BE1023131B1

BE1023131B1 - Method for manufacturing a centrifugal paddle wheel and centrifugal paddle wheel obtained with such a method.

Info

Publication number: BE1023131B1
Application number: BE2015/5774A
Authority: BE
Inventors: Aleksandr Pulnikov
Original assignee: Atlas Copco Airpower, Naamloze Vennootschap
Priority date: 2015-03-26
Filing date: 2015-11-27
Publication date: 2016-11-25
Also published as: BE1023131A1

Abstract

Werkwijze voor het vervaardigen van een centrifugaal schoepenrad (1), welk schoepenrad (1) een basis (7) omvat met een naaf (8), waarbij het schoepenrad (1) verder een aantal uitstekende schoepen (4) omvat die op het oppervlak (6) van de naaf (8) zijn aangebracht, daardoor gekenmerkt dat de werkwijze de volgende stappen omvat: het voorzien van een metalen schoepenradbasis (7) met een naafoppervlak (6); - het laag voor laag opbouwen van de schoepen (4) op het naafoppervlak (6) van de metalen schoepenradbasis (7) met lagen (10) van een metaal gebruik makend van een additieve fabricagemethode, waarbij het metaal dat gebruikt wordt voor de lagen (10) compatibel is met het metaal van de metalen schoepenradbasis (7).A method of manufacturing a centrifugal paddle wheel (1), said paddle wheel (1) comprising a base (7) with a hub (8), the paddle wheel (1) further comprising a plurality of projecting paddles (4) resting on the surface ( 6) of the hub (8), characterized in that the method comprises the following steps: providing a metal paddle wheel base (7) with a hub surface (6); - building up the blades (4) layer by layer on the hub surface (6) of the metal paddle wheel base (7) with layers (10) of a metal using an additive manufacturing method, the metal used for the layers ( 10) is compatible with the metal paddle wheel base (7).

Description

Werkwijze voor het vervaardigen van een centrifugaal schoepenrad en centrifugaal schoepenrad bekomen met zulke werkwij ze.Method for manufacturing a centrifugal paddle wheel and centrifugal paddle wheel obtained with such a method.

De huidige uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het vervaardigen van een centrifugaal schoepenrad.The present invention relates to a method for manufacturing a centrifugal blade wheel.

Het centrifugaal schoepenrad kan toegepast worden in een centrifugale machine zoals een turbocompressor, turbine of dergelij ke.The centrifugal blade wheel can be used in a centrifugal machine such as a turbocharger, turbine or the like.

Een centrifugaal compressorelement zoals gebruikt in turbocompressoren bestaat zoals bekend uit een schoepenrad dat verdraaibaar is aangebracht in een behuizing met een axiale inlaat en een radiale uitlaat, waarbij het schoepenrad is gevormd door een soort van trompetvormige naaf om het aangezogen gas van de axiale richting aan de inlaat naar de radiale richting aan de uitlaat om te buigen en door schoepen die op de naaf zijn aangebracht en die samen met de naaf en de behuizing vernauwende kanalen afbakenen waar het gas wordt doorheen geleid om het te comprimeren.A centrifugal compressor element as used in turbo-compressors consists, as is known, of a paddle wheel that is rotatably mounted in a housing with an axial inlet and a radial outlet, the paddle wheel being formed by a kind of trumpet-shaped hub about the sucked gas from the axial direction to the axial direction. inlet to bend in the radial direction at the outlet and through vanes mounted on the hub and defining narrowing channels together with the hub and housing through which the gas is passed to compress it.

Het schoepenrad is voorzien van een centrale boring om het schoepenrad op een aandrijfas te kunnen bevestigen.The paddle wheel is provided with a central bore for attaching the paddle wheel to a drive shaft.

Centrifugale schoepenraderen worden traditioneel vervaardigd door gebruik te maken van zogenaamde subtractieve fabricagemethoden, zoals draaien en frezen.Centrifugal paddle wheels are traditionally manufactured using so-called subtractive manufacturing methods, such as turning and milling.

Hierbij wordt uitgegaan van een werkstuk, dat door middel van draaien tot op de buitenmantel van het centrifugale schoepenrad, het zogenaamde 'shroud surface', wordt gebracht.This is based on a workpiece that is brought to the outer casing of the centrifugal blade wheel, the so-called 'shroud surface', by turning.

Vervolgens worden de voornoemde kanalen en schoepen uitgefreesd.Subsequently, the aforementioned channels and vanes are milled out.

De diepte van de kanalen is typisch bepaald door het zogenaamde naafoppervlak of 'hub surface' .The depth of the channels is typically determined by the so-called hub surface.

Teneinde de efficiëntie te verhogen, worden de schoepen bij voorkeur zo dun mogelijk gemaakt.In order to increase efficiency, the blades are preferably made as thin as possible.

Als gevolg hiervan wordt 90% tot 95% van het materiaal dat zich tussen het 'shroud surface' en het naafoppervlak bevindt, verwijderd.As a result, 90% to 95% of the material located between the 'shroud surface' and the hub surface is removed.

Dit is natuurlijk een grote verspilling en een inefficiënt gebruik van materiaal.This is of course a major waste and an inefficient use of material.

