专利名称：涡轮机械的可磨损性密封的制作方法
技术领域：
本发明涉及内流式涡轮机和压缩机的各项改进，而特别地，但并非唯一地涉及装在涡轮增压机之中的涡轮机和压缩机。
内流式涡轮机通常包括一装在涡轮机外壳里面的涡轮叶轮，外壳的内壁形成一配置得围绕涡轮叶轮的环形进气通道和一从涡轮叶轮延伸的大体是圆筒形的轴向出气通道，这种结构在于，进入进气通道的加压气体经由涡轮叶轮流向出气通道，从而驱动涡轮叶轮。
在出气通道会合进气通道的地方，涡轮机外壳的内壁沿径向向外弯曲，形成一弧形的环状台肩。各涡轮叶轮叶片的径向外部边缘形成的外轮廓基本上顺随外壳的外部轮廓，具有一个在进气通道区内的一般为平直的第一部分、一个顺随弧形的环状台肩的外形的第二弧形部分，以及一个伸进出气通道的基本上平直的第三部分。
各涡轮机叶片设计得紧密顺随外壳的轮廓，以便尽量减小二者之间的间隙，这是为尽量提高效率所必需的。不过，尽量减小各涡轮机叶片的顶端与外壳内壁之间的间隙这一点，由于在涡轮机温度升高到其操作温度时多种涡轮机部件的不同热膨胀，是颇成问题的。
通常，涡轮机都设计得在各叶片顶端与外壳之间带有空隙，以允许这种不同的膨胀。不过，如果涡轮机通常设计得用于在某一温度范围内运转，则必须达成一种折衷或是必须提供一足够大的间隙，以允许在所有极端操作温度下的不同膨胀，而这将导致在某些操作温度下出现一种不合需要的大间隙；或是可能只提供一较小的余隙并必须接受以下事实，即至少在某些虽然是暂态的操作条件下，涡轮机叶片会靠在外壳上摩擦(这里就会导致迅速磨损，并在某些情况下损坏涡轮机部件)。
曾经采取了多种途径来解决这一问题，一种途径是，用一环形的可磨损材料层涂敷靠近各涡轮机叶片顶端的涡轮机外壳的内壁，亦即，覆盖弧形的内侧台肩和环绕涡轮叶轮的那部分出气通道。这样可允许涡轮机设计得在涡轮叶轮与外壳之间带有基本上为零的余隙，使得涡轮叶轮在它转动时有效地加工出它自身的余隙。已经提出了多种不同的材料作为适当的涂层，请见比如美国专利第5185267号。
虽然上述解决办法是有效的，但既在所用的可磨损材料方面，也在使用一种给定的可磨损层涂敷涡轮机外壳的有关工艺方面，上述办法还是比较昂贵的。
本发明的目的是要消除或减轻上述各项缺点。
按照本发明的一第一方面，提供一种内流式涡轮机，包括一外壳；一涡轮叶轮，装在此外壳里面并具有一些涡轮机叶片，此外壳形成一环形进气通道，此进气通道安排成围绕一部分涡轮叶轮；一出气通道，此出气通道具有一大体圆筒形的部分，此部分安排成围绕一部分涡轮叶轮；以及一弧形环状台肩，该台肩从出气通道的所述大体是圆筒形的部分向所述环形进气通道径向向外弯曲，每一叶片的径向外缘各有一靠近出气通道的大体圆筒形的部分的第一部分和一靠近弧形的环状台肩的第二弧形部分，此涡轮机中，外壳设有由一种可磨损材料构成的一环形层，该层基本上覆盖出气通道的所有的所述大体圆筒形的部分和至多只是靠近出气通道所述圆筒形部分弧形台肩的一较小的环形部分。
我们有惊人的发现，即通过把可磨损涂层在或靠近出气通道与弧形台肩会合处的环状区终止，在制造成本大为节省的同时，实际上丝毫不损害涡轮机性能。这样作与通常的涡轮机设计形成显著差别，其中可磨损涂层安排成覆盖涡轮机外壳靠近各涡轮机叶片的整个表面。
