專利名稱：回轉件、葉輪以及具有葉輪的流體機械的抗磨損表面處理方法
技術領域：
本發明涉及一種抗磨損表面處理方法，通過所述處理方法處理的回轉件，以及包括所述回轉件的流體機械，尤其涉及這樣一種考慮到回轉件的圓周速度和在抗磨損表面處理中的處理難度，將待處理區域分成多個區域，且通過適合每個區域的方法將抗磨損材料沉積在所述回轉件表面上的表面處理方法，具有通過所述方法處理的表面的回轉件的葉輪，以及包括所述葉輪的流體機械。
背景技術：
回轉件，比如用于渦輪機或泵的葉輪，在使用過程中可能承受所使用的某些流體造成的表面磨損。當使用清潔的液體，即幾乎不含顆粒的液體時，除了由于汽蝕作用造成的表面磨損外，葉輪的表面磨損并不是顯著的問題。然而，對于水力機械比如渦輪機或泵的葉輪，處理的水含有大量的沙和泥土，葉輪的表面受到水中的沙和泥土細顆粒的沖刷，在早期階段就會磨損。
在水力機械，比如在含有大量沙和泥土，尤其是石英成分的河流中建造的發電廠中使用的渦輪機中使用的葉輪，受到嚴重的磨損，在早期階段就變得不能使用。因此，在這種環境下使用的回轉件，比如葉輪，已經用抗磨損材料進行表面處理，但常規的方法不能提供足夠的抗磨損性。
根據所使用的渦輪機或泵的類型，某些葉輪具有復雜形狀的葉片，且根據待處理的位置，通過沉積抗磨損材料的表面處理有時非常困難。例如，軸向輻流式渦輪機葉輪具有復雜的曲面葉片，并且所述葉片位于兩個部件之間，即，主板(輪轂或輪冠)和側板(下環或輪緣)，因此葉輪內側的表面處理非常困難。
另一方面，已知多種在表面上沉積抗磨損材料的表面處理方法。例如，所述方法包括氣體粉末法，電弧噴涂法，氣體等離子法，高速火焰噴涂法，噴涂和熔化法等。本發明人研究了這些方法是否可以用于葉輪的表面抗磨損處理，發現由于熱源的差異等，可噴涂的材料受限。根據噴涂方法，這使經過處理的表面的抗磨損性產生差異，進一步限制了能夠進行表面處理的位置。

發明內容
本發明是為了解決上述問題而實現的。本發明的一個目的在于提供一種處理方法，其中考慮到處理難度，圓周速度等，選擇例如回轉件，比如流體機械的葉輪的表面處理方法，以通過最佳的方法進行表面處理。
本發明的另一目的是提供一種抗磨損表面處理方法，其中，在滿足低處理難度或高圓周速度的條件的區域，通過高速火焰噴涂方法進行表面處理；在高處理難度的區域通過噴涂和熔化方法或電弧噴涂方法，或其組合進行表面處理，從而提供高抗磨損性和高抗裂性。
本發明的另一目的是提供一種抗磨損表面處理方法，其中在通過高速火焰噴涂方法進行表面處理的區域和通過噴涂和熔化方法進行表面處理的區域之間的區域，采用另一種處理方法，從而進一步提高了抗磨損性和抗裂性。
本發明的另一目的是提供一種通過上述處理方法進行表面處理的作為回轉件的葉輪，以及包括所述葉輪的流體機械。
本發明提供了一種在回轉件的表面上進行抗磨損性表面處理的方法，包括步驟根據所述回轉件的圓周速度或表面處理的處理難度，將所述回轉件的表面分成多個區域；在圓周速度最高、或處理難度低的第一區域的表面上通過高速火焰噴涂方法噴涂抗磨損材料；在具有較高處理難度的第二區域的表面上通過電弧噴涂方法或噴涂和熔化方法噴涂抗磨損材料。
所述抗磨損表面處理方法還可包括步驟在所述回轉件的第一區域和第二區域之間設有中等處理難度的第三區域；在所述第二區域通過噴涂和熔化方法，而在所述第三區域通過電弧噴涂方法噴涂抗磨損材料。
