一體成型的三維鈑金葉片的製作方法
2023-12-09 12:00:06
專利名稱：一體成型的三維鈑金葉片的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種一體成型的三維(即簡稱3D)鈑金葉片，尤指一種適用於泵、風機等離心式葉輪或導葉的3D鈑金葉片結構。
目前普遍運用於泵或是風機上的葉輪(Impeller)與導葉(Diffuser)一般可概分為鑄造及鈑金制兩種。傳統以模具鑄造製成的泵葉輪由於具有較為笨重、材料特性較差、生產過程易造成汙染等缺點，因此現今已漸漸被鈑金制的泵葉輪與導葉所取代。
3D鈑金葉片大多使用於高效率離心泵，因其具有的良好3D葉片曲面能符合流體在葉輪或導葉流道的良好角度及負載分布，因此可大幅提高流體的泵送效能。
然而，公知的鈑金製造技術無法達到一體成型方式來製造具有良好3D曲面的葉片，而僅能先一片一片地製造葉片後，再將這些葉片一片片地分別定位、焊接於葉輪的前、背蓋之間而成為一完整葉輪，造成現今鈑金制葉輪與導葉的製造成本居高不下。此乃因為具有良好3D曲面流道結構的葉片，其曲面的形狀會造成衝壓製造技術上的盲點，而使一體成型衝壓工藝幾乎不可能實施。故一般現有以衝壓方式製造的一體成型葉片(即，多個葉片能一體成型)都是僅僅具有簡單的2D圓弧葉片而非完美的3D曲面，由於其簡單的葉片角度無法滿足流體的角度及負載要求，故會大幅降低泵送效能而只能適用於低價低效能的離心泵產品上。
而公知技術以單片衝壓製造具有良好3D曲面的葉片再一一加以焊接定位的作業方式，卻又具有包括葉片數量多、夾具設計複雜、3D葉片的精確定位困難等缺點，以至於公知3D鈑金葉輪的整體製造及組裝成本均相對較高。
此外，對於若干特別用途的泵設計，例如需強調導葉流道的防紊流(De-swirl)泵送功能、或是欲提高泵送壓力時，公知技術有採用多列(Multi--Row)葉片的葉輪或導葉結構。例如，臺灣專利公告號第342425號專利案、以及美國專利號US.No.5，310，309、4，877，370、5，417，547、5，516，263、4，354，802等專利，均是探討「多列式」葉片結構的運用及其可達到功效的案例。然而，這些公知的「多列式」葉片結構，唯有以鑄造方式成型才能製造出3D曲面的流道以滿足流體角度與負載需求。倘若是以鈑金衝壓製造的話，又針因其需要一片片地分別製造、定位與組裝3D曲面的葉片，而「多列式」葉片結構將會大幅增加整體葉片數量數倍以上，使得葉輪組裝的困難度與製造成本更大幅提高，因此仍有待進一步改進。
本實用新型的目的，在於提供一種一體成型的3D鈑金葉片，其可將原本需分別生產、定位與組裝的多個葉片，整合成為少數幾個可以一次成型製造的鈑金制整合片體，僅需將該少數幾個整合片體結合，即同時完成多個葉片的製造、定位及組裝工作，不僅各葉片可具有良好的3D曲面以提高泵送效能，且更可大幅降低葉片定位組裝的困難度、以及整體生產成本。
本實用新型的另一目的，在於提供一種一體成型的3D鈑金葉片，藉由將多個葉片整合於少數幾個可以一次成型製造的鈑金制整合片體，只要將該少數幾個整合片體結合，即可迅速組成一「多列式」葉片結構，使其可兼具有鈑金衝壓制的良好3D曲面葉片的高泵送效能、以及簡化葉片定位組裝過程的低成本優勢。
本實用新型所提供的一種一體成型的3D鈑金葉片，用於泵、風機等離心式葉輪或導葉上，其中
該3D鈑金葉片至少包括一第一整合片體，其具有若干個向外延伸的3D第一葉片、以及一預定形狀的第一嵌合結構；以及一第二整合片體，具有若干個向外延伸的3D第二葉片、以及一預定形狀的第二嵌合結構其形狀恰可與該第一嵌合結構所相互嵌合而定位；第一整合片體的第一嵌合結構系嵌入該第二整合片體的第二嵌合結構以將該兩片體結合成為一體，而形成一3D鈑金葉片結構。
其中，所述第一整合片體與第二整合片體結合成為一體，該第一整合片全的各第一葉片系分別與對應的第二葉片相鄰接而成為多個一體的3D曲面葉片。
