CN101560942A - 具有耐磨损的加强边缘的液力机部件以及使用该部件的液力机 - Google Patents

Abstract

此液力机的液力部件具有通过它的至少一水流，并且包括在所述液力部件的两个边缘之间延伸的至少一个润湿表面，所述液力部件的至少一个边缘以及毗邻的润湿表面的一部分通过至少一个可拆卸的坚固元件加强和形成，所述可拆卸的坚固元件由具有高耐磨损性的材料制成。

Description

具有耐磨损的加强边缘的液力机部件以及使用该部件的液力机

技术领域

[01]本发明涉及液力机，更特别地涉及这类机器的部件，所述部件设置为与能量要被转换的水流直接接触。

背景技术

[02]对本发明来说，液力机可为涡轮机、泵、或者例如在发电厂中使用的泵/涡轮机。在涡轮机的情形下，所述机器置于管道下游，该管道可由水路直接供给、或者由一个或多个水路排放至其内的蓄水池供给。依靠水路流过的地面的性质以及气象条件，供给至该机器的水可能包含例如沙子或沉淀物的磨粒。当这些磨粒通过涡轮机时，它们会磨损被水流润湿的表面，使得必需以规律间隔修补或替换这些表面。由于备件的成本以及所述机器的停工期，这些修补工作使得液力机的运行成本相对较高。

[03]因此需要增加遭受磨粒作用的液力机的液力部件的耐用性，以及需要方便这些部件的磨损区域的修补。

发明内容

[04]为了达到这些目的，本发明涉及至少一水流在其中通过的液力机的液力部件，该液力部件包括在所述液力部件的两个边缘之间延伸的至少一个润湿表面，其特征在于所述液力部件的至少一个边缘以及邻近的润湿表面的一部分由至少一个可拆卸的坚固元件加强和形成，所述可拆卸的坚固元件由具有高耐磨损性的材料制成。

[05]通过将这样的可拆卸的坚固元件安装于液力机的液力部件的润湿表面的至少一个边缘，该液力部件的抵抗力可在由于水流的湍流特性而磨损特别明显的区域内增加。一坚固元件的存在，即对本发明来说，一整体元件的存在——该整体元件具有按厘米度量的并优选地大于半厘米的尺寸——使得有可能提供一区域，该区域一方面由于制成可拆卸的坚固元件所采用的材料而更耐磨，而另一方面具有更大的耐用性。这是因为该可拆卸的坚固元件能够提供这样的磨损区域，该磨损区域比那些传统地采用具有少于500微米厚度的涂层所能够得到的磨损区域更深。此外，目前所使用的涂层取决于载体的性质。由于液力组件(component)通常通过铸造制造，它们可能具有开口的缺陷，这缩短了现有涂层的寿命。相反地，本发明的坚固元件的耐用性独立于载体性质。此外，坚固元件的可拆卸性能使得其能够快速地替换，这使得液力机的停工期显著地小于当由目前的喷涂涂层保护的磨损表面必须被替换或更新时液力机的修复所引起的停工期。

[06]根据本发明的一个特点，液力部件包括用于可拆卸的坚固元件的固定装置，所述固定装置用于确保所述可拆卸的坚固元件的至少一部分被置于压紧下。以这样的方式将所述可拆卸的坚固元件置于压紧下具有增加可拆卸的坚固元件的机械强度的优点，特别地，如果所述可拆卸的坚固元件是由工业陶瓷制成的，更是这样。

[07]根据本发明的另一个特点，液力部件包括多个并置的可拆卸的坚固元件，用以形成液力部件的加强边缘。通过使用多个并置的可拆卸的坚固元件，能够产生复杂的渐开线形状或者左手性(left-hand)形状。此外，这些可拆卸的坚固元件能够根据它们的状况彼此独立地替换。

[08]根据本发明，呈一个或多个可拆卸的坚固元件形式的结构能够应用于液力部件的不同功能部分。因此，根据本发明的一个特点，所述加强边缘为液力部件的导引缘(leading edge)。

