熔盐泵组合式叶轮的制作方法

本发明涉及一种熔盐泵组合式叶轮，特别涉及一种用来输送导热熔盐介质的熔盐泵的叶轮，属于机械泵技术领域。

背景技术：

本发明所述熔盐泵，主要是指太阳能光热发电装备中，用来输送储存在熔盐储热系统高低温储罐内熔盐的液下长轴熔盐泵。

以往的这类熔盐泵，使用温度一般在400℃以下，且其熔盐的流量也不大，因而采用通常精密制造工艺整体制造的熔盐泵，即可以满足其实际运行的需求。

然而，随着太阳能光热发电事业的迅猛发展，所述熔盐泵不仅需求量大增，而且其使用温度达到600℃。高温、高速流动的熔盐液流，必然会对熔盐泵的叶轮造成快速损害的严重问题。

而当下已有技术的熔盐泵的叶轮，均系不锈钢整体铸件制品。由于所述铸件制品不仅不可避免地存在缩松，夹杂和气孔等铸造缺陷，而且其组织结构较多的是粗大的枝状结晶体和柱状晶粒，组织质地相对比较松软，因而所述叶轮铸件制品，不但其机械物理性能较差，而且缺乏耐高温、耐磨损、抗氧化和抗腐蚀等功能，很难胜任长年累月高温、高速输送介质熔盐的工作。

为了给太阳能能源开发利用，提供先进而可靠的装备支持，对已有技术的熔盐泵叶轮，进行具有实质性的改进，而提供一种能够保障其长期处于良好工作状态的熔盐泵，便成为业内的迫切期待。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种耐高温、耐磨损、抗氧化和抗腐蚀的熔盐泵组合式叶轮，以满足太阳能光热电站的需求。

本发明实现其目的的技术构想，一是用优质不锈钢锻件取代原来的铸件，以其从本质上提升叶轮的力学性能，及其在高温、高速和强腐蚀性之工作环境下的工作能力；二是将叶轮的结构分列为叶轮主体和端盖2个制件，并通过两者同中心固定连接而构成叶轮整体制品，以方便制造工艺的实施；三是在叶轮主体和端盖两者的凡是与熔盐接触的部位，均布设有膜系结构的保护层，以其保障叶轮在苛刻环境下长期存在并良好工作；四是叶轮主体采取不锈钢锻饼，并经多轴联动加工中心雕切成型的工艺策略加工生产。通过以上4点技术构想的实施，从而实现本发明的目的。

基于以上所述技术构想，本发明实现其目的的技术方案是：

一种熔盐泵组合式叶轮，其创新点在于：

a、所述叶轮由具有叶片的叶轮主体和端盖两者同中心固定连接而构成一符合设计要求的完整的叶轮；

b、所述叶轮主体和端盖，两者均是不锈钢锻饼经机械加工而成型的制成品；

c、所述叶轮主体和端盖在两者组合后的工况下，凡是与其所输送介质熔盐接触部位的表面上，均布设有保障其长期良好工作状态的保护层。

基于本发明技术构想，可以清楚地明了，本发明主旨技术方案，实现了其所要实现的目的。

为了让本发明能够在高温、高速和高腐蚀的环境下长期胜任其工作，采用不锈钢作为叶轮主体和端盖的锻饼原料，那是必须这样做的。然而，本发明经验证和分析了奥氏体不锈钢OCr17Ni12Mo2N的化学物理性能后认知，由于这种所述不锈钢中含有N，而提高了强度，但不降低其塑性，且具有非常良好的耐蚀性、耐热性和冲压、锻造等热加工性，无热处理硬化现象。为此本发明优选奥氏体不锈钢OCr17Ni12Mo2N，为本发明叶轮主体和端盖锻饼的材料。但并不局限于此。

有鉴于介质熔盐的流速与熔盐泵损害速率成正比，因而必须控制熔盐流速在安全范围之内。

为了防止熔盐流速引起熔盐泵叶轮的腐蚀损害，本发明特地对叶轮作了表面处理，以有效提升其自我保护功能。

而所述表面处理，本发明优选的是：在叶轮主体和端盖工况下接触熔盐部位所布设的保护层是膜系结构层，所述膜系保护层自叶轮主体和端盖表面起始，由内至外依次是表面不锈钢重构层，TiN氮化钛层和Si₃N₄氮化硅层。其中所述的表面重构层，是具有一定厚度的高强度离子轰击层，它不单对产品主体表面作了十分有效的除害处理（去除氧化皮和油污等杂物），而且还有效提高了所述主体表面致密性和与在后镀层的粘着牢度。

