具有耐腐蝕涂層的復(fù)合葉輪以及制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種用于使用復(fù)合材料制造葉輪的方法，所述葉輪具有流路腔，所述流路腔被耐腐蝕涂層覆蓋，所述方法是，使用噴鍍或熱噴涂技術(shù)在可去除的模具上涂覆所述耐腐蝕涂層，所述可拆式模具具有與所述流路腔的反面幾何形狀對(duì)應(yīng)的形狀。在圍繞覆有所述耐腐蝕涂層的所述模具對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行成形和固化后，去除所述模具，同時(shí)將所述耐腐蝕涂層留在所述復(fù)合葉輪上。
【專利說(shuō)明】具有耐腐蝕涂層的復(fù)合葉輪以及制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明的實(shí)施例總體上涉及一種制造方法以及一種葉輪，所述葉輪制造成具有耐腐蝕涂層。
【背景技術(shù)】
[0002]壓縮機(jī)是特定類型的渦輪機(jī)，用于通過(guò)使用機(jī)械能增加可壓縮流體(例如，氣體)的壓力。石油和天然氣領(lǐng)域的加工廠中會(huì)使用多種類型的壓縮機(jī)。這些壓縮機(jī)中包括所謂的離心式壓縮機(jī)，其中通過(guò)離心加速度將能量供應(yīng)到氣體粒子。可以通過(guò)使旋轉(zhuǎn)構(gòu)件旋轉(zhuǎn)來(lái)獲得所述離心加速度。所述旋轉(zhuǎn)構(gòu)件包括一個(gè)或多個(gè)葉輪。
[0003]根據(jù)其特定幾何形狀及其功能性原理，一種葉輪可以包括輪廓分明的流體通道。例如，離心式葉輪I在圖1中示出并且具有葉片3，所述葉片連接到輪轂2并覆有防護(hù)罩4，所述防護(hù)罩由復(fù)合材料制成。葉輪I具有圍繞旋轉(zhuǎn)軸X3D的大體三維輪廓。流體流從軸向入口 5向大體徑向的出口 7流動(dòng)。入口 5與出口 7之間的通道是流路腔。
[0004]傳統(tǒng)情況下，葉輪由金屬制成。最近，部分或完全由復(fù)合材料制成的葉輪在葉輪市場(chǎng)中的份額正不斷增加。部分或完全由復(fù)合金屬制成的葉輪在某些環(huán)境中具有更好的耐腐蝕性，例如，在石油和天然氣鉆探中。
[0005]復(fù)合葉輪的一個(gè)問(wèn)題是復(fù)合材料的耐腐蝕性不及金屬，也就是說(shuō)，復(fù)合材料會(huì)在與流中的固體顆?；蛞旱蔚淖矒粝掳l(fā)生磨損。這種低耐腐蝕性，尤其是在流路腔周圍，會(huì)導(dǎo)致葉輪相對(duì)較快地?fù)p壞，從而導(dǎo)致需要一定的停機(jī)時(shí)間來(lái)更換它。
[0006]已將環(huán)氧樹脂漆涂覆到復(fù)合葉輪上，以嘗試增強(qiáng)耐腐蝕性。但是，這些漆的附著力低并且無(wú)法提供足夠的保護(hù)，例如，當(dāng)葉輪用于主要流體流包括固體顆粒或液滴的石油和天然氣領(lǐng)域中時(shí)。
[0007]根據(jù)，需要提供一種系統(tǒng)和方法來(lái)避免上述問(wèn)題和缺點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例，本發(fā)明提供了一種用于制造復(fù)合葉輪的方法，所述復(fù)合葉輪具有流路腔，所述流路腔具有耐腐蝕涂層。所述方法包括:(i)提供模具，所述模具具有與所述流路腔的反面幾何形狀對(duì)應(yīng)的形狀，(ii)用耐腐蝕涂層覆蓋所述模具，(iii)根據(jù)預(yù)定葉輪幾何形狀，使復(fù)合材料圍繞覆有所述耐腐蝕涂層的所述模具成形，(iv)使所述復(fù)合材料固化，以及(V)去除所述模具，將所述耐腐蝕涂層留在所述復(fù)合葉輪的所述流路腔上。
[0009]根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種葉輪，所述葉輪具有:葉片；防護(hù)罩，所述防護(hù)罩與所述葉片接觸并且流路腔穿過(guò)其中；以及耐腐蝕涂層，所述耐腐蝕涂層位于所述流路腔上。所述耐腐蝕涂層通過(guò)如下步驟制造:(i)提供水溶性模具，所述模具具有與流路腔的反面幾何形狀對(duì)應(yīng)的形狀，(ii )用密封劑涂覆所述模具，(iii )將導(dǎo)電涂料涂覆到所述密封劑上，(iv)將耐腐蝕層噴鍍?cè)谒鰧?dǎo)電涂料上，(v)根據(jù)預(yù)定幾何形狀，使復(fù)合材料圍繞覆有所述密封劑、所述導(dǎo)電涂料和所述耐腐蝕涂層的所述模具成形，以及(Vii )使所述模具溶解在水基溶液中，同時(shí)至少將所述耐腐蝕涂層留在所述葉輪的所述流路腔上。