[09]根据本发明的另一个特点，所述加强边缘为液力部件的尾流缘(trailing edge)。

[10]显然地，本发明的液力部件可包括使用可拆卸的坚固元件来构造的导引缘和尾流缘以及任何其他边缘。

[11]为了提供高耐磨损性并增加所使用的一个或多个可拆卸的坚固元件的耐用性，根据本发明的一个特点，每个可拆卸的坚固元件由具有1000HV或更大维氏硬度的材料制成。

[12]根据本发明的又一个特点，制成每个坚固元件的材料选自于工业陶瓷，该工业陶瓷包括金属基体，耐磨损材料的颗粒或粉末分散在所述金属基体中。例如，该金属基体可选自于CoCr，NiCr，NiFe和BSi合金，而制造粉末的材料可选自金刚石，氮化硼，碳化钨(WC)，SiC或Al₂O₃类型的合金，或者它们的混合物。

[13]每个坚固元件例如可通过已知的粉末冶金工艺制造，所述粉末冶金工艺例如是压制和烧结。

[14]根据本发明，所述液力部件可形成各种类型的液力机的不同部分。然而，应当注意的是本发明更特别地涉及大型高功率的液力机，其公称流速通常在1m³/s之上。

[15]因此，根据本发明的一个实施方式，该液力机的液力部件被设计成形成佩尔顿涡轮机(Pelton turbine，水戽式[冲击式]水轮机)喷嘴的流控制顶端，并且包括可拆卸的坚固元件堆叠在其上的主体，这些可拆卸的坚固元件的第一个具有通常成环形的形状，该环形形状具有通常成圆锥形渐缩形状的外部表面，而最后一个可拆卸的坚固元件具有成圆锥形渐缩顶端的形状，其具有比第一个可拆卸的坚固元件的公称直径小的公称直径。在一实施变型中，该固定装置适合于压住除了最后一个可拆卸的坚固元件外的所有可拆卸的坚固元件。因此，所述固定装置可以适合于施加张紧力到最后一个可拆卸的坚固元件，以这种方式所述第一个可拆卸的坚固元件的至少一部分被置于压紧下。将至少一个坚固元件件处于压紧下产生了预加应力，这有助于改进该坚固元件的机械特性，这种改进是相对于同一坚固元件在未预加应力的状态下空闲时的机械特性而言。因此，根据本发明将该坚固元件置于压紧下相当大程度地增加了其对于大于300μm尺寸的颗粒的偶然撞击的抵抗力以及其对于锤打的抵抗力，即由小于200μm尺寸的颗粒形成的频繁撞击的抵抗力。

[16]在本发明的另一个实施方式中，所述液力部件被设计成形成佩尔顿涡轮机的喷口，其一方面包括具有一通孔的主体，而另一方面包括所述可拆卸的坚固元件，所述可拆卸的坚固元件被安装在该通孔内，并具有通常成环形的形状从而形成一液力喷出孔和用于所述喷嘴的流控制顶端的一支承座，该坚固元件被将该坚固元件置于压紧下的一围带所环绕。

[17]在又一个实施方式中，所述液力部件被设计成形成佩尔顿涡轮机叶轮的戽斗(bucket)，以及所述液力部件包括至少一个中心的可拆卸的坚固元件和至少两个侧向的可拆卸的坚固元件，所述至少一个中心的可拆卸的坚固元件形成该戽斗的中心脊的导引缘，所述至少两个侧向的可拆卸的坚固元件的每个形成该戽斗的侧向的尾流缘的一部分。

[18]在另一个实施方式中，所述液力部件被设计成形成弗朗西斯涡轮机(Francis turbine，轴同辐流式涡轮机)的叶轮或者可逆涡轮机叶轮，并且可拆卸的坚固元件形成至少一个迷宫式边缘。

