经由增材制造而产生的多级叶轮的制作方法

本申请要求于2016年9月26日提交的临时专利申请序列号62/399,661的权益，其全部内容通过引用被并入本文。

本发明涉及用于泵的叶轮；并且更具体地涉及用于轴向泵的叶轮。

背景技术：

如本领域技术人员将理解的，任何泵的主要部分是驱动器、叶轮和壳体。驱动器提供用于泵送的能量，叶轮将来自驱动器的动能传递到流体中，并且壳体将流体引导到其预期路径。

驱动器通常是将电能或化学能转换成旋转的动能的电动马达或发动机。举例来说，驱动器将被描述和示出为有刷dc电动马达，尽管对于本发明而言，它不必是有用的。马达由三个主要部分组成；静态元件－定子、旋转元件－转子、以及传递能量的装置－轴。

通过运行经过的线圈的电流，马达进行工作，线圈以特定布置围绕转子来缠绕。由于被固定至定子的永磁体，电流产生垂直于在适当位置的磁轴场的磁场。这些磁场的相互作用在转子上产生扭矩，引起它旋转。轴向延续穿过转子的中心的是轴，泵的叶轮安装到该轴上。

存在三大类泵叶轮；轴向、半轴向和径向叶轮。在轴向叶轮中，流体的径向速度可以忽略不计，并且泵送作用平行于马达轴的轴线而发生。在半轴向泵设计中，叶轮具有径向和轴向曲率二者，并且流体速度的径向分量不再可忽略不计。在径向叶轮中，流动几乎完全是径向的，并且流体速度的轴向分量可以忽略不计。

图1-3

图1示出了本领域已知的通常的离心泵1的截面图和外部视图。泵由马达2、轴3、径向叶轮4和壳体5组成。叶轮被固定到轴3，并且由于作用在转子2b上的定子2a的组合产生的磁力而旋转。图2示出了电动马达2的转子2b，转子2b具有穿过其中心的马达轴和叶轮被固定在端3a上的特征。流体平行于轴的中心轴线通过壳体5a的入口而进入泵，由旋转叶轮在垂直于轴的中心轴线的方向上加速，并通过壳体出口5b离开。流体运动的方向由图1b中的箭头表示。在该泵的叶轮中，流体轴向地进入并径向地离开。流体的在速度方向上的这种变化导致系统的整体效率降低，但是从历史上看，为了创建能够利用很少的部件来产生显著压力的泵，这种效率降低是必然的。

这种情况的原因可以通过检查欧拉泵和涡轮方程来展示，该方程描述了通过叶轮通道的理论最大压力增加：

其中：

h＝所产生的压力，

u1＝在叶片的入口处的叶轮外围速度，

u2＝在叶片的出口处的叶轮外围速度，

c1u＝在叶轮叶片的入口处的流体外围速度，

c2u＝在叶轮叶片的处口处的流体外围速度，以及

g＝重力加速度。

对于如图3所示的那样的具有叶片4a的径向叶轮4(叶片4a具有叶片入口4b和叶片出口4c)，半径随着流体流过叶轮通道而增加。叶轮叶片外围速度和流体外围速度二者均随着叶轮的半径而线性增加，导致压力随着叶轮半径的平方而增加。这导致了压力随着叶轮的半径的增加而大幅地增加。

使用径向叶轮的备选方案是创建具有被布置为串联的多个轴向叶轮级的泵。由泵系统所创建的总压力是每级所产生的压力之和。由于遍及泵的流体的相对单向的速度，该方法具有使泵的直径减小和具有理论上更高的泵送效率的益处。然而，每级均需要旋转和静止的叶片组，导致非常复杂的设计，其中许多部件难以制造和组装。

已知设备的缺点

已知设备的缺点包括以下项：

轴向泵设计具有高效率的优点并且能够具有高流速，但是其产生压力的能力受到限制。在实践中，通过将多个轴向叶轮和扩散器串联放置，来克服压力限制，其中由每个叶轮-扩散器组合所产生的压力之和确定了由泵产生的总压力。

轴向流动叶轮的受限制的压力产生能力需要多个叶轮-扩散器组合被级联，以实现用于许多泵送应用所需的压力。这导致其中许多部件难以制造和组装的高度复杂的设计。

径向叶轮在三种叶轮类型中具有最高的压力产生能力，但产生最小的流量，并且由于流过它的方向的改变而具有较低的效率上限。径向叶轮以及半轴向叶轮经常需要比被用于驱动它们的马达更大的直径，这导致庞大的设计。这可以通过将这些叶轮串联级联来克服，如同使用轴向叶轮一样，但是由于流动多次改变方向，这样构造复杂且昂贵并且，而进一步降低效率。

