CN102105698A - 集流室及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种流体机械（压缩机1）的集流室（2），此集流室在周向方向上扩宽，此集流室（2）由至少一个外部的外壳件（21）和至少一个轮廓插入件（22）构成，此轮廓插入件（22）设置有在周向方向上延伸的凹槽（26），此凹槽（26）优选构成为蜗形的螺旋形。按本发明，轮廓插入件（22）由实体铣削出来并在一个端部上在周向方向上被弯曲的棱边（33）限定，因此在从集流室过渡到后续的扩散器（10）将流动损失降至最低。

Description

集流室及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种流体机械的集流室，此集流室在周向方向上扩宽并在机器轴线的周边的至少一部分上延伸，此集流室由至少一个外部的外壳件和轮廓插入件构成，此轮廓插入件包括具有槽底的凹槽，此凹槽由实体铣削出来并在周向方向上延伸并至少单侧从侧面限定，此集流室具有在周向方向上延伸的第一流动开口（其基本构造成用于轴向的流动）和至少一个第二流动开口（其基本构造成用于径向的流动），其中此凹槽具有在周向方向上的第一端部和在周向方向上的第二端部，其中集流室的在周向方向上的第二端部通到第二流动开口中。

背景技术

在流体机械（例如涡轮机、膨胀机或压缩机）中，上述类型的周边腔通常设置在流入和流出区域中。旋转的流动导引轮廓（例如转子叶片或叶轮）的区域在流动技术方面得以最深入地优化，而在周围的区域中还经常会出现较大的流动损失。为了对付这一点，通常所需的90°偏转在流入和流出区域中已经不再构成为简单的进入周边腔中的径向流入，而是构成为进入在周向方向上逐渐缩小的集流室中的优选切向的流入，其被称为螺旋流入或螺旋流出。

一方面受集流室大小的制约，另一方面受集流室的非旋转对称的形状的制约，对此构件的切削加工的前提条件是不利的，因而此构件通常构造成铸造结构。但对于这样的构造尺寸（其中实心材料可提供给这种集流室），设置用于切削加工的结构，因为强烈的依赖铸件供应商在经济上是很不利的。这种结构通常构造成两部分，以便在切割加工时时避免底切。相应地，具有外部的外壳件和内部的轮廓插入件，此轮廓插入件装在外部的外壳件中，以并这种方式构成由这两个构件包围的集流室。此集流室通常具有在周向方向上延伸的轴向第一流动开口和第二流动开口，此第二流动开口构造成用于径向流动。

在离心压缩机中，压缩的气体例如从叶轮进入径向的周边腔，并紧接着通常在90°偏转之后进入集流室中。为了避免紊流，此集流室这样来构造其沿着周向方向扩宽的横截面，即此最大的横截面位于径向流出或第二流动开口的区域内，在此处整个流出或流入的流体最后聚集成通穿流。在几乎所有情况下，在此第二流动开口上都接有扩散器，此扩散器例如在压缩机中将过程气体传导到另一压缩机级、中间冷却器或其它工艺中。在从集流室中排到扩散器中时，在铣削的结构中会出现非常不利的流动损失。

从DE 1 291 943 B、FR 1300622 A,、DE 3040747 A1、 EP 1586745 A1 和 DE 19640647 A1 中分别已知具有集流室的流体机械。DE 3040747 A1示出了一种由硬的白口铸铁构成的集流室，其具有在周向方向上扩宽的圆形横截面。此铸造构件非常繁杂并且费用巨大，并且机器制造商会不利地依赖铸件供应商。

发明内容

从前面定义的集流室结构中，得出本发明的目的，即创造一种集流室，它尤其在第二流动开口区域内只具有很小的流动损失，但不是铸造结构。

按本发明，此目的通过具有权利要求1特征的集流室得以实现。此外，本发明借助按权利要求7所述的方法来实现此目的，此方法是指在轮廓插入件中制造凹槽。各个从属权利要求包括本发明的有利的改进方案。

