[发明专利]粉末注射成形涡轮及其结构优化设计方法

说明书

技术领域

本发明属于燃气叶轮机械涡轮结构设计研究领域，具体涉及一种粉末注射成形涡轮减重新型结构以及多目标优化设计方法。

背景技术

涡轮增压是当今世界活塞式内燃机技术发展的主要方向之一，是发动机强化的最主要途径。发动机采用涡轮增压技术可以大幅度提高输出功率、提高体积与重量功率密度（强化发动机节约了资源），改善经济性、节约能源，改善排气污染、减轻噪声，补偿高原环境的功率损失。涡轮增压器的核心零部件是位于涡轮室内由热废气流推动的涡轮，以及位于冷空气一侧的压气机叶轮。压气机叶轮只需耐受较低的温度，铝制叶轮性能就能完全满足要求，材料一般为铝合金材料，密度为3000Kg/m³。而涡轮工作在高温燃气环境中，必须具有良好的耐高温以及耐腐蚀性，其材质一般采用昂贵的K418 镍基铸造合金,这种材料的密度一般为8000Kg/m³。涡轮叶轮密度是压气机叶轮密度的2～3倍,使得涡轮叶轮与压气机叶轮组成的增压器转子质量分配很不均匀,轴承支承位置偏置，涡轮端悬臂过长，转子动力学性能不佳。因此,对涡轮叶轮进行结构优化、尽量减轻其重量是非常必要的。目前，车用涡轮增压器涡轮叶轮的生产全部采用精密铸造工艺,该方法生产效率低，尺寸精度和表面光洁度较差，后续加工余量大。另外，由于涡轮结构复杂，叶片和轴部截面尺寸相差较大，采用精密铸造浇铸涡轮时，极易产生热裂、缩孔、缩松等缺陷，导致涡轮废品率较高。因此，基于传统精密铸造生产工艺无法对涡轮进行有效的结构优化，优化结果反而会造成加工困难，提高生产成本和废品率。

粉末注射成形技术是目前世界上最热门的精密复杂零件成形技术，该技术可制造传统方法难以制造、甚至不能直接制造的零件，目前已广泛应用于航天航空、电子、汽车与医疗领域中。采用粉末注射成形涡轮叶轮较传统精密铸造制造的涡轮，内部微观组织更均匀，机械、力学性能更高，且材料利用率可达95%以上，这对节约镍基高温合金等战略材料意义重大。此外，和精密铸造尺寸精度±1%相比，粉末注射成形可达到±0.3%，表面粗糙值更小，在最小直径、最小壁厚、公差、表面粗糙度等方面都显示出优势。同时注射成形模具设计更加灵活，可以拓宽涡轮叶片型面与结构设计范围。因此，在结合粉末注射成形技术的基础上，有必要用先进的优化设计方法对涡轮结构进行以减重为主要目的的优化设计。

所述粉末注射成形的涡轮包括径流涡轮、混流涡轮与轴流涡轮，属于叶轮机械领域，如车用涡轮增压器涡轮、微型燃气叶轮机械涡轮等各种动力机械、工作机械所用的涡轮等等。目前，叶轮机械叶片成型主要有“骨架成型法”与“双回转中心法”两种方法。粉末注射成形涡轮不改变涡轮的成形方法，但是可以改变：（1）叶片工作曲面的复杂程度与成形精度；（2）改变叶轮轮毂的结构，如：将实心轮毂改变为空心轮毂、将圆柱形盲孔或通孔轮毂改变为任意形状——梅花、六方、五角形状通孔或盲孔。这是由粉末注射成形技术特点——注射成形可以净近形成形比精密铸造、机械加工更复杂的零件——所决定的。当然，改变形状的目的是在保证叶轮使用性能的前提下，节约材料、减少涡轮重量以减少转动惯量、提高涡轮转子加速性能等等。）

目前，我国已有的申请专利中并不涉及粉末注射成形涡轮结构多目标优化设计方法。《增压器涡轮叶轮减重新型结构》（200710062697.5）中提出一种新型涡轮减重结构；《一种增压器涡轮转子》（201320383067.9）中提出一种新型增压器涡轮减重结构；《一种涡轮转子》（20132083084.2）提出一种新型涡轮减重结构；《一种增压器涡轮转子减重结构》（201320383127.7）提出一种新型增压器涡轮转子减重结构；《一种涡轮转子减重结构》（20132.383160.X）提出一种新型涡轮转子减重结构。《一种高负荷涡轮转子叶片陶芯减重结构》（201320417573.5）提出一种新型涡轮转子叶片减重结构。上述发明专利的技术方案均通过改变涡轮结构来实现涡轮转子的轻量化，使涡轮增压器转子系统质量分配趋于合理，提高转子系统的动力性。但是提出的结构并非是通过优化技术所得，也并不涉及涡轮结构优化设计方法，以上专利中提出的新型涡轮结构都不是最优结构。

发明内容

针对上述现有技术中所存在的缺陷，本发明目的在于提供一种粉末注射成形涡轮新型结构及优化设计方法，将粉末注射成形技术与结构优化技术设计方法相结合，得到一种全新结构的粉末注射成形涡轮。