在所述抗磨損表面處理方法中，所述回轉件可以是葉輪，該葉輪包括主板、與所述回轉件主板軸向間隔的側板、及在所述主板和所述側板之間周向間隔的多個葉片，所述主板、側板和葉片形成通道，所述第一區域可包括形成所述通道表面的所述主板、所述側板和所述葉片的表面的相應部分，該第一區域位于距所述葉輪的外徑徑向向內一所需距離的位置。在這種情況下，抗磨損材料可以通過高速火焰噴涂方法沉積在所述側板的外表面，或代之以，或此外，所述側板可以形成徑向向內的開口，該開口由繞所述葉輪的軸所需半徑的圓確定，并且通過噴涂和熔化方法或電弧噴涂方法進行表面處理的所述區域可以是面對所述徑向向內的開口的葉片表面。
本發明提供了一種葉輪，包括軸向間隔和徑向延伸的主板和側板；在所述主板和側板之間周向間隔且與所述主板和側板成為一體的多個葉片；所述主板，所述側板和所述葉片形成的流體通道；在從所述葉輪的外圍徑向向內的所需距離的第一區域，通過高速火焰噴涂，沉積在形成所述通道的所述主板、所述側板和所述葉片的表面上的抗磨損材料，以及在內圍和所述第一區域之間的第二區域，通過電弧噴涂方法或噴涂和熔化方法，沉積在形成所述通道的所述主板、所述側板和所述葉片的表面上的抗磨損材料。
在所述葉輪中，在所述葉輪的所述通道的第一區域和第二區域之間的第三區域內，抗磨損性材料可以通過電弧噴涂方法沉積在所述主板、所述側板和所述葉片的表面上，抗磨損材料可以通過噴涂和熔化方法沉積在所述第二區域上，且抗磨損性材料可以通過高速火焰噴涂方法沉積在所述側板的外表面上。
在所述葉輪中，所述側板可以形成徑向向內的開口，該開口由繞所述葉輪的軸線具有所需半徑的圓限定，且抗磨損性材料可以通過噴涂和熔化方法沉積在面對所述徑向向內的開口的所述葉片表面上。
本發明還提供了一種包括所述葉輪的流體機械。


圖1是根據本發明受到抗磨損表面處理的流體機械的葉輪平面圖；圖2是圖1中葉輪的截面圖；圖3是示出了多種噴涂方法的表格；圖4是通過圖3中具體噴涂方法形成的表面處理層的性能圖；圖5是具有本發明的葉輪的流體機械示例的截面圖，其具體為一個泵。
具體實施例方式
現在，將以泵的葉輪的表面處理為例，參照附圖描述本發明的抗磨損表面處理方法。
圖1和2示出了抗磨損表面處理方法處理的泵的葉輪1。葉輪1包括具有用于接收旋轉軸的軸孔3的輪轂2，從輪轂2向外徑向延伸的盤形主板4，與主板4軸向(在圖2中為豎直方向)間隔的環形側板5，在主板4和側板5之間周向(繞位于所述軸孔中的軸線O-O周向)均勻地間隔的多個葉片6。所述葉片沿所需的曲面彎曲，且與所述主板和所述側板成為一體。主板4，側板5和葉片6形成流體流經的通道7。通道7的徑向內部8是入口部分，徑向外部9是出口部分。環形側板5具有在所述周向內側軸向延伸的部分5a，和徑向向外延伸的部分5b，且由軸向延伸部分5a形成葉輪1的入口10。當葉輪1通過流體轉動時，或葉輪1轉動而輸出流體時，在出口部分的圓周速度自然高于接近軸線O-O的入口部分的圓周速度，與離所述軸線的距離成比例。因此，例如，當葉輪在含有沙和泥土的水中旋轉時，水中的沙和泥土顆粒撞擊葉輪1的表面，特別是主板4的內表面11，側板5的內表面12，葉片6的兩表面，也就是，正壓力作用的表面13和負壓力作用的表面14，在高速下使其磨損，因為在所述徑向外側的出口部分9處圓周速度較高，所以，所述表面受到嚴重的磨損。主板4的內表面11，側板5的內表面12，葉片6的兩個表面形成葉輪1中的通道7。