任何适当的可磨损材料都可使用，诸如在先前技术中所提出的多种材料。不过，我们发现，采用一种材料可以进一步节省成本，此材料是一种镍粉与铝粉和一种粘合剂的混合物，其中以重量计，镍含量是大约90％至96％，而铝含量是大约3％至7％。比方，在本发明的一最佳实施例中，可磨损材料是一种混合物，以重量计包括大约93％的镍、大约5％的铝，以及大约2％的粘合剂。这样一种粉料由美国公司MetcoInc.(of 1101 Prospect Avenue，NY11590)出售，商标是METCO450。这种材料比通常用于涡轮机的可磨损材料要便宜的多，但以前从未用于涡轮机，因为人们一直认为，它不易磨损，而且实际上可能发生氧化和硬化而变得有磨蚀作用。不过，我们已经发现，这种材料在涡轮机中性能良好，至少在低于大约760℃的温度上是如此的。
可磨损涂层可以用任何适当的方法施加到外壳的表面。在上述最佳可磨损材料的情况下，可磨损层最好是用通常的热喷涂工艺予以施加。施加工艺得到控制，以致可磨损层具有一种适当的、相应于一所需硬度的孔隙度(该硬度可能比如取决于涡轮机叶片的材料和结构)。
可磨损材料施加于涡轮机外壳表面的方式可以是，涂层的底层较硬，以致只有此层的外部区域是真正可磨损的。亦即可磨损层的施加方式可以是，它的有效可磨损性只达到一定的深度。不过，以前和此后，凡提到“可磨损层”都应理解为指的是施加于涡轮机外壳的整个可磨损材料层，而不只是材料层在实际情况下确实是可磨损的那一部分。因而，下面凡提到“可磨损层”的厚度都应理解为指的是施加于涡轮机外壳的整个一层的厚度，而不管此层不可认为遍及其整个厚度都是可磨损的。
可磨损层的最佳厚度将在很大程度上取决于涡轮叶轮与涡轮机外壳之间的最初余隙的大小。可磨损涂层最好是对于任何给定的余隙来说尽可能地厚，同时允许涡轮机是自起动的。因而，可磨损层的平均厚度最好是小于涡轮叶轮与外壳之间的余隙大约0.1毫米。
比方，在已装入涡轮增压机的涡轮机里面，在各涡轮机叶片最顶端与外壳内壁之间的径向间隙一般是小于1毫米。因而，比如，在本发明的一最佳实施例中，各涡轮机叶片最顶端与外壳内壁之间的径向间隙是大约0.5毫米，而可磨损层的厚度刚刚小于余隙，比方是大约0.4毫米。
除了以上详述的本发明的第一方面以外，我们还发现，通过在压缩机外壳上装备一可磨损涂层，在内流式压缩机中可以取得显著的性能改进。亦即，内流式压缩机一般包括一压缩机叶轮，装在一压缩机外壳里面，此外壳形成一通向压缩机叶轮的大体上圆筒形的轴向进气通道和一安排成围绕压缩机叶轮的环形出气通道。尽管这种压缩机的结构大致类似于涡轮机的结构，但由于压缩机的操作温度一般显著地低于涡轮机的操作温度，所以，与各压缩机部件的不同膨胀相关的一些问题以前并不认为是值得注意的。不过，我们发现，通过在靠近压缩机叶轮各叶片顶端的外壳表面上配置一可磨损涂层而尽量减小压缩机叶轮各叶片与压缩机外壳之间的余隙，可以获得在性能方面的各种适当的改进。
因此，本发明的第二方面提供一种压缩机，包括一外壳，以及一压缩机叶轮，此轮装在此外壳里面并具有一些压缩机叶片，外壳在一靠近所述各涡轮机叶片的区域内配置一环形的可磨损材料层。