如果没有其它说明，几何方面的指标（径向、轴向、周边和切向）总是相对于机器轴线。

在流出的情况下，在周向方向上封闭凹槽的棱边的弯曲轮廓有利于流动分配，并把在周向方向上运动的流体从集流室中偏转到径向的流动方向上，例如相接的管子。这加以必要的改变，也适用于流入的情况。

适宜的是，此棱边可这样弯曲，即它在后续构件（例如管子）的流动轮廓上尽量无过渡地接合。在此意义上有利的改进方案规定，棱边的径向投影是圆形的。

适宜的是，此棱边构成为凹下的，以避免流动损失。

棱边的椭圆形轮廓也可使得流动损失较小，尤其依赖于相连的、引导流体的构件，或还有利的是，棱边的至少一个投影具有椭圆形的轮廓。

同时或排他地，与槽底切向的棱边投影可构成为圆/椭圆形或圆形，以便将流动损失降至最低。

为将流动损失降至最低，尤其适宜的是，此棱边尤其在凹槽的中间区域中弯曲。

棱边的弯曲绝对不仅仅是指制造技术上的倒圆（其只表达出制造半径），而是指优选借助铣刀有针对性地加工倒圆。

如果构成集流室的凹槽的至少一个轴向边界轮廓或在凹槽的至少一个周向方向上延伸的棱边构成蜗形，则可尤其有利地形成流动走向。以这种方式，可利用凹槽的轴向扩大，作为在周向方向上扩宽的措施，因此既使体积流增大了，至少不会提高集流室中的速度，即在压缩机中的流出，或相反在涡轮机或膨胀机中的流入。蜗形结构也可这样利用，即在超过360°的周边上构成凹槽，并以这种方式将径向流出（在压缩机中）或流入与第一流动开口的流动影响分开，这通过以下方式得以实现，即此区域轴向地设置在集流室的最窄区域旁，即在周向方向上看与其交叠。

另一可能性是，在周向方向上延伸的凹槽的横截面在周向方向上扩宽，凹槽的槽底构成为螺旋形。

适宜的是，蜗形（Helix）构造和螺旋（Spirale）构造可组合成螺旋蜗形（Spiralhelix），因此可利用这两种结构的优点。

有利的是，本发明类型的集流室按本发明的方法制成，在此方法中在抵达凹槽的具有比另一端部增大的横截面的端部时，铣刀轴线（铣刀围绕着此轴线旋转）从径向位置移动到切向的位置。以这种方式，铣刀的回转周边以自然圆形形状这样在轮廓插入件的实心材料上加工，因此在周向方向上达到凹槽边界的期望的弯曲棱边。在把流动损失降到最低点这一方面，如果在达到凹槽的第二端部时，铣刀以与此处的槽底相切的铣刀轴线从轮廓插入件中引导出来，则可实现突出的效果。

此外为了进一步将流动损失降至最低，本发明的有利的改进方案还规定，在集流室的开端和从集流室出来进入在后续的压力接管中的出口之间没有直接的连接。这种在集流室的常规构造中通常的连接产生压力走向中的不对称，此不对称在叶轮出口上产生力，并以这种方式以径向力的形式加载在转子轴上，因此支承此轴的径向轴承也会负载增大。

为了使在周向方向上延伸的从叶轮出来进入集流室中的入口的角度区域不会出现影响不利的缩小，其还可能对叶轮出口上的压力分配的对称性产生负面影响，适宜的是，从集流室出来的进入后续的压力接管中的出口区域在周向方向上构造得尤其短，这通过另一按本发明的构造形式得以实现，此构造形式规定，集流室的出口不是切向地构成，而是在径向方向上偏转。从集流室出来在径向方向上进入压力接管中的这种结构，在集流室的周向方向上尤其节省空间，因此集流室的蜗形的升程可变得更小，因此轴向的空间需求也更小。此外，由于压力接管从周围壳体中径向地输出来或径向地伸出来，所以尤其还在强度和材料要求方面具有更多的优点。