Het zou dus beter zijn om de schoepen toe te voegen aan een werkstuk dat gevormd wordt door het naafoppervlak, waarbij dus extra materiaal wordt toegevoegd aan het werkstuk in plaats van materiaal weg te nemen.Thus, it would be better to add the blades to a workpiece formed by the hub surface, thus adding additional material to the workpiece rather than removing material.

Het toe te voegen materiaal onder de vorm van schoepen zou ongeveer 10 tot 20 keer minder zijn dan het materiaal dat moet worden weggenomen wanneer een subtractieve fabricagemethode wordt toegepast.The material to be added in the form of blades would be about 10 to 20 times less than the material to be removed when a subtractive manufacturing method is used.

Op deze manier worden kosten en materiaal bespaard.In this way costs and material are saved.

Er zijn wel een aantal complicaties. Zo is de hoogte van de schoepen in een centrifugaal schoepenrad niet constant. De inlaat diameter is typisch kleiner en de hoogte van de schoepen aan de inlaat is groter in vergelijking met de hoogte van de schoepen aan de uitlaat.There are a number of complications. For example, the height of the blades in a centrifugal blade wheel is not constant. The inlet diameter is typically smaller and the height of the blades at the inlet is larger compared to the height of the blades at the outlet.

Dit houdt in dat de gekozen werkwijze voor het aanbrengen van de schoepen op het naafoppervlak voldoende ruimte moet laten om het bouwlocatie te kunnen bereiken.This means that the chosen method for applying the blades to the hub surface must leave sufficient space to reach the construction site.

Er zijn reeds pogingen geweest om een centrifugaal schoepenrad te vervaardigen met een additieve fabricagemethode in plaats van met een subtractieve fabricagemethode. Bijvoorbeeld in WO 2014/128169 wordt een methode beschreven om een schoepenrad te vervaardigen gebruik makend van afzonderlijke segmenten. In dit document wordt beschreven om deze segmenten aan elkaar te lassen tegen een naaf of om door middel van een mechanische verbinding de segmenten met de naaf te verbinden. De voornoemde segmenten worden gemaakt door middel van een additieve fabricagemethode.Attempts have already been made to manufacture a centrifugal blade wheel with an additive manufacturing method instead of a subtractive manufacturing method. For example, in WO 2014/128169 a method is described for manufacturing a paddle wheel using separate segments. This document describes how to weld these segments together against a hub or to connect the segments to the hub by means of a mechanical connection. The aforementioned segments are made by means of an additive manufacturing method.

Echter, een groot nadeel van deze aanpak is dat er geen continue verbinding is tussen de segmenten en de naaf zoals bij een subtractieve fabricagemethode, waardoor ze ongeschikt zijn voor schoepenraderen die toegepast worden in machines met een hoog toerental.However, a major disadvantage of this approach is that there is no continuous connection between the segments and the hub as with a subtractive manufacturing method, making them unsuitable for paddle wheels used in high-speed machines.

Immers, wordt zulk schoepenrad aan hoge toerentallen van meerdere tienduizenden toeren per minuut aangedreven, waarbij de lineaire omtreksnelheid aan de uitlaat van het schoepenrad enkele honderden meters per seconde kan bereiken.After all, such a paddle wheel is driven at high speeds of several tens of thousands of revolutions per minute, whereby the linear peripheral speed at the outlet of the paddle wheel can reach several hundred meters per second.

Door de grote centrifugale krachten die bij zulke hoge toerentallen optreden worden erg grote spanningen opgewekt, die inwerken op de verbinding tussen de segmenten en de naaf.Due to the large centrifugal forces that occur at such high speeds, very large stresses are generated, which act on the connection between the segments and the hub.

Hierdoor bestaat er een reëel risico op het falen van deze voornoemde verbinding, waardoor niet alleen het centrifugaal schoepenrad, maar ook de machine onherstelbaar beschadigd kan raken.As a result, there is a real risk of this aforementioned connection failing, as a result of which not only the centrifugal blade wheel, but also the machine, can be irreparably damaged.

Bovendien zal het aanbrengen van de laatste schoepen op de naaf moeilijk gaan, aangezien de toegankelijkheid beperkt wordt door de reeds aanwezige schoepen.Moreover, applying the last blades to the hub will be difficult, since accessibility is limited by the blades already present.

De huidige uitvinding heeft tot doel aan minstens één van de voornoemde en andere nadelen een oplossing te bieden.The present invention has for its object to provide a solution to at least one of the aforementioned and other disadvantages.

De huidige uitvinding heeft een werkwijze als voorwerp voor het vervaardigen van een centrifugaal schoepenrad, welk schoepenrad een basis omvat met een naaf, waarbij het schoepenrad verder een aantal uitstekende schoepen omvat die op het oppervlak van de naaf zijn aangebracht, waarbij de werkwijze de volgende stappen omvat: - het voorzien van een metalen schoepenradbasis met een naafoppervlak; - het laag voor laag opbouwen van de schoepen op het naafoppervlak van de metalen schoepenradbasis met lagen van een metaal gebruik makend van een additieve fabricagemethode, waarbij het metaal dat gebruikt wordt voor de lagen compatibel is met het metaal van de metalen schoepenradbasis.The present invention has a method as object for manufacturing a centrifugal paddle wheel, which paddle wheel comprises a base with a hub, the paddle wheel further comprising a number of protruding paddles mounted on the surface of the hub, the method comprising the following steps comprises: - providing a metal blade wheel base with a hub surface; - building the blades layer by layer on the hub surface of the metal blade wheel base with layers of a metal using an additive manufacturing method, the metal used for the layers being compatible with the metal of the metal blade wheel base.

