专利名称：回转件、叶轮以及具有叶轮的流体机械的抗磨损表面处理方法
技术领域：
本发明涉及一种抗磨损表面处理方法，通过所述处理方法处理的回转件，以及包括所述回转件的流体机械，尤其涉及这样一种考虑到回转件的圆周速度和在抗磨损表面处理中的处理难度，将待处理区域分成多个区域，且通过适合每个区域的方法将抗磨损材料沉积在所述回转件表面上的表面处理方法，具有通过所述方法处理的表面的回转件的叶轮，以及包括所述叶轮的流体机械。
背景技术：
回转件，比如用于涡轮机或泵的叶轮，在使用过程中可能承受所使用的某些流体造成的表面磨损。当使用清洁的液体，即几乎不含颗粒的液体时，除了由于汽蚀作用造成的表面磨损外，叶轮的表面磨损并不是显著的问题。然而，对于水力机械比如涡轮机或泵的叶轮，处理的水含有大量的沙和泥土，叶轮的表面受到水中的沙和泥土细颗粒的冲刷，在早期阶段就会磨损。
在水力机械，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发电厂中使用的涡轮机中使用的叶轮，受到严重的磨损，在早期阶段就变得不能使用。因此，在这种环境下使用的回转件，比如叶轮，已经用抗磨损材料进行表面处理，但常规的方法不能提供足够的抗磨损性。
根据所使用的涡轮机或泵的类型，某些叶轮具有复杂形状的叶片，且根据待处理的位置，通过沉积抗磨损材料的表面处理有时非常困难。例如，轴向辐流式涡轮机叶轮具有复杂的曲面叶片，并且所述叶片位于两个部件之间，即，主板(轮毂或轮冠)和侧板(下环或轮缘)，因此叶轮内侧的表面处理非常困难。
另一方面，已知多种在表面上沉积抗磨损材料的表面处理方法。例如，所述方法包括气体粉末法，电弧喷涂法，气体等离子法，高速火焰喷涂法，喷涂和熔化法等。本发明人研究了这些方法是否可以用于叶轮的表面抗磨损处理，发现由于热源的差异等，可喷涂的材料受限。根据喷涂方法，这使经过处理的表面的抗磨损性产生差异，进一步限制了能够进行表面处理的位置。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而实现的。本发明的一个目的在于提供一种处理方法，其中考虑到处理难度，圆周速度等，选择例如回转件，比如流体机械的叶轮的表面处理方法，以通过最佳的方法进行表面处理。
本发明的另一目的是提供一种抗磨损表面处理方法，其中，在满足低处理难度或高圆周速度的条件的区域，通过高速火焰喷涂方法进行表面处理；在高处理难度的区域通过喷涂和熔化方法或电弧喷涂方法，或其组合进行表面处理，从而提供高抗磨损性和高抗裂性。
本发明的另一目的是提供一种抗磨损表面处理方法，其中在通过高速火焰喷涂方法进行表面处理的区域和通过喷涂和熔化方法进行表面处理的区域之间的区域，采用另一种处理方法，从而进一步提高了抗磨损性和抗裂性。
本发明的另一目的是提供一种通过上述处理方法进行表面处理的作为回转件的叶轮，以及包括所述叶轮的流体机械。
本发明提供了一种在回转件的表面上进行抗磨损性表面处理的方法，包括步骤根据所述回转件的圆周速度或表面处理的处理难度，将所述回转件的表面分成多个区域；在圆周速度最高、或处理难度低的第一区域的表面上通过高速火焰喷涂方法喷涂抗磨损材料；在具有较高处理难度的第二区域的表面上通过电弧喷涂方法或喷涂和熔化方法喷涂抗磨损材料。