在進行抗磨損性表面處理方面，形成所述通道的內表面11，12，正壓力側的表面13，和負壓力側的表面14必須通過葉輪的入口部分8或出口部分9進行處理，然而，從圖1中可以清楚地看出，葉片6在主板4和側板5之間從所述徑向內側的入口部分8向所述徑向外側的出口部分9復雜地彎曲，因此在所述通道的中間區域的處理非常困難。因此，很少在每個通道的所述表面上進行抗磨損處理，特別是難以處理的每個通道的中心部分。
對于抗磨損表面處理方法的適用方法，圖3中的表1根據沉積所使用的熱源、待沉積的噴涂材料、以及噴涂材料形狀的不同，示出了目前已知的在待處理表面上沉積抗磨損材料的方法。在本發明中，考慮到適用性(在難于處理的位置進行處理的可能性)、沉積處理層的性能、成本效率等，從這些方法中選擇某些方法作為葉輪的處理方法，選擇某些適于所述處理方法的材料進行抗磨損表面處理，且評價經過處理的表面的抗磨損性和抗汽蝕性。結果在圖4中比較示出。噴涂材料可以根據所述結果進行選擇。在圖4中的(1)的ADAMAN方法，以及噴涂和熔化(5)和(6)中，測試中在沉積的抗磨損層中發現了一或多條裂紋，發現所述方法不適于作為本發明的表面處理方法。考慮到這些結果，決定在難以處理的每個通道中心的區域或位置選用電弧噴涂方法，重點考慮處理的可能性，而在容易處理的區域，比如每個通道的入口部分和出口部分選用高速火焰噴涂方法與噴涂和熔化方法，重點考慮沉積的處理層和成本效率。
因此，對于圖1和2的葉輪，針時抗磨損表面處理的處理難度和圓周速度，所述葉輪的待表面處理區域，即，所述通道的表面和所述側板的外表面13被分成多個區域，在這些區域采用選定的處理方法。尤其是，在該實施例中，葉輪1的抗磨損表面處理區域這樣確定，即離軸線O-O在具有半徑R1的圓C1的徑向外側和葉輪1的外圍(半徑R)之間的所述通道表面的區域為A1(該區域易于從所述葉輪的外圍側接近，因此處理難度低，但圓周速度高)，在具有半徑R1的圓C1和具有較小半徑R2的圓C2之間的所述通道表面的區域為A2，靠近所述入口部分處葉片入口側的邊緣且通過形成入口10的徑向向內的開口是可見的區域(圖1中交叉陰影區域)，和側板5的軸向延伸部分5a內表面的區域為A3，除了區域A1至A3以外的所述通道表面的區域為A4(在這一區域，所述通道彎曲變窄，因而處理難度最高)，側板5的外表面13為A5(該區域易于從外側接近，因此處理難度最低)。
在抗磨損處理表面分成上述區域后，選擇所需的噴涂材料(在該實施例中，45WC-Ni-Cr-Co-B)，通過噴涂和熔化方法，沉積在屬于區域A2的表面13和屬于區域A3的表面11，12，13，14上。噴涂材料的沉積層優選為0.5mm至3mm厚。所述噴涂和熔化方法可以與常規方法相同，因此略去其詳細描述。
