涡轮叶轮
技术领域
本公开涉及涡轮叶轮。
背景技术
例如，涡轮叶轮通过接受工作介质的流动而绕轴旋转。专利文献1公开了为了应对腐蚀而对涡轮叶轮实施被膜处理的技术。专利文献1的技术作为被膜处理在氮化硬质层形成物理蒸镀硬质层。
专利文献1：国际公开第2007/083361号
要求涡轮叶轮的高速旋转化。由此，研究使用铝作为涡轮叶轮的母材。例如，在紧急时有时包含液滴的工作介质会流入涡轮叶轮。在该情况下，涡轮叶轮有可能因腐蚀而损伤。本公开对能够抑制由腐蚀引起的涡轮叶轮的损伤的涡轮叶轮进行说明。
发明内容
本公开的一个方式的涡轮叶轮具备：主要成分为铝的母材、和覆盖母材的表面的耐腐蚀被膜部。
根据本公开，抑制由腐蚀引起的涡轮叶轮的损伤。
附图说明
图1是表示包括本公开的一个实施方式的涡轮叶轮在内的双发电装置的简略结构的图。
图2是图1所示的涡轮发电机的局部剖视图。
图3是图2所示的涡轮叶轮的剖视图。
图4是表示设置于母材的表面的被膜部的剖视图。
具体实施方式
本公开的一个方式的涡轮叶轮具备：母材，其主要成分为铝；和耐腐蚀被膜部，其覆盖母材的表面。
在本公开的涡轮叶轮设置有耐腐蚀被膜部。其结果，在液滴流入至涡轮叶轮的情况下，液滴比母材先接触到耐腐蚀被膜部。因此，抑制由腐蚀引起的母材的表面的损伤。
耐腐蚀被膜部可以是包含镍和磷的镀层。由此，能够使耐腐蚀被膜部的硬度高于母材的硬度。通过提高了硬度的耐腐蚀被膜部，能够抑制由腐蚀引起的涡轮叶轮的损伤。
母材的硬度可以是维氏硬度HV100以上且HV160以下。耐腐蚀被膜部的硬度也可以是维氏硬度HV500以上。
可以在母材形成有沿轴线方向贯通的贯通孔。也可以在母材的轴线方向的端面不设置耐腐蚀被膜部。根据该结构，能够容易地管理母材的端面的表面粗糙度。例如，旋转轴包括旋转轴主体、和比旋转轴主体直径小的棒状部件。根据该结构，能够使棒状部件插通于贯通孔，将棒状部件的基端部连结于旋转轴主体，并能够使螺母相对于棒状部件的前端部的螺纹部紧固。能够通过螺母将涡轮叶轮按压于旋转轴主体，将涡轮叶轮相对于旋转轴安装。根据该结构，能够将涡轮叶轮的端面的表面粗糙度容易地管理为设计值。其结果，能够在涡轮叶轮的端面与紧贴于端面的面之间产生适当的摩擦力。因此能够抑制涡轮叶轮相对于旋转轴的位置偏移。
可以在母材形成有沿轴线方向贯通的贯通孔。也可以在贯通孔的内周面不设置耐腐蚀被膜部。根据该结构，能够容易地管理贯通孔的内周面的尺寸。若贯通孔的内周面的尺寸的管理变得容易，则能够抑制贯通孔与插通于贯通孔的棒状部件的嵌合精度的降低。
以下，一边参照附图、一边对本发明的实施方式进行详细地说明。另外，在各附图中对相同部分或者相当部分标注相同的附图标记。省略重复的说明。
图1所示的双发电装置1是进行发电的系统。双发电装置1例如利用温水作为热源。双发电装置1例如设置于工厂等。双发电装置1例如可以设置于焚烧设施、锅炉设备、温泉设施、地热发电站以及其他余热利用设备等。双发电装置1例如采用有机郎肯循环(OrganicRankine Cycle；ORC)。双发电装置1在热源与工作介质之间进行热交换。在双发电装置1使用的工作介质的沸点比水的沸点低。工作介质例如是替代氟利昂等。作为工作介质例如也可以使用惰性气体。作为工作介质，也可以使用其他流体。
双发电装置1具备蒸发器2、涡轮发电机3(膨胀发电机)、冷凝器4以及循环泵5。双发电装置1具备循环管路6。循环管路6将蒸发器2、涡轮发电机3、冷凝器4以及循环泵5连接。循环管路6包括第一配管7、第二配管8、第三配管9以及第四配管10。第一配管7将蒸发器2与涡轮发电机3连接。第二配管8将涡轮发电机3与冷凝器4连接。第三配管9将冷凝器4与循环泵5连接。第四配管10将循环泵5与蒸发器2连接。工作介质经过循环管路6。工作介质在蒸发器2、涡轮发电机3、冷凝器4以及循环泵5这样的设备中循环。