在一压缩机的最佳实施例中，外壳形成一进气通道，它具有一大体圆筒形的部分，安排成围绕一部分压缩机叶轮；一环形出气通道，安排成围绕一部分压缩机叶轮；以及一环形的环状台肩，此台肩从进气通道的所述大体圆筒形的部分向所述环形出气通道径向向外弯曲，每一叶片的径向外部边缘具有一靠近进气通道的大体圆筒形部分的第一部分和一靠近弧形的环状台肩的第二弧形部分，而环形的可磨损材料层覆盖靠近压缩机叶轮各叶片的至少一部分所述弧形台肩。
如同本发明的第一方面，我们发现，只将可磨损涂层施加于靠近压缩机叶轮各叶片的压缩机外壳的朝向外壳出口的那部分上面，就可以节省成本而不致显著地损害性能，因而，在本发明第二方面的一最佳实施例中，可磨损涂层覆盖至少一部分所述环形台肩，而并非全部的，或并非基本上全部的进气通道的所述圆筒形的部分都由涂层覆盖。
只用所述可磨损涂层覆盖朝向环形出口的环状台肩的那部分，可以进一步节省成本。因而，在本发明的一更优选的实施例中，可磨损涂层覆盖环状台肩的一个区域，对于这一区域，弯曲具有一径向分量，大于或基本上等于其轴向分量。
涂层的最佳厚度取决于各涡轮机叶片与外壳之间最初余隙的大小，并且最好是尽可能地厚，同时并不妨碍压缩机在其自身动力下起动。一般可磨损涂层的厚度处在0.1毫米到0.5毫米的范围之内。
许多材料适合于用作压缩机的可磨损涂层，它们一般具有不同于用作涡轮机中可磨损涂层的材料的规格。我们发现，性能良好的一种可磨损材料是一种铝合金粉、硅和聚酯的混合物。一种最佳组成，以重量计包括大约60％的铝合金、大约12％的硅和大约28％的聚酯。(这样一种材料由Metco Inc.出售，商标是METCO 601)。
上述最佳可磨损材料最好是用一种等离子流喷涂工艺施加于压缩机外壳。如同上面关于涡轮机所述的那样，可磨损层实际上施加于外壳的方式可以是，此层的一底部是较硬的并因而不是真正可磨损的。不过，凡提到可磨损层厚度，无论以前和此后，都应当理解为指的是施加于外壳的层厚，不论实际上此层是否遍及其厚度都是可磨损的。
本发明的各具体实施例现在将通过范例参照附图予以说明，附图中
图1是按照本发明的装有一涡轮机和一压缩机的一种涡轮增压机的一轴向横截面；以及图2表明示于图1中的压缩机的一改型。
参照附图，所示涡轮增压机具有按照本发明予以改进的一种比较通常的结构。因此，以下将详细说明只与本发明的各个方面相关的一些细节。
此涡轮增压机包括一内流式涡轮机，一般用参照编号1表明，以及一内流式压缩机，一般用参照编号2表明。此涡轮机1包括一外壳3，内装一涡轮叶轮4，此轮具有沿径向伸展的各叶片5。此外壳3形成一环形进气腔6，此腔具有一环形通道7，此通道围绕此涡轮叶轮4的一后部配置。外壳3还形成一大体圆筒形的出气通道8，通道8的一部分环绕着涡轮叶轮4的前部。在出气通道8与进气通道7会合的地方，外壳3的内壁径向向外弯曲，形成一弧形的环形台肩9。
每一涡轮机叶片5的径向外部边缘都构成这样的轮廓即，它具有一较直的后部10，后部10穿过进气通道7延伸；一较直的前部11，伸进出气通道8；以及一弧形部分12，顺随弧形的环形台肩9的外廓。
如在此说明书的引言中所述，各叶片5构成这样的外部轮廓，使得它们密切地顺随外壳3的外廓而将其间的余隙减至最小。在附图中，各涡轮机叶片5与外壳3之间的间隙放大了，以便于说明下述的一种磨损层。