所述抗磨损表面处理方法还可包括步骤在所述回转件的第一区域和第二区域之间设有中等处理难度的第三区域；在所述第二区域通过喷涂和熔化方法，而在所述第三区域通过电弧喷涂方法喷涂抗磨损材料。
在所述抗磨损表面处理方法中，所述回转件可以是叶轮，该叶轮包括主板、与所述回转件主板轴向间隔的侧板、及在所述主板和所述侧板之间周向间隔的多个叶片，所述主板、侧板和叶片形成通道，所述第一区域可包括形成所述通道表面的所述主板、所述侧板和所述叶片的表面的相应部分，该第一区域位于距所述叶轮的外径径向向内一所需距离的位置。在这种情况下，抗磨损材料可以通过高速火焰喷涂方法沉积在所述侧板的外表面，或代之以，或此外，所述侧板可以形成径向向内的开口，该开口由绕所述叶轮的轴所需半径的圆确定，并且通过喷涂和熔化方法或电弧喷涂方法进行表面处理的所述区域可以是面对所述径向向内的开口的叶片表面。
本发明提供了一种叶轮，包括轴向间隔和径向延伸的主板和侧板；在所述主板和侧板之间周向间隔且与所述主板和侧板成为一体的多个叶片；所述主板，所述侧板和所述叶片形成的流体通道；在从所述叶轮的外围径向向内的所需距离的第一区域，通过高速火焰喷涂，沉积在形成所述通道的所述主板、所述侧板和所述叶片的表面上的抗磨损材料，以及在内围和所述第一区域之间的第二区域，通过电弧喷涂方法或喷涂和熔化方法，沉积在形成所述通道的所述主板、所述侧板和所述叶片的表面上的抗磨损材料。
在所述叶轮中，在所述叶轮的所述通道的第一区域和第二区域之间的第三区域内，抗磨损性材料可以通过电弧喷涂方法沉积在所述主板、所述侧板和所述叶片的表面上，抗磨损材料可以通过喷涂和熔化方法沉积在所述第二区域上，且抗磨损性材料可以通过高速火焰喷涂方法沉积在所述侧板的外表面上。
在所述叶轮中，所述侧板可以形成径向向内的开口，该开口由绕所述叶轮的轴线具有所需半径的圆限定，且抗磨损性材料可以通过喷涂和熔化方法沉积在面对所述径向向内的开口的所述叶片表面上。
本发明还提供了一种包括所述叶轮的流体机械。
图1是根据本发明受到抗磨损表面处理的流体机械的叶轮平面图；图2是图1中叶轮的截面图；图3是示出了多种喷涂方法的表格；图4是通过图3中具体喷涂方法形成的表面处理层的性能图；图5是具有本发明的叶轮的流体机械示例的截面图，其具体为一个泵。
具体实施例方式
现在，将以泵的叶轮的表面处理为例，参照附图描述本发明的抗磨损表面处理方法。
图1和2示出了抗磨损表面处理方法处理的泵的叶轮1。叶轮1包括具有用于接收旋转轴的轴孔3的轮毂2，从轮毂2向外径向延伸的盘形主板4，与主板4轴向(在图2中为竖直方向)间隔的环形侧板5，在主板4和侧板5之间周向(绕位于所述轴孔中的轴线O-O周向)均匀地间隔的多个叶片6。所述叶片沿所需的曲面弯曲，且与所述主板和所述侧板成为一体。主板4，侧板5和叶片6形成流体流经的通道7。通道7的径向内部8是入口部分，径向外部9是出口部分。环形侧板5具有在所述周向内侧轴向延伸的部分5a，和径向向外延伸的部分5b，且由轴向延伸部分5a形成叶轮1的入口10。当叶轮1通过流体转动时，或叶轮1转动而输出流体时，在出口部分的圆周速度自然高于接近轴线O-O的入口部分的圆周速度，与离所述轴线的距离成比例。因此，例如，当叶轮在含有沙和泥土的水中旋转时，水中的沙和泥土颗粒撞击叶轮1的表面，特别是主板4的内表面11，侧板5的内表面12，叶片6的两表面，也就是，正压力作用的表面13和负压力作用的表面14，在高速下使其磨损，因为在所述径向外侧的出口部分9处圆周速度较高，所以，所述表面受到严重的磨损。主板4的内表面11，侧板5的内表面12，叶片6的两个表面形成叶轮1中的通道7。