蒸发器2是热交换器。蒸发器2利用热源的热使工作介质蒸发。作为蒸发器2例如能够使用板式热交换器。蒸发器2并不限定于板式热交换器。蒸发器2也可以是壳管式的热交换器。蒸发器2也可以是具备其他方式的热交换器。在蒸发器2连接有配管11和配管12。作为热源的温水在配管11的内部流动。然后温水流入蒸发器2。工作介质经过第四配管10的内部，然后工作介质流入蒸发器2。在蒸发器2中，温水的热向工作介质传导。其结果，被加热的工作介质蒸发。蒸发的工作介质在第一配管7的内部流动。然后工作介质从蒸发器2流入涡轮发电机3。温度降低后的温水在配管12中流动。然后将温水排出。
涡轮发电机3的说明详见后述。冷凝器4是热交换器。冷凝器4通过使用冷却源来冷却工作介质，从而使工作介质冷凝。冷凝器4例如能够使用板式热交换器。冷凝器4并不限定于板式热交换器。冷凝器4也可以是壳管式的热交换器。冷凝器4也可以是具备其他方式的热交换器。在冷凝器4连接有配管13和配管14。作为冷却源的冷却水在配管13的内部流动。然后冷却水流入冷凝器4。从涡轮发电机3排出的工作介质在第二配管8的内部流动。然后工作介质流入冷凝器4。在冷凝器4中，将工作介质的热向冷却水传导。将被冷却的工作介质冷凝。其结果，工作介质液化。液化后的工作介质从冷凝器4排出。然后工作介质在第三配管9的内部流动。在冷凝器4中回收了工作介质的余热后的冷却水在配管14的内部流动。然后将工作介质排出。
循环泵5使工作介质循环。循环泵5例如能够使用涡轮式泵。工作介质在第三配管9的内部流动。然后工作介质流入循环泵5。从循环泵5排出的工作介质在第四配管10的内部流动。而且工作介质被供给至蒸发器2。
接下来，参照图2对涡轮发电机3进行说明。涡轮发电机3具备涡轮15、发电机16以及旋转轴17。涡轮15包括涡轮叶轮18和涡轮壳体19。发电机16具备发电机壳体20、转子部21以及定子部22。涡轮发电机3的壳体23包括涡轮壳体19和发电机壳体20。将涡轮壳体19相对于发电机壳体20固定。在涡轮壳体19与发电机壳体20之间设置有隔壁24。旋转轴17贯通隔壁24。旋转轴17从发电机壳体20的内部延伸至涡轮壳体19的内部。
旋转轴17由一对轴承25支承为能够旋转。图2仅图示一个轴承25。将一个轴承25保持于隔壁24的贯通孔。将另一个轴承在旋转轴17的轴线方向上保持于与隔壁24相反的一侧的壁体。旋转轴17包括：配置于发电机壳体20的内部的旋转轴主体26、和配置于涡轮壳体19的内部的小径部27(棒状部件)。旋转轴主体26配置于发电机壳体20的内部。小径部27(棒状部件)配置于涡轮壳体19的内部。小径部27的外径比旋转轴主体26的外径小。在旋转轴17形成有阶梯面17a。阶梯面17a是旋转轴主体26的端面。
在发电机壳体20的内部配置有转子部21和定子部22。转子部21包括磁铁28和筒状部件29。磁铁28安装于旋转轴主体26的外周。磁铁28例如形成圆筒状。磁铁28安装于旋转轴主体26。筒状部件29覆盖磁铁28。筒状部件29以覆盖磁铁28的外周面的方式安装于磁铁28。在旋转轴17的轴线L的方向上，磁铁28的端面被环状部件30覆盖。环状部件30在旋转轴17的轴线L的方向上配置于磁铁28的两侧。
定子部22以包围转子部21的方式保持于发电机壳体20的内侧。定子部22包括圆筒状的铁芯部和线圈部。铁芯部配置为包围转子部21。将导线卷绕于铁芯部而形成线圈部。转子部21与旋转轴17一起旋转。其结果，电流向定子部22的线圈部流动。由此涡轮发电机3进行发电。
