专利名称：叶片衬垫用的焊接连接器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有装有叶片的转子的流体机械。
当流体机械与一种具有腐蚀性的流体结合在一起使用、因而很容易使流体动力叶片的表面或者转子或推进器的其它表面磨损时，已经公知的方法是把一层防腐蚀材料的衬垫附着在叶片上，或者转子的其它流体动力表面上，以延长转子的使用寿命。
这种耐磨衬垫的特性可以各不相同，所包括的范围，从一个方面说，可以从使用附着在局部面积上的普通软钢衬垫，一直到带有用极硬的，诸如碳化钨或碳化铬之类的耐磨材料包覆的衬垫的大范围的覆盖层。局部的普通软钢类衬垫比较便宜，而且很容易贴装。用耐磨材料包覆的范围更大的衬垫，则要比局部的薄的软钢衬垫贵重得多，因此将大大增加转子或推进器的成本和复杂程度。而且，由于不可能把这样硬的覆盖表面的材料直接焊接在转子或推进器的结构件上，还存在着许多附加的问题。
转子或推进器叶片上的硬质表面衬垫特别难以装贴，尤其是对于离心推进器来说，因为，在转子高速旋转时，这种附着物也必须既能承受由衬垫旋转引起的离心载荷，又要能提供分配得很好的支承，以保证衬垫内部的应力和变形在可以接受的极限内。因此，就必须保证，任何附着物都不会危及整个叶片的结构的整体性。这样的衬垫只在这样的厚度范围内才能做到，即，由于衬垫的存在，使得转子或推进器的重量增加达到最少的程度。采用这样的附着物，失败的可能性是很大的，因为把这种材料可靠地附着在叶片表面上本身的难度就很大，而与此同时，还要使它符合叶片表面的形状。
为了能同时满足这些要求，一种可接受的实际加工方式是，把这种特制的衬垫做成叶片的形状，而这样做必然会导致成本、重量的增加和复杂性的提高。此外，由于衬垫制造的特殊性和潜在的要求供应这种衬垫的数量有限，所以，对于特制衬垫的要求会在获得形状合适的衬垫的及时供应方面产生一些问题。
现有技术的一种固定耐磨衬垫的方式是，依靠把埋头螺钉固定在特制复合衬垫的软刚支承板中，以使螺钉的头部陷入构成耐磨表面的硬质材料下方。这种装置示于图3中，将在下文中描述。
通常，这种装置是使用M16的螺钉，并且要求衬垫的软钢支承板的厚度在10mm左右，以便容纳螺钉的头部。因为，具有硬质表面的专用类型的耐磨板材坯料不适合用在这种场合。
这种特制衬垫常常是弧形的，并且，弧形的形成也要在特制衬垫上敷设硬质表面之前。然后，把预先成形的支承板夹持在一个特制的夹具中，并且将所有埋入的埋头螺钉定好位，然后再把硬质表面铺设在软钢支承板上，盖住这些埋入的头部。
在有些情况下，如图3所示，可能需要设置防护罩把螺母和螺钉杆部的突出部分遮住，以防止锈蚀。
如图4a所示，把螺柱焊接在预先制成的衬垫上已经证明是可行的，但是，因为相对于其直径来说，螺柱要做得很短，所以要保证螺柱杆部的入口都对准得好是很困难的，而且只要螺母与叶片表面之间有很小的错位，在螺钉杆部所造成的弯曲应力将超过焊缝的极限应力，导致螺钉从硬质表面上脱开。更进一步，由于这种弯曲应力而可能在焊缝中引起的任何裂纹，都不可能很容易地在转子开始运转之前检测出来，因而可能导致整块衬垫脱落。
图4b表示另一种把衬垫连接在叶片上的装置，这种装置是直接在叶片上形成的孔所构成的凹坑内进行塞焊，然后再用复合衬垫的软钢支承板把它盖住。
当采用这种塞焊时，很难保证优良的连接质量，因为焊接操作和任何事后的检查工序的空间都有限。因此，焊接缺陷和焊缝没有很好熔融的风险很大。虽然这种焊缝通常能够成功地应用于静力衬垫的连接，此时所产生的运转载荷是微不足道的，并且连接的整体性能也不是太关键的问题，但是，对于固定在受到动力的零件上，例如推进器或转子叶片的衬垫来说，就需要标准高得多的连接，以及抵抗所产生的很大运转载荷的能力。