De voornoemde metalen schoepenradbasis omvat een trompetvormige naaf waarvan de diameter in de richting van één uiteinde naar het andere uiteinde toeneemt, waarbij de naaf voorzien is van een centrale boring om het schoepenrad op een aandrijfas te kunnen bevestigen. Het buitenoppervlak van de naaf wordt het naafoppervlak genoemd.The aforementioned metal impeller base comprises a trumpet-shaped hub whose diameter increases in the direction from one end to the other end, the hub being provided with a central bore for attaching the impeller to a drive shaft. The outer surface of the hub is called the hub surface.

Op de voornoemde schoepenradbasis worden de schoepen aangebracht, meer bepaald op het naafoppervlak.The blades are mounted on the aforementioned paddle wheel base, in particular on the hub surface.

De additieve fabricagemethode is bijvoorbeeld laserbekleding of 'laser cladding'. Hierbij wordt toe te voegen materiaal aangevoerd naar de smeltzone, i.e. de zone waar men materiaal wenst bij te voegen. Het materiaal kan onder de vorm van poeder of een draad of een combinatie van beide worden aangebracht. Door middel van een laser wordt de smeltzone locaal verwarmd, waardoor het poeder en/of de draad en het gedeelte van het onderliggende materiaal gesmolten.The additive manufacturing method is, for example, laser coating or 'laser cladding'. Hereby material to be added is supplied to the melting zone, i.e. the zone to which material is to be added. The material can be applied in the form of powder or a wire or a combination of both. The melting zone is locally heated by means of a laser, whereby the powder and / or the wire and the part of the underlying material are melted.

Een voordeel van een werkwijze volgens de uitvinding is dat er geen of zo goed als geen verlies van materiaal is.An advantage of a method according to the invention is that there is no or virtually no loss of material.

Bovendien zal door het laag per laag opbouwen van de schoepen, het mogelijk zijn om na één of enkele lagen van één schoep te hebben aangebracht, naar een volgende schoep te gaan. Op deze manier zal er steeds de nodige ruimte en toegankelijkheid gegarandeerd kunnen worden tijdens de volgende fasen van het fabricageproces.Moreover, by building up the blades layer by layer, it will be possible to go to a subsequent blade after having applied one or more layers of one blade. In this way it will always be possible to guarantee the necessary space and accessibility during the following phases of the manufacturing process.

Nog een ander voordeel bestaat erin dat door het laag voor laag opbouwen van de schoepen, de spanning in de schoepen worden verdeeld. Ook zal door het laag voor laag opbouwen met behulp van een additieve fabricagemethode ervoor zorgen dat als het ware een continue verbinding gevormd wordt tussen de naaf en de schoepen. Hierdoor zal het centrifugaal schoepenrad toegepast kunnen worden in machines met een hoog toerental, aangezien het bestand is tegen de grote centrifugale krachten die hiermee gepaard gaan.Yet another advantage is that by building up the blades layer by layer, the tension in the blades is distributed. Building up layer by layer with the aid of an additive manufacturing method will also ensure that, as it were, a continuous connection is formed between the hub and the blades. As a result, the centrifugal paddle wheel can be used in high-speed machines, since it can withstand the large centrifugal forces that accompany this.

De uitvinding betreft ook een centrifugaal schoepenrad vervaardigd volgens een werkwijze volgens de uitvinding en een compressor of expander voorzien van dergelijk centrifugaal schoepenrad.The invention also relates to a centrifugal paddle wheel manufactured according to a method according to the invention and a compressor or expander provided with such a centrifugal paddle wheel.

Met het inzicht de kenmerken van de uitvinding beter aan te tonen, zijn hierna, als voorbeeld zonder enig beperkend karakter, enkele voorkeurdragende varianten beschreven van de werkwijze volgens de uitvinding voor het vervaardigen van een centrifugaal schoepenrad en een centrifugaal schoepenrad daarmee bekomen, met verwijzing naar de bijgaande tekeningen, waarin: figuur 1 schematisch een traditionele werkwijze weergeeft voor het vervaardigen van een centrifugaal schoepenrad; figuur 2 schematisch een werkwijze volgens de uitvinding weergeeft voor het vervaardigen van een centrifugaal schoepenrad; figuren 3 en 4 varianten weergeven van een werkwijze volgens de uitvinding.With the insight to better demonstrate the characteristics of the invention, a few preferred variants of the method according to the invention for manufacturing a centrifugal paddle wheel and a centrifugal paddle wheel are obtained hereafter, as an example without any limiting character, with reference to the accompanying drawings, in which: figure 1 schematically shows a traditional method for manufacturing a centrifugal blade wheel; figure 2 schematically represents a method according to the invention for manufacturing a centrifugal blade wheel; Figures 3 and 4 show variants of a method according to the invention.

