CN103133403B - 涡轮机械 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种涡轮机械。更具体而言，一种涡轮机械包括具有护罩的涡轮定子、具有在护罩内的叶轮的涡轮转子、在叶轮和护罩之间的刷式密封、以及在刷式密封上游从护罩朝叶轮延伸的至少一个叶片。

Description

涡轮机械

技术领域

本文所公开的主题的实施例大体上涉及涡轮机械，并且更具体而言，涉及管理在涡轮机械的护罩和叶轮之间的加压过程流体。

背景技术

在过去几年中，随着化石燃料价格的增长，在许多方面与化石燃料的处理有关的利益已增加。在化石燃料的处理期间，流体从陆上或离岸地点输送到处理装置以用于后续使用。在其它应用中，流体可以例如在烃处理装置的子系统之间更局部地输送，以有利于分配给最终使用者。

至少一些流体输送站使用涡轮机械，例如，由燃气涡轮驱动的压缩机、风机和/或泵。这些涡轮中的一些经由齿轮箱驱动相关联的流体输送设备，该齿轮箱将燃气涡轮的输出传动轴速度或者增加或者减小至预定的设备传动轴速度。在其它旋转机械中，使用电动驱动马达或电驱动器来代替机械驱动器或结合机械驱动器(即，燃气涡轮)以操作旋转机械。

不论特定背景，即陆上、离岸、海底等，并且也不论涡轮机械是否为涡轮或马达驱动，都始终存在对于增加效率、降低成本和减小化石燃料处理及特别地在这样的处理中涉及的旋转机械的环境影响的需求。

由于这种始终存在的需求，旋转机械的性能不断提高。如今的旋转机械不但更快、更加高效和环保，而且它们能够在比以往更高的温度和更高的压力下处理更具腐蚀性的物质。

虽然这些改进是受欢迎的，但用于控制这些过程的现有解决方案通常不足以满足在由这样的改进所带来的恶劣环境中工作的需求。

一个特别值得关注的领域是密封件。刷式密封通常设置在涡轮机械的转子和定子之间以在刷式密封的上游侧和下游侧之间保持压差。当过程流体用通常称为过程流体过度旋涡的过高的旋转速度分量挤压密封件时，刷式密封易于出现性能降低和受到潜在的损坏。在过去，已经通过引入位于刷式密封上游的所谓的旋涡消除器或旋涡制动器(brake)而解决了在转子和定子之间的过程流体旋涡。这些部件通常包括具有轴向通道的周向部件，该轴向通道减少了行进通过其中的过程流体中的旋涡。随着转子速度的增加，过程流体旋涡的旋转速度也增加。将高速流体强制通过这样的部件可导致涡轮机械的效率和/或性能降低。

需要一种涡轮机械，其能够提供改进的密封、减少的过程流体旋涡、更均匀的过程气体的速度分布以及提高的涡轮机械性能。

发明内容

根据一个示例性实施例，涡轮机械包括具有护罩的涡轮定子、具有在护罩内的叶轮的涡轮转子、在叶轮和护罩之间的刷式密封、以及在刷式密封上游从护罩朝叶轮延伸的至少一个叶片(vane)。

根据另一个示例性实施例，在涡轮机械中的护罩、叶轮和刷式密封组件包括在刷式密封上游且从护罩表面朝涡轮机械的叶轮延伸的至少一个叶片，该至少一个叶片包括上游端、下游端、在上游端和下游端之间延伸的第一侧、以及在上游端和下游端之间延伸的第二侧，该至少一个叶片还包括具有与护罩表面相交(intersect)的上游端和与护罩表面相交的下游端的面向叶轮表面，该面向叶轮表面从上游端向下游端与叶轮大致一致。

根据另一个示例性实施例，一种在涡轮机械中改进密封和减少旋涡的方法包括：在涡轮机械的叶轮和护罩之间提供刷式密封；在刷式密封上游在叶轮和护罩之间提供腔体；以及为腔体提供朝叶轮延伸的至少一个叶片。

附图说明

被包括到该说明书中并构成其一部分的附图展示了一个或多个实施例，并且与该描述一起解释本发明。在附图中：

图1示出示例性实施例。

图2是在图1中所示示例性实施例中的刷式密封的局部剖视图。

图3示出图1的示例性实施例的局部透视剖视图。

图4是图1所示示例性实施例的另一个剖视图。

图5示出另一个示例性实施例。

图6是在图5所示示例性实施例中的刷式密封的局部剖视图。

图7示出图5的示例性实施例的局部透视剖视图。

图8是图1所示示例性实施例的另一个剖视图。

图9是对图1所示的示例性实施例的分析。

图10是对图5所示的示例性实施例的分析。

图11是根据示例性实施例的方法的流程图。

具体实施方式

示例性实施例的下列描述参考了附图。不同图中的相同参考标号表示相同或类似的元件。下面的详细描述不限制本发明。而是，本发明的范围由所附权利要求限定。为简明起见，下面的实施例关于具有定子和转子的涡轮机械的术语和结构进行讨论。然而，下面将讨论的实施例不限于这些示例性系统，而可以应用于其它系统。