[19]本发明还涉及包括至少一个本发明的液力部件的液力机。

[20]显然地，本发明的液力部件和液力机的不同的特征以及变型能够以不同方式彼此相结合，条件是它们不会互相矛盾或者互相排斥。

附图说明

[21]通过下面参考附图进行的描述本发明的各种其它特征也将变得清楚，所述附图示出本发明的液力机的液力部件的各种的非限制性实施方式。

[22]附图1为使用本发明的液力部件的佩尔顿涡轮机的喷嘴的轴向剖面图。

[23]附图2为形成附图1中所示的喷口的本发明的一液力部件的轴向剖面图。

[24]附图3为本发明的液力部件的另一个实施方式的轴向剖面图，该液力部件设计成形成如附图1中所示的佩尔顿涡轮机喷嘴的流控制顶端。

[25]附图4示出如附图3中所示的流控制顶端的一实施变型。

[26]附图5为本发明的液力部件的剖面图，该部件形成佩尔顿涡轮机叶轮的戽斗。

[27]附图6为弗朗西斯涡轮机类型的本发明的液力机的示意性轴向剖面图，其中叶轮为本发明的液力部件。

具体实施方式

[28]因此，本发明提出一液力机的液力部件，其中润湿表面的某些部分，更特别地是至少一个边缘，是由具有高耐磨损性的可拆卸的坚固元件组成。指导性地，这种液力部件将首先在作为如附图1中所示的佩尔顿涡轮机的喷嘴使用时进行描述，并且作为一整体以参考标记1表示，然而应当明白的是，本发明的部件能够在各种其它类型的液力机中使用。

[29]在附图1中，仅示出佩尔顿涡轮机的喷嘴1，因为佩尔顿涡轮机的整个装置，即其叶轮和其应用所需的各种附件对于本领域技术人员来说是众所周知的，因此不需要进一步的解释。通常，佩尔顿涡轮机的喷嘴1具有通常为圆柱形状的主体2，该主体2界定出(delimits)用于从未示出的水渠(penstock)供应水流的管路3。因此管路3的端部由喷口4限定，在此情形下喷口4由本发明的液力部件形成。

[30]为了控制通过喷口4的水流，喷嘴1还包括流控制顶端5，其能够在如附图1所示的喷嘴的关闭位置和缩回的打开位置(未显示)之间移动，其中在该关闭位置该流控制顶端抵靠在喷口4上，而在该打开位置流控制顶端5离开喷口4一段距离，从而允许驱动涡轮机的水通过。因此，能够根据流控制顶端5相对于喷口4的相对位置来调节水流。在所图示的实例中，该流控制顶端5同样由本发明的液力部件形成。

[31]形成根据本发明的液力机的液力部件的喷口1包括具有通孔11的主体10，通孔11的内部表面12被供应至涡轮机的水润湿。内孔11具有从管路3的内部朝向其外部会聚的形状，并且更特别地朝着喷出孔13会聚。在所图示的实例中，限制喷出孔13的润湿表面12的边缘由一可拆卸的坚固元件14形成，该坚固元件14由具有高耐磨损性的材料制成。该坚固元件14具有通常为环形的形状，其包含由会聚的内部部分15和发散的外部部分16限制的喷出孔13。该坚固元件14通过例如粉末冶金按以下的方式制成：其形成包括金属基体的整体的工业陶瓷元件，在该金属基体中分布有由一种或多种坚硬的耐磨损材料组成的加强粉末。

[32]为了增加坚固元件14的机械强度，该坚固元件14包括作为其固定装置的围条17。该围条17以其能够安装在互补形状的孔18内的方式制成，所述孔18形成在主体10内。围条17设置在孔18内，从而使得所述围条17与坚固元件14一起形成的组件能够被取出，进而使得该坚固元件14能够被替换。围条17以下面的方式通过收缩装配法安装于坚固元件14：当围条17冷却时，围条17将坚固元件14置于压紧下并因此有助于增大其金属特性，特别是其抗撞击性。在所图示的情形下，坚固元件具有大约10cm的高度h，大约30cm的外部直径D，以及大约20cm的内部直径d。