In figuur 1 is schematisch een traditionele werkwijze weergegeven voor het vervaardigen van een centrifugaal schoepenrad 1.Figure 1 schematically shows a traditional method for manufacturing a centrifugal blade wheel 1.

Hierbij wordt uitgegaan van een ruw werkstuk 2 dat gedraaid wordt tot het manteloppervlak 3, of het 'shroud surfsce' . Dit is een meetkundig oppervlak dat de schoepen 4 van het schoepenrad 2 omhult.This is based on a rough workpiece 2 that is turned to the surface of the jacket 3, or the 'shroud surfsce'. This is a geometric surface that surrounds the blades 4 of the blade wheel 2.

Vervolgens worden kanalen 5 in het werkstuk 2 gefreesd om de schoepen 4 te vormen door het wegnemen van materiaal.Channels 5 are then milled in the workpiece 2 to form the blades 4 by removing material.

De bodem van de kanalen worden gevormd door het naafoppervlak 6, dit is het oppervlak van het schoepenrad 1 waarop de schoepen 4 ingepland zijn.The bottom of the channels are formed by the hub surface 6, this is the surface of the blade wheel 1 on which the blades 4 are planned.

In een werkwijze volgens de uitvinding, zoals weergegeven in figuur 2, wordt uitgegaan van een werkstuk dat begrensd wordt door het naafoppervlak 6.In a method according to the invention, as shown in figure 2, a workpiece is assumed which is bounded by the hub surface 6.

Een eerste stap van de werkwijze bestaat er dus in om een schoepenradbasis 7 te voorzien met een naaf 8 met een naafoppervlak 6, zoals weergegeven in figuur 2A. Deze naaf 8 is voorzien van een centrale boring 9 om het schoepenrad 1 op een aandrijfas te kunnen bevestigen.Thus, a first step of the method is to provide a paddle wheel base 7 with a hub 8 with a hub surface 6, as shown in Figure 2A. This hub 8 is provided with a central bore 9 for attaching the paddle wheel 1 to a drive shaft.

Deze schoepenradbasis 7 is vervaardigd uit metaal.This paddle wheel base 7 is made of metal.

De schoepenradbasis 7 of de naaf 8 kan vervaardigd worden door het werkstuk te draaien tot het naafoppervlak 6, door een werkstuk te gieten of door een andere fabricagemethode die een gewenste kwaliteit geeft van het naafoppervlak 6. Zo kan de schoepenradbasis 7 of de naaf 8 ook vervaardigd worden met behulp van een additieve fabricagemethode.The paddle wheel base 7 or the hub 8 can be manufactured by rotating the workpiece to the hub surface 6, by casting a workpiece or by another manufacturing method that gives a desired quality of the hub surface 6. Thus, the paddle wheel base 7 or the hub 8 can also be manufactured using an additive manufacturing method.

Vervolgens worden de schoepen laag voor laag opgebouwd op het naafoppervlak 6 met lagen 10 van metaal, waarbij gebruik gemaakt wordt van een additieve fabricagemethode. Dit is weergegeven in figuren 2B-2D. .The blades are then built up layer by layer on the hub surface 6 with layers 10 of metal, using an additive manufacturing method. This is shown in Figures 2B-2D. .

Het gebruikte metaal van de lagen 10 is compatibel met het metaal van de schoepenradbasis en dus het naafoppervlak.The metal of the layers 10 used is compatible with the blade wheel base metal and thus the hub surface.

Een mogelijke additieve fabricagemethode is laserbekleding of 'laser cladding'.A possible additive manufacturing method is laser coating or 'laser cladding'.

Hiertoe wordt een metaal dat compatibel is met het metaal van de schoepenradbasis 7 en dus het naafoppervlak 6 aangevoerd en lokaal gesmolten met behulp van een warmtebron. Hierdoor wordt als het ware een soort van lasproces gecreëerd.For this purpose, a metal that is compatible with the metal of the paddle wheel base 7 and thus the hub surface 6 is supplied and locally melted with the aid of a heat source. This creates a kind of welding process, as it were.

Door de compatibiliteit tussen beide metalen, wordt ervoor gezorgd dat er een verbinding mogelijk is tussen het naafoppervlak 6 en de voornoemde laag 10.Due to the compatibility between the two metals, it is ensured that a connection is possible between the hub surface 6 and the aforementioned layer 10.

Dit betekent echter wel dat de samenstelling van het toegevoerde metaal verschillend kan zijn dan de samenstelling van het metaal van het naafoppervlak 6.However, this means that the composition of the metal supplied may be different than the composition of the metal of the hub surface 6.

Het materiaal dat wordt toegevoerd naar de smeltzone kan onder de vorm van poeder zijn of van een draad of een combinatie van poeder en draad.The material supplied to the melting zone can be in the form of powder or of a wire or a combination of powder and wire.

Voor de warmtebron kan gebruik gemaakt worden van een laser of een plasmatoorts. Doch elke warmtebron die op een gelokaliseerd punt warmte kan leveren, is geschikt.A laser or a plasma torch can be used for the heat source. But any heat source that can supply heat at a localized point is suitable.