其中，所述第一整合片體與第二整合體結合成為一體，該第一整合片體的各第一葉片系分別與第二葉片相離一適當間隙，而成為一多列式葉片結構。
其中，所述第一整合片體又稱為內側片體，內側片體系成一中空淺碟狀結構，並具有若干個呈輻射狀向外延伸的3D內側葉片，每一個內側葉片自較近內側端起分別依序具有包括一內側基板、及一內側葉片體，於內側基板的中央具有一貫穿的輪轂孔且周緣形成有預定形狀的嵌合邊，內側葉片體與內側基板之間系呈適當夾角而為一立體狀結構，每一個內側葉片體的兩端系分別為內側葉片前緣以及內側葉片後緣；所述第二整合片體又稱為外側片體，其係為一中空淺碟狀結構，並且具有若干呈輻射狀向外延伸的3D外側葉片，每一個外側葉片自較近內側端起分別依序具有包括一外側基板、及一外側葉片體，於外側基板的中央具有一貫穿的預定形狀的嵌合孔其形狀恰可供所述嵌合邊所嵌合而定位，外側葉片體與外側基板之間系呈適當夾角而為一立體狀結構，每一個外側葉片體的兩末端系分別為外側葉片前緣以及外側葉片後緣；
所述內側片體的嵌合邊嵌入該外側片體的嵌合孔以將該兩片體結合成為一體，而形成一3D鈑金葉片結構。
本實用新型的最主要特徵，系完全摒棄傳統以衝壓製造的風機或離心式泵所使用的鈑金制葉輪或導葉，均需要先將各個葉片單獨成形製造後，再一一定位、組裝並焊接於葉輪蓋上的製造方式與結構。相對地，本實用新型是藉由將多片(通常超過六片以上)原本需獨立製造的葉片，加以整合成為兩件或以上的整合片體，因此只要將該兩件整合片體結合便同時完成多片葉片的製造、定位、與組裝工作，且更可設計出具有「多列葉片(Multi-Row Blades)」結構的葉輪或導葉。每一整合片體上均分別具有多個較短長度的葉片、且是以3D曲面一次衝壓成型。當將該兩件或以上的整合片體相結合後，其兩者的葉片或相互組接成原有設計的單一葉片曲面、或亦可不相鄰接而構成一多列式(Multi-Row Blades)排列的葉片結構。由於原本具複雜3D曲面結構的葉片於本實用新型中被分成若干不同部分來製造，克服了公知技術衝壓3D曲面時的困難，也因此造就一體成形衝壓3D曲面葉片的可能。藉由此種方式與結構，將可使鈑金制葉輪或導葉的元件數量大幅減少、葉片的定位與組裝更便利且成本更低、且無論於模具或夾具的設計與成本均降低。不僅於葉輪或導葉的流道設計上亦更富彈性，且本實用新型更可達到以鈑金製造「多列葉片(Multi-Row Blades)」的葉輪與導葉。
圖1A為本實用新型的較佳實施例的內側片體上視圖；
圖1B為
圖1A沿81-81線的剖視圖；
圖1C為
圖1A沿91-91線的剖視圖；圖2A為本實用新型的較佳實施例的外側片體上視圖；圖2B為圖2A沿82-82線的剖視圖；圖2C為圖2A沿92-92線的剖視圖3A為本實用新型的葉輪結構的上視圖；圖3B為圖3A沿83-83線的剖視圖；圖3C為圖3A的下視圖；圖4A為本實用新型的外側導葉的上視圖；圖4B為圖4A沿84-84線的剖視圖；圖5A為本實用新型的內側導葉的上視圖；圖5B為圖5A沿85-85線的剖視圖；圖6A為本實用新型的導葉結構的上視圖；圖6B為圖6A沿86-86線的剖視圖；圖6C為圖6A的下視圖；圖7為本實用新型的內側導葉的另一較佳實施例。
首先，請參閱
圖1A至圖3C所示，為本實用新型的一體成型的3D鈑金葉片使用於一鈑金制葉輪(Impeller)上的較佳實施例。於本較佳實施例中，該葉輪的3D鈑金葉片是由一第一整合片體(以下簡稱為內側片體1)以及一第二整合片體(以下簡稱為外側片體2)所構成，該兩片體均是以一體成型的方式衝壓製造完成且其上均分別具有若干葉片。值得一提的是，雖然於本較佳實施例中是將葉輪的3D鈑金葉片分成兩件片體1、2來製造，然而其也可以是分成三件或更多件的片體。
請參閱