按照本发明，一种可磨损材料制成的一环形层13设置在出气腔环绕涡轮叶轮的那一部分的表面上，亦即外壳3靠近每一涡轮机叶片5的部分11的内表面上。
在图示的最佳实施例中，在各涡轮机叶片5的最外边缘与外壳3的内壁之间的径向间隙大约是0.5毫米，而可磨损层13的厚度大约是0.38毫米。
各种各样的材料可以用于可磨损层13，但在图示的本发明最佳实施例中，可磨损材料以重量计包括93％镍粉、5％铝粉，以及2％的有机粘合剂，并且自Metco公司获得，商标是METCO450/17。
图示涡轮机与配有一种可磨损层的各种通常涡轮机的不同之处在于，所有(或者基本上所有)弧形的环形台肩9是留出来而未加涂敷的。这样使所需的可磨损材料的用量大为节省(从而制造成本显著降低)，同时在性能上极少损失。事实上，在多次测试中，性能损失已经证实过于微小而无法适当测定。
除了节省材料用量以外，本发明还通过采用一种较为便宜的材料，即METCO450/17粉末，而节省成本，这种材料原先一直认为不适合用于这种场合的(如上所述)。
可磨损层13可以使用任何适当的工艺施加于外壳3的表面，比如采用一种热喷涂工艺。这种工艺是为人熟知的并因而在此不予进一步说明。可磨损材料的施加要使之具有一种相应于所需硬度的孔隙度，施加方式最好是，首先形成一较硬(因而是比较不易磨损的)的底层，在它上面再形成一较软层。比如，层13的上部可磨损区的适当硬度由规格R15y＝70±5予以给定。
再次参见附图，压缩机工具有一类似于涡轮机1的结构，并包括一压缩机叶轮14，该轮装在一外壳15之中与涡轮叶轮4同一根轴上。此外壳15形成一大体上圆筒形的进气通道16，该通道通向压缩机叶轮14，而且其一部分环绕着压缩机叶轮14的前部。外壳15还形成一环形出气腔17，具有一环形出气通道18，环绕着压缩机叶轮14的后部。在进气通道16与出气通道18之间是一弧形的环形台肩19。
图示的压缩机2与通常各种压缩机的不同之处在于，可磨损材料制成的一环形层20施加于环形台肩19的表面。设置可磨损层20使得它能有效地减小压缩机叶轮14与外壳15之间的余隙，这在性能方面已经产生了一种可观的提高。多次测试已经表明，设置如图所示的可磨损层26可导致压缩机2的压力系数提高大约4％。
当在上述涡轮机的情况下，可磨损材料的环形层20不需要覆盖外壳15的靠近压缩机叶轮14的所有内壁；如图所示，仅覆盖通向环形出气通道18的环形台肩19就可以节省很大一笔费用(对性能影响最小)。通过仅覆盖朝向出气口18的那一部分台肩19可以获得更大的节省。比如，可磨损层20可以覆盖环形台肩19的一个区域，即从出气通道18伸展到台肩的一区域处或靠近此区域的一个区域，在此区域弯曲的径向分量大略地等于其轴向分量，这在图2之中表明。
可以理解，多种多样的材料可以用于可磨损层20。不过，在图示的最佳实施例中，可磨损材料是一种粉末，以重量计包括60％的铝合金、12％的硅、和28％的聚酯，自Metco公司获得，商标是METCO601。选择这一特定的粉料是由于，它足够软和可磨而不会损害压缩机叶轮的各较薄的叶片。这种粉料比上面提及的METCO450粉料具有一较高的熔点，并因而采取一种等离子流喷涂工艺施加到压缩机外壳的表面上。这种等离子流喷涂工艺是一种常用的工艺，在此不作详细说明。
