CN101688542B - 用于涡轮机转子的前罩 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种涡轮机和一种用于涡轮机转子的前罩，该涡轮机转子具有相对它的支承部悬臂式设置的叶轮，其中，所述前罩为引导所述叶轮的轴向入流和/或出流可轴向连接在该叶轮上并具有联结装置，所述叶轮和所述前罩可通过该联结装置径向机械联结，由此可影响所述涡轮机转子的振动特性。

Description

用于涡轮机转子的前罩
本发明涉及一种涡轮机和一种用于涡轮机转子的前罩。该涡轮机转子具有相对所述涡轮机转子的支承部悬臂式设置的叶轮，其中，所述前罩为引导所述叶轮的轴向入流和/或出流可轴向连接在该叶轮上，并且具有联结装置，所述叶轮和所述前罩可通过该联结装置径向机械联结，因此可影响所述涡轮机转子的振动特性。
如图8和图9所示，涡轮机例如是传统的涡轮压缩机101。该涡轮压缩机101具有壳体102和涡轮压缩机转子103，该涡轮压缩机转子由壳体102包围。涡轮压缩机转子103具有轴104，该轴在支承部105支承在壳体102上。此外，涡轮压缩机转子103具有叶轮106，该叶轮悬臂式地设置在支承部105。叶轮106是离心式压缩机叶轮，其入流在轴104的轴向延伸，而其出流在轴104的径向延伸。入流在涡轮压缩机101沿轴104的轴向延伸的进气道107中导引，因此，入流沿轴104的轴向碰到叶轮106上。为了控制入流，例如为了用涡旋加载入流，在进气道107中设置有多个可调节的导向叶片108，其中，可调节的所有导向叶片108整体上称为叶片环。
如图8所示，导向叶片108的轮毂区域设有前罩110，其固定在叶轮106上，并因此随叶轮106旋转。前罩110气体动力学地构造，并用于使叶轮106的轮毂区域对于入流的干扰影响保持得尽可能小。
如图9所示，作为旋转的前罩110的替代方案，可以在叶轮106的轮毂区域中设置一静止不动的前罩111。前罩111由固定在进气道107上的牵杆109保持在位置上。前罩111同样气体动力学地构造，以便尽可能不干扰至叶轮106的入流。此外，牵杆109气体动力学地构造，以便使得牵杆109对于入流的干扰影响尽可能小。牵杆109设置在可调节的导向叶片108的上游，而静止的前罩111在轴104的轴向设计得比旋转的前罩110更长。在涡轮压缩机101运行时，在叶轮106和静止的前罩111之间发生相对运动。前罩111与叶轮106之间成一定间隔地布置，使得叶轮106不与静止的前罩111接触，并因此不会在前罩上磨损并损坏。
涡轮压缩机转子103的转子动态性能，也就是涡轮压缩机转子103在涡轮压缩机101运行时的动态震动性能基本上取决于涡轮压缩机转子103的几何形状和设计结构和源自支承部105的动态特性，尤其是支承部105的刚度和阻尼。支承部105通常由可倾瓦滑动轴承形成，所述轴承根据其设计、结构和其运行具有相应的刚度和相应的阻尼。在涡轮压缩机转子103提高转速到其运行转速时，涡轮压缩机转子103通常经过至少一个临界转速。为避免涡轮压缩机转子103在经过临界转速时损坏，涡轮压缩机转子103的径向振幅始终处于设计规定的极限内。在涡轮压缩机转子103的转子动态特性相应设定，尤其是通过涡轮压缩机转子103的几何形状和设计结构以及支承部105的刚度和阻尼设定时，则可遵守该转子的振幅极限值。
由于叶轮106被悬臂式支承，在经过临界转速时，常常在叶轮106上出现高的径向振幅。因此，带有悬臂式支承的叶轮106的涡轮压缩机转子103从转子动态特性方面看常常难以控制。
此外公知的是，尤其在高度气密的条件下，压缩机转子与压缩气体的相互作用会导致转子的自激振动，这会导致涡轮机的破坏。这种现象通过对转子动态特性有利的设计克服，其中，迄今为止仅将转子的转速和质量分布以及支承部的阻尼和刚度作为可变参数来考虑。由专利文献US-A-4772135，US-A-6158977和US-B1-6327857公开有带有前罩的涡轮机。