而其中Si₃N₄是一种共价化合物陶瓷，是一种结构单元为[Si₃N₄]四面体，即硅原子位于四面体的中心，其周围有四个氮原子，且分别位于四面体的四个顶点，然后，以每三个四面体共有一个原子的形式，在三维空间形成连续又坚固的网络结构。所述氮化硅的很多优异的化学物理性能都源于此结构。例如:其分解温度在空气中为1800℃，由于其热膨胀系数低，导热率高，而其耐热冲击性能极佳，具有很高的强度和抗冲击能力，其使用温度可达到1300℃，且受热后不会熔成融体，一直到1900℃才会分解；另外Si₃N₄还具有良好的自润滑性能，且使用在100-800℃温度区间不会产生因温差造成的膨胀和收缩。

基于Si₃N₄如上所述的化学物理性能，本发明优选其为所述保护层的面层，是有理由的，是谋求本发明实现其目的的正确选择。但并不局限于此。

而所述TiN氮化钛层，是所述叶轮主体和端盖表面重构层与Si₃N₄外层之间的过渡连接层。通过TiN氮化钛层的过渡，以令Si₃N₄氮化硅层与表面重构层牢固粘结在一起。

本发明基于其使用性能和性价比的考虑，其优选地所述表面不锈钢重构层，是经高能离子束轰击的组织致密的原子活化层，而所述TiN氮化钛层的厚度在1~3μm范围内，所述Si₃N₄氮化硅层的厚度在3~5μm范围内。但并不局限于此。

本发明之叶轮主体与端盖的同中心连接，应该是与其最终叶轮准确成型和长期正常工作至关重要的技术关键，而两者连接的强度和连接部位的防泄漏问题，则是关键中的关键。本发明通过反复试验论证，而主张所述叶轮主体制成品与端盖制成品两者同中心固定连接的结构方式，是以下三种连接结构方式中的一种，或者是其中所述二种以上连接结构方式的结合：

第一种连接结构方式是螺栓固定连接；所述的螺栓固定连接，是由至少三个双头螺栓均匀布置在所述叶轮1/2~2/3半径范围内所作的同一圆弧线上，且分别由2个扁平螺母对所述叶轮主体和端盖实施无缝对栓的固定连接；

第二种连接结构方式是铆合固定连接；所述的铆合固定连接，是在所述叶轮1/2~2/3半径范围内所作的同一圆弧线上的叶片部位，分别沿轴向布设铆合立柱，且分别通过铆合立柱经由铆钉对所述叶轮主体和端盖实施无缝铆合的固定连接；

第三种连接结构方式是钎焊固定连接；所述钎焊固定连接，是在所述叶轮主体和端盖两者的对合面之间，布设片状镍基钎料且通过加热令钎料熔化，再经冷凝后所形成的钎焊接头，将所述叶轮主体与端盖实施无缝钎焊的固定连接。

在具体实践中，要求有效提高叶轮主体和端盖合缝面的加工精度，使之严格做到严丝合缝。必要时，可以在两者对合合缝部位，且在螺栓连接和铆接的条件下，加设纯铜箔垫片，以严防熔盐泵泄漏。

在所述三种连接结构形式中，本发明优选地是采用镍基硬质焊片的钎焊连接。钎焊时，对被钎焊焊接叶轮主体和端盖装接表面经清洗后，把钎料布置在两者的装接面之间，经加热至钎料熔化温度后，钎料熔化并浸润所述焊件表面，液态钎料借助毛细管作用，而沿装接缝流动铺展，且进行互相融合，相互渗透，继而形成合金层，冷凝后即形成钎接接头，而令叶轮主体与端盖连接在一起。