Voor de eerste laag 10 doet het naafoppervlak 6 dienst als substraat waarop deze eerste laag 10 wordt aangebracht. Voor elke volgende laag 10, zal de onderliggende laag 10 dienst doen als substraat om de volgende laag 10 op te smelten.For the first layer 10, the hub surface 6 serves as a substrate on which this first layer 10 is applied. For each subsequent layer 10, the underlying layer 10 will serve as a substrate to melt the next layer 10.

Indien het materiaal wordt toegevoerd als een poeder, kan de toevoer van dit poeder onderbroken worden, zodat gewerkt kan worden in discrete stappen zodat materiaal op discrete locaties kan worden opgebouwd.If the material is supplied as a powder, the supply of this powder can be interrupted, so that work can be carried out in discrete steps so that material can be built up at discrete locations.

Bovendien is het mogelijk om bij een poeder, de samenstelling van het poeder te wijzigen, bijvoorbeeld per laag 10.Moreover, with a powder, it is possible to change the composition of the powder, for example per layer 10.

In dit geval, doch niet noodzakelijk voor de uitvinding, zal het metaal dat gebruikt wordt voor het laag voor laag opbouwen van de schoepen 4, per laag 10 een verschillende samenstelling kunnen hebben.In this case, but not necessarily for the invention, the metal used for building up the vanes 4 layer by layer may have a different composition per layer 10.

Op deze manier kan de samenstelling van het poeder van de schoep 4 gewijzigd of gevarieerd worden, tijdens de opbouw van de schoep 4.In this way the composition of the powder of the vane 4 can be changed or varied during the construction of the vane 4.

Het is ook mogelijk dat de samenstelling niet over de volledige schoep 4 varieert, maar dat bijvoorbeeld enkel ter plaatse van de rand 11 van de schoepen 4 aan de inlaatzijde 12, waar de schoep 4 wordt blootgesteld aan erosie door invallende stofdeeltjes en waterdruppels, de samenstelling van het poeder gewijzigd wordt, bijvoorbeeld door het toevoegen van Carbide deeltjes.It is also possible that the composition does not vary over the entire vane 4, but that, for example, only at the location of the edge 11 of the vanes 4 on the inlet side 12, where the vane 4 is exposed to erosion by incident dust particles and water drops, the composition of the powder is changed, for example by adding Carbide particles.

De toevoer van het poeder kan gebeuren door middel van één of meer spuitmonden die bijvoorbeeld rondom de laserbron zijn aangebracht en die het poeder op de gewenste locatie op het oppervlak spuiten. Door te werken met verschillende spuitmonden kan de samenstelling van het poeder aangepast worden, door elke spuitmond van een ander type poeder te voorzien en het debiet van elke spuitmond aan te passen.The powder can be supplied by means of one or more nozzles which are arranged for example around the laser source and which spray the powder on the surface at the desired location. By working with different nozzles, the composition of the powder can be adjusted by providing each nozzle with a different type of powder and adjusting the flow rate of each nozzle.

Bij voorkeur, doch niet noodzakelijk, wordt het substraat, i.e. het naafoppervlak 6 of een vorige laag 10, opgewarmd of voorverwarmd voor het aanbrengen van een volgende laag 10. Hierdoor zal het mogelijk zijn om de inwendige spanningen in het centrifugaal schoepenrad 1 te reduceren.Preferably, but not necessarily, the substrate, i.e. the hub surface 6 or a previous layer 10, is heated or preheated to provide a next layer 10. This will make it possible to reduce the internal stresses in the centrifugal blade wheel 1.

Een additieve fabricagemethode wordt bij voorkeur uitgevoerd in een beschermende atmosfeer, bijvoorbeeld een inerte atmosfeer of in vacuüm, om overmatige oxidatie van het toegevoegde metaal te vermijden.An additive manufacturing method is preferably carried out in a protective atmosphere, for example an inert atmosphere or in vacuum, to avoid excessive oxidation of the added metal.

Voor het opbouwen van de schoepen 4, laag per laag, via het hierboven beschreven principe van laserbekleding of een andere additieve fabricagemethode, kunnen verschillende manieren toegepast worden.Various ways can be used to build up the vanes 4, layer by layer, via the laser coating principle or another additive manufacturing method described above.

In figuur 2 is een mogelijke manier weergegeven, waarbij elke laag 10 zich uitstrekt in een richting parallel aan het naaf oppervlak 6. Dit is duidelijk te zien in figuren 2B, 2C.Figure 2 shows a possible way in which each layer 10 extends in a direction parallel to the hub surface 6. This is clearly seen in Figures 2B, 2C.

Dit wil zeggen dat de opbouwrichting van de schoepen 4 zich loodrecht of zo goed als loodrecht uitstrekt op het naafoppervlak 6.This means that the direction of construction of the blades 4 extends perpendicularly or almost perpendicularly to the hub surface 6.