在进行抗磨损性表面处理方面，形成所述通道的内表面11，12，正压力侧的表面13，和负压力侧的表面14必须通过叶轮的入口部分8或出口部分9进行处理，然而，从图1中可以清楚地看出，叶片6在主板4和侧板5之间从所述径向内侧的入口部分8向所述径向外侧的出口部分9复杂地弯曲，因此在所述通道的中间区域的处理非常困难。因此，很少在每个通道的所述表面上进行抗磨损处理，特别是难以处理的每个通道的中心部分。
对于抗磨损表面处理方法的适用方法，图3中的表1根据沉积所使用的热源、待沉积的喷涂材料、以及喷涂材料形状的不同，示出了目前已知的在待处理表面上沉积抗磨损材料的方法。在本发明中，考虑到适用性(在难于处理的位置进行处理的可能性)、沉积处理层的性能、成本效率等，从这些方法中选择某些方法作为叶轮的处理方法，选择某些适于所述处理方法的材料进行抗磨损表面处理，且评价经过处理的表面的抗磨损性和抗汽蚀性。结果在图4中比较示出。喷涂材料可以根据所述结果进行选择。在图4中的(1)的ADAMAN方法，以及喷涂和熔化(5)和(6)中，测试中在沉积的抗磨损层中发现了一或多条裂纹，发现所述方法不适于作为本发明的表面处理方法。考虑到这些结果，决定在难以处理的每个通道中心的区域或位置选用电弧喷涂方法，重点考虑处理的可能性，而在容易处理的区域，比如每个通道的入口部分和出口部分选用高速火焰喷涂方法与喷涂和熔化方法，重点考虑沉积的处理层和成本效率。
因此，对于图1和2的叶轮，针时抗磨损表面处理的处理难度和圆周速度，所述叶轮的待表面处理区域，即，所述通道的表面和所述侧板的外表面13被分成多个区域，在这些区域采用选定的处理方法。尤其是，在该实施例中，叶轮1的抗磨损表面处理区域这样确定，即离轴线O-O在具有半径R1的圆C1的径向外侧和叶轮1的外围(半径R)之间的所述通道表面的区域为A1(该区域易于从所述叶轮的外围侧接近，因此处理难度低，但圆周速度高)，在具有半径R1的圆C1和具有较小半径R2的圆C2之间的所述通道表面的区域为A2，靠近所述入口部分处叶片入口侧的边缘且通过形成入口10的径向向内的开口是可见的区域(图1中交叉阴影区域)，和侧板5的轴向延伸部分5a内表面的区域为A3，除了区域A1至A3以外的所述通道表面的区域为A4(在这一区域，所述通道弯曲变窄，因而处理难度最高)，侧板5的外表面13为A5(该区域易于从外侧接近，因此处理难度最低)。
在抗磨损处理表面分成上述区域后，选择所需的喷涂材料(在该实施例中，45WC-Ni-Cr-Co-B)，通过喷涂和熔化方法，沉积在属于区域A2的表面13和属于区域A3的表面11，12，13，14上。喷涂材料的沉积层优选为0.5mm至3mm厚。所述喷涂和熔化方法可以与常规方法相同，因此略去其详细描述。
