CN103328772A - 膨胀涡轮机 - Google Patents

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Abstract

一种膨胀涡轮机包括：壳体，其具有用于工作流体的入口和出口；至少一个定子（3），其安装在壳体内部；至少一个转子（2），其安装在壳体内部并且绕相应的回转轴线（X-X）旋转；短管（4），其约束至壳体；机械单元（5），其安装在短管（4）内部。机械单元（5）包括衬套（7）和以能够旋转的方式安装在衬套（7）内部的轴（6）。轴（6）以能够移除的方式连接至转子（2），并且包括轴（6）在内的整个机械单元（5）能够从短管（4）中以整体的形式从与转子（2）相反的一侧抽出。转子（2）能够在第一构型与第二构型之间沿轴向方向（X-X）运动，其中，在第一构型中，机械单元（5）安装在短管（4）内部且转子（2）与短管（4）间隔开以便工作流体能够转动转子（2），在第二构型中，机械单元（5）从短管（4）中抽出且转子（2）在静态密封（18、19）处倚靠短管（4）。

Description

膨胀涡轮机
技术领域
本发明涉及一种用于产生电能和/或机械能的膨胀涡轮机，也称为涡轮膨胀机。
优选地，本发明涉及用在通过有机朗肯循环（Organic RankineCycle）（ORC）和/或卡林纳循环（Kalina cycle）产生能量的设备中的膨胀涡轮机。在这些设备中，单就这些设备已知，由于有机流体不但能够利用处于100℃至300℃之间的相对较低温度的热源，而且能够以更有效的方式利用处于较高温度的热源，因而使用有机类型的工作流体来代替传统的水/蒸汽系统。在某些情况下，使用了水-氨混合物，并且对于这种情况可参照卡林纳循环。因而，ORC转换设备和/或卡林纳设备被越来越多地用于不同领域的更广泛的应用中，例如，在地热领域中，在工业能量回收中，在用于从生物质以及集中的太阳能产生能量的工厂中，在再气化器中等。
背景技术
已知用于通过有机朗肯循环（ORC）和/或卡林纳循环将热能转换为电能和/或机械能的不同类型的膨胀机/涡轮机。在最知名的类型中，将提及的是具有一个或更多个串联的级的轴向膨胀机以及径向膨胀机。
通常，已知类型的涡轮机由称为定子的固定本体和称为转子的活动部件构成。涡轮机的转子部件由轴组成，工作流体的一个或更多个膨胀级被紧固至该轴。转子部件和定子部件的组装通过确保转子部件与定子部件除了绕与机器的轴一致的回转轴线旋转之外几乎完全不能进行相对运动的机械单元来执行。
公开文献WO2010/106570A1描述了用于气体和/或蒸汽膨胀的涡轮机的结构，该结构包括：壳体，该壳体在进入口和排出口之间具有工作流体的确定的过渡周缘；至少一个定子；涡轮机轴，该涡轮机轴绕轴线旋转并承载至少一个转子；外部短管，该外部短管从所述壳体向前伸出，并且与涡轮机轴同轴。支撑单元置于外部短管与涡轮机之间，该支撑单元能够以整体形式从短管中轴向地抽出，并且使轴保持固定至转子。文献US2881972，WO2005/042924,GB822173,DE102008056061,WO01/86130,US3612628,FR2487459,US4285632示出了具有可抽出部件的涡轮机的其它示例。
发明内容
本申请人已认识到有必要对已知的膨胀涡轮机的机械单元的结构进行改进，以便：
–有助于涡轮机的维护以及相关的组装与拆卸操作；
–能够在无需要求将工作流体从涡轮机中移除的情况下对机械单元进行维护；
–简化机械单元的制造并限制机械单元的成本；
–提高机械单元的可靠性，并因此提高整个涡轮机的可靠性；
–提高涡轮机的定子部件与转子部件之间的联接的精度，获得减小的间隙并且因此获得高的效率。
本申请人已发现上述目的能够通过提供下述的涡轮机轴而实现，该涡轮机轴能够与转子分开并且能够与由轴承和密封件组成的机械单元一起被抽出。