鉴于上述情况，工业上需要更好的泵和叶轮设计。

技术实现要素：

总之，本发明利用由增材制造所允许的设计自由，来创建多级泵叶轮，该多级泵叶轮也可以被集成到马达轴中，以形成在线流体泵。通过将泵送机构构建到轴中，所得到的泵更小、具有更少的部件、并且在一些实施例中具有更高的效率上限。

具体实施例

根据一些实施例，并且作为示例，本发明可以包括或采取泵的形式，其特征在于：

两部分轴向流动轴，具有静态内轴部分和旋转外轴部分；

静态内轴部分具有静态扩散器叶片，并且还具有两个轴端，两个轴端被配置成固定到泵的框架，使得静态内轴部分不旋转；以及

旋转外轴部分具有外部部分，外部部分被配置成固定到泵的转子，以使旋转外轴部分旋转，该旋转外轴部分还具有旋转叶轮叶片，旋转叶轮叶片被配置在外部部分内并且被耦合到外部部分，以随着旋转外轴部分关于静态内轴部分轴向地旋转，使流体沿两部分轴向流动轴轴向地移动。

根据一些实施例，本发明还可以包括以下特征中的一个或多个：

两部分轴向流动轴可以是通过增材制造工艺制成。

包括其中增材制造工艺是粉床熔融工艺。

两部分轴向流动轴可以包括多级，每级具有相应的静态扩散器叶片和相应的旋转叶轮叶片的组合，使得相应的静态扩散器叶片将离开相应的旋转叶轮叶片的旋转叶轮叶片出口的流体的动能转换为在相应的静态扩散器叶片的静态扩散器叶片出口处的压力能量，并且使得离开该级的流体进入下一级，在下一级中，移动流体、将动能转换成压力能量以及将流体馈送到下一级的过程被重复。

静态内轴部分可以包括轴锁定特征，轴锁定特征被配置成耦合到泵的框架部分，以防止静态内部部分旋转。

静态内轴部分可以包括入口导向叶片，入口导向叶片用于引导流体流入旋转外部分。

静态内轴部分可以包括出口导向叶片，出口导向叶片被配置成引导流体流出旋转外部分，并且在静态内轴部分和旋转外轴部分之间提供轴向约束。

旋转外轴部分可以包括内中空部分，内中空部分被配置成接纳静态内轴部分，并允许旋转外轴部分关于静态内轴部分旋转。

两部分轴向流动轴可以包括交替的静态扩散器叶片和旋转叶轮叶片，该交替的静态扩散器叶片和旋转叶轮叶片被配置成：随着旋转外轴部分旋转，使流体沿两部分轴向流动轴轴向地移动。

泵可以包括框架或转子或两者。

根据一些实施例，本发明可以包括或采取两部分轴向流动轴的形式，其特征在于静态内轴部分，具有静态扩散器叶片，并且还具有两个轴端，两个轴端被配置成固定到泵的框架，使得静态内轴部分不旋转；以及旋转外轴部分，具有外部部分，外部部分被配置成固定到泵的转子，以使旋转外轴部分旋转，旋转外轴部分还具有旋转叶轮叶片，旋转叶轮叶片被配置在外部部分内并且被耦合到外部部分，以随着旋转外轴部分关于静态内轴部分轴向地旋转，使流体沿两部分轴向流动轴轴向地移动。与上述讨论的一致，两部分轴向流动轴可以是由增材制造工艺制成，包括其中增材制造工艺是粉床熔融工艺。

附图说明

附图不一定按比例绘制，附图包括以下图：

图1包括图1a和图1b，图1a示出了本领域中已知的径向叶轮泵的侧视图，图1b示出了包括图1a中所示的径向叶轮泵的截面视图。

图2包括图2a、图2b和图2c，并且示出了本领域已知的电动马达转子组件，例如，被用于如图1所示的径向叶轮泵中，其中图2a示出了完全组装的电动马达转子组件；其中图2b示出了图2a中所示的电动马达转子组件的分解图；并且图2c示出了图2a和图2b中所示的电动马达转子组件的用于耦合到如图1b和图3所示的径向叶轮的轴端。