可磨损层20的厚度应当尽可能地大，然而不妨碍压缩机自启动。在图示的最佳实施例中，层20的厚度为大约0.5毫米。如同以上关于施加于涡轮机的可磨损层13所述的那样，实践中，可磨损材料施加于外壳表面的方式最好是，起初形成一较硬(因而不易磨损)的底层。亦即，可磨损层实际上将不是遍及其整个厚度都是可磨损的。
将会理解，本发明可用于在许多场合中所采用的各种涡轮机和压缩机，而不局限于涡轮增压机。同样，将会理解，图示涡轮增压机的许多组节是可以改进的。
关于各种可磨损材料层，将会了解，它们的厚度和确切位置是可以变化的，比如随着涡轮机/压缩机各种结构而变化。比方，在各种大型涡轮增压机中，各涡轮机叶片与外壳之间的余隙可以是大约0.8毫米，在此情况下，可磨损层的厚度最好是大约0.7毫米(比如大约0.68毫米)。此外，在涡轮机的情况下，可磨损层不是必需覆盖围绕着涡轮叶轮的出气通道的所有部分，而是可以比如在弧形的环状台肩以前和/或不到涡轮叶轮的前端的地方终止。
权利要求
1.一种内流式涡轮机，包括一外壳；一涡轮叶轮，此轮装在外壳里面并具有一些涡轮机叶片，此外壳形成一环形进气通道，此通道安排成围绕一部分涡轮叶轮；一出气通道，它具有一大体圆筒形的部分，安排成围绕一部分涡轮叶轮；以及一弧形环状台肩，此台肩从出气通道的所述大体圆筒形的部分向所述环形进气通道沿径向向外弯曲，每一叶片的径向外缘具有一靠近出气通道的大体是圆筒形的部分的第一部分和一靠近弧形的环状台肩的第二弧形部分，此涡轮机中，外壳配有由一种可磨损材料制成的一环形层，此层基本上覆盖出气通道的所有的所述大体圆筒形部分和至少只是弧形台肩靠近出气通道所述圆筒形部分的一较小的环形部分。
2.按照权利要求1所述的一种内流式涡轮机，其中可磨损材料层只是覆盖出气通道的大体圆筒形部分。
3.按照权利要求1或权利要求2所述的一种内流式涡轮机，其中可磨损材料是一种镍粉、铝粉和粘合剂的混合物。
4.按照权利要求3所述的一种内流式涡轮机，其中粘合剂是一种有机粘合剂。
5.按照权利要求3或权利要求4所述的一种内流式涡轮机，其中可磨损材料以重量计包括从大约90％到大约96％的镍粉和从大约3％到大约7％的铝粉。
6.按照权利要求5所述的一种内流式涡轮机，其中可磨损材料以重量计包括大约93％的镍和大约5％的铝。
7.按照权利要求3至6中任何一项所述的一种内流式涡轮机，其中可磨损材料通过一种热喷涂工艺施加于涡轮机外壳的表面。
8.按照任何一项前述权利要求所述的一种内流式涡轮机，其中可磨损层的平均厚度小于在可磨损层的区域之中涡轮叶轮与涡轮机外壳之间的余隙大约0.1毫米。
9.按照权利要求8所述的一种内流式涡轮机，其中可磨损层的平均厚度在大约0.1毫米与大约0.9毫米之间。
10.按照权利要求9所述的一种内流式涡轮机，其中可磨损材料层具有大约0.4毫米的平均厚度。
11.一种内流式压缩机，包括一外壳；一压缩机叶轮，此轮装在外壳里面并具有一些压缩机叶片，此外壳在靠近所述各涡轮机叶片的区域内设置由一种可磨损材料制成的环形层。