本发明所要解决的技术问题是创造一种用于涡轮机转子的前罩和一种其转子带有前罩的涡轮机，其中，所述涡轮机具有均衡的转子动态特性，并从而可以更可靠地运行。
为解决按本发明的技术问题建议一种用于涡轮机转子的前罩，该涡轮机转子具有相对所述涡轮机转子的支承部悬臂式设置的叶轮，其中，所述前罩为引导所述叶轮的轴向入流和/或出流可轴向连接在该叶轮上并具有联结装置，所述叶轮和所述前罩可通过该联结装置径向机械联结，由此可影响所述涡轮机转子的振动特性，按照本发明，所述叶轮具有一可从外部接近的、具有圆柱形内壁的轴孔，所述联结装置则具有一带有圆柱状外壁的突伸部分和一加载装置，其中，所述突伸部分可插入所述轴孔中并在该突伸部分的外壁和所述轴孔的内壁之间形成一圆柱状环形间隙，通过所述加载装置可向所述环形间隙中加载一种加载气体，用于减弱所述涡轮机转子的振动。
本发明另外还建议了一种带有涡轮机转子的涡轮机，该涡轮机转子具有相对所述涡轮机转子的支承部悬臂式设置的叶轮和按本发明所述的前罩，其中，所述叶轮和所述前罩可借助于联结装置径向机械联结，由此可影响所述涡轮机转子的振动特性，按照本发明，所述叶轮具有一可从外部接近的、具有圆柱形内壁的轴孔，所述联结装置则具有一带有圆柱状外壁的突伸部分和一加载装置，其中，所述突伸部分可插入所述轴孔中并在该突伸部分的外壁和所述轴孔的内壁之间形成一圆柱状环形间隙，通过所述加载装置可向所述环形间隙中加载一种加载气体，用于减弱所述涡轮机转子的振动。
由此有利的实现了，除支承部的设计和涡轮机转子的几何构造之外，也可借助于联结装置确定或影响涡轮机转子的转子动态性能。
前罩通过联结装置作用在叶轮上，该叶轮相对于支承部悬臂式地支承。由于叶轮悬臂式地支承，对于联结装置而言相对于支承部存在一更有利的杠杆臂，可用于影响涡轮机转子的转子动态性能。因此，涡轮机转子的转子动态性能可通过前罩有效且方便地影响。
因此，涡轮机转子的振动在运行中可借助于联结装置减弱，使得涡轮机转子运行时的最大振幅低。在涡轮机采用高密度的气体运行时，涡轮机转子的振幅可以大到会导致涡轮机的损坏。然而，由于联结装置的减震特性，涡轮机转子的振幅还是较低，因此，按本发明的涡轮机也可以用这种高密度的气体高运行安全性地运行。因此，通过在按本发明的涡轮机中设置按本发明的前罩，可实现一种涡轮机设计方案的新型转变，尤其是在具有高气体密度的气体(例如高压压缩的二氧化碳)的应用领域。
因此，前罩是附加的结构元件，通过该结构元件可以有利地影响振动系统的阻尼。
优选的是，叶轮具有一个可从外面接近的、具有圆柱状内壁的轴孔，而联结装置具有带有圆柱状外壁的突伸部分，该突伸部分可在突伸部分的外壁和轴孔的内壁之间形成圆柱状环形间隙的情形下插入轴孔中，并具有加载装置，通过该加载装置可用加载气体加载环形间隙，用于缓冲或减弱涡轮机转子的振动。
因此，通过加载气体流经环形间隙在前罩的突伸部分和叶轮之间实现环形的、圆柱式气垫。该气垫具有缓冲或减震特性，通过该气垫可以减弱或缓形的、圆柱式气垫。该气垫具有缓冲或减震特性，通过该气垫可以减弱或缓冲涡轮机转子的振动。借助于加载装置可以预先确定加载气体的流动，因此可调节气垫的减震特性。在叶轮和前罩的突伸部分之间设置有环形间隙，因此，尽管叶轮和前罩之间减震联结，但叶轮不与前罩接触。因此，叶轮和前罩没有接触地机械联结，因此避免了叶轮与前罩在联结装置区域内的机械磨损。
优选的是，加载装置具有构造在前罩中的通道系统，用于将加载气体输送到环形间隙中，其中，加载气体可在环形间隙中流经突伸部分的外壁。
因此，加载气体在前罩的内部输送到环形间隙，使得不需要在前罩的外部为向环形间隙供给加载气体设置额外的空间。因此，加载装置节约位置地设计在前罩内部。
