前序部分的技術領域。
在EP0593797A1中公開了一種壓氣機，它是為壓縮氣體介質而設置的。該壓氣機具有一個帶成型動葉片的壓氣機輪，其在氣體介質流入的側端設有外殼。該外殼與所有動葉片的端部相連接。該外殼不在動葉片的整個長度上延伸。在動葉片承受機械最高載荷的區域內不設置外殼，而外殼可以防止動葉片的振動或者至少有阻尼作用。
在專利文獻CH 675279中公開了一個用於壓氣機的壓氣機輪，其由金屬製成，同時，其動葉片是在壓氣機輪的輪轂上一體成形製造的。這種壓氣機輪原則上是完全藉助昂貴的切削加工方法製造的。這個壓氣機輪具有一個相對大的質量，為了其運行必須花費相當大的能量。
另外公知的壓氣機具有一體式型料噴注製成的壓氣機輪。這些壓氣機輪部分設有纖維強化結構，然而至今普通的生產工藝僅可以實現一種所謂的短纖維的強化結構。這樣結構的壓氣機輪只於以應用於圓周速度在最大400m/sec(米/秒)和運行溫度在至最高為200℃。因為，用短纖維的強化不允許較高的應力載荷。
本發明如在獨立的權利要求中標誌的那樣，解決了設置這樣一個壓氣機的任務，該壓氣機具有一個塑料製作的壓氣機輪和儘管如此也能適用於相當高的運行溫度。
可以看出，通過本發明實現的優點是，本壓氣機的運行溫度和轉數及依此其效率，相對於裝有傳統的塑料制壓氣機輪的壓氣機，是明顯提高的，它能實現的運行溫度可至約280℃且圓周速度可達660m/sec(米/秒)。
在壓氣機輪具有一個較輕的質量並可以相對簡單的方式由不同的單個構件組裝構成。在本壓氣機輪之一個特別優選的實施方案中，為了製作輪轂應用了一個預先製作的並碳素纖維強化的熱塑性塑料帶。在這個熱塑性塑料帶中、總是最佳地確保起強化作用的無頭纖維之定位結構，因此，就能確保輪轂在相對高的運行溫度和圓周速度情況下具有相當好的強度，由於壓氣機輪之相對較小的質量，因此它就只有一個較小的慣量矩，進而壓氣機在啟動時以有利的短時間就可達到必需的運行轉輪和因此很快地達到全有效功率。
本發明另外的結構方案是相關的權利要求的技術方案。
下面，本發明及其變型方案和由此可獲得的優點藉助其中僅描述一個可能實施方式的附圖作詳細闡述。附圖中

圖1是通過帶有壓氣機輪的第一實施方式的壓氣機的第一局部圖；圖2是通過壓氣機輪的第一實施方式的第二局部圖；圖3是通過帶有壓氣機輪的第二實施方式的壓氣機之局部圖；圖4是通過壓氣機輪的動葉片的第一實施方式的局部圖，和圖5是通過壓氣機輪動的葉片的第二實施方式的局部圖；在所有附圖中，相同作用的元件設有相同的參考偏號。所有直接理解本發明不必要的元件就不描述了。
圖1表明通過一個壓氣機輪1的局部簡圖，該輪是為壓縮氣體流體，而設置的。該壓氣機輪1具有一個輪轂2，其由塑料製成。最好由一種用無端頭纖維加強的熱塑性材料製成。該輪轂2被固定在一個由金屬製成的套筒3上。並可靠地防止轉動和軸向地滑動。該輪轂2和套筒3具有一個共同的軸線4，它是壓氣機輪1的轉軸。該套筒3具有一個中央通孔，它用於安裝和固定未描述的壓氣機輪1的軸。在輪轂2之背離軸4的側面上固定動葉片5。在動葉片5和未描述的包括壓氣機輪1的壓氣機殼體之間，設置未標明的流動通道，其中，流入氣體介質在其中以公知的方式被加速和被壓縮。
輪轂2由一種預製的並用無端頭纖維加強的塑料帶卷繞製成。作為塑料在此情況下特別適宜的有耐溫的熱塑材料，而為了加強則可應用碳素纖維。該輪轂2是按照一個與輪轂2之內輪廓相適應的原則如此卷繞的，即該碳素纖維安置在圓周方向上，因此在這個方向上引起輪轂2特別高的強度，依此就可實現壓氣機輪1的相對大的轉數和進而使壓氣機實現相對大的效率。在卷繞期間，該熱塑性材料帶被短時間地加熱並使相應在先鋪置的帶層被熔化。特別適用於這種按要求和可控的短時間加熱是雷射。這種形式的熱塑材料卷繞方法應用雷射作為能源是公知的。在卷繞過程結束以後，按上述原則如此預製的輪轂2被取下和按要求加工完畢。特別是，用於安裝套筒3的開孔必須作補充加工和為此輪轂2的外部表面被拋光處理，以便使其可以作為安裝表面和粘接表面應用於固定預製的動葉片5。