集流室的径向出口的这些优点尤其对于高压应用（出口压力在700至1200 bar之间）具有决定性的优势，这些特征在它自身也是非常适宜的（没有本发明的其它特征），其中：

- 将叶轮或轴与反馈流动/压力不对称分离，此反馈流动/压力不对称是从压力接管或它的进入区域中反馈而来，

- 由于从有角度的集流室到圆形压力接管出口横截面之间的优选的铣削过渡，其已经出现在集流室自身当中，所以简化了压力接管，此压力接管可不仅以铸造件的形式制成，而且还以车削件的形式（在成本和供货时间上有优势）制成，其中压力接管的焊缝制备也可通过车削加工来实现。

为在从扩散器中排出时不会出现不期望的喷嘴效应，以这种方式扩大有效的铣削直径是适宜的，即铣刀在从径向取向摆动到切向取向的过程中导引到围绕中心轴线的轨迹，此中心轴线与铣刀轴线平行相距偏心半径。这一点可这样实现，即铣刀轴线借助圆形运动的回转描绘出圆柱形。此圆柱形可以是指直圆柱形。如果随着逐渐接近第二端部偏心半径增加，则会产生对流动有利的过渡。在此，例如依照摆动角度或其它的参数（其表示接近第二端部）单调地上升，则可实现连续增加。

附图说明

下面借助专门的实施例并参照附图详细地描述了本发明。其中：

图1  在纵向剖视图中示出了单级压缩机的一部分，其具有按本发明的集流室；

图2  在侧视图中示出了按本发明的轮廓插入件；

图3  在侧视图中示出了按本发明的轮廓插入件，其相对图2旋转了90°；

图4  在透视图中示出了按本发明的轮廓插入件；

图5  在正视图中示出了按本发明的轮廓插入件，并示出了立铣刀在按本发明的制造过程中在不同的步骤中的取向；

图6  在透视图中示出了按本发明的轮廓插入件，其中集流室具有径向的出口；

图7  在按图6的切线VII的剖视图中示出了轮廓插入件在径向出口区域中的细节。

具体实施方式

图1在纵向剖视图中示出了压缩机1的一部分，其具有按本发明的集流室2，此集流室2在周向方向上围绕着机器轴线3延伸。此压缩机1具有转子4，叶轮5（离心压缩机的压缩级）设置在其示出的端部上，此叶轮5构成了转子4的轴的自由端部。此叶轮5通过流入机构6被流体7轴向流过，并把压缩的流体径向朝外地输送到周边腔8中。在进一步90°偏转9之后，流体7从周边腔8中流入集流室2中，并在此处聚集，并以未单独示出的方式进入接下来的扩散器10（在周向方向上偏置地示出）。

集流室2由外部的外壳件21和轮廓插入件22形成。外壳件21中的槽口（轮廓插入件22插入此槽口中）是圆柱形的孔。此轮廓插入件22这样压入外壳件21中，即在轮廓插入件11的轴向端面上留下包围的空间，其形成周边腔8。

图1所示方案中的轮廓插入件22与图2至5所示的轮廓插入件22相比，其不同之处在于，它不是构造成一体的，而是最后在端面上还设置有扩散器盘11，其借助固定螺钉固定在轮廓插入件22上。

图2所示的轮廓插入件22呈圆柱形地在基体23中构造，其中台阶24与外壳件21上的槽口25这样对应，即轴向贴靠能实现精确的轴向取向，并围成用于周边腔8的空间。轮廓插入件22设置有环绕的凹槽26。在端侧视线上（即在机器轴线的方向上观察），槽底27构成为螺旋形，此槽底27径向朝内限定了凹槽26，因此凹槽26的深度从第一端部28开始到第二端部29在横截面中加大。

如图1所示，集流室2具有在周向方向上延伸的第一流动开口30，流体在90°偏转9之后基本轴向地流入此流动开口30中。用于径向流动方向的第二流动开口31是扩散器10中的入流口。第二流动开口31位于集流室2或凹槽26的第二端部29上。