[33]流控制顶端5同样由一液力部件形成，该液力部件的一个边缘以及润湿表面的至少一部分是根据本发明加强的。因此该流控制顶端5包括具有关于轴线Δ旋转对称的主体20，该流控制顶端5的外部表面形成了一连串的直径减小的环形的圆柱状支承表面。该流控制顶端5还包括四个可拆卸的坚固元件21至24。第一个可拆卸的坚固元件21为具有圆柱状中心孔的通常为环形的形状，该圆柱状中心孔的形状与主体20的形状互补，其能够以这样的一种方式安装在主体20上而不具有径向移动的可能。中间的可拆卸的坚固元件22和23具有和第一个可拆卸的坚固元件21非常相似或者相同的形状，但是具有减小的公称直径。最后一个可拆卸的坚固元件24具有通常成圆锥形渐缩顶端的形状。可拆卸的坚固元件21至24的每一个的外部表面以下面的方式制成：当可拆卸的坚固元件堆叠起来时，所述可拆卸的坚固元件的外表面形成通常成圆锥形渐缩形状的基本上连续的表面。此外，当固定于主体20时，最后一个可拆卸的坚固元件24可防止该可拆卸的坚固元件21至24的叠堆的任何的轴向移动。为了固定，最后一个可拆卸的坚固元件24具有核心体25，在该核心体25的中心形成有用于容纳固定螺钉27的螺纹孔26，固定螺钉27啮合在主体20的末端孔28内。核心体25和螺钉27被制造成这样：由螺钉27施加的张紧力使得第一个可拆卸的坚固元件21和两个中间的可拆卸的坚固元件22和23被置于压紧下。为此，主体20的尺寸和中间的坚固元件22和23的基本形状被限定成这样：由孔26施加的压紧仅传递至可拆卸的坚固元件21，22和23。这样主体20作为用于中间的坚固元件22和23的轴向导向件。

[34]应当注意的是，第一可拆卸的坚固元件21形成流控制顶端5的近边缘，而最后一个可拆卸的坚固元件形成了该流控制顶端的远边缘。

[35]显然地，可拆卸的坚固元件21至23可通过一不同的方法被置于压紧下。例如，附图4示出流控制顶端5的一个变型实施例，其中为第一个可拆卸的坚固元件21和中间的可拆卸的坚固元件22提供压缩环30和31，从而将相应的可拆卸的坚固元件置于压紧下。相对于每个坚固元件在未加压状态下具有的强度而言，这种处于压紧下的布置、或者预加应力增加了每个坚固元件的机械强度。

[36]如附图5所示，本发明的部件还可形成用于佩尔顿涡轮机的叶轮的戽斗50。在传统的方式中，戽斗50具有由一中心脊53分开的两个半杯部，该中心脊53形成该戽斗50的导引缘。半杯部51和52的每一个分别具有侧脊55和56，该侧脊55和56与中心脊53相对布置，并形成戽斗50的侧面尾流缘。在所图示的实例中，戽斗50包括由耐磨损材料制成的两个可拆卸的坚固元件57和58。可拆卸的坚固元件57和58形成毗邻于尾流缘55和56的半杯部51和52的内部表面的一部分。然后每个可拆卸的坚固元件57和58分别地由另一个可拆卸的坚固元件59和60固定，坚固元件59和60由具有高耐磨损性的材料制成，其形成相应的半个戽斗的尾流缘。然后每个可拆卸的坚固元件59和60通过螺钉61被固定，所述螺钉61将所述可拆卸的坚固元件59和60与相邻的可拆卸的坚固元件57、58一起部分地置于压紧下。类似地，中心脊53由具有高耐磨损性的材料制成的可拆卸的坚固元件62形成，坚固元件62为楔形形状并且其紧压呈插入件形式的两个可拆卸的坚固元件63、64，这两个可拆卸的坚固元件63和64限定毗邻于中心脊53的半杯部51和52的表面的一部分。然后可拆卸的坚固元件62通过穿过戽斗50主体的紧固螺钉65固定。可拆卸的坚固元件57至63的使用增加了戽斗50在包含有固体颗粒的水冲击的地方的耐磨损性。

[37]显然地，本发明的液力部件并非必需地用于佩尔顿涡轮机中，而是可同样地很好地用于其它的机器，诸如用于如附图6所示的弗朗西斯涡轮机中。在此实例中，本发明的液力部件形成弗朗西斯叶轮70，叶轮70的在下部密封的迷宫结构71的位置处的边缘由一连串可拆卸的坚固元件限定。