为了避免现有技术的装置中的这些缺点，有必要研制其它把具有硬质表面的衬垫固定在转子或推进器叶片上的、可供选择的方法，以便保证有足够连接的强度，来抵抗由于旋转的衬垫上的离心力和施加在衬垫/叶片结合体上的流体动力这两种力量所产生的应力，并且，与此同时又不会损害叶片本身的结构强度。
因此，本发明的一个方面是提供一种流体机械用的转子，这种机械上有许多叶片，每一块叶片上都设有用焊接方法固定在其上的耐磨衬垫，其特征在于，上述连接焊包括连接在衬垫的支承板上的连接器套筒与连接在叶片本体的后面上的推力环之间的，至少两处定位焊缝，并且将上述推力环牢固地夹持在上述叶片本体的后面上。
本发明的第二个方面是提供一种把耐磨衬垫连接在流体机械的转子叶片上的方法，其特征在于，它包括下列步骤在上述转子叶片上形成许多孔；把许多连接器套套筒固定在上述衬垫上，并且，当衬垫固定在上述叶片上时，上述连接器套筒与叶片上的上述孔对准；上述衬垫预先制成与上述叶片的流体动力学表面相配；把上述衬垫与上述叶片贴合在一起，并且把一个推力环放置在叶片后面(非流体动力学表面)上连接器套筒的突出部分周围；在上述夹紧用推力环上放置一个管状夹紧工具，并将其相对上述连接器套筒安装，使得该工具能将上述夹紧用的推力环紧紧地压向上述叶片本体；以及在上述连接器套筒与推力环之间实施定位焊，使上述推力环相对于上述连接器套筒的位置固定，最后，从上述连接器套筒上卸下上述夹紧工具。
为了能更好地理解本发明，下面，参照附图，以举例的方式详细描述本发明。附图中
图1是在包含具有现有技术的附着物的转子的旋转轴线和一条半径的平面上的断面图；图2是沿着图1中的箭头II的视图；图3是第一种现有技术中，使用埋头螺钉把硬质表面衬垫附着在叶片上的方法的细节；图4a是第二种现有技术中，使用焊接螺柱把硬质表面衬垫附着在叶片上的方法的细节；图4b表示使用塞焊把硬质表面衬垫附着在叶片上的另一种方式的细节；图5a是按照本发明的、焊接在衬垫上的连接器的断面图，它借助于焊接在靠压在叶片本体上的推力环把衬垫固定就位；图5b是表示图5a中的连接器在安装过程中的图；以及图6是用于在焊接工序中把推力环牢固地固定在叶片本体后面的夹紧工具的图。
如上所述，图1表示现有技术中具有轮毂2的离心转子1，它能围绕着轴线3旋转，并支承着一个环形转子体4。一块中心板5确定了上述转子的中央平面，并如图2所示，在中心板两侧，在它与两块侧板5a、5b之间，装有螺旋形叶片6。因此，在转子运转时(在本例中，转子是一个离心推进器)，空气或者其它被泵压的流体能从左右两侧，流过相应的侧板5 a或5b的圆形中心孔，沿着用箭头F1和F2表示的流道，流向中心板5。然后，借助于旋转叶片6(用图2中的标号6a、6b、6c...等表示)的作用，再沿着径向向外转折。
当流过推进器的空气或其它被泵压的流体对叶片6有磨蚀作用时，就需要用借助于图2中的螺钉8上的螺母附加在上面的抗磨衬垫7来保护叶片。
图3表示一块叶片6的本体9，还表示了上述衬垫7包括一块带有耐磨层7b的支承板7a，在本图中，支承板7a是钢的，而耐磨层7b是碳化钨。衬垫7包裹在叶片6沿径向内部前缘的周围。
图3中的螺钉8有一个埋入的头部8’，这个头部埋入衬垫7的支承板7a的相应的埋头孔内，这个孔能让螺钉的杆部穿透到与附加衬垫相反的一侧(叶片的非空气动力学或非流体动力学的一侧)。然后，可以把螺母10，或者是可供选择的带有防螺母10锈蚀的垂直裙边12a的防锈杯12装在螺钉的杆部，以便以后需要时能把螺钉8从叶片9上卸下来，取下衬垫7。
图4a表示图3中的实施例的改进型，其区别在于，用焊接在衬垫支承板7a上8b处的螺柱8a来代替螺钉8，并且，用一个垫圈11来代替图3中的防锈杯12。