接着，在内表面11，12，正压力作用的表面13，和负压力作用的表面14上，在区域A4内通过电弧喷涂方法沉积抗磨损材料。在该电弧喷涂方法中，如上所述，难于从叶轮外侧接近所述区域，因此，例如使用特定的喷枪(未示出)，该喷枪具有连接于长杆顶端用于喷涂柔性喷涂材料的喷枪头，且能够从叶轮外围在内部较深的区域或位置进行电弧喷涂。选择所需的喷涂材料(在该实施例中，图4中的57WC-Ni-Cr)作为特定喷枪使用的柔性喷涂材料，且所述抗磨损性材料喷涂于区域A4内的通道7的每个表面11，12，13，14，而使喷涂材料的沉积层优选为0.5mm至2mm厚。最后，选择所需的喷涂材料(在该实施例中，73WC-Ni-Cr)通过高速火焰喷涂方法(HVOF等)沉积在属于区域A1的表面11，12，13，14，和属于区域A5的表面15上。所述喷涂材料的沉积层优选为0.5mm至2mm厚。所述高速火焰喷涂方法可以与常规方法相同，因此略去其详细描述。这样完成了叶轮的抗磨损表面处理。
在上述实施例中，不在叶轮主板4的背面16，17上进行抗磨损表面处理，但根据需要可以在所述背面上进行抗磨损表面处理。
如上所述，受到抗磨损表面处理的本发明的叶轮1用于流体机械中，比如水轮机或泵。图5示出了作为流体机械示例的立式泵30的截面图。在该图中，泵30包括形成容纳本发明的叶轮1的泵室32的壳体31，竖直地放置且具有固定叶轮1的下端的主轴37，连接于所述壳体上部且可转动地相对于所述壳体支撑主轴37的主轴承38，和避免流体从壳体31和主轴37之间泄漏的密封装置39。壳体31通过已知的方法固定于管状支撑件40上。壳体31包括上盘形端板33，形成螺旋出口室35的壳体本体34，以及管状盖36。圆柱形导流管连接于盖36的底端。
对于上述泵，当主轴37转动而使固定于主轴37底端的叶轮1转动时，流体吸入到导流管41内的叶轮入口10中，如箭头X所示，通过叶轮1的通道7从出口9径向推出，流入到出口室35。在所述出口腔室中的流体从未示出的出口排出。
在通过本发明的抗磨损表面处理方法处理的所述叶轮中，所有可能磨损的表面都经过抗磨损表面处理，因此提供了较高的抗磨损性。所以，即使当泵送含有细颗粒，比如沙的液体时，叶轮也具有较高的抗磨损性。
工业应用性本发明具有下述优点。
(a)根据本发明的抗磨损表面处理方法，考虑到圆周速度或在表面处理中的处理难度，回转件被分成多个区域，通过最佳的表面处理方法处理每个区域的表面，因此可以在具有复杂形状且难于处理的整个回转件表面上进行表面处理。
(b)所述喷涂方法可以这样进行，其中易于处理且具有较高抗磨损性的材料沉积在易于处理的区域，因此，可以在承受严重磨损的区域进行较高抗磨损性的表面处理。
(c)本发明的回转件具有较高的抗磨损性，因此延长了其寿命。
尽管在上文中已经参照附图详细描述了本发明，但上述描述是出于解释的目的，并不意味着限制特征。应当理解，上述描述仅是示例解释了优选实施例，所有在本发明主题的范围内的改进和变化都受到保护。
在此通过引用包含2002年4月30日提交的日本专利申请No.2002-128016的全部公开内容，包括说明书、权利要求书、附图和摘要。
权利要求
1.一种在回转件的表面上进行抗磨损表面处理的方法，包含步骤根据所述回转件的圆周速度或表面处理的处理难度，将所述回转件的表面分成多个区域；在所述圆周速度最高、或所述处理难度低的第一区域的表面上通过高速火焰喷涂方法喷涂抗磨损材料；在具有较高处理难度的第二区域的表面上通过电弧喷涂方法或喷涂和熔化方法喷涂抗磨损材料。