接著，在內表面11，12，正壓力作用的表面13，和負壓力作用的表面14上，在區域A4內通過電弧噴涂方法沉積抗磨損材料。在該電弧噴涂方法中，如上所述，難于從葉輪外側接近所述區域，因此，例如使用特定的噴槍(未示出)，該噴槍具有連接于長桿頂端用于噴涂柔性噴涂材料的噴槍頭，且能夠從葉輪外圍在內部較深的區域或位置進行電弧噴涂。選擇所需的噴涂材料(在該實施例中，圖4中的57WC-Ni-Cr)作為特定噴槍使用的柔性噴涂材料，且所述抗磨損性材料噴涂于區域A4內的通道7的每個表面11，12，13，14，而使噴涂材料的沉積層優選為0.5mm至2mm厚。最后，選擇所需的噴涂材料(在該實施例中，73WC-Ni-Cr)通過高速火焰噴涂方法(HVOF等)沉積在屬于區域A1的表面11，12，13，14，和屬于區域A5的表面15上。所述噴涂材料的沉積層優選為0.5mm至2mm厚。所述高速火焰噴涂方法可以與常規方法相同，因此略去其詳細描述。這樣完成了葉輪的抗磨損表面處理。
在上述實施例中，不在葉輪主板4的背面16，17上進行抗磨損表面處理，但根據需要可以在所述背面上進行抗磨損表面處理。
如上所述，受到抗磨損表面處理的本發明的葉輪1用于流體機械中，比如水輪機或泵。圖5示出了作為流體機械示例的立式泵30的截面圖。在該圖中，泵30包括形成容納本發明的葉輪1的泵室32的殼體31，豎直地放置且具有固定葉輪1的下端的主軸37，連接于所述殼體上部且可轉動地相對于所述殼體支撐主軸37的主軸承38，和避免流體從殼體31和主軸37之間泄漏的密封裝置39。殼體31通過已知的方法固定于管狀支撐件40上。殼體31包括上盤形端板33，形成螺旋出口室35的殼體本體34，以及管狀蓋36。圓柱形導流管連接于蓋36的底端。
對于上述泵，當主軸37轉動而使固定于主軸37底端的葉輪1轉動時，流體吸入到導流管41內的葉輪入口10中，如箭頭X所示，通過葉輪1的通道7從出口9徑向推出，流入到出口室35。在所述出口腔室中的流體從未示出的出口排出。
在通過本發明的抗磨損表面處理方法處理的所述葉輪中，所有可能磨損的表面都經過抗磨損表面處理，因此提供了較高的抗磨損性。所以，即使當泵送含有細顆粒，比如沙的液體時，葉輪也具有較高的抗磨損性。
工業應用性本發明具有下述優點。
(a)根據本發明的抗磨損表面處理方法，考慮到圓周速度或在表面處理中的處理難度，回轉件被分成多個區域，通過最佳的表面處理方法處理每個區域的表面，因此可以在具有復雜形狀且難于處理的整個回轉件表面上進行表面處理。
(b)所述噴涂方法可以這樣進行，其中易于處理且具有較高抗磨損性的材料沉積在易于處理的區域，因此，可以在承受嚴重磨損的區域進行較高抗磨損性的表面處理。
(c)本發明的回轉件具有較高的抗磨損性，因此延長了其壽命。
盡管在上文中已經參照附圖詳細描述了本發明，但上述描述是出于解釋的目的，并不意味著限制特征。應當理解，上述描述僅是示例解釋了優選實施例，所有在本發明主題的范圍內的改進和變化都受到保護。
在此通過引用包含2002年4月30日提交的日本專利申請No.2002-128016的全部公開內容，包括說明書、權利要求書、附圖和摘要。
權利要求
1.一種在回轉件的表面上進行抗磨損表面處理的方法，包含步驟根據所述回轉件的圓周速度或表面處理的處理難度，將所述回轉件的表面分成多個區域；在所述圓周速度最高、或所述處理難度低的第一區域的表面上通過高速火焰噴涂方法噴涂抗磨損材料；在具有較高處理難度的第二區域的表面上通過電弧噴涂方法或噴涂和熔化方法噴涂抗磨損材料。