圖1A、1B及1C。該內側片體1系呈一中空淺碟狀結構，並具有若干個呈輻射狀向外延伸且長度較短(約為正常葉片長度的一半)的3D內側葉片10。第一個內側葉片10均具有3D曲面，由於其長度較短、且在結構上相鄰葉片沒有重疊，故仍可以一次衝壓成型方式製造，不會產生衝壓上的盲點。每一個內側葉片10自較近內側端起分別依序具有包括一內側基板13、一內側葉片體11、及一內側葉片側翼12。於內側基板13的中央並具有一貫穿的輪轂孔17，且內側基板13的外周緣形成有預定形狀的嵌合邊16。於本較佳實施例中，該嵌合邊16系呈齒狀邊緣結構，然而其亦可以是其他幾何構形。每一個內側葉片體11的兩端系分別定義為內側葉片前緣14(Leading Edge)以及內側葉片後緣15(Trailing Edge)。內側葉片側翼12(Inner Blade Shroud)系自內側葉片體11朝外延伸一適當圓弧曲面的構形以與葉輪前蓋6相結合。該內側葉片體11與內側基板13及內側葉片側翼12之間均分別呈一適當夾角而為一立體狀結構，使該內側葉片10的各部分剖面可為一Z字形或是反Z字形的立體狀構造。內側葉片側翼12的形狀系配合葉輪前蓋6的形狀所設計，使內側片體1易於定位及焊接於葉輪前蓋6與葉輪背蓋7(又可稱為輪轂端蓋)之間。
如圖2A、2B、及2C所示，外側片體2係為一中空淺碟狀結構，並具有若干呈輻射狀向外延伸的3D外側葉片20，每一個外側葉片20自較近內側端起分別依序具有包括一外側基板23、一外側葉片體21、及一外側葉片側翼22。於外側基板23的中央具有一貫穿的預定形狀的嵌合孔26其形狀恰可供嵌合邊16的嵌合而定位。外側葉片側翼22系自外側葉片體21朝外延伸，且外側葉片體21與外側基板23及外側葉片側翼22之間系分別呈適當夾角而為一立體狀結構，使該外側葉片20各部分剖面可為一Z字型或是反Z字型的立體狀構造。該外側葉片側翼22的形狀系配合葉輪前蓋6的形狀所設計，使外側片體2易於定位於葉輪前蓋6與葉輪背蓋7之間。每一側葉片體21的兩末端則分別為外側葉片前緣24以及外側葉片後緣25。
於組裝時，只要將內側片體1的嵌合邊16嵌入該外側片體2的嵌合孔26，便可迅速完成將該兩片體1、2結合成為一體的3D鈑金葉片結構。然後，再將內側片體1及外側片體2結合定位於葉輪前蓋6與葉輪背蓋7之間(如圖3A、3B、及3C所示)，並以焊接(例如點焊)方式加以固定成一體，如此便可輕易且非常迅速地完成一完整葉輪結構的組裝工作，完全沒有葉片定位上的困難。
於本較佳實施例中，當兩片體1、2組裝後，內側片體1的各內側葉片10的內側葉片後緣15將分別對應且鄰接於外側片體2的各外側葉片20的外側葉片前緣24，以成為一體的完整葉片結構，且該結合後的完整葉片結構可具有良好的3D曲面設計，因此可提高葉片的泵送效能。然而，人們可輕易理解，而將本實用新型的相對應的內側葉片後緣15與外側葉片前緣24於組裝完成後使其兩者之間具有一間隙而不鄰接，以成為一多列式(Multi-Row)葉片結構。此外，雖然於本較佳實施例中，內側葉片10的數量系與外側葉片20的數量相同，然而，其亦設計成具有不同數量的內側葉片10與外側葉片20。
請參閱圖4A至圖4C所示，為本實用新型的一體成型的3D鈑金葉片使用於一鈑金制導葉(Diffuser)上的較佳實施例。於本較佳實施例中，該導葉的3D鈑金葉片(Sheet-Metal Vane)由一第一整合片體(以下簡稱為外側導葉3)以及一第二整合片體(以下簡稱為內側導葉4)所構成，該兩片體均是以一體成型的方式衝壓製造完成且其上均分別具有若干導葉片(Diffuser Vane)。值得一提的是，雖然於本較佳實施例中系將導葉的3D鈑金導葉片分成兩個片體3、4來製造，然而其也可以是分成三個或更多片體。