还如同图4和图3明显所示的一样，凹槽26的轴向边界轮廓32构造成蜗形，此边界轮廓32在轮廓插入件22的始端构成为在周向方向上延伸的台阶，因此凹槽26或槽底27构成蜗形螺旋。如图3和4明显可看到的一样，凹槽26在第二端部29上被弯曲的棱边33在周向方向上限定。在径向投影中，弯曲的棱边33具有圆形形状。

从图5可看到，凹槽26或槽底27具有第一周边部段61（它包括凹槽26的第一端部）和邻接的第二周边部段（它包括凹槽26的第二端部），槽底27随着接近第二流动开口31具有增大的在轴向方向上凹下的曲率。

此外图5还示出了，如何按照本发明的制造方法，借助围绕着铣刀轴线35旋转的铣刀36将弯曲的棱边33制造出来。在周向方向上延伸的凹槽26的始端或区域内，铣刀36以径向对准机器轴线3的铣刀轴线35进入轮廓插入件22（例如铣刀位置40）中。在环绕待制造的凹槽26之后，铣刀36继续留在铣刀轴线35的径向取向中，直到凹槽26的第二端部29附近的确定的周边位置。在此位置上，在轮廓插入件22和铣刀36之间在周向方向上继续进行相对运动的情况下，铣刀轴线35从径向取向倾斜至切向取向，直到铣刀轴线35与此处的槽底27平行，其中铣刀36不再继续朝轮廓插入件22的机器轴线3的方向上深入待铣削的材料中，而是笔直地或与此处切线平行地，以与此切线平行的铣刀轴线从工件中引导出来，因此圆形的铣削轮廓作为弯曲的棱边33在凹槽26的第二端部29上形成。在图5中，铣刀位置40、41、42、43示出了铣刀轴线35的变化，其在周向方向上具有连续的相对运动。

图6透视地示出了轮廓插入件22的尤其有利的构造方案，其中集流室2的第二端部29（即在压缩机1中是指集流室2的出口50）相对机器轴线3在径向方向上构成。在出口50的上游延伸的集流室2在其径向朝内的边界轮廓方面描述了90°偏转，在上游在周向方向上开始，在下游在径向方向上结束。在此如图7所示，至少在集流室2的轴向中心的剖面中，此偏转基本描述了具有恒定半径的形状（即圆弓形）。图7示出了壳体52的出口接管51，过程流体通过此出口接管51在从周向方向偏转到径向方向之后从集流室2中流出来。与常规的切向的排出方向相比，出口接管51的从壳体52的径向排出方向具有不同的优点，即强度更高，空间需求更小,并且作用在壳体52上的力的对称度更高。

参考标记清单

1    压缩级

2    集流室

3    机器轴线

4    转子

5    叶轮

6    流入机构

7    流体

8    周边腔

9    90°偏转

10    扩散器

11    扩散器盘

21   外壳件

22   轮廓插入件

23   基体

24   台阶

25   槽口

26   凹槽

27   槽底

28   第一端部

29   第二端部

30   第一流动开口

31   第二流动开口

32   轴向的边界轮廓

33   弯曲的棱边

35   铣刀轴线

36   铣刀

40-43   铣刀位置

51   压力接管

52   壳体

61   第一区域

62   第二区域

Claims (17)

1.一种流体机械（压缩机1）的集流室（2），此集流室在周向方向上扩宽并在机器轴线（3）的周边的至少一部分上延伸，此集流室（2）由至少一个外部的外壳件（21）和轮廓插入件（22）构成，此轮廓插入件（22）包括具有槽底（27）的凹槽（26），此凹槽（26）由实体铣削出来并在周向方向上延伸并至少单侧从侧面限定，此集流室（2）具有在周向方向上延伸的第一流动开口（30）和至少一个第二流动开口（31），此第一流动开口（30）基本构造成用于轴向的流动，此第二流动开口（31）基本构造成用于径向的流动，其中此凹槽（26）具有在周向方向上的第一端部（28）和在周向方向上的第二端部（29），其中集流室（2）的在周向方向上的第二端部（29）通到第二流动开口（31）中，其特征在于，槽底（27）具有第一周边部段（61）和邻接的第二周边部段（62），此第一周边部段（61）包括第一端部（28），此第二周边部段（62）包括第二端部（29），此槽底（27）随着接近第二端部（29）具有增大的在轴向方向上凹下的曲率。