此外优选的是，联结装置具有至少一个带有迷宫式尖端的迷宫式密封件，其设置在突伸部分的外壁上和/或叶轮的内壁上。
如果加载气体流经环形间隙内部的迷宫式密封件，也就是围绕密封式尖端流动，那么在迷宫式尖端形成多个涡流，所述涡流增大加载气体在环形间隙内的流动阻力。因此，通过加载气体在环形间隙内部形成的气垫的减震效果得以改善。
联结装置优选具有多个迷宫式密封件，在这些密封件之间可分别将加载气体输入环形间隙中，进而用于将气体加载给迷宫式密封件。
迷宫式密封件可单独地构造，因此在环形间隙内部产生了与涡轮机转子的转子动态特性相适应的加载轮廓。因此，各个迷宫式密封件可以在涡轮机转子的轴向及其径向不同地构造，因此各个密封件具有不同的减震特性和刚度特性。
作为替代手段，优选的是，联结装置具有带有蜂窝的蜂窝式密封件，其设置在突伸部分的外壁上和/或叶片的内壁上。
此外优选的是，联结装置具有多个蜂窝式密封件，在所述密封件之间可分别输送加载气体到环形间隙中，以用于将气体加载给蜂窝式密封件。
因此，各个蜂窝式密封件可以不同地构造，因此，各个蜂窝式密封件具有不同的减震特性和刚度特性。
优选的是，前罩相对叶轮静止地固定。
因此，用加载气体供应环形间隙在前罩内部易于实现，因为在前罩和通常也是静止的加载气体外部源头之间不发生相对运动。
在涡轮机运行时，叶轮转动而前罩静止不动。因此，在环形间隙中形成了具有高减震能力的剪切流。
涡轮机优选是离心式压缩机，其优选具有用于叶轮的进气道和至少一个牵杆，所述前罩通过该牵杆悬挂在进气道中。
所述牵杆相对叶轮静止不动地稳定定位，因此由叶轮通过联结装置向前罩施加的力可通过牵杆传递到进气道上。因此，前罩的突伸部分在叶轮中的嵌合可靠且精确，因此，联结装置的减震作用有效。
牵杆优选气体动力学地构造成型。
因此，牵杆在进气道中具有小的气体动力学阻力，因此，进气道中的流动被牵杆干扰较少。因此，涡轮机具有高的效率。
此外优选的是，牵杆设计为导向叶片。
因为牵杆固定在进气道中，所以其是静止的。牵杆有利的是导向叶片，因此可以借助于牵杆相应有利地偏转朝叶轮的入流。因此，可气体动力学地控制朝叶轮的入流。
优选的是，可穿过牵杆地供应加载气体给加载装置。
因此，加载气体从进气道的外部穿过牵杆输入前罩的内部。在前罩的内部设置有通道系统，通过该通道系统将加载气体一直输送到突伸部分的外壁，加载气体然后从突伸部分的外壁流入环形间隙。
加载气体优选是涡轮机的过程气体。
在加载气体从环形间隙流出时，加载气体与涡轮机的过程气体混合。因为加载气体具有和过程气体一样的成分，不会由于加载气体污染过程气体。此外，加载气体可以有利地从涡轮机中抽取，因此不需要为加载气体设置单独的源头。
涡轮机优选具有至少一个可调节的导流叶片，其设置在牵杆和叶轮之间。
借助于导流叶片可以有利地积极控制到叶轮的入流，使得叶轮具有高的效率。
以下根据附图说明按本发明的涡轮压缩机的优选实施形式。附图中：
图1是按本发明的涡轮压缩机的剖视图；
图2是图1中标记X处的细节图；
图3是图2中标记Y处的细节图；
图4是联结装置的第一种实施形式；
图5是联结装置的第二种实施形式；
图6是联结装置的第三种实施形式；
图7是联结装置的第四种实施形式；
图8是传统涡轮压缩机的第一个例子以及
图9是传统涡轮压缩机的第二个例子。
如图1至3可见，涡轮压缩机1具有壳体2和涡轮压缩机转子3，该转子由壳体2包围。涡轮压缩机转子3具有轴4，该轴在支承部5支承在壳体2上。此外，涡轮压缩机转子3具有固定在轴4上的叶轮6。叶轮6相对于支承部5悬臂式支承地设置。叶轮6具有轴孔7，轴4嵌入所述轴孔7中，其中，所述轴4不完全穿透轴孔7。轴孔7由其内壁8限定边界，轴4固定贴靠在所述内壁8上。