在说明书全文中，对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在所公开的主题的至少一个实施例中。因此，在说明书全文中，在不同地方出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不一定指的是同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，特定特征、结构或特性可以以任何合适的方式组合。

图1至图4示出了根据本发明的涡轮机械10的示例性实施例。涡轮机械10包括用于ORC(有机rankine循环)膨胀器的高压膨胀模块，如图1所示。涡轮机械10包括具有护罩18的定子12和具有叶轮22的转子16。

刷式密封24(在图1中画圈)和迷宫密封26设置在涡轮机械10的叶轮22和护罩18之间。图2示出了包括刷部分28和紧固件通路32的刷式密封24的局部剖视图。带螺纹的紧固件可以被插入通过在密封24的周边上的每个紧固件通路32，以便将密封24可拆卸地固连到护罩18。

应当指出，由于距转子轴线的远端定位，在叶轮22和护罩18之间的过程流体旋涡速度大于在转子16和定子12之间的过程流体旋涡速度，因此将刷式密封24定位在涡轮机械10内(具体而言，在护罩18和叶轮22之间)是重要的。

图3和图4示出了涡轮机械10的护罩18和叶轮22的局部视图。护罩表面36和叶轮表面38限定了一系列腔体，过程流体在挤压刷式密封24以及然后挤压迷宫密封26之前行进通过这些腔体。如图3和图4所示，由凹陷的护罩表面36和叶轮表面38限定的主腔体部分58设置在刷式密封24的上游。至少一个叶片14设置在主腔体部分58内的护罩18上。叶片14包括上游端42、下游端44、在上游端42和下游端44之间延伸的第一侧46以及在上游端42和下游端44之间延伸的第二侧48。如图3和图4中进一步示出地，叶片14还包括面向叶轮的表面52，其在上游端42和下游端44处与护罩表面36相交。在该示例性实施例中，叶片14限定了与转子轴线54(图4)重合的平面。另外，如在图3和图4中可知，叶片14的上游端42径向向外延伸超出叶轮22的外径56。

在图1至图4的示例性实施例中，主腔体58由垂直于转子轴线54的平面表面部分62进一步限定。如图2至图4所示，当密封件安装到涡轮机械10上时，护罩表面部分62由刷式密封24的主体的上游侧形成。护罩表面36还包括与平面表面部分62相交的柱形表面部分64。如图1至图4所示，叶片14限定了三角形形状。三角形的第一侧与平面的护罩表面部分62相交，第二侧与柱形表面部分64相交，并且三角形叶轮的第三侧面向叶轮22。

在制造期间，可以将叶片14在表面62处设置在密封部分24的主体上。在包括叶片14的密封件的安装期间，三角形叶片14的第二侧可以接合并固连到柱形表面64。该特征可允许叶片匹配或以其它方式具体地构造用于安装到旋转机械10的刷式密封24的特性。

如图1至图4进一步示出地，主腔体58设置在下游腔体66和上游腔体68之间。上游腔体比下游腔体66更远离转子轴线54。应当指出，叶片66延伸至下游腔体66以及延伸至上游腔体68。

如图3和图4所示，上游腔体68由在护罩18和叶轮22上的相对的柱形表面限定。涡轮机械10还包括从护罩表面36朝叶轮22延伸的稳定齿72。稳定齿72设置在刷式密封24和下游腔体66之间。如从图2进一步可知地，齿72设置在刷式密封24上。

图5至图8示出了根据本发明的涡轮机械110的另一个示例性实施例。涡轮机械110包括用于ORC(有机rankine循环)膨胀器的低压膨胀模块，如图5所示。

如图7和图8所示，主腔体158包括面向叶轮122的锥形护罩表面174。锥形护罩表面174沿下游方向渐缩。叶片114包括与锥形护罩表面174相交的第一侧176和包括面向叶轮122的表面的第二侧178。叶片114的第二侧178为凸形且与叶轮122的凹形表面182一致。

在图1至图4的示例性实施例的分析中，将各具有1mm的宽度的60个叶片14围绕转子轴线54设置在主腔体58内。另外，在图5至图8的示例性实施例的分析中，将90个叶片114围绕转子轴线154设置在主腔体158内。分析表明，进入主腔体58、158的高度漩涡状的流被叶片14、114偏转，由此增加轴向和/或径向流速分量，同时减小切向流动分量。分析似乎进一步表明，由于引入再循环区域和高度湍流的流动结构，旋涡被一定量的粘性引起的动量耗散进一步减小。此外，分析显示，为刷式密封24、124提供了速度分布均匀的过程气体。