另一个现有技术中的实施例示于图4b。在该实施例中，衬垫7借助于覆盖在叶片的空气动力学或流体动力学表面的支承板7a，并盖住已经在叶片9上形成的孔13，固定在叶片本体9上。在把衬垫7定位之后，用足够的焊接材料熔化支承板7a和叶片的本体9，在由孔13所形成并由支承板7a封底的凹槽底部形成塞焊14。
图4a中的使用焊接螺柱的现有技术实施例，存在着螺柱长度短，使得它难以保证与它所安装的支承板7a垂直的问题，而且在拧紧螺母10时，对中方面的任何误差都将在螺柱8a与支承板7a之间的焊缝上产生相当大的变形。
同样，图4b中的实施例也有这样的缺点，即，孔13中只有很有限的空间，而其中至少一部分必须用塞焊材料14来填充，这两者都限制了焊接操作的进行，并妨碍了对最后成品进行控制质量的检查。
图5a表示按照本发明的连接器，它已经安装好，把衬垫7固定在叶片6的流体动力(液体动力或空气动力)表面的叶片本体9上。
上述连接器是一个带有内螺纹的套筒17，这个套筒以适当的间隙配合在叶片本体9中的一个孔18内，并且预先焊接在衬垫7的支承板7a的暴露表面上。
与图3的实施例中的埋头螺钉一样，把连接器套筒17焊接在支承板7a上，就为衬垫提供了许多预先固定的连接器，一当这些连接器(套筒17)穿过叶片本体中的适当的孔(孔18)而拧紧之后，这些连接器就可以用来把持住衬垫。
图5a表示这种焊接工序已经完成，一道焊缝19把一个推力环20定位在牢固地靠压在叶片本体9的后(非流体动力)表面上，结果，推力环就压住叶片本体中的孔18的周围区域。
图5a还表示了把连接器套筒17连接在衬垫的支承板7a上的焊缝21，并说明了这样的事实，即，孔18是埋头孔，以便能容纳条焊缝21的体积。
在焊接过程中和焊接之后，推力环20牢固地被夹持在叶片本体9的后面。在本实施例中，这是借助于使用夹紧工具22来完成的，这种工具有一个管状本体23，当把螺栓24柠入连接器套筒17的相应的内螺纹中时，其端面便压住推力环20。螺栓24有一个六角头24a，这个六角头与介于六角头和夹紧工具22的管状本体23的相邻端之间的球形垫圈25一起，能把管状本体23夹持在叶片本体9上，甚至在管状本体紧紧靠压在推力环20上，而连接器套筒17的轴线相对于管状本体23的轴线没有对中时，也是如此。
这种对不对中的容忍是由于球形垫圈25的缘故。如果使用平垫圈，则当螺钉头24被向上拉压在垫圈上时，垫圈周围的压缩载荷的分布就不均匀，然而，由于垫圈具有球形表面，就能让两根轴线重新作小的调整，所以，尽管连接器套筒17的轴线没有对中，也能保证压缩载荷的均匀分布。
图6中表示了夹紧工具22的管状本体23的立体图，它有一个通孔27，以便容纳螺栓24的杆部，而且这个通孔扩大成较大的口部27a，以便容纳连接器套筒17的凸出端(图5a和5b中的最下端)。在管状本体23的这一端上有两个在直径上互相相对的切掉部分或窄槽28，为焊接提供入口，以便形成若干定位焊缝，这些定位焊缝或者形成最终的连续条焊缝19(图5a)的一部分，或者在连接器套筒17在直径上相对的区域上，形成在叶片/衬垫在使用时将要受到的所有运转载荷下，足够牢固地把推力环20固定住的焊缝。
把衬垫7装在叶片本体9上的过程如下首先，预先制成具有支承板7a和耐磨层7b的衬垫7，使它与叶片的弧形相配，并且具有沿着转子上的叶片6的前缘(沿径向最靠里的边缘)周围延伸的凸缘。接着，用条焊缝21把许多连接器套筒17固定在支承板7上，其位置为，当衬垫7和叶片本体9装配在一起时，正好与叶片本体9上的孔18相对应。如上所述，连接器套筒17的轴线与衬垫的支承板7a的法向之间任何微小的不对准，都是装配工序的后续阶段所容许的。