[0010]根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種葉輪，所述葉輪具有:葉片；防護(hù)罩，所述防護(hù)罩與所述葉片接觸并且流路腔穿過(guò)其中；以及耐腐蝕涂層，所述耐腐蝕涂層位于所述流路腔上。所述耐腐蝕涂層通過(guò)如下步驟制造:(i)提供金屬模具，所述金屬模具具有與所述流路腔的反面幾何形狀對(duì)應(yīng)的形狀，(ii)通過(guò)熱噴涂方法用耐腐蝕層覆蓋所述模具，(iii)根據(jù)預(yù)定幾何形狀，使復(fù)合材料圍繞覆有所述耐腐蝕涂層的所述模具成形，(iv)使所述復(fù)合材料固化，以及(V)使所述模具溶解在酸性溶液或堿性溶液中，同時(shí)至少將所述耐腐蝕涂層留在所述葉輪的所述流路腔上。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011]并入說(shuō)明書中并構(gòu)成其一部分的附圖示出了一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，并與說(shuō)明書一起解釋這些實(shí)施例。在附圖中:
[0012]圖1示出了其中具有輪廓分明的流動(dòng)通道的葉輪；
[0013]圖2示出了可用于多個(gè)示例性實(shí)施例中的流路腔；
[0014]圖3是根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例的方法的流程圖，所述方法用于制造復(fù)合葉輪，所述復(fù)合葉輪具有流路腔，所述流路腔具有耐腐蝕涂層；
[0015]圖4是并入多個(gè)示例性實(shí)施例中的成形方法的示意圖，用于使復(fù)合材料圍繞覆有耐腐蝕涂層的模具成形；
[0016]圖5是在溶解模具材料之前，根據(jù)多個(gè)實(shí)施例的金屬層的示意圖；
[0017]圖6是根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施例的方法的流程圖，所述方法用于制造復(fù)合葉輪，所述復(fù)合葉輪具有流路腔，所述流路腔具有耐腐蝕涂層；以及
[0018]圖7是根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施例的方法的流程圖，所述方法用于制造復(fù)合葉輪，所述復(fù)合葉輪具有流路腔，所述流路腔具有耐腐蝕涂層。
【具體實(shí)施方式】
[0019]以下示例性實(shí)施例的描述是在參考附圖的情況下進(jìn)行的。不同附圖中的相同參考數(shù)字是指相同或類似的元素。以下詳細(xì)描述并不限制本發(fā)明。相反，本發(fā)明的范圍由隨附的權(quán)利要求書界定。出于簡(jiǎn)明性的考慮，以下實(shí)施例相對(duì)于能夠用于石油和天然氣領(lǐng)域中的復(fù)合葉輪的術(shù)語(yǔ)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述。但是，以下介紹的實(shí)施例并不限于這些系統(tǒng)，而是可適用于在包括固體顆?；蛞旱蔚牧黧w流中使用復(fù)合葉輪的其他系統(tǒng)。
[0020]整個(gè)說(shuō)明書中對(duì)“一個(gè)實(shí)施例”或“一項(xiàng)實(shí)施例”的參考意指與一個(gè)實(shí)施例一起描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特征包括在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例中。因此，說(shuō)明書多處出現(xiàn)的短語(yǔ)“在一個(gè)實(shí)施例中”或“在一項(xiàng)實(shí)施例中”并不一定指相同的實(shí)施例。此外，一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中可以通過(guò)任何合適的方式將特定特征、結(jié)構(gòu)或性質(zhì)相組合。
[0021]流路腔可溶模具用于制造具有流路腔的復(fù)合葉輪。流路腔模具10如圖2所示。每個(gè)模具10具有復(fù)雜的三維形狀，其幾何形狀與制成葉輪中的流路腔幾何形狀互補(bǔ)。互補(bǔ)是指模具具有與填充葉輪腔的液體的形狀，而模具的幾何形狀可以表示為反面幾何形狀。
[0022]模具10可以由水溶性材料或金屬制成，所述材料或金屬能夠使用強(qiáng)酸性溶液或堿性溶液溶解。水溶性材料的實(shí)例可以是水溶性環(huán)氧樹脂或其他材料，例如當(dāng)前以商標(biāo)AQUAPOUR? (由瑞士公司AeroConsultants制造)銷售的材料?？捎糜谥圃炷＞叩慕饘偈倾~和軟鋼(即，鋼含量小于15%C)以及其他金屬合金。