動葉片5分別具有一個利於流動而設置的迎流稜6，它位於壓氣機的流動通道中並於氣體介質的入口側。相對氣體介質的流動而言，在流動通道的另一側端上，分別置有動葉片5的出口稜7。該動葉片5是由多個預製的，同樣用無端頭纖維加強的構件組裝而成，如在圖4和5中簡圖所述的那樣。下面詳細說明這些圖。該動葉片5分別具有一個作為基體的腳板8。該腳板8之對著輪轂2的表面9的側面是與這個表面9如此精確適應的，即這個腳板8結構吻合地靠置在表面9上。該表面9在壓氣機輪1的入口側具有一個臺肩10，其上同樣結構吻合地靠置著該腳板8之入口側的端部件11。
該圖4表明通過壓氣機輪1之動葉片5的第一實施方案的局部截面圖。該動葉片5是以公知的方式按利於流動的原則設置的結構，它是相應的球面彎曲的葉片，在附圖中未描述以簡單明了。該動葉片5的基體構成預成形的，均勻厚度的腳板8。該腳板8設有一個隆起2b，它突入葉片5的內部和在葉片5的縱軸線方向上延伸，同時，它在流動下遊總是越來越小的結構。該腳板8具有一個底側27，它與輪轂2的表面9完全相似。在底側27中由於隆起26而出現的凹陷是藉助一個環氧樹脂填充物28如此填充的，即也在腳板8的這個區域中設置一個完全和輪轂2的表面9相似的表面。該隆起26設有一個均勻倒圓的側面。該葉片通過兩個側壁29和30構成。該側壁29和30是由均勻厚度的並用無端頭纖維加強的塑料板製成的，它們包括一個在徑向上變窄的中空腔31。這個中空腔31可以為了一個更好的振動阻尼作用而用海綿填滿。該中空腔31在動葉片5的迎流稜6的區域內藉助一個未描述的並利於流動結構設置的蓋件封閉住。
該側壁29和30是預製成型的。它們在一個裝配原則粘接在腳板8上或與之焊接一起。同時，該側壁29和30在動葉片5的尖部區域內是平坦地粘接一起或焊接一起的。該側壁29和30是如此結構設置的，即它分別具有一個腳件32a，32b，它們結構吻合地配合在腳板8的表面上，並且它們以半徑33過度到相應側壁之近似徑向延伸的部分上。該腳件32a屬於側壁29的結構，而腳件32b屬於側壁30的結構。在腳件32a和32b之安置在上遊的側端上分別制有端件，其與腳板8的端件11相適應，並結構吻合地靠置在腳板8的表面上。該半徑33是與隆起26側面的半徑精確配合的。由於使側壁29和30的腳件32a和32b精確地配合到腳板28上，人們就可得到均勻的粘接縫，它能實現一個特別牢固的粘接。
圖5表明通過壓氣機輪1之動葉片5第二實施方案的局部截面圖。這個實施方案與圖4的實施方案之不同在於，側壁29和30之近似徑向延伸的部分是稍微鼓出的。通過這個成型，就可實現在動葉片5有機械載荷情況下，在側壁29和30之腳件32a和32b與腳板8之間的應力明顯減小了，因此，這樣結構設置的動葉片5具有特別的承受高離心力的能力。一個裝有這種動葉片5的壓氣機輪1特別適用於特別高的圓周速度的情況。
在出口側，該輪轂2具有一個環箍12，對著它頂置動葉片5的出口側端部13。該端部13由被腳件32a和32b覆蓋的腳板8所構成。該環箍12在這個位置上具有和動葉片5的這一出口側端部13的厚度相同的高度，因此不存在突出的邊稜會干擾從壓氣機輪1流出的已壓縮介質的流動。該腳板8的底側與輪轂2的表面9相粘接或焊接一起。該腳板8是如此用腳件32a和32b覆蓋的，即在完工的壓氣機輪1情況下，整個的表面9被蓋住。在此處表示的壓氣機輪1之實施方案中，在入口側於粘接以後並且粘接劑硬化以後附加安裝一個輪緣14，為的是，每個腳板8的端件11與腳件32a和32b的端件一起被擠壓到輪轂2的臺肩10上。該輪緣14可由預製的並用無頭纖維強化的塑料帶卷繞而成。作為塑料在這種情況下特別適宜的是耐溫的用碳素纖維強化的熱塑性塑料。該輪緣14如此卷繞而成，即碳素纖維位於圓周方向上，因此導致在此方向上一個特別高的輪緣14的強度，進而，腳板8和腳件32a和32b即使在壓氣機輪1為相當高的轉數下也保持牢固固定。在卷繞期間，該帶的熱塑性材料被短時間加熱並且相應前面敷置的層帶被熔化。此後藉助與輪轂2相同的方法將輪緣14製造完畢。在卷繞完成以後，該輪緣14的表面15被補充加工，以使其(14)達到一個利於流動的形狀。