接着，把包括管状本体23、螺母24和球形垫圈25的夹紧工具22放在连接器上，并把螺栓24柠入带有内螺纹的连接器套筒17足够的深度，以便将垫圈25压住，并把管状本体23紧紧地拉向推力环20，以提供所需要的夹紧载荷。
在此阶段中，要施焊的定位焊缝19的位置通过窄槽28露出来，所以能够进行定位焊缝19的焊接。一当定位焊缝操作完成之后，就可以把螺栓24从连接器套筒17上卸下来，并把工具拆掉，用于下一个要焊接的连接器。
如有需要，可以在刚才描述过的步骤中形成的，在直径上相对的定位焊缝19上，在围绕着暴露出来的连接器套筒17端部的周边上加焊一条连续的条焊缝，以使推力环20更加牢固地连接在连接器套筒17上。但是，当然，这种更加牢固的连接将意味着，以后要把衬垫7拆下来更换新的衬垫时，也更加困难了。
与图4所示的现有技术中的焊接螺柱的方法相比，本发明所使用的连接方法消除了在连接器与支承板的焊缝8b上产生大到不能接受的弯曲应力的危险(在正常情况下与焊接的螺柱相关联)。这是由于使用了一个带光孔(即，没有螺纹)的推力环，而不是使用带外螺纹的螺柱(图4a)，以作为主要的保持构件而达到的。推力环20的内径和连接器17的外经这两个相关的尺寸是这样确定的，即，要保证这两个构件之间有足够的间隙，以保证推力环20的端面能够完全靠压在叶片的下表面上，而不使连接器17发生弯曲。以上的这些归结成一点，就是要求有一种能对连接器17产生足够张力载荷的装置，以保证在衬垫7与叶片9之间产生适当的夹紧力，以及长久地在该系统内部保持这种载荷的某些装置。
前一种要求可借助于在图5b中所使用的按要求设计的工具22来达到。这种工具的主要特点是，它能在衬垫7与叶片9之间提供必须的夹紧力，同时，还能把推力环20定位在叶片的下表面上。更进一步，它还在工具22上形成了窄槽28，在使用该工具保持完整的夹紧力的前提下，为将推力环20局部焊接在连接器17上提供了通道。在完成了上述焊接工序之后，就可以比把工具22拆下来，而这种连接装置内部仍保持着夹紧力。然后，就可以在推力环上完成后续的焊接工序，并在每一个连接点上重复上述过程。
如果在使用一段时间之后需要把衬垫7拆卸下来(通常只在需要用新的衬垫替换过度磨损的衬垫时才要拆卸)，只要把推力环20用气割切割掉，或者把剩余的推力环焊缝刨削掉就可以了。也许有人会觉得这种方式比拆卸螺母消耗更多的工时，但实际上并非如此，因为经验表明，即使是这种螺母，在使用一段时间之后，也需要以同样的方式用气割切割掉。
这种方式比按照常用的焊接螺柱(图4a)或埋头螺栓(图3)的另外一些优点是基于这样的事实，即，焊接的推力环20本身不易由于锈蚀而发生机械损坏，因为，在损坏之前必须将大部分焊缝磨损掉。相反，采用螺栓的连接方式却会在局部剧烈磨损时使螺母破裂而失效。因此，这种连接方式根本不需要任何额外的防锈保护(诸如图3中所示的盖帽)。
应该指出，这一原理还可以应用于带有外螺纹的连接器，此时，可以用与这种螺纹适配啮合的夹紧工具均匀地施加所需要的夹紧力。然而，这样就要求增加连接器的长度，并且还要把带螺纹的部分露出在推力环外面，从而增大了叶片下面的流动阻力。螺纹的尺寸也将显著地大于对于同样直径的连接器，除非在螺纹处使直径以台阶状减小，而这将大大增加连接器的制造成本。因此，带内螺纹的连接器被认为是最佳选择。
但是，有几种不带螺纹的连接器也能够达到上述效果(例如，带有能与加紧工具连接的内凹槽的光孔)。
本发明提供了一种把表面经过适当预先硬化的衬垫材料附加在推进器表面上的方法，这种方法消除了现有技术各种方法中通常伴随的各种风险。具体的说，与焊接螺柱的方法相比，虽然后者是一种在现场更换衬垫的比较灵活的方法，但是，却具有固有的缺点，即，使得螺柱的焊缝产生了附加的弯曲应力，这种弯曲应力会导致连接的失效。本发明能在施加所需要的夹紧力的同时不产生这样的弯曲载荷。