而所述的螺栓固定连接和铆合固定连接，应当注意其螺栓螺母和铆钉的布置部位，绝对不能与其他机械构件发生相互干涉，而所述干涉包括静止状态和运动状态。

上述技术方案得以全面实施后，本发明所具有的结构合理，耐高温、耐磨损、抗氧化及抗腐蚀性能优异，和使用期限长等特点，是显而易见的。

附图说明

图1为本发明的叶轮主体1的主视示意图；

图2为图1的剖视图；

图3为本发明的端盖2的主视剖面示意图；

图4为本发明叶轮的装配示意图（钎焊连接）；

图5为保护层3的膜系结构示意图；

图6为叶轮主体1与端盖2螺栓固定连接的结构局部剖面示意图；

图7为叶轮主体1与端盖2铆合固定连接的结构局部剖面示意图。

具体实施方式

以下对照附图，通过具体实施方式的描述，对本发明作进一步说明。

具体实施方式之一，如附图1~6所示，

一种熔盐泵组合式叶轮，其：

a、所述叶轮由具有叶片1-1的叶轮主体1和端盖2两者同中心固定连接而构成一符合设计要求的完整的叶轮；

b、所述叶轮主体1和端盖2，两者均是不锈钢锻饼经机械加工而成型的制成品；

c、所述叶轮主体1和端盖2在两者组合后的工况下，凡是与其所输送介质熔盐接触部位的表面上，均布设有保障其长期良好工作状态的保护层3。

而所述叶轮主体1和端盖2不锈钢锻饼，均是符合工艺要求的OCr17Ni12Mo2N奥氏体不锈钢锻饼。

而所述在叶轮主体1和端盖2工况下接触熔盐部位所布设的保护层3是膜系结构层，所述膜系保护层3自叶轮主体1和端盖2表面起始，由内至外依次是表面不锈钢重构层3-1，TiN氮化钛层3-2和Si₃N₄氮化硅层3-3。

而所述表面不锈钢重构层3-1，是经高能离子束轰击的组织致密的原子活化层，而所述TiN氮化钛层3-2的厚度在1~3μm范围内，所述Si₃N₄氮化硅层3-3的厚度在3~5μm范围内。

而所述叶轮主体1制成品与端盖2制成品两者同中心固定连接的结构方式，是螺栓固定连接4；所述的螺栓固定连接4，是由至少三个双头螺栓4-1均匀布置在所述叶轮1/2~2/3半径范围内所作的同一圆弧线上，且分别由2个扁平螺母4-2对所述叶轮主体1和端盖2实施无缝对栓的固定连接。

具体实施方式之二，如附图1~5和7所示，

一种熔盐泵组合式叶轮，其所述叶轮主体1与端盖2两者固定连接的结构方式，是铆合固定连接5；所述的铆合固定连接5，是在所述叶轮1/2~2/3半径范围内所作同一圆弧线上的叶片1-1部位，分别沿轴向布设铆合立柱5-1，且分别通过铆合立柱5-1经由铆钉5-2对所述叶轮主体1和端盖2实施无缝铆合的固定连接。除此之外，其它均如同具体实施方式之一。

具体实施方式之三，如附图1~5所示。

一种熔盐泵组合式叶轮，其所述叶轮主体1与端盖2两者同中心固定连接的结构方式，是钎焊固定连接6；所述钎焊固定连接6，是在所述叶轮主体1和端盖2两者的对合面之间，布设片状镍基钎料6-1且通过加热令钎料6-1熔化，再经冷凝后所形成的钎焊接头6-2，将所述叶轮主体1与端盖2实施无缝钎焊的固定连接。除此之外，其它均如同具体实施方式之一。

其它的具体实施方式，还可以是所述叶轮主体1与端盖2的固定连接方式，是钎焊与螺栓两者结合的固定连接方式，或者是钎焊与铆合两者结合的固定连接方式，或者是螺栓与铆合两者结合的固定连接方式，或者是钎焊、螺栓和铆合三者结合的固定连接方式。

如以上实施方式所描述的熔盐泵组合式叶轮初样的实验结果显示，在500次冷热循环条件下，即工作7小时，停运1小时，反复运行500次，未发现叶轮有任何损坏现象。试验还在继续进行中。根据业内专家预测，本发明比以往的铸造型叶轮，具有显著的技术经济效益，从而实现其所要实现的目的。