小径部27的基端部连结于旋转轴主体26。旋转轴主体26的轴线与小径部27的轴线相互同轴。在涡轮壳体19形成有吸入口(未图示)、涡旋部31以及排出口32。吸入口向与旋转轴17延伸的方向交叉的方向开口。涡旋部31与吸入口连通。涡旋部31形成为沿旋转轴17的周向回转。排出口32向旋转轴17的轴线L的方向开口。
如图3所示，涡轮叶轮18包括叶轮主体33和翼34。在叶轮主体33形成有沿轴线L的方向贯通的贯通孔35。叶轮主体33包括基端侧突起部33a和前端侧突起部33b。基端侧是旋转轴主体侧(图示右侧)。前端侧是与旋转轴主体相反的一侧(图示左侧)。叶轮主体33的外径从基端侧朝向前端侧变小。在沿着轴线L剖切的剖面中，叶轮主体33的外周面33c弯曲为从沿着径向的方向连接至沿着轴线L的方向的方向。翼34从叶轮主体33的外周面33c向外侧伸出。涡轮叶轮18具备沿周向分离地配置的多个翼34。
如图2所示，在涡轮叶轮18的贯通孔35插通有小径部27。在小径部27的前端部形成有公螺纹部。在公螺纹部安装有螺母36。通过紧固螺母36，从而将涡轮叶轮18压紧于旋转轴主体26侧。涡轮叶轮18相对于旋转轴17安装固定。基端侧突起部33a的端面在轴线L的方向上紧贴于旋转轴主体26的端面。前端侧突起部33b的端面在轴线L的方向上紧贴于螺母36的端面。小径部27嵌合于贯通孔35。贯通孔35的内周面紧贴于小径部27的外周面。涡轮叶轮18也可以通过其他方法安装于旋转轴17。
在涡轮15中，从吸入口吸引的工作介质以在涡旋部31的内部回转的方式流动。工作介质从径向的外侧流入涡轮叶轮18。工作介质被导入涡轮叶轮18的外周部。换言之，工作介质被导入涡轮叶轮18的径向的外侧。工作介质在轴线L的方向上被导入涡轮叶轮18的基端侧。工作介质接触到多个翼34。其结果，涡轮叶轮18绕轴线L旋转。工作介质绕轴线L回转并且沿叶轮主体33的外周面33c流动。工作介质从前端侧被导出。然后，工作介质在沿着轴线L流动后通过排出口32排出。
涡轮叶轮18的母材37(参照图4)由铝形成。涡轮叶轮18的母材37也可以是铝合金。铝合金以铝为主要成分并包含其他成分。叶轮主体33与翼34一体地由相同的材质形成。
如图4所示，涡轮叶轮18具备被膜部38(耐腐蚀被膜部)。被膜部38覆盖母材37的表面37a。被膜部38例如是包含镍和磷的镀层。被膜部38设置于叶轮主体33的外周面33c和翼34的表面。被膜部38的膜厚例如可以为10μm以上。在叶轮主体33的基端侧突起部33a的端面33d不设置被膜部38。在叶轮主体33的前端侧突起部33b的端面33e不设置被膜部38。在叶轮主体33的贯通孔35的内周面35a不设置被膜部38。也可以在叶轮主体33的背面部设置有被膜部38。换言之，也可以在与叶轮主体33的前端侧相反的一侧的面设置有被膜部38。
作为母材37的铝的硬度例如可以是维氏硬度HV100以上。另外，铝的硬度例如可以是维氏硬度HV160以下。被膜部38的硬度例如也可以是维氏硬度HV500以上。这些硬度例如能够通过进行维氏硬度试验(JISZ2244)而获得。另外，被膜部38的硬度也可以通过将其他硬度试验的结果换算为维氏硬度而获得。被膜部38的硬度试验例如能够在对母材37施加了被膜部38的状态下进行。
作为被膜部38的镀层，例如通过非电解镀而形成。接下来，对镍-磷镀的施工方法进行说明。作为镍-磷镀的施工方法例如能够采用锌置换法。作为前处理，进行母材37的脱脂、蚀刻以及酸洗等。在前处理后，将作为铝的母材37浸渍于锌置换液。由此在铝的表面置换析出锌。接下来，使铝浸渍于非电解镍-磷镀液。其结果形成镀层。然后进行热处理。由此，能够在母材37的表面37a施加作为镍-磷镀层的被膜部38。对作为未施工被膜部38的部分的叶轮主体33的基端侧突起部33a的端面33d、前端侧突起部33b的端面33e以及贯通孔35的内周面35a进行遮挡。通过该应对，从而在这些部分不形成镀层。