涡轮压缩机1具有进气道9，通过该进气道输送至叶轮6的入流。叶轮6是带有轴向入流特性的离心式压缩机叶轮，其中，进气道9设置在涡轮压缩机转子3的轴向。
在进气道9中固定有牵杆10，前罩11固定在该牵杆上，前罩居中地设置在进气道9中。前罩11具有突伸部分12，该突伸部分从进气道9嵌入轴孔7中。突伸部分12具有外壁13，该外壁移入位于轴孔7中。牵杆10将前罩11居中地保持在进气道9中，突伸部分12的外壁13与轴孔7的内壁8同心地设置。因此在轴孔7的内壁8和突伸部分12的外壁13之间形成有一环形间隙14。
在环形间隙14中设置有迷宫式密封件15，其具有两个轴向依次布置的迷宫式件16，16a。迷宫式部件16，16a设置在突伸部分12的外壁13上，并且与轴孔7的内壁8成间隔地设置。
在前罩11内部设置有一通道系统17，通过该通道系统向环形间隙14供应加载气体。通道系统具有通道系统入口18和通道系统流出口19，其中，加载气体从通道系统入口18流入通道系统17，而通道系统流出口19处于突伸部分12的外壁13上。通道系统流出口19还处在两个迷宫式部件16之间，因此，加载气体在两个迷宫式部件16之间流入环形间隙14。
壳体2具有一输送接管20和一输送导管21，加载气体通过所述输送接管和输送导管被输送到牵杆10。牵杆10设计成中空的、并且以其空腔气体导通地连接在前罩11上的通道系统入口18上，因此，加载气体从输送接管20通过输送导管21、牵杆10、通道系统入口18、通道系统17和迷宫式部件16，16a之间的通道系统流出口19输送到环形间隙14中。
流经通道系统17的加载气体分为气流(a)和气流(b)，其中，气流(a)通过通道系统出口19经由迷宫式部件16导入直接在叶轮6之前的空间，气流(b)经由迷宫式部件16a导入突伸部分12和轴4之间的中间空间，从该中间空间通过端侧的孔19a同样导入直接位于叶轮6之间的空间中。
在流经通道系统出口19的加载气体沿着迷宫式部件16，16a流经环形间隙14时，形成气垫。
在涡轮压缩机1运行时，涡轮压缩机转子3旋转。由于涡轮压缩机转子3的转子动态性能，该涡轮压缩机转子经受弯曲振动，其导致叶轮6的动态径向运动。与涡轮压缩机转子3相反，前罩11借助于牵杆10坚固且静止地保持在进气道9中。因此尤其形成了突伸部分12的外壁13和轴孔7的内壁18之间的径向相对运动，因此，环形间隙14动态地改变其结构。因此，形成在环形间隙14中的气垫的厚度改变，因此，该气垫支承在前罩11上地减震作用在叶轮上。因此，叶轮6的动态径向运动被限制，因此改进了涡轮压缩机转子3的转子动态性能。
在涡轮压缩机1运行时，涡轮压缩机转子3旋转，并因此叶轮6也旋转。因为前罩11静止地设置，在环形间隙14中形成气垫中的剪切流动。因此，气垫具有高的减震效果。
涡轮压缩机1还具有可调节的导向叶轮22，沿涡轮压缩机转子3的轴向看，该导向叶轮设置在叶轮6和牵杆10之间。至叶轮6的入流可以借助于可调节的导向叶轮22这样地控制，尤其是用涡流加载供给气体，使得叶轮6具有高的热动力学效率。
在图4中示出了联结装置的第一种实施形式，其中，迷宫式部件16静止不动地设置在前罩11的突伸部分12上。叶轮6轴孔7相对于迷宫式部件16运动的内壁8与迷宫式部件16相对置地设置在环形间隙14中。
在图5中示出了联结装置的第二种实施形式，其中，迷宫式部件16设置在轴孔7的内壁8上，因此，迷宫式部件16相对于突伸部分12的外壁13旋转。
在图6中示出了联结装置的第三种实施形式，该联结装置与按图4的第一种实施形式类似，然而区别是，替代迷宫式部件16设置带有蜂窝24的蜂窝式密封件23。
在图7中示出了联结装置的第四种实施形式，该联结装置与按图5的第二种实施形式类似，其中，替代迷宫式部件16设置带有蜂窝24的蜂窝式密封件23。

Claims (15)