12.按照权利要求11所述的一种内流式压缩机，其中外壳形成一进气通道，此通道具有一大体圆筒形的部分，此部分安排成围绕一部分压缩机叶轮；一环形出气通道，安排成围绕一部分压缩机叶轮；以及一弧形的环状台肩，此台肩从进气通道的所述大体圆筒形的部分到所述环形出气通道沿径向向外弯曲，每一叶片的径向外缘具有一靠近进气通道的大体圆筒形部分的第一部分和一靠近弧形的环状台肩的第二弧形部分，其中，环形的可磨损材料层覆盖至少部分所述弧形台肩，而所有的，或者基本上所有的，进气通道的所述圆筒形部分留下来不被所述可磨损材料层所覆盖。
13.按照权利要求12所述的一种内流式压缩机，其中可磨损材料层只是覆盖所述环形台肩的一个区域，其中台肩的弯曲具有一轴向分量，此轴向分量大于或基本上等于其轴向分量。
14.按照权利要求11至13中任何一项所述的一种内流式压缩机，其中可磨损材料层的平均厚度比在可磨损层的区域之中压缩机叶轮与外壳之间的余隙小大约0.1毫米。
15.按照权利要求14所述的一种内流式压缩机，其中可磨损层的平均厚度在大约0.1毫米与0.5毫米之间。
16.按照权利要求11至15中任何一项所述的一种内流式压缩机，其中可磨损材料是一种铝合金粉末、硅和聚酯的混合物。
17.按照权利要求16所述的一种内流式压缩机，其中可磨损材料以重量计包括大约60％的所述铝合金粉末、大约12％的硅和大约28％的聚酯。
18.按照权利要求16或权利要求17所述的一种内流式压缩机，其中可磨损材料层通过一种等离子流喷涂工艺施加于压缩机外壳上。
19.一种涡轮机，包括一外壳；一涡轮叶轮，该轮装在外壳里面并具有一些涡轮机叶片；此外壳在一靠近所述各涡轮机叶片的区域内设有由一种可磨损材料制成的一环形层，此涡轮机中，所述可磨损材料以重量计包括大约90％至大约96％的镍粉、大约3％至大约7％的铝粉，以及一种粘合剂。
20.按照权利要求19所述的一种涡轮机，其中可磨损材料以重量计包括大约93％的镍粉，以及大约5％的铝粉。
21.按照权利要求19或权利要求20所述的一种涡轮机，其中粘合剂是一种有机粘合剂。
22.按照权利要求19至21中任何一项所述的一种涡轮机，可磨损层的厚度比在可磨损层的区域之中涡轮叶轮与外壳之间的径向余隙小大约0.1毫米。
23.按照权利要求19至22中任何一项所述的一种涡轮机，其中涡轮机是一内流式涡轮机。
24.一种涡轮机，基本上如此前参照附图所述。
25.一种压缩机，基本上如此前参照附图所述。
全文摘要
一种内流式涡轮机(1)包括一外壳(3)和一装在外壳(3)里面并具有一些涡轮机叶片(5)的涡轮叶轮(4)。此外壳(3)形成一环形进气通道(7),此进气通道安装成围绕一部分涡轮叶轮(4),以及一出气通道(8),此出气通道具有一大体圆筒形的部分,此部分安排成围绕一部分涡轮叶轮(4)。外壳(3)还形成一弧形的环状台肩(9),从出气通道(8)的大体圆筒形部分向环形进气通道(7)沿径向向外弯曲。每一涡轮机叶片(5)的径向外缘具有一靠近出气通道(8)的大体圆筒形部分的第一部分和一靠近弧形的环状台肩(9)的第二弧形部分。外壳(9)设有由一种可磨损材料制成的一环形层(13),此环形层基本上覆盖出气通道(8)的所有的大体圆筒形的部分,但至多只是覆盖弧形台肩(9)靠近出气通道(8)的圆筒形部分的一较小的环形部分。
文档编号F02B39/00GK1173213SQ9619166
公开日1998年2月11日 申请日期1996年10月7日 优先权日1995年10月7日
发明者K.波尔 申请人:奥尔塞特工程有限公司