Hierbij wordt in dit geval voor elke schoep 4 één, twee drie of meer lagen 10 aangebracht, alvorens één, twee, drie of meer lagen 10 van de volgende schoep 4 worden aangebracht.In this case, one, two, three or more layers 10 are provided for each vane 4, before one, two, three or more layers 10 of the following vane 4 are applied.

Zo zouden bijvoorbeeld eerst alle eerste lagen 10 van alle schoepen 4 kunnen worden aangebracht, waarna op elk van deze eerste lagen 10, de tweede laag 10 wordt aangebracht.For example, all first layers 10 of all blades 4 could first be applied, whereafter the second layer 10 is applied to each of these first layers 10.

Door ervoor te zorgen dat twee of meer opeenvolgende lagen 10 van een schoep 4 een verschillende lengte hebben, kan de hoogte van de schoep 4 langsheen de lengte gevarieerd worden.By ensuring that two or more consecutive layers 10 of a vane 4 have a different length, the height of the vane 4 can be varied along the length.

Dit betekent dat één uiteinde 10a van de laag 10 gesitueerd is aan de rand van het naaf oppervlak 6 aan de inlaatzijde 12, terwijl het andere uiteinde 10b van de laag 10 ofwel gesitueerd is aan de rand van het naaf oppervlak 6 aan de uitlaatzijde 13 ofwel op een locatie tussen de inlaatzijde 12 en de uitlaatzijde 13, afhankelijk van de hoogte waarop de betreffende laag 10 zich bevindt.This means that one end 10a of the layer 10 is situated on the edge of the hub surface 6 on the inlet side 12, while the other end 10b of the layer 10 is either situated on the edge of the hub surface 6 on the outlet side 13 or at a location between the inlet side 12 and the outlet side 13, depending on the height at which the relevant layer 10 is located.

Bij de overgang van een schoep 4 naar de volgende, kan de aanbrengrichting van de laag 10 gewijzigd worden van: vanaf de inlaatzijde 12 naar de uitlaatzijde 13 toe, naar: vanaf de uitlaatzijde 13 naar inlaatzijde 12 toe. Dit zal de tijd die nodig is om over te gaan van de ene schoep 4 naar de volgende verkorten. Het is uiteraard ook mogelijk om de aanbrengrichting te behouden en bijvoorbeeld elke laag 10 aan te brengen vanaf de inlaatzijde 12 naar de uitlaatzijde 13, of omgekeerd.At the transition from a vane 4 to the next, the application direction of the layer 10 can be changed from: from the inlet side 12 to the outlet side 13, to: from the outlet side 13 to the inlet side 12. This will shorten the time required to move from one vane 4 to the next. It is of course also possible to maintain the application direction and, for example, to apply each layer 10 from the inlet side 12 to the outlet side 13, or vice versa.

Door het opeenvolgend aanbrengen van de lagen 10, is het mogelijk om een goede toegankelijkheid te bekomen en behouden om de volgende lagen 10 aan te brengen.By successively applying the layers 10, it is possible to obtain and maintain good accessibility to apply the following layers 10.

Als er genoeg ruimte beschikbaar is voor de werktuigen die gebruikt worden voor de additieve fabricagemethode, zouden er voor elke schoep 4 twee of drie lagen 10 kunnen worden aangebracht alvorens er naar de volgende schoep 4 wordt overgegaan.If enough space is available for the tools used for the additive manufacturing method, two or three layers 10 could be applied for each blade 4 before moving to the next blade 4.

Wanneer alle lagen 10 van de schoepen 4 zijn aangebracht, kunnen eventueel nog één of meer bijkomende lagen aangebracht worden om de getrapte overgangen van de opeenvolgende lagen 10 uit te vlakken.When all the layers 10 of the vanes 4 have been applied, one or more additional layers can optionally be applied to smooth out the stepped transitions of the successive layers 10.

Het is ook mogelijk dat met de getrapte overgangen opnieuw gesmolten worden, bijvoorbeeld met de laser zonder dat er poeder wordt aangevoerd, zodat op deze manier een gladde overgang bekomen wordt.It is also possible for the stepped transitions to be melted again, for example with the laser without powder being supplied, so that a smooth transition is obtained in this way.

Ook de zijvlakken van de schoepen 4 kunnen opnieuw gesmolten worden, om de oppervlakteruwheid te verminderen.The side surfaces of the blades 4 can also be melted again, in order to reduce the surface roughness.

Het is ook mogelijk om een extra laag aan te brengen aan de randen 11 van de schoepen 4 ter plaatse van de inlaatzijde 12. Deze rand 11 van de schoepen 4 wordt, zoals reeds vermeld, blootgesteld aan de invallende stofdeeltjes en waterdeeltjes waardoor deze gevoelig is aan erosie. Door de samenstelling van deze extra laag 10 geschikt te kiezen, kan de weerstand tegen de erosie verhoogd worden.It is also possible to apply an extra layer to the edges 11 of the vanes 4 at the inlet side 12. This edge 11 of the vanes 4 is, as already mentioned, exposed to the incident dust particles and water particles, making it sensitive to erosion. By appropriately choosing the composition of this extra layer 10, the erosion resistance can be increased.