在按圖1的壓氣機輪1情況下，動葉片5通過粘接或通過焊接以及輪緣14和環箍12而被固定。這一固定結構足以使壓機輪1適應相當高的轉數。但是如果要求更高的轉數時，則動葉片5要附加藉助金屬鉚釘與輪轂2相互鉚接起來。並且該腳件32a和32b與腳板8及輪轂2一起鉚接起來。在鉚接時請注意，鉚釘頭不應幹擾介質在流動通道中的流動，因為這種幹擾會導致效率損失。
圖2表明通過圖1的壓氣機輪的局部截面簡圖。且表示A-A截面圖。這由多個部分組裝而成的動葉片5在邊緣區域中具有傾斜部16a，16b，在所述邊緣區域中動片5與相鄰的動葉片5相接觸。上述傾斜部16a，16b，可允許動葉片5的邊緣重疊推置和一個完全有效的粘接，進而，就可實現流動通道18對著軸線4的側面為一個閉合的表面17。該點劃線19表明了壓氣機殼體，它將由動葉片5限定的流動通道18在側向於外部封閉住。
圖3表明通過壓氣機輪的第二實施方案的局部截面圖。這個實施方案與圖1方案的不同在於，在兩個動葉片5之間的中間腔中各設置一個另外的動葉片20，它具有一個入口稜21，其安置在動葉片5入口稜6的下遊。每個流動通道在下遊都通過動葉片20被分割成兩個流動通道，該動葉片20具有一個出口稜，它安置在如動葉片5出口稜7相同的平面中。該動葉片20是與動葉片5相一致的結構。同樣該動葉片20設有一個腳板，其上安裝著相應的腳件。這些腳板和與其相連的腳件與動葉片5之腳件32a及32b的凹槽精確配合，因此，該動葉片20可分別結構吻合地被推入動葉片5的下方。該動葉片5藉助燕尾形的齒結構將動葉片20附加固定到其粘接結構或焊接結構上。此後該動葉片20以與動葉片5相類似的方式固定到輪轂2上。該動葉片5的腳件32a和32b在這個實施方案中同樣如動葉片20的腳件那樣在下遊的端側分別置有成形的端部件，其與腳板8的出口側的端件22相適配，並結構吻合地靠置在腳板8的表面上。該端件22結構吻合地靠置在輪轂2的一個臺面23上。在此處圖3表明的壓氣機輪1的實施方案中，在動葉片5和20粘接或焊接以後並且在粘接到硬化之後，除了輪緣14外還設置一個輪緣24，為的是，每個動葉片5和20的端部件22與相應腳件的端部件一起被擠壓到輪轂2的臺面23上。該輪緣24，與輪緣14相同，可由一個預製的並用無頭纖維加強的塑料帶卷繞製成並相應地焊接起來。輪緣24的表面同樣為利於流動的結構設置。
該圖3的壓氣機輪1具有一個平衡環25，它在輪轂2卷繞中嵌置進去。該平衡環25是由金屬製造的。在製成的壓氣機輪1平衡時，可從這個平衡環25上切去材料，以便消除存在的不平衡。還可能的是，該套筒3具有較大的質量並從其上實現必需的材料切除，這樣就可以省去平衡環25。為使側壁29及30與腳板8相連接和使入口稜6的蓋件連接到動葉片5上以及為使動葉片5與輪轂2連接，在碳酸樹脂的基礎上設置一個粘接劑，此處，已經證明特別適宜的是由公司AmericanCyanamid Company生產的粘接材料HT 424，地址1300革命街，Havre de Grace，MD 21087。另外，由相同製造商生產的在改進的縮合一聚醯亞胺基礎上的粘接劑標誌為FM 36也很好地適合於上述的組裝連接。除了粘接以外，用於連接動葉片5的構件還可以想到一個藉助雷射的焊接過程或者一種兩個方法的組合。該動葉片20以相同的方式組裝。