2.按权利要求1所述的集流腔（2），其特征在于，槽底（27）至少在第一周边部段（61）上至少局部地在轴向方向上构成为直的。

3.按权利要求2所述的集流腔，其特征在于，槽底（27）在轴向方向上至少局部地或全部地在第二周边部段上构成为椭圆形或圆形。

4.按权利要求2或3所述的集流腔，其特征在于，凹槽（26）在第二端部（29）上在周向方向上被弯曲的棱边（33）限定，此棱边（33）构成为椭圆形。

5.按上述权利要求中至少一项所述的集流腔（2），其特征在于，构成集流室（2）的凹槽（26）的至少一个轴向边界轮廓（32）或凹槽（26）的在周向方向上延伸的棱边（33）构成为蜗形。

6.按上述权利要求中至少一项所述的集流腔（2），其特征在于，凹槽（26）的槽底（27）构成为螺旋形。

7.按上述权利要求中至少一项所述的集流腔（2），其特征在于，集流室（2）在集流室（2）的第二端部（29）上这样构成，即穿流集流室（2）的过程流体从首先在机器轴线（3）的周向方向上延伸的流动方向偏转到在径向方向上延伸的流动方向，因此可通过压力接管（51）从壳体（52）中实现径向排出，而无需显著的其它偏转。

8.按上述权利要求中至少一项所述的集流腔（2），其特征在于，凹槽（26）的横截面在第一区域中是矩形的。

9.一种用来在轮廓插入件（22）中制造凹槽（26）的方法，此轮廓插入件（22）与外部的外壳件（21）一起形成用于流体机械（压缩机1）的集流室（2），此集流室（2）在机器轴线（3）的周边的至少一部分上延伸，在此方法中凹槽（26）借助围绕铣刀轴线（35）旋转的铣刀（36）铣削到轮廓插入件（22）中，其中铣刀（36）从集流室（2）的第一端部（28）一直到集流室（2）的第二端部（29）将凹槽（26）铣削出来，其特征在于，铣刀轴线（35）随着逐渐接近第二端部（29）从径向取向朝切向取向倾斜。

10.按权利要求9所述的方法，其特征在于，铣刀（36）在达到凹槽（26）的第二端部（29）时，以切向地指向此处的槽底（27）的铣刀轴线（35）从轮廓插入件（22）中引导出来。

11.按权利要求9或10所述的方法，其特征在于，铣刀（36）在从径向取向摆动到切向取向的过程中导引到围绕中心轴线的轨迹上，此中心轴线与铣刀轴线（35）平行相距偏心半径。

12.按权利要求11所述的方法，其特征在于，铣刀（36）在从径向取向摆动到切向取向的过程中在圆形轨迹上这样进行引导，即铣刀轴线（35）借助圆形运动的回转描绘出圆柱形。

13.按权利要求12所述的方法，其特征在于，描述出来的圆柱形是直圆柱形。

14.按权利要求11所述的方法，其特征在于，随着逐渐接近第二端部（29）偏心半径增加。

15.按权利要求9至14之任一项所述的方法，其特征在于，铣刀构造成在只垂直于铣刀轴线（35）运动的情况下至少在围绕端面的铣刀轴线的第一区域中用于铣削平面。

16.按权利要求9至15之任一项所述的方法，其特征在于，铣刀在接近第二端部（29）时，以到机器轴线（3）增大的间距进行引导。

17.按权利要求9至16之任一项所述的方法，其特征在于，铣刀是锥形或圆柱形的立铣刀。

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