In een volgende optionele stap van een werkwijze volgens de uitvinding, kan het centrifugaal schoepenrad 1 onderworpen worden aan een warmtebehandeling.In a further optional step of a method according to the invention, the centrifugal blade wheel 1 can be subjected to a heat treatment.

Door het toepassen van dergelijke warmtebehandeling, zoals bijvoorbeeld temperen, harden, ontladen of gloeien, kunnen de eventuele interne spanningen in de schoep 4 die tijdens de opbouw zijn ontstaan, verminderd worden.By applying such heat treatment, such as, for example, tempering, curing, discharging or annealing, any internal stresses in the vane 4 that have arisen during the build-up can be reduced.

Ter afwerking kan de werkwijze optioneel de stap omvatten van het bewerken van de randen en zijvlakken van de schoepen 4 door middel van verspannen.For finishing, the method may optionally comprise the step of machining the edges and side surfaces of the blades 4 by means of tensioning.

De bovenrand van de schoep 4, dit is de rand die samenvalt met het manteloppervlak 3 en daarom ook 'shroud line' wordt genoemd, kan bewerkt worden door middel van draaien of frezen. De zijvlakken van de schoepen 4 worden bij voorkeur bewerkt worden door middel van frezen.The upper edge of the vane 4, this is the edge that coincides with the jacket surface 3 and is therefore also called 'shroud line', can be machined by turning or milling. The side faces of the blades 4 are preferably machined by milling.

Het aldus gevormde schoepenrad 1 kan toegepast worden in een compressor of expander. Aangezien de spanningen in de schoepen 4 verdeeld worden en er een continue verbinding is gevormd tussen het naafoppervlak 6 en de schoepen 4, zal het schoepenrad 1 ook toegepast kunnen worden in een compressor of expander die een hoog toerental heeft.The paddle wheel 1 thus formed can be used in a compressor or expander. Since the stresses in the vanes 4 are distributed and a continuous connection is formed between the hub surface 6 and the vanes 4, the vane wheel 1 can also be used in a compressor or expander that has a high speed.

Het voorbeeld in figuur 2, was de werkwijze toegespitst op het gebruik van (metaal)poeder voor het laserbekleden. Dit heeft als voordeel dat de materiaaltoevoer onderbroken kan worden. Een nadeel is dat het laserbekleden moet gebeuren in een inerte atmosfeer.The example in figure 2, the method focused on the use of (metal) powder for laser coating. This has the advantage that the material supply can be interrupted. A disadvantage is that the laser coating must be done in an inert atmosphere.

Zoals reeds gezegd, is het ook mogelijk om bij laserbekleden de materiaaltoevoer te verzorgen met behulp van een (metaal)draad.As already stated, it is also possible to provide the material supply for laser coating with the aid of a (metal) wire.

In dit geval is het niet nodig om een inerte omgeving te voorzien aangezien bij een draad de oxidatie trager zal optreden.In this case, it is not necessary to provide an inert environment since the oxidation of a wire will occur more slowly.

Ook zal het proces sneller verlopen bij wanneer gebruik gemaakt wordt van een draad.The process will also be faster if a wire is used.

In dit geval is het niet mogelijk, of zeer moeilijk, om de materiaal toevoer te onderbreken.In this case it is not possible, or very difficult, to interrupt the material supply.

In dit geval zal gewerkt moeten worden met continue lagen 14, dit wil zeggen: een eerste ononderbroken laag 14 voor alle schoepen 4, waarbij op deze eerste laag 14, een volgende ononderbroken laag 14 kan worden aangebracht.In this case, continuous layers 14 will have to be used, i.e. a first continuous layer 14 for all vanes 4, whereby a further continuous layer 14 can be applied to this first layer 14.

Figuur 3 geeft een voorbeeld van dergelijke werkwijze weergegeven, waar de eerste continue, ononderbroken laag 14 is aangebracht op het naafoppervlak 6 van een schoepenradbasis 7.Figure 3 shows an example of such a method, where the first continuous, continuous layer 14 is applied to the hub surface 6 of a paddle wheel base 7.

Bij een dergelijke werkwijze zal het nodig zijn om, na het vervaardigen van de schoepen 4, door middel van frezen bepaalde delen van het toegevoegde materiaal weer weg te nemen om zo de individuele schoepen 4 te creëren.With such a method it will be necessary, after manufacturing the blades 4, to remove certain parts of the added material by means of milling in order to thus create the individual blades 4.

In figuur 4 is nog een andere variant weergegeven van een werkwijze volgens de uitvinding. In dit voorbeeld, strekken de opeenvolgende lagen 10 zich uit in een richting die afwijkt van de richting van het naafoppervlak 6.Figure 4 shows yet another variant of a method according to the invention. In this example, the successive layers 10 extend in a direction that deviates from the direction of the hub surface 6.

Dit wil zeggen dat de opbouwrichting van de schoepen 4 afwijkt van de richting loodrecht op het naafoppervlak 6.This means that the direction of construction of the blades 4 deviates from the direction perpendicular to the hub surface 6.