用於製造輪轂2和輪緣14及24的帶材具有一個由熱塑性塑料製成的基料。作為熱塑性塑料特別提及的是聚對苯二甲醯硫化物(Polyphenylen Sulfid)，此外，用聚醚醚酮(Polyether etherketon)也可實現好的結果。由聚對苯二甲醯硫化物製成的基料可用體積含量為約53％的碳纖維來強化。這個帶材的橫截面計為5mm×0.158mm。該帶材的彈性模數為114GPa。由聚醚醚酮製成的基料用體積含量為61％的碳纖維強化。這個帶材的橫截面計數5mm×0.125mm。該帶材的彈性模數可達134.000MPa。在此情況下應用溫度約280℃。
作為用於製造動葉片5.20的材料可應用一種熱塑性塑料，它用無頭纖維結構的碳纖維強化。這種材料以均勻厚度的板材提供。作為特別適宜的一種基料由Polyetheretherketon製成並含有體積容量為61％的碳纖維。這種板材被嵌置成形和在熱載荷下藉助公知的方法製成確定的結構造型，並因此致力於，該無頭纖維在動葉片5，20之動載荷的主要方向上定位。這樣預製的動葉片5、10之構件，側壁29和30以及腳板8，如已經描述的，按照一個裝配原則被組裝成完工的動葉片5及20。
參考編號1壓氣機輪20動葉片2輪轂21入口稜3套筒22端件4軸線23臺面5動葉片 24輪緣6迎流稜 25平衡環7出口稜 26隆起8腳板27底側9表面28環氧樹脂填料10 臺肩29、30側壁11 端件31中空腔12 環箍32a、b腳件13 端部33半徑14 輪緣15 表面16a、b傾斜面17 表面18 流動通道19 點劃線
權利要求
1.帶壓氣機輪(1)的壓氣機，該壓氣機輪具有其上裝動葉片(5)的塑料制輪轂(2)，該壓氣機具有一個與輪轂(2)相連的並沿軸線(4)延伸的軸，還具有一個包圍壓氣機輪(1)的殼體，其特徵在於該輪轂(2)是由一種用無頭纖維加強的熱塑性塑料製成的；該動葉片(5，20)是由一種用無頭纖維加強的熱塑性塑料單獨預先製造的，然後與輪轂(2)結構吻合地相連接。
2.按權利要求1所述的壓氣機，其特徵在於該輪轂(2)以相應的原則被卷繞成層結構，同時，在卷繞期間，該熱塑性材料被短時間加熱並使相應在先鋪置的層料熔化。
3.按權利要求2所述的壓氣機，其特徵在於該輪轂(2)是由一種預製的碳素纖維強化的熱塑性塑料帶卷繞製成的。
4.按權利要求3所述的壓氣機，其特徵在於該熱塑性塑料帶的基料是由Polyphenylensulfid製成的。
5.按權利要求3所述的壓氣機，其特徵在於該熱塑性塑料帶的基料是由Polyetheretherketen製成的。
6.按權利要求1所述的壓氣機，其特徵在於該動葉片(5，20)是由至少兩個預製成形的單個構件組裝而成的。
7.按權利要求1所述的壓氣機，其特徵在於該動葉片(5，20)的單個構件是藉助一種粘接工藝或焊接工藝組裝而成的；該動葉片(5，20)的結構吻合的固定是藉助粘接工藝或焊接工藝實現的。
8.按權利要求7所述的壓氣機，其特徵在於該動葉片(5，20)的固定藉助至少一個由預先製成的碳素纖維強化的熱塑性塑料帶所製作的輪緣(14，24)而加以強化，同時，在輪緣(14，24)的卷繞期間，該熱塑性的材料被短時加熱和使相應在先設置的層料熔化。
9.按權利要求1所述的壓氣機，其特徵在於該輪轂(2)縮置在金屬制的套筒(3)上，它是為容置軸而設置的。
10.按權利要求1所述的壓氣機，其特徵在於為了結構吻合的固定動葉片(5，20)應用鉚釘結構。
全文摘要
這種壓氣機具有壓氣機輪(1)，它具有由塑料製成的帶動葉片(5)的輪轂(2)，還具有與輪轂(2)相連的並沿軸線(4)延伸的軸和一個包圍壓氣機輪(1)的殼體。應該設置一個壓氣機，它具有塑料製作的壓氣機輪和適用於相當高的運行溫度。它是如此實現的，該壓氣機輪(1)的輪轂(2)由一種用無頭纖維強化的熱塑性塑料製成；該動葉片(5，20)由一種用無頭纖維強化的熱塑性塑料單獨預先製成並且結構吻合地與輪轂(2)相連接。
文檔編號F04D29/00GK1136142SQ96107300
公開日1996年11月20日 申請日期1996年4月10日 優先權日1995年4月10日
發明者U·博德默爾, P·海恩, V·馬利克 申請人:Abb研究有限公司