[38]显然地，可在权利要求的范围内对本发明的液力部件进行各种的其它改进。

Claims (12)

1.液力机的液力部件，其中至少一水流通过该液力部件，该液力部件包括在所述液力部件的两个边缘之间延伸的至少一个润湿表面(12)，

其特征在于：所述液力部件的至少一个边缘以及部分的毗邻的润湿表面由至少一个可拆卸的坚固元件(14，21，22，23，24)加强和形成，所述可拆卸的坚固元件由具有高耐磨损性的材料制成。

2.根据权利要求1所述的液力部件，其特征在于：所述液力部件包括用于固定所述可拆卸的坚固元件(14，21，22，23，24)的固定装置(17，27，30，31)，所述固定装置适合于将所述可拆卸的坚固元件的至少一部分置于压紧下。

3.根据权利要求1或2所述的液力部件，其特征在于：所述液力部件包括多个可拆卸的坚固元件(21，22，23，24)，所述多个可拆卸的坚固元件并列布置，以形成所述液力部件的加强边缘。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的液力部件，其特征在于：所述加强边缘为所述液力部件的导引缘(53)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的液力部件，其特征在于：所述加强边缘为所述液力部件的尾流缘(55，56)。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的液力部件，其特征在于：每个可拆卸的坚固元件由具有1000HV或更大维氏硬度的材料制成。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的液力部件，其特征在于：制成每个坚固元件所采用的材料为工业陶瓷，所述工业陶瓷包括金属基体，一种或多种坚硬的耐磨损材料的粉末分散在该金属基体中。

8.根据权利要求2以及权利要求3至7中任一项所述的液力部件，其特征在于：所述液力部件被设计成形成佩尔顿涡轮机喷嘴的流控制顶端(5)，并且所述液力部件包括主体(20)，在所述主体(20)上堆叠有可拆卸的坚固元件(21至24)，这些可拆卸的坚固元件中的第一个(21)具有通常为环形的形状，其具有通常为圆锥形渐缩的形状的外部表面，而最后一个可拆卸的坚固元件(24)具有圆锥形渐缩顶端的形状，其公称直径小于所述第一个可拆卸的坚固元件的公称直径，所述固定装置适合于在所述最后一个可拆卸的坚固元件上施加张紧力，以使所述第一个可拆卸的坚固元件的至少一部分处于压紧之下。

9.根据权利要求2以及权利要求3至7中任一项所述的液力部件，其特征在于：所述液力部件被设计成形成佩尔顿涡轮机的喷嘴口(4)；并且，所述液力部件一方面包括主体(10)，所述主体(10)包括通孔(11)，而所述液力部件另一方面包括所述可拆卸的坚固元件(14)，所述可拆卸的坚固元件(14)被安装在所述通孔内，并具有基本环形的形状，从而形成一液力喷出孔(13)和用于控制所述流动的喷嘴(2)的顶端(5)的支承座，所述坚固元件(14)被一围带(17)所环绕，所述围带(17)用于将所述坚固元件置于压紧下。

10.根据权利要求1至7中任一项所述的液力部件，其特征在于：所述液力部件被设计成形成佩尔顿涡轮机叶轮的戽斗(50)，并且所述液力部件包括至少一个中心的可拆卸的坚固元件(62)和至少两个侧向的可拆卸的坚固元件(59，60)，所述至少一个中心的可拆卸的坚固元件形成该戽斗的一中心脊(53)的导引缘，所述至少两个侧向的可拆卸的坚固元件(59，60)的每一个形成所述戽斗的侧向尾流缘(55，56)的一部分。

11.根据权利要求1至7中任一项所述的液力部件，其特征在于：所述液力部件形成弗朗西斯涡轮机的或可逆涡轮机的叶轮(70)，并且所述可拆卸的坚固元件形成至少一个迷宫式结构(71)。

12.液力机，其包括至少一个根据权利要求1至11中任一项的液力部件。

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