如圖4A及4B所示，外側導葉3系成一中空淺碟狀結構，並具有若干個呈輻射狀向外延伸的3D外側導葉片30。每一個外側導葉片30自較近內側端起分別依序具有包括一外側基板33、一外側導葉片體31、及一外側導葉片側翼32(Outer-Vane Shroud)。於外側基板33之中央具有一貫穿的輪轂孔36，外側導葉片體31與外側基板33及外側導葉片側翼32之間系呈適當夾角而為一立體狀結構(其剖面可呈Z字或反Z字狀)，每一個外側導葉片體31的兩末端系分別為外側導葉片前緣34以及外側導葉片後緣35。外側導葉片側翼32的形狀系配合導葉背蓋5的形狀所設計，使外側導葉3易於結合定位於導葉背蓋5之間。
如圖5A及圖5B所示，內側導葉4係為一中空淺碟狀結構，並具有若干個呈輻射狀向外延伸的3D內側導葉片40。每一個內側導葉片40自較近內側端起分別依序具有包括一內側導葉片基板43、一內側導葉底板42、及一內側導葉片體41。於內側導葉片基板43的中央具有一貫穿的內側輪轂孔47其位置對應於該外側輪轂孔36。內側導葉片體41與內側導葉底板42之間系呈適當夾角而為一類似L型或反L型的立體狀結構。每一個內側導葉片體41的兩末端系分別為內側導葉片前緣44以及內側導葉片後緣45。
於組裝時，藉由將外側導葉3的外側輪轂孔36貼靠向該內側導葉4的內側輪轂孔47定位，並使內側導葉底板42與內側導葉基板43以焊接(例如點焊)方式結合於外側基板33上，以形成一3D鈑金葉片結構。然後，再將該外側導葉3焊接結合於導葉背蓋5上，使內側導葉4系定位於外側導葉3與導葉背蓋5之間，如此便何非常輕易迅速地完成一完整的導葉結構的組裝工作，完全沒有眾多導葉片組立的定位問題。
如圖6A、6B、及6C所示，於本較佳實施例中，當外側導葉3與內側導葉4相結合時，外側導葉片30的外側導葉片後緣35將分別對應於內側導葉片40的內側導葉片前緣44，且相對應的外側導葉片後緣35與內側導葉片前緣44之間系具有一徑向或圓周方向的間隙而不相鄰接，以成為一多列式(Multi-Row)葉片(Vane)結構。然而，人們當可容易理解，而選擇更改設計將外側導葉片後緣35對應鄰接於內側導葉片前緣44，以成為具有一體葉片的導葉結構。並且，雖然於本較佳實施例中的外側導葉片30數量與內側導葉片40的數量相同，然而亦可依實際需要更改設計使其兩者數量不同。
此外，於圖5A有5B扭不的內側導葉4，其內側導葉片40上並未設計有內側導葉片側翼(此圖未示)。此乃因為於該位置處(內側導葉4的位置)所承受的流體壓力是相對較低的，所以即使未設計內側導葉片側翼也不會影響到其穩定導流功能。然而，人們也可選擇將內側導葉4的內側導葉片40上增加設計有內側導葉片側翼46(如圖7所示)，該內側導葉片側翼46的形狀系配合導葉背蓋5的形狀，可輔助內側導葉片40於導葉背蓋5內側表面的定位，也可焊接於導葉背蓋5上。
本實用新型如前述的結構，確能達到預期的作用及效果，然而，上述本實用新型較佳實施例的說明，是用以揭示本實用新型的技術特徵，而非限制本實用新型的權益，而凡是在結構上數目的變更及等效的替換，仍應屬於本實用新型的保護範圍內。
權利要求1．一種一體成型的三維鈑金葉片，用於泵、風機等離心式葉輪或導葉上，其特徵在於該3D鈑金葉片至少包括一第一整合片體，其具有若干個向外延伸的3D第一葉片、以及一預定形狀的第一嵌合結構；以及一第二整合片體，具有若干個向外延伸的3D第二葉片、以及一預定形狀的第二嵌合結構其形狀恰可與該第一嵌合結構所相互嵌合而定位；第一整合片體的第一嵌合結構系嵌入該第二整合片體的第二嵌合結構以將該兩片體結合成為一體，而形成一3D鈑金葉片結構。
2．如權利要求1所述的一體成型的三維鈑金葉片，其特徵在於，所述第一整合片體與第二整合片體結合成為一體，該第一整合片體的各第一葉片系分別與對應的第二葉片相鄰接而成為多個一體的3D曲面葉片。
3．如權利要求1所述的一體成型的三維鈑金葉片，其特徵在於，所述第一整合片體與第二整合體結合成為一體，該第一整合片體的各第一葉片系分別與第二葉片相離一適當間隙，而成為一多列式葉片結構。