在双发电装置1中，采用铝作为涡轮叶轮18的母材37。因此能够实现涡轮叶轮18的轻质化。其结果能够使涡轮叶轮18高速地旋转。涡轮叶轮18的转速例如可以为2万rpm以上。另外，涡轮叶轮18的转速例如可以为3万rpm以下。
在双发电装置1中，在通常的运行中，工作介质的液滴流入涡轮叶轮18的可能性较低。在双发电装置1中，例如通过设置绕过涡轮15的旁通流路，能够防止在紧急时液滴向涡轮叶轮18流入。双发电装置1也可以利用其他方法防止液滴向涡轮叶轮18流入。
在本公开的涡轮叶轮18中设置有被膜部38。因此，即使液滴流入涡轮叶轮18，液滴也比母材37先接触到被膜部38。其结果，抑制由母材37的表面37a的腐蚀引起的损伤。被膜部38比母材37硬度高。即，被膜部38比母材37硬。因此，即使液滴接触到被膜部38也难以损耗。其结果，由于抑制母材37的损伤，因此抑制涡轮叶轮18的旋转稳定性降低。因此，能够使涡轮发电机3的可靠性提高。
在涡轮叶轮18的叶轮主体33的端面33d、33e不设置被膜部38。由此，能够容易地管理端面的33d、33e的表面粗糙度。因此，容易将端面33d、33e的表面粗糙度管理为设计值。此外，在叶轮主体33的端面33d与紧贴于端面33d的旋转轴17的阶梯面17a之间能够产生适当的摩擦力。同样，在叶轮主体33的端面33e与紧贴于端面33e的螺母36的端面36a之间能够产生适当的摩擦力。因此，能够抑制涡轮叶轮18相对于旋转轴17的周向的位置偏移。其结果，抑制涡轮叶轮18的旋转稳定性降低。
在涡轮叶轮18的叶轮主体33的贯通孔35的内周面35a不设置被膜部38。其结果，能够容易地管理贯通孔35的内周面35a的尺寸。因此，能够容易地将贯通孔35的内周面35a的尺寸管理为设计值。此外，能够抑制贯通孔35与插通于该贯通孔35的小径部27之间的嵌合精度的降低。
本公开并不限定于上述的实施方式，在不脱离本公开的主旨的范围内能够进行下述那样的各种变形。
在上述的实施方式中，形成镍-磷镀层作为被膜部38。但是，被膜部38也可以是与镍-磷镀不同的耐腐蚀被膜部。被膜部也可以是在母材37的表面37a施加的硬质涂层(耐腐蚀被膜部)。硬质涂层例如通过CVD(chemical vapor deposition-化学气相沉积)、PVD(physical vapor deposition-物理气相沉积)形成。
在上述的实施方式中，对在端面33d、33e未施加被膜部38的涡轮叶轮18进行了说明。但是被膜部38也可以设置于端面33d、33e。例如，被膜部也可以形成于与螺母36不接触的部分。被膜部也可以形成于与旋转轴17的阶梯面17a不接触的部分。同样，被膜部也可以形成于贯通孔35的内周面35a。叶轮主体33的外周面33c也可以包括不形成被膜部的部分。翼34的表面也可以包括不形成被膜部的部分。
在上述的实施方式中，对具备涡轮发电机3的双发电装置1进行了说明。涡轮发电机3能够作为其他发电装置来利用。涡轮叶轮18并不限定于应用于涡轮发电机3的涡轮叶轮。涡轮叶轮18能够应用于其他压缩机(compressor)等旋转设备。例如，在将本公开的涡轮叶轮18应用于其他压缩机的情况下，涡轮叶轮18的转速也可以为2万rpm以上且6万rpm以下。涡轮叶轮18的转速也可以根据用途适当地变更。
附图标记说明
1…双发电装置；3…涡轮发电机；18…涡轮叶轮；33d…基端侧突起部的端面；33e…前端侧突起部的端面；35…贯通孔；35a…内周面；37…母材；37a…表面；38…被膜部(耐腐蚀被膜部)；L…轴线。