图3示出了本领域已知的具有叶片的径向叶轮的立体图。

根据本发明的一些实施例的图4包括图4a和图4b，其中图4a示出了轴向压力泵；并且图4b示出了图4a中的轴向压力泵的截面视图。

图5包括图5a和图5b，其中图5a示出了完全组装的电动马达转子组件；图5b示出了图5a中所示的电动马达转子组件的分解图，二者均是根据本发明的一些实施例。

图6包括图6a、图6b、图6c和图6d，并且示出了轴向流动泵马达轴，其中图6a是具有轴锁定的轴向流动泵马达轴的入口端、入口导向叶片和旋转外轴部分的一端的立体图；图6b是具有图6a中所示的入口导向叶片的轴向流动泵马达轴的中间部分以及被配置成或形成在旋转外轴部分的内部的交替的旋转叶轮叶片和静态扩散器叶片的立体图，其中图6c是具有在图6a中所示的入口导向叶片的轴向流动泵马达轴以及被配置成或形成在旋转外轴部分的内部的交替的旋转叶轮叶片和静态扩散器叶片的立体图，并且其中图6d是具有出口导向叶片的轴向流动泵马达轴的出口端以及在图6a中示出的旋转外轴部分的另一端的立体图，所有这些都是根据本发明的一些实施例。

根据本发明的一些实施例的图7包括图7a和图7b，其中图7a示出了本领域已知的并且在图1中示出的径向叶轮泵的侧视图，并且其中图7b示出了的轴向泵的相应的侧视图。

图8包括图8a、图8b和图8c，并且示出了本发明的轴向流动泵马达轴的类似螺旋桨的实施例，其中图8a示出了具有交替的静态和旋转元件的轴向流动泵马达轴的分解立体图；其中图8b示出了图8a中所示的轴向流动泵马达轴的组装立体图；并且其中图8c示出了沿轴向流动泵马达轴的轴向视图，所有这些都是根据本发明的一些实施例。

图9示出了本发明的径向叶轮实施例的截面图。

为了一致性，图中的类似部分用相似的附图标记和数字标记。每个元件的每个引线和相关的附图标记都不被包括在附图的每个图中，以整体减少图中的混乱。

为了描述本发明，可以将本发明的轴向流动泵马达轴的操作与使用本领域已知的径向叶轮的泵进行比较。

具体实施方式

本发明利用增材制造所允许的设计自由来创建包含许多叶轮-扩散器级的单个部件。本发明允许在泵中产生高的压力，而不需要改变流体流动的方向或增加泵的直径，或者可以在径向实施例中实施，以减少多级径向叶轮泵中的部件总数。

图4示出了总体上表示为6的泵送系统的实施例，其采用根据本发明的技术，该泵送系统在本文中将被称为例如具有轴向流动轴8的轴向压力泵。在轴向压力泵6中并且如图4b所示，流体通过轴向压力泵入口6a轴向地进入，轴向地流过轴向流动轴8的中心，并通过轴向压力泵出口6b轴向地离开。

图5示出了轴流轴8，其被安装以代替径向叶轮马达轴4(参见并比较图1b)。图6示出了轴向流动轴8的特征，其允许轴向压力泵6完全地轴向操作，而同时产生显著的压力。轴向流动轴8的内部部分ip在操作中是静态的，并且例如通过使用轴锁定特征8a来防止旋转，该轴锁定特征8a由在每个轴端处的通常表示为b(图4b)的马达轴常用的类似上轴承和下轴承的元件来轴向固定。轴承b被布置在泵6的框架f(图4b)中，或者被耦合到泵6的框架f。轴向流动轴8的外部部分op被允许以与通常的马达轴相同的方式旋转。在轴向马达轴8的入口和出口处，流动路径由一组入口导向叶片8b(例如，参见图6a、图6b、图6c)和出口扩散器叶片8f(例如，参见图6d)来提供。这些扩散器叶片8b、8f用于高效地引导流体进出轴向流动轴8以及在轴向流动轴8的内部静态部分ip和外部旋转部分op之间提供轴向约束的双重目的。

旋转叶轮叶片8c被附接到轴向流动轴8的外部部分op并随之旋转。图6c中的箭头表示它们的运动方向。旋转叶轮叶片8c被配置和设计成在图6中从左到右使得流体在它们的入口处移动到它们的出口处的方式。扩散器叶片8d被附接到轴向流动轴8的内部静态部分ip，并且被配置和设计成将离开旋转叶轮叶片8c的出口的流体的动能转换成扩散器叶片8d出口处的压力能量的形式。然后流体离开该级并进入下一级，其中重复加速流体、将动能转换成压力能量和将高压流体馈送到下一级的过程。图6示出了该动作的三个级，但是可以连续布置许多级以产生更高的压力，例如包括旋转叶轮叶片8c和静态扩散器叶片8d的三个组合，如图6c所示。在流体已经经过所有内部泵级之后，流体流过出口扩散器叶片8f并进入泵出口6b(图4b)。