[0023]圖3示出了根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例的用于制造復(fù)合葉輪的方法100的流程圖，所述復(fù)合葉輪具有流路腔，所述流路腔具有耐腐蝕涂層。所述方法100包括在SllO中提供模具(例如，模具10)，所述模具具有與流路腔的反面幾何形狀對(duì)應(yīng)的形狀；以及用耐腐蝕涂層覆蓋所述模具(例如，在S120中)。所述方法100進(jìn)一步包括在S130中根據(jù)預(yù)定葉輪幾何形狀，使復(fù)合材料圍繞覆有耐腐蝕涂層的模具成形，以及在S140中使復(fù)合材料固化。圖3中示出了如何根據(jù)預(yù)定葉輪幾何形狀，使復(fù)合材料圍繞覆有耐腐蝕涂層的模具成形，其中已被耐腐蝕涂層20覆蓋并圍繞型芯30布置的模具10被復(fù)合材料40圍繞。復(fù)合材料可以包括樹脂。固化溫度可以從室溫到幾百攝氏度，具體取決于其確切組成。
[0024]最后，方法100包括在S150中使模具(例如，10)溶解，將耐腐蝕涂層(例如，20)留在具有預(yù)定葉輪幾何形狀的復(fù)合葉輪(例如，40)的流路腔上。模具溶解之前，在模具材料10與復(fù)合材料40之間的交界面處存在如圖5中所示的耐腐蝕層20。一旦模具10溶解，復(fù)合材料40與耐腐蝕層20仍連在一起。
[0025]將耐腐蝕層(例如，20)涂覆在模具(例如，10)上的方式具體取決于模具材料。如果模具由水溶性材料制成，則可以使用噴鍍方法。如果模具由金屬制成，則可以用噴鍍工藝、熱噴涂方法、物理蒸汽沉積(PVD)方法、化學(xué)蒸汽沉積(CVD)方法或者冷噴涂方法。
[0026]適用于水溶性模具的噴鍍方法包括(i)用密封劑涂覆所述模具，(ii)將導(dǎo)電涂料涂覆到所述密封劑上，以及(iii)將耐腐蝕層噴鍍到所述導(dǎo)電層上。所述密封劑可以是用刷子涂覆的薄環(huán)氧樹脂漆層。所述導(dǎo)電層可以是含銀(Ag)薄漆層，并且還可以使用刷子涂覆。
[0027]噴鍍腐蝕層可以包括噴鍍Ni基層，以提供在其上逐漸形成耐腐蝕結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。此Ni基層的噴鍍可以使用閃鍍鎳放電來(lái)實(shí)現(xiàn)。Ni基層的厚度可以小于I密耳(即，1/1000英寸)。
[0028]隨后可以使用無(wú)電鍍鎳方式涂覆大量耐腐蝕層(ENP)。無(wú)電噴鍍使用含有金屬離子的化學(xué)溶液而不直接施加電流。無(wú)電噴鍍的優(yōu)勢(shì)在于能夠均勻地將均勻?qū)油扛驳骄哂袕?fù)雜幾何形狀的對(duì)象上。
[0029]使用ENP噴鍍的耐腐蝕層可以包括最大尺寸小于2 μ m、體積比約為35%的鉆石。復(fù)合材料固化之后，可以輕松地使用水去除水溶性模具。具有此類耐腐蝕層的葉輪的耐腐蝕性約為沒(méi)有此類層的葉輪的五倍。
[0030]噴鍍工藝還可以適用于由金屬制成的模具。但是，在由金屬制成的模具上，還可以使用熱噴涂方法來(lái)涂覆耐腐蝕層。通過(guò)熱噴涂方法涂覆的耐腐蝕層的耐腐蝕性是通過(guò)噴鍍涂覆的耐腐蝕層的十倍。
[0031]通過(guò)熱噴涂涂覆的耐腐蝕層可以是金屬或金屬陶瓷。優(yōu)選的耐腐蝕熱噴涂涂層是金屬陶瓷，其包括陶瓷和金屬基體。例如，陶瓷是WC，并且金屬基體可以是Co和Cr、Ni的組合或者Ni和Cr的組合。具體來(lái)說(shuō)，對(duì)于陶瓷WC，已對(duì)10Co4Cr的組合進(jìn)行測(cè)試，其中10和4表示金屬的體積百分?jǐn)?shù)。在另一個(gè)實(shí)例中，陶瓷是Cr2Co3并且金屬基體是NiCr。使用熱噴涂涂覆的耐腐蝕層的厚度可以超過(guò)IOmiI。[0032]圖6中示出了可以使用方法200制成的根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施例的復(fù)合葉輪，所述復(fù)合葉輪具有流路腔，所述流路腔具有耐腐蝕涂層。方法200包括:在S210中提供水溶性模具，所述模具具有與流路腔的反面幾何形狀對(duì)應(yīng)的形狀；在S220中用密封劑涂覆所述豐旲具；在S230中將導(dǎo)電涂料涂覆在所述S封劑上；在S240中將耐腐蝕層嗔涂在所述導(dǎo)電涂料上；在3250中根據(jù)預(yù)定葉輪幾何形狀，使復(fù)合材料圍繞覆有密封劑、導(dǎo)電涂料和耐腐蝕涂層的模具成形；在S260中使復(fù)合材料固化；以及在S270中使模具溶解到水基溶液中，同時(shí)至少將耐腐蝕涂層留在所述復(fù)合葉輪上。