2.如权利要求1所述的抗磨损表面处理方法，其特征在于还包含步骤在所述回转件的第一区域和第二区域之间设置中等处理难度的第三区域；在所述第三区域通过电弧喷涂方法，而在所述第二区域通过喷涂和熔化方法喷涂抗磨损材料。
3.如权利要求2所述的抗磨损表面处理方法，其特征在于所述回转件是叶轮，该叶轮包括主板、与所述回转件的主板轴向间隔的侧板、及在所述主板和所述侧板之间周向间隔的多个叶片，所述主板、侧板和叶片限定形成通道，且所述第一区域包括形成所述通道的所述主板、所述侧板和所述叶片的表面的相应部分，该第一区域位于距所述叶轮外径径向向内一所需距离的位置处。
4.如权利要求3所述的抗磨损表面处理方法，其特征在于，抗磨损材料通过高速火焰喷涂方法沉积在所述侧板的外表面上。
5.如权利要求3所述的抗磨损表面处理方法，其特征在于，所述侧板形成径向向内的开口，该开口由绕所述叶轮的轴线具有所需半径的圆限定，且通过喷涂和熔化方法或电弧喷涂方法进行表面处理的所述区域是面对所述径向向内开口的所述叶片的表面。
6.如权利要求4所述的抗磨损表面处理方法，其特征在于，所述侧板形成了径向向内的开口，该开口由绕所述叶轮的轴线具有所需半径的圆限定，且通过喷涂和熔化方法或电弧喷涂方法进行表面处理的所述区域是面对所述径向向内开口的所述叶片的表面。
7.一种叶轮，包含轴向间隔且径向延伸的主板和侧板；在所述主板和侧板之间周向间隔且与所述主板和侧板成为一体的多个叶片；所述主板，所述侧板和所述叶片形成流体通道；在距所述叶轮外围径向向内所需距离处的第一区域内，通过高速火焰喷涂在形成所述通道的所述主板、所述侧板和所述叶片表面上沉积的抗磨损材料；在内围和所述第一区域之间的第二区域内，通过电弧喷涂方法或喷涂和熔化方法，在形成所述通道的所述主板、所述侧板和所述叶片表面上沉积的抗磨损材料。
8.如权利要求7所述的叶轮，其特征在于，在所述叶轮的所述通道的第一区域和第二区域之间的第三区域内，抗磨损性材料通过电弧喷涂方法沉积在所述主板、所述侧板和所述叶片的表面上，且抗磨损材料通过喷涂和熔化方法沉积在所述第二区域上，抗磨损性材料通过高速火焰喷涂方法沉积在所述侧板的外表面上。
9.如权利要求8所述的叶轮，其特征在于，所述侧板形成径向向内的开口，该开口由绕所述叶轮的轴线具有所需半径的圆限定，且抗磨损材料通过喷涂和熔化方法沉积在面对所述径向向内的开口的所述叶片的表面上。
10.如权利要求9所述的叶轮，其特征在于，所述侧板形成径向向内的开口，该开口由绕所述叶轮的轴线具有所需半径的圆限定，且抗磨损材料通过喷涂和熔化方法沉积在面对所述径向向内的开口的所述叶片的表面上。
11.一种包含如权利要求7至9任一所述的叶轮的流体机械。
全文摘要
本发明提供了一种在回转件表面进行抗磨损表面处理的方法。所述抗磨损表面处理方法特征在于包括步骤根据回转件的圆周速度或表面处理的处理难度，将所述回转件的表面分成多个区域A1，A2；在圆周速度最高或处理难度低的第一区域的表面上通过高速火焰喷涂方法喷涂抗磨损材料；在具有较高处理难度的第二区域的表面上通过电弧喷涂方法或喷涂和熔化方法喷涂抗磨损材料。
文档编号F04D29/22GK1650041SQ0380962
公开日2005年8月3日 申请日期2003年4月24日 优先权日2002年4月30日
发明者中浜修平, 石堂彻, 高桥胜, 浅野保夫, 长坂浩志 申请人:株式会社荏原制作所