虽然在以上的陈述中衬垫的支承板7a的材料只提到了钢，但除钢以外，其他材料也可以使用，并且，如果使用钢，则包括具有各种不同硬度的全部钢种，支承板的材料可以从这些钢种中选择。
权利要求
1.一种流体机械用的转子(4)，它具有许多叶片(6)，每一块叶片上都用焊接方法连接了耐磨衬垫(7)，其特征在于，上述连接焊包括连接在衬垫的支承板(7a)上的连接器套筒(17)与接合在叶片本体(9)的后面上的推力环(20)之间的至少两处定位焊缝，并且将上述推力环牢固地夹持在上述叶片本体的后面上。
2.如权利要求1所述的转子，其特征在于，上述焊缝是一条围绕着上述连接器套筒周边的连续的环形条焊缝。
3.如权利要求1或2所述的转子，其特征在于，上述连接器套筒带有内螺纹。
4.一种与权利要求3所述的转子组合的夹紧工具(22)，它包括管状本体(23)和一个带有杆部的螺栓(24)，杆部上的螺纹与连接器套筒(17)的内螺纹啮合，上述管状本体(23)在其一端有一个凹槽，以容纳上述连接器套筒(17)的端部，其另一端有一个靠压表面，借助于螺钉(24)的头部(24a)，可以对该靠压表面施加夹紧推力。
5.如权利要求4所述的组合，其特征在于，上述容纳连接器套筒的凹槽还包括若干窄槽(28)，以便为上述定位焊缝的焊接提供进入上述连接器套筒(17)和推力环(20)的入口。
6.如权利要求4或5所述的组合，其特征在于，它还包括装配在上述螺钉(24)的头部(24a)与上述管状本体的靠压表面之间的球形垫圈(25)，以便在柠紧夹紧螺栓的过程中，容许上述螺钉与上述管状本体之间的不对中。
7.一种把耐磨衬垫(7)连接在流体机械的转子叶片(6)上的方法，其特征在于，它包括下列步骤在上述转子叶片上形成许多孔(18)；把许多连接器套套筒(17)固定在上述衬垫(7)上，并且，当衬垫固定在上述叶片上时，上述连接器套筒与叶片上的上述孔(18)对准；上述衬垫预先制成与上述叶片的流体动力学表面相配；把上述衬垫(7)与上述叶片(6)贴合在一起，并且把一个推力环(20)放置在叶片后面(非流体动力学表面)上连接器套筒(17)的突出部分周围；在上述夹紧用推力环(20)上放置一个管状夹紧工具(22)，并将其相对上述连接器套筒(17)安装，使得该工具能将上述夹紧用的推力环紧紧地压向上述叶片本体；以及在上述连接器套筒(17)与推力环(20)之间实施定位焊，使上述推力环相对于上述连接器套筒的位置固定，最后，从上述连接器套筒(17)上卸下上述夹紧工具(22)。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，它还包括在上述推力环与连接器套筒之间形成附加焊缝材料的步骤，以便将上述推力环更加牢固地安装在上述连接器套筒上。
全文摘要
一种固定在耐磨衬垫(7)的支承板(7a)上的连接器套筒(17),它借助于把一个推力环(20)焊接在穿过叶片本体(9)的孔(18)而突出来的连接器套筒(17)的一部分上,而便于将衬垫(7)固定在转子叶片的本体(9)上。以后,用气割把使得推力环连接在连接器套筒上的焊缝切割掉,就能把衬垫拆卸下来进行更换。在焊接工序中,可以使用一种包括一个管状本体(23)和一个螺栓(24)的夹紧工具(22),把上述推力环牢固地夹持在叶片本体(9)的背面。
文档编号F04D29/30GK1387612SQ0081517
公开日2002年12月25日 申请日期2000年9月7日 优先权日1999年9月7日
发明者R·A·瓦尔克 申请人:豪登电力有限公司