[0033]圖6中示出了可以使用方法300制成的根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施例的復(fù)合葉輪，所述復(fù)合葉輪具有流路腔，所述流路腔具有耐腐蝕涂層。方法300包括在S310中提供金屬模具，所述金屬模具具有與流路腔的反面幾何形狀對(duì)應(yīng)的形狀；在S320中通過(guò)熱噴涂方法用耐腐蝕涂層覆蓋所述模具；在S330中根據(jù)預(yù)定葉輪幾何形狀，使復(fù)合材料圍繞覆有耐腐蝕涂層的模具成形；在S340中使所述復(fù)合材料固化；以及在S350中將模具溶解在酸性溶液或者堿性溶液中，同時(shí)將耐腐蝕涂層留在復(fù)合材料上。
[0034]所公開的示例性實(shí)施例提供了一種方法，所述方法用于生產(chǎn)由復(fù)合材料構(gòu)成的葉輪，以具有被耐腐蝕涂層覆蓋的流路腔，所述耐腐蝕涂層一開始通過(guò)噴鍍或熱噴涂涂覆到模具上。應(yīng)了解，本說(shuō)明書中并不限制本發(fā)明。示例性實(shí)施例意圖涵蓋所有替代形式、修改形式和等效形式，它們包括在由隨附權(quán)利要求界定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。此外，示例性實(shí)施例的詳細(xì)描述中描述了許多具體細(xì)節(jié)，以提供對(duì)本發(fā)明的全面了解。但是，所屬領(lǐng)域中的技術(shù)人員應(yīng)了解到，可以在不含此類具體細(xì)節(jié)的情況下實(shí)踐多個(gè)實(shí)施例。
[0035]實(shí)施例中以特定組合描述了本發(fā)明實(shí)施例的特征和元素，但是每個(gè)特征或元素可獨(dú)立于實(shí)施例中的其他特征和元素單獨(dú)使用，或者在多個(gè)實(shí)施例中結(jié)合或獨(dú)立于本說(shuō)明書中所公開的其他特征使用。
[0036]本說(shuō)明書使用本發(fā)明的多個(gè)實(shí)例來(lái)使所屬領(lǐng)域的任何技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明，包括制造并使用任何裝置或系統(tǒng)，以及實(shí)施所涵蓋的任何方法。本發(fā)明的保護(hù)范圍由權(quán)利要求書界定，并且可以包括所屬領(lǐng)域中的技術(shù)人員想出的其他實(shí)例。此類其他實(shí)例在權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于制造復(fù)合葉輪的方法(100)，所述復(fù)合葉輪具有流路腔，所述流路腔具有耐腐蝕涂層，所述方法包括: 提供(SllO)模具，所述模具具有與所述流路腔的反面幾何形狀對(duì)應(yīng)的形狀； 在所述模具上涂覆(S120)耐腐蝕涂層； 根據(jù)預(yù)定的葉輪幾何形狀，圍繞覆有所述耐腐蝕涂層的所述模具對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行成形(S130)； 對(duì)所述復(fù)合材料(S140)進(jìn)行固化；以及 去除(S150)所述模具，將所述耐腐蝕涂層留在所述復(fù)合葉輪的所述流路腔上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在所述模具上涂覆所述耐腐蝕材料的方法取決于模具材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述復(fù)合材料包括樹脂。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述模具由水溶性材料制成，并且所述模具通過(guò)溶解在水基溶液中來(lái)實(shí)現(xiàn)去除。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中在所述模具上涂覆所述耐腐蝕涂層包括: 使用密封劑涂覆所述模具； 將導(dǎo)電涂料涂覆在所述密封劑上；以及 將所述耐腐蝕層噴鍍到所述導(dǎo)電涂料上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述密封劑是環(huán)氧樹脂漆。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述導(dǎo)電涂料包括銀。