2.如權利要求1所述的抗磨損表面處理方法，其特征在于還包含步驟在所述回轉件的第一區域和第二區域之間設置中等處理難度的第三區域；在所述第三區域通過電弧噴涂方法，而在所述第二區域通過噴涂和熔化方法噴涂抗磨損材料。
3.如權利要求2所述的抗磨損表面處理方法，其特征在于所述回轉件是葉輪，該葉輪包括主板、與所述回轉件的主板軸向間隔的側板、及在所述主板和所述側板之間周向間隔的多個葉片，所述主板、側板和葉片限定形成通道，且所述第一區域包括形成所述通道的所述主板、所述側板和所述葉片的表面的相應部分，該第一區域位于距所述葉輪外徑徑向向內一所需距離的位置處。
4.如權利要求3所述的抗磨損表面處理方法，其特征在于，抗磨損材料通過高速火焰噴涂方法沉積在所述側板的外表面上。
5.如權利要求3所述的抗磨損表面處理方法，其特征在于，所述側板形成徑向向內的開口，該開口由繞所述葉輪的軸線具有所需半徑的圓限定，且通過噴涂和熔化方法或電弧噴涂方法進行表面處理的所述區域是面對所述徑向向內開口的所述葉片的表面。
6.如權利要求4所述的抗磨損表面處理方法，其特征在于，所述側板形成了徑向向內的開口，該開口由繞所述葉輪的軸線具有所需半徑的圓限定，且通過噴涂和熔化方法或電弧噴涂方法進行表面處理的所述區域是面對所述徑向向內開口的所述葉片的表面。
7.一種葉輪，包含軸向間隔且徑向延伸的主板和側板；在所述主板和側板之間周向間隔且與所述主板和側板成為一體的多個葉片；所述主板，所述側板和所述葉片形成流體通道；在距所述葉輪外圍徑向向內所需距離處的第一區域內，通過高速火焰噴涂在形成所述通道的所述主板、所述側板和所述葉片表面上沉積的抗磨損材料；在內圍和所述第一區域之間的第二區域內，通過電弧噴涂方法或噴涂和熔化方法，在形成所述通道的所述主板、所述側板和所述葉片表面上沉積的抗磨損材料。
8.如權利要求7所述的葉輪，其特征在于，在所述葉輪的所述通道的第一區域和第二區域之間的第三區域內，抗磨損性材料通過電弧噴涂方法沉積在所述主板、所述側板和所述葉片的表面上，且抗磨損材料通過噴涂和熔化方法沉積在所述第二區域上，抗磨損性材料通過高速火焰噴涂方法沉積在所述側板的外表面上。
9.如權利要求8所述的葉輪，其特征在于，所述側板形成徑向向內的開口，該開口由繞所述葉輪的軸線具有所需半徑的圓限定，且抗磨損材料通過噴涂和熔化方法沉積在面對所述徑向向內的開口的所述葉片的表面上。
10.如權利要求9所述的葉輪，其特征在于，所述側板形成徑向向內的開口，該開口由繞所述葉輪的軸線具有所需半徑的圓限定，且抗磨損材料通過噴涂和熔化方法沉積在面對所述徑向向內的開口的所述葉片的表面上。
11.一種包含如權利要求7至9任一所述的葉輪的流體機械。
全文摘要
本發明提供了一種在回轉件表面進行抗磨損表面處理的方法。所述抗磨損表面處理方法特征在于包括步驟根據回轉件的圓周速度或表面處理的處理難度，將所述回轉件的表面分成多個區域A1，A2；在圓周速度最高或處理難度低的第一區域的表面上通過高速火焰噴涂方法噴涂抗磨損材料；在具有較高處理難度的第二區域的表面上通過電弧噴涂方法或噴涂和熔化方法噴涂抗磨損材料。
文檔編號F04D29/22GK1650041SQ0380962
公開日2005年8月3日 申請日期2003年4月24日 優先權日2002年4月30日
發明者中浜修平, 石堂徹, 高橋勝, 淺野保夫, 長坂浩志 申請人:株式會社荏原制作所