4．如權利要求1所述的一體成型的三維鈑金葉片，其特徵在於，所述第一整合片體又稱為內側片體，內側片體系成一中空淺碟狀結構，並具有若干個呈輻射狀向外延伸的3D內側葉片，第一個內側葉片自較近內側端起分別依序具有包括一內側基板、及一內側葉片體，於內側基板的中央具有一貫穿的輪轂孔且周緣形成有預定形狀的嵌合邊，內側葉片體與內側基板之間系呈適當夾角而為一立體狀結構，每一個內側葉片體的兩端系分別為內側葉片前緣以及內側葉片後緣；所述第二整合片體又稱為外側片體，其係為一中空淺碟狀結構，並且具有若干呈輻射狀向外延伸的3D外側葉片，每一個外側葉片自較近內側端起分別依序具有包括一外側基板、及一外側葉片體，於外側基板的中央具有一貫穿的預定形狀的嵌合孔其形狀恰可供所述嵌合邊所嵌合而定位，外側葉片體與外側基板之間系呈適當夾角而為一立體狀結構，每一個外側葉片體的兩末端系分別為外側葉片前緣以及外側葉片後緣；所述內側片體的嵌合邊嵌入該外側片體的嵌合孔以將該兩片體結合成為一體，而形成一3D鈑金葉片結構。
5．如權利要求4所述的一體成型的三維鈑金葉片，其特徵在於，還包括有一葉輪前蓋及一葉輪背蓋，該內側片體及外側片體系結合定位於葉輪前、背蓋之間以形成一完整葉輪結構；所述的內側葉片還具有一內側葉片側翼，其系自內側葉片體朝外延伸且與內側葉片體呈一適當夾角而為一立體狀結構，該內側葉片側翼的形狀系配合葉輪前蓋的形狀所設計，使內側片體易於定位於葉輪前、背蓋之間；所述的外側葉片還具有一外側葉片側翼，其系自外側葉片體朝外延伸且與外側葉片體呈一適當夾角而為一立體狀結構，該外側葉片側翼的形狀系配合葉輪前蓋的形狀，使外側片體易於定位於葉輪前、背蓋之間。
6．如權利要求1所述的一體成型的三維鈑金葉片，其特徵在於，所述第一整合片體又稱為外側導葉，其系成一中空淺碟狀結構，並具有若干個呈輻射狀向外延伸的3D外側導葉片，每一個外側導葉片自較近內側端起分別依序具有包括一外側基板、及一外側遵葉片體，於外側基板的中央具有一貫穿的輪轂孔，外側導葉片體與外側基板之間系呈適當夾角而為一立體狀結構，每一個外側導葉片體的兩末端系分別為外側導葉片前緣以及外側導葉片後緣；所述第二整合片體又稱為內側導葉，係為一中空淺碟狀結構，並具有若干個呈輻射狀向外延伸的3D內側導葉片，每一個內側導葉片自較近內側端起分別依序具有包括一內側導葉片基板、一內側導葉底板、及一內側導葉片體，於內側導葉片基板的中央具有一貫穿的內側輪轂孔其位置系對應於該外側輪轂孔，內側導葉片體與內側導葉底板之間系呈適當夾角而為一立體狀結構，每一個內側導葉片體的兩末端系分別為內側導葉片前緣以及內側導葉片後緣；所述外側導葉的外側輪轂孔可貼靠向該內側導葉的內側輪轂孔而定位，並使內側導葉底板結合於外側基板上，以形成一3D鈑金葉片結構。
7．如權利要求6所述的一體成型的三維鈑金葉片，其特徵在於，還包括有一導葉背蓋，該外側導葉繫結合定位於導葉背蓋上，且內側導葉繫結合定位於外側導葉上並容置於外側導葉與導葉背蓋之間，以形成一導葉結構；並且，內側導葉的內側導葉片還包括有一內側導葉片側翼，其是自內側導葉片體朝外延伸且與內側導葉片體呈一適當夾角而為一立體狀結構，該內側導葉片側翼的形狀系配合導葉背蓋的形狀所設計，即內側導葉易定位於導葉背蓋。
專利摘要一種一體成型之三維板金葉片包括至少兩個以一次成型的整合片體。每一整合片體上均具有若干長度較短的3D曲面葉片、以及對應的嵌合結構。該嵌合結構可輕易將至少兩個整合片體組接,使其分別所具有的多個長度較短葉片,可相互鄰接成為多個一體的完整3D曲面葉片或是相離一適當間隙而成為一多列式葉片結構。該葉片結構可以一體衝壓成形,不僅零件數量大幅減少、葉片定位與組裝更便利且成本更低。
文檔編號F04D29/24GK2431424SQ00238158
公開日2001年5月23日 申請日期2000年7月3日 優先權日2000年7月3日
發明者簡煥然, 陳義仁, 陳景富, 廖榮釗 申請人:財團法人工業技術研究院