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述耐腐蝕層的所述噴鍍包括: 將Ni基層噴鍍?cè)谒鰧?dǎo)電涂料上；以及 使用無(wú)電鍍鎳技術(shù)(ENP)將所述耐腐蝕層噴鍍?cè)谒鯪i基層上。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中將所述Ni基層噴鍍?cè)谒鰧?dǎo)電涂料上通過(guò)伍德鎳閃鍛(Woods nickel strike)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述導(dǎo)電涂料上的所述Ni基層具有小于Imil的厚度。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中使用ENP噴鍍的所述耐腐蝕層包括大小不足2μ m、體積比約為35%的鉆石。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述模具由金屬制成，并且所述模具通過(guò)溶解在酸性溶液或堿性溶液中來(lái)實(shí)現(xiàn)去除。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述模具由銅或軟鋼制成。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述模具通過(guò)溶解在硝酸中來(lái)實(shí)現(xiàn)去除。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中在所述模具上涂覆所述耐腐蝕涂層通過(guò)熱噴涂來(lái)實(shí)現(xiàn)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述耐腐蝕涂層由陶瓷和金屬膠制成。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中(a)所述陶瓷是WC并且所述金屬膠是以下項(xiàng)中的一項(xiàng):(i) Co和Cr的組合、(ii) Ni或(iii) Ni和Cr的組合,或者(b)所述陶瓷是Cr2C3并且所述金屬膠是Ni和Cr的組合。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述耐腐蝕涂層具有至少IOmil的厚度。
19.一種葉輪(1、40)，包括: 葉片(3 )； 防護(hù)罩(4)，所述防護(hù)罩與所述葉片(3)接觸并且流路腔穿過(guò)其中；以及耐腐蝕涂層(20)，所述耐腐蝕涂層位于所述流路腔上，所述耐腐蝕涂層通過(guò)如下步驟制造: 提供(S210)水溶性模具，所述水溶性模具具有與流路腔的反面幾何形狀對(duì)應(yīng)的形狀； 使用密封劑涂覆(S220)所述模具； 將導(dǎo)電涂料涂覆(S230)在所述密封劑上； 將耐腐蝕層噴鍍(S240)到所述導(dǎo)電涂料上； 根據(jù)預(yù)定幾何形狀，圍繞覆有所述密封劑、所述導(dǎo)電涂料和所述耐腐蝕涂層的所述模具對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行成形(S250)； 對(duì)所述復(fù)合材料進(jìn)行固化(S260);以及 將所述模具溶解(S270 )在水基溶液中， 同時(shí)至少將所述耐腐蝕涂層留在所述葉輪的所述流路腔上。
20.一種葉輪(1、40)，包括: 多片葉片(3 )； 防護(hù)罩(4)，所述防護(hù)罩與所述葉片(3)接觸并且流路腔穿過(guò)其中；以及耐腐蝕涂層(20)，所述耐腐蝕涂層位于所述流路腔上，所述耐腐蝕涂層通過(guò)如下步驟制造: 提供(S310)金屬模具，所述金屬模具具有與所述流路腔的反面幾何形狀對(duì)應(yīng)的形狀； 使用熱噴涂技術(shù)在所述模具上涂覆(S320)耐腐蝕涂層； 根據(jù)預(yù)定葉輪幾何形狀，在圍繞覆有所述耐腐蝕涂層的所述模具對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行成形(S330)； 對(duì)所述復(fù)合材料進(jìn)行固化(S340);以及 將所述模具溶解(S350 )在酸性溶液或堿性溶液中，同時(shí)至少將所述耐腐蝕涂層留在所述葉輪的所述流路腔上。
【文檔編號(hào)】F04D29/02GK103782041SQ201280030690
【公開日】2014年5月7日 申請(qǐng)日期:2012年6月20日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月21日
【發(fā)明者】I.焦文內(nèi)蒂, A.梅西尼 申請(qǐng)人:諾沃皮尼奧內(nèi)有限公司