1.一种用于涡轮机转子(3)的前罩，该涡轮机转子(3)具有相对所述涡轮机转子(3)的支承部(5)悬臂式设置的叶轮(6)，其中，所述前罩(11)为引导所述叶轮(6)的轴向入流和/或出流可轴向连接在该叶轮上并具有联结装置，所述叶轮(6)和所述前罩(11)可通过该联结装置径向机械联结，由此可影响所述涡轮机转子(3)的振动特性，其特征在于，所述叶轮(6)具有一可从外部接近的、具有圆柱形内壁(8)的轴孔(7)，所述联结装置则具有一带有圆柱状外壁(13)的突伸部分(12)和一加载装置，其中，所述突伸部分(12)可插入所述轴孔(7)中并在该突伸部分(12)的外壁(13)和所述轴孔(7)的内壁(8)之间形成一圆柱状环形间隙(14)，通过所述加载装置可向所述环形间隙(14)中加载一种加载气体，用于减弱所述涡轮机转子(3)的振动。
2.如权利要求1所述的前罩，其中，所述加载装置具有一构造在所述前罩(11)中的通道系统(17)，用于将所述加载气体输入所述环形间隙(14)中，其中，所述加载气体在所述环形间隙(14)中可流经所述突伸部分(12)的外壁(13)。
3.如权利要求2所述的前罩，其中，所述联结装置具有至少一个带有迷宫式尖端(16)的迷宫式密封件(15)，所述迷宫式尖端(16)设置在所述突伸部分(12)的外壁(13)上和/或所述轴孔(7)的内壁(8)上。
4.如权利要求3所述的前罩，其中，所述联结装置具有多个迷宫式密封件(15)，在所述多个迷宫式密封件(15)之间可分别向所述环形间隙(14)输送用于加载所述迷宫式密封件(15)的加载气体。
5.如权利要求2所述的前罩，其中，所述联结装置具有带有蜂窝(24)的蜂窝式密封件(23)，所述蜂窝(24)设置在所述突伸部分(12)的外壁(13)上和/或所述轴孔(7)的内壁(8)上。
6.如权利要求5所述的前罩，其中，所述联结装置具有多个蜂窝式密封件(23)，在所述多个蜂窝式密封件之间可分别向所述环形间隙(14)输送用于加载所述蜂窝式密封件(23)的加载气体。
7.一种带有涡轮机转子(3)的涡轮机，该涡轮机转子(3)具有相对所述涡轮机转子(3)的支承部(5)悬臂式设置的叶轮(6)和按权利要求1至6之一所述的前罩(11)，其中，所述叶轮(6)和所述前罩(11)可借助于联结装置径向机械联结，由此可影响所述涡轮机转子(3)的振动特性，其特征在于，所述叶轮(6)具有一可从外部接近的、具有圆柱形内壁(8)的轴孔(7)，所述联结装置则具有一带有圆柱状外壁(13)的突伸部分(12)和一加载装置，其中，所述突伸部分(12)可插入所述轴孔(7)中并在该突伸部分(12)的外壁(13)和所述轴孔(7)的内壁(8)之间形成一圆柱状环形间隙(14)，通过所述加载装置可向所述环形间隙(14)中加载一种加载气体，用于减弱所述涡轮机转子(3)的振动。
8.如权利要求7所述的涡轮机，其中，所述前罩(11)相对所述叶轮(6)静止地固定。
9.如权利要求7或8所述的涡轮机，其中，所述涡轮机是离心式压缩机(1)。
10.如权利要求9所述的涡轮机，其中，所述离心式压缩机(1)具有用于所述叶轮(6)的进气道(9)和至少一个牵杆(10)，所述前罩(11)通过所述牵杆悬挂在所述进气道(9)中。
11.如权利要求10所述的涡轮机，其中，所述牵杆(10)气体动力学地构造成型。
12.如权利要求11所述的涡轮机，其中，所述牵杆(10)设计为导流叶片。
13.如权利要求10所述的涡轮机，其中，可穿过所述牵杆(10)地给所述加载装置供应所述加载气体。
14.如权利要求7或8所述的涡轮机，其中，所述加载气体是所述涡轮机的过程气体。
15.如权利要求10所述的涡轮机，其中，所述涡轮机具有至少一个可调节的导向叶片(22)，其设置在所述牵杆(10)和所述叶轮(6)之间。
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