具体而言，图9和图10分别示出了针对第一实施例10和第二实施例110的这种分析的结果。图9的顶部示出了相对于从上游腔体68到迷宫密封26的轴向坐标绘制的平均旋涡数。图9的底部示出了包括叶片14的涡轮机械10的旋涡模式和平均(meridional)速度场。线202指示在没有叶片14时的旋涡值vs轴向位置，并且线204指示在具有叶片14时的旋涡值vs轴向位置。刷式密封24的位置由竖直线206指示。如图9所示，靠近刷式密封24的上游侧的旋涡值在没有叶片14时为0.514，有叶片114时旋涡值为0.221。图10示出了用于第二实施例110的类似的图线，其包括用于没有叶片114时的旋涡值vs轴向位置的线302和用于具有叶片114时的旋涡值vs轴向位置的线304。如图10所示，靠近刷式密封124的上游侧的旋涡值在没有叶片114时为0.471，在有叶片114时，旋涡值为0.170。因此，两个实施例都为挤压刷式密封24的过程流体提供了大于50%的旋涡值减小。如从图9和图10的下部进一步可知地，涡轮机械10和110为挤压密封24的过程流体提供了均匀的速度分布。因此，相比常规涡轮机械，涡轮机械10、110提供了改进的密封、减少的过程流体旋涡、过程气体的更均匀的速度分布以及提高的性能。

根据如图11的流程图所示的实施例，在涡轮机械中改进密封和减少旋涡的方法(1000)可包括在涡轮机械的叶轮和护罩之间提供(1002)刷式密封以及在刷式密封上游在叶轮和护罩之间提供(1004)腔体以及为腔体提供(1006)朝叶轮延伸的至少一个叶片。

上述实施例意图在各个方面说明本发明，而不是限制本发明。所有这些变型和修改被认为在由所附权利要求所限定的本发明的范围和精神内。在本申请的描述中所使用的元件、动作或指令不应看作是对于本发明很关键或必不可少的，除非明确如此描述。另外，如本文所用，用词“一个”意图包括一个或多个物件。

Claims (10)

1.一种涡轮机械，包括：

涡轮定子，其具有护罩；

涡轮转子，其具有在所述护罩内的叶轮；

刷式密封，其在所述叶轮和所述护罩之间；

至少一个叶片，其在所述刷式密封上游从所述护罩朝所述叶轮延伸。

2.根据权利要求1所述的涡轮机械，其特征在于，所述至少一个叶片包括上游端、下游端、在所述上游端和所述下游端之间延伸的第一侧、以及在所述上游端和所述下游端之间延伸的第二侧。

3.根据权利要求1所述的涡轮机械，其特征在于，所述护罩具有面向所述叶轮的表面，并且所述至少一个叶片包括面向叶轮表面，该面向叶轮表面具有与所述护罩表面相交的上游端和与所述护罩表面相交的下游端，所述面向叶轮表面从所述上游端至所述下游端与所述叶轮大致轮廓一致。

4.根据权利要求1所述的涡轮机械，其特征在于，所述至少一个叶片限定与所述转子轴线重合的平面。

5.根据权利要求1所述的涡轮机械，其特征在于，所述叶轮具有外径，并且所述至少一个叶片径向向外延伸超出所述叶轮的所述外径。

6.根据权利要求1所述的涡轮机械，其特征在于，还包括所述刷式密封上游的主腔体部分，所述主腔体部分由所述护罩的凹面和所述叶轮的表面限定，所述至少一个叶片至少部分地设置在所述主腔体内。

7.根据权利要求6所述的涡轮机械，其特征在于，所述主腔体护罩表面包括台阶，所述台阶由垂直于所述转子轴线的平面护罩表面和所述平面护罩表面上游的柱形护罩表面限定，所述柱形护罩表面与所述平面护罩表面相交。

8.根据权利要求7所述的涡轮机械，其特征在于，所述至少一个叶片限定三角形形状，所述三角形的第一侧与所述平面护罩表面相交，所述三角形的第二侧与所述柱形护罩表面相交，并且所述三角形的第三侧面向所述叶轮。

9.一种在涡轮机械中的护罩、叶轮和刷式密封组件，包括：

至少一个叶片，其在所述刷式密封的上游且从所述涡轮机械的护罩表面朝叶轮延伸；

所述至少一个叶片，其包括上游端、下游端、在所述上游端和所述下游端之间延伸的第一侧、以及在所述上游端和所述下游端之间延伸的第二侧；

所述至少一个叶片还包括面向叶轮表面，所述面向叶轮表面具有与所述护罩表面相交的上游端和与所述护罩表面相交的下游端，所述面向叶轮表面从所述上游端至所述下游端与所述叶轮大致轮廓一致。

10.一种在涡轮机械中改进密封和减少旋涡的方法，包括：

在所述涡轮机械的叶轮和护罩之间提供刷式密封；

在所述刷式密封上游在所述叶轮和所述护罩之间提供腔体；

为所述腔体提供朝所述叶轮延伸的至少一个叶片。