In de meeste gevallen betekent dit dat er meer lagen 10 nodig zijn om een schoep 4 volledig op te bouwen, wat ervoor zorgt dat het opbouwen van de schoepen 4 langer duurt, onder andere ook door een langere overgangstijd van de ene schoep 4 naar de andere schoep 4.In most cases this means that more layers 10 are needed to fully build up a vane 4, which ensures that building up of the vanes 4 takes longer, also due to a longer transition time from one vane 4 to the other blade 4.

Doch, als gevolg hiervan kan de samenstelling van de schoepen 4 beter gemanipuleerd worden.However, as a result, the composition of the blades 4 can be better manipulated.

Zoals blijkt uit figuren 4B-4D, worden de lagen 10 opgebouwd vanaf de uitlaatzijde 13 van het schoepenrad 1 naar de inlaatzijde 12 toe.As can be seen from Figures 4B-4D, the layers 10 are built up from the outlet side 13 of the paddle wheel 1 towards the inlet side 12.

Dit wil zeggen dat de eerste lagen 10 worden aangebracht ter plaatse van de uitlaatzijde 13, waarna de lagen 10 steeds meer opschuiven in de richting van de inlaatzijde 12.This means that the first layers 10 are applied at the location of the outlet side 13, whereafter the layers 10 shift more and more in the direction of the inlet side 12.

Ook dergelijke werkwijze zal ervoor zorgen dat er steeds voldoende ruimte blijft om de volgende lagen 10 te kunnen aanbrengen.Such a method will also ensure that there is always sufficient space to be able to apply the following layers.

Alhoewel in de hierboven weergegeven varianten, steeds het aanbrengen van na één, twee of drie lagen 10 werd overgegaan naar de volgende schoep 4, is het ook mogelijk dat pas nadat alle lagen 10 van een eerste schoep 4 zijn aangebracht, de lagen 10 van een volgende schoep 4 worden aangebracht.Although in the variants shown above, the application of after one, two or three layers 10 was always transferred to the next vane 4, it is also possible that only after all the layers 10 of a first vane 4 have been applied, the layers 10 of a following vane 4 are fitted.

Het is duidelijk dat de verschillende optionele stappen en manieren om de schoepen 4 laag 10 per laag 10 op te 'bouwen zoals besproken in de variant van figuur 2, ook toepasbaar zijn in de andere varianten uit figuren 3 en 4.It is clear that the various optional steps and ways of building up the vanes 4 layer 10 per layer 10 as discussed in the variant of Figure 2 are also applicable to the other variants of Figures 3 and 4.

De huidige uitvinding is geenszins beperkt tot de als voorbeeld beschreven en in de figuren weergegeven uitvoeringsvormen, doch een dergelijke werkwijze en centrifugaal schoepenrad daarmee bekomen kunnen volgens verschillende varianten worden verwezenlijkt zonder buiten het kader van de uitvinding te treden.The present invention is by no means limited to the embodiments described as examples and shown in the figures, but such a method and centrifugal paddle wheel obtained therewith can be realized according to different variants without departing from the scope of the invention.

Claims

Conclusions. Method for manufacturing a centrifugal paddle wheel (1), which paddle wheel (1) comprises a base (7) with a hub {8), the paddle wheel (1) further comprising a number of protruding paddles (4) mounted on the surface {6) of the hub (8) is arranged, characterized in that the method comprises the following steps: - providing a metal blade wheel base (7) with a hub surface (6); - building up the blades (4) layer by layer on the hub surface (6) of the metal blade base (7) with layers (10) of a metal using an additive manufacturing method, the metal used for the layers ( 10) is compatible with the metal of the metal impeller base (7).

Method according to claim 1, characterized in that the method also comprises the step of applying a heat treatment after building up the aforementioned blades (4).

Method according to claim 1 or 2, characterized in that the method also comprises the step of machining by machining the edges or the side faces of the aforementioned blades (4).

Method according to one of the aforementioned claims, characterized in that the hub surface (6) and the layers (10) already applied to the hub surface (6) are heated before the next layer (10) is applied.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that after one, two, three or more layers (10) of a first vane (4) have been applied, one, two, three or more layers (10) of a following blade (4). Method according to one of the preceding claims, characterized in that two or more consecutive layers (10) of a vane (4) have a different length, so that the height of the vane (4) varies along the length of the vane ( 4). Method according to one of the preceding claims, characterized in that for layer-by-layer building of the blades (4) use is made of layers (14) which form one continuous layer (14) for all blades (4).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the successive layers (10) extend in a direction parallel to the hub surface (6).

Method according to one of the preceding claims 1 to 7, characterized in that the successive layers (10) extend in a direction that deviates from the direction of the hub surface (6).

Method according to claim 9, characterized in that the layers (10) are built up from the outlet side {13} of the centrifugal paddle wheel (1) towards the inlet side (12).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the metal used for layer-by-layer building of the blades (4) has a different composition per layer (10).

Method according to any one of the preceding claims, characterized in that the hub (8) or impeller base (7) is manufactured using an additive manufacturing method.

13. Centrifugal paddle wheel, characterized in that the centrifugal paddle wheel (1) is manufactured according to a method according to one of the preceding claims.

Compressor, characterized in that the compressor is provided with a centrifugal blade wheel (1) according to claim 13.

Expander, characterized in that the expander is provided with a centrifugal blade wheel (1) according to claim 13.