多级轴向泵的概念并不新颖，并且在过去已被广泛使用。本发明的一个新颖之处在于，多级泵的所有元件完全被包含在轴向马达轴8内，并且利用增材制造的一种工艺中被一起构建。

与径向泵相比，采用这种制造方法有许多潜在的优点，包括：

具有较少部件的泵；

较少地需要组装；

更薄的泵；

能够自吸的泵；

内部冷却电动马达的泵，这允许其更高效地操作或相反地利用马达所产生的热量来增加流体的热量；

降低马达扭矩要求；

由于扭转强度要求降低，允许使用塑料以代替用于其马达轴的金属的设计；和

能够使用相似性方法进行用于较大泵的规模测试的快速原型设计。

举例来说，图7示出了并排比较，其将传统泵(图7a)的几何形状与轴向流动马达轴泵(图7b)的几何形状进行比较，传统泵包括径向叶轮、泵壳体和驱动器，轴向流动马达轴泵不需要大的壳体，并且可以做得更薄且与管道系统对齐。

图8和图9：备选实施例

通过进一步的示例，图8和图9示出了本发明的备选实施例。

图8

例如，图8示出了本发明的一个实施例，其具有通常表示为9的轴向流动泵轴，该轴向流动泵轴具有类似螺旋桨的形状并具有以如本文前述关于图4-图7所描述的相同方式工作的一个或多个静态元件9a和一个或多个旋转元件9b。如图8所示，每个静态元件9a可以被配置、形成和/或尺寸设计成装配在相应的旋转元件9b内，例如，以便形成具有外圆柱形形式的轴向马达轴9。一个或多个静止元件9a被形成为轴向马达轴9的内部部分的一部分，一个或多个旋转元件9b形成轴向马达轴9的外部部分的一部分，用于通过转子组件26b而被旋转(参见图2、图4、图5)。

实际上，图8中的轴向流动泵轴9将本发明扩展到具有其他叶轮几何形状的增材制造的多级泵，这些泵可适用于不同的泵送应用，并且适合于不同的泵送应用。

图9

图9示出了通常表示为109的径向叶轮实施例，其具有以如本文前述关于图4-图8所描述的相同方式工作的一个或多个静态元件10a和一个或多个旋转元件10b。还可以采用防止内部流体泄漏到泵的外部的常规方法。例如唇缘或机械密封。

粉末床熔融实施

由于本发明的几何形状的复杂性质，除了增材制造工艺之外，这种设计不能用任何其他当前工艺被构造。尽管不一定是可构造本发明的唯一增材制造工艺，但粉末床熔融技术将被用于举例说明可被用于构造该设计的增材方法。

举例来说，在粉末床熔融过程中，使用激光在粉末的床中逐层构建部件，激光的路径、强度、速度和若干其他参数由计算机程序确定，该计算机程序使用部件的立体3d模型，以计算它们的适当值。在金属轴的情况下，设计的增材制造构造将在构建板上开始，在该构建板上轴向流动泵马达轴的第一层或“切片”将被形成。随着激光扫过计算机程序确定的包括3d模型的第一切片中的立体几何形状的区域，由于已经被铺设在构建板顶上的薄金属粉末层的熔化和随后熔融，该切片形成在构件板上。

在完成设计的第一切片时，构建板将被降低，另一层粉末将被放置在部件上方，并且对应于部件的第二切片的第二层将以如第一切片相同的方式而被形成，只是此次熔融到先前构建的层而不是构建板。这个过程将持续，直到部件的整个立体几何形状被构建为止。

尽管存在粉末床熔融工艺的一些设计约束且本发明的实施例必须考虑这些设计约束，但是通过使用该工艺，可以构建复杂的内部通道，而使用其他金属加工工艺将极其难以或不可能构建。该部件也可以用塑料粉末制造或利用其他增材工艺，包括定向能量沉积或材料喷射。

应用

举例来说，本发明的可能应用可包括其关于以下项中的一项或多项的使用：

液体或气体需要被泵送的应用。

发明的保护范围

此外，这里详细示出和描述的实施例仅作为示例提供；并且本发明的范围不旨在限于这里包括的这些部件或元件的特定配置、尺寸和/或设计细节。换句话说，本领域技术人员将理解，可以对这些实施例进行设计改变，并且使得所得到的实施例与本文公开的实施例不同，但仍然在本发明的整体精神内。

应当理解，除非本文另有说明，否则关于本文中的特定实施例描述的任何特征、特性、备选或修改也可以被应用、使用或与本文描述的任何其他实施例结合。

尽管已经关于本发明的示例性实施例描述和说明了本发明，但是在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以在其中和在其外进行前述和各种其他附加和省略并且对其进行该附加和省略。