更具体地，在第一方面中，本发明涉及一种膨胀涡轮机，该膨胀涡轮机包括：壳体，该壳体具有用于工作流体的入口和出口；至少一个定子，该至少一个定子安装在壳体内部；至少一个转子，该至少一个转子安装在壳体内部并且绕相应的回转轴线旋转；约束至壳体的短管；安装在短管内部的机械单元，所述机械单元包括衬套和以能够旋转的方式安装在该衬套内部的轴，所述轴绕回转轴线旋转并且连接至转子，其特征在于该轴以可移除的方式连接至该转子，并且整个机械单元能够从短管中从与所述转子相反的一侧抽出。
优选地，但非排他性的，根据本发明的膨胀涡轮机适于用在通过有机朗肯循环和/或卡林纳循环进行操作的机器中，在所述机器中，工作温度相对较低（100℃-300℃），并且旋转速度相对适中（1000至4000转／分（rpm））。
本发明还能够具有以下所描述的一个或更多个优选的特征。
优选地，该涡轮机包括自定心接头，该自定心接头连接轴和转子，并且更优选地，该自定心连接件为齿联型（例如，为希尔德（Hirth）型）。转子和轴上的齿确保了在每次组装/拆卸时转子相对于轴的完美定心，而无需对转子和轴进行重新平衡。
优选地，涡轮机包括系杆，该系杆插入轴的轴向开口中，所述系杆具有连接至所述转子的端部并且沿机械单元从短管中抽出的方向与转子成一体。系杆使得转子能够抵靠轴被夹紧，从而使转子与轴以简单并且快速的方式（通过齿联接头）成为一体。
根据优选的实施方式，涡轮机包括球状联接件，该球状联接件连接系杆和转子，以确保完美的接合。当在维护操作期间以避免转子上的扭矩的方式对系杆进行预紧之后，通过螺母执行上紧动作。
优选地，转子能够沿轴向方向在第一构型与第二构型之间运动，其中，在第一构型中，机械单元安装在短管中，并且转子以能够被工作流体旋转的方式与短管间隔开，在第二构型中，机械单元从短管中被抽出，并且转子在静态密封处倚靠短管。
涡轮机还包括用于当所述转子处于第二构型中时抵靠短管锁定转子的装置。
拆卸操作因而能够在无需对涡轮机壳体进行清空的情况下执行。具体地，拆卸通过下述方式进行：将机械单元与转子相对于短管向后移动，直到使所述转子在静态密封处抵靠短管为止；将转子抵靠短管锁定；在将转子抵靠短管锁定的同时，将机械单元从所述短管中移除。从而，可避免已再次进入内部回路的工作流体和/或空气的任何泄漏，这使得维护操作能够非常快速地进行。
优选地，机械单元还包括密封装置，该密封装置设置在所述轴的连接至转子的端部处且位于衬套与轴之间。
优选地，机械单元还包括油封，该油封设置在所述轴的与转子相反的端部处且位于衬套与轴之间。
优选地，机械单元包括滚动轴承，该滚动轴承将轴以能够旋转的方式支撑在衬套中。
由于涡轮机通常必须操作至的减小的焓变化而引起的与ORC循环和/或卡林纳循环（Kalina cycle）相关的低的旋转速度以及减小的机械应力，由此能够使用滚动轴承。滚动轴承的特征在于无内在间隙并且以旋转中心与轴承自身的几何中心重合的方式操作。因此滚动轴承的采用使得能够采用大幅减小的间隙，并且因此能够在工作中获得高的效率。
从对根据本发明的膨胀涡轮机的优选的但并非排他性的实施方式的详细描述中，其他特征及优点将变得更明显。
附图说明
下文中将参照以非限制性示例的方式给出的附图进行描述，在附图中，
图1为根据本发明的膨胀涡轮机的一部分的截面图；
图2描绘了被局部地拆卸的能够在图1中观察到的部分。
具体实施方式
参照附图，根据本发明的膨胀涡轮机已总体上用附图标记1来表示。
示出的膨胀涡轮机1为用于通过有机朗肯循环（ORC）和/或卡林纳循环产生机械能和/或电能的设备中的类型。
涡轮机1包括在附图中仅概略地示出的转子或旋转盘2和定子3。转子2一般性地指代轴流式和/或径流式和/或混流式涡轮。转子2与定子3被置于壳体中，仅通过壳体自身已知并因此未进行进一步描述或示出，该壳体具有用于工作流体（比如，优选地ORC或水/氨，甚至水/蒸汽）的入口和出口。
定子3连接至与壳体一体的短管4。在附图中，定子3示出为焊接至短管4，但定子3也能够通过法兰、螺栓以及其它联接件联接。
在短管4内部以可移除的方式安装有机械单元5，该机械单元5承载沿回转轴线“X-X”延伸、并且与转子2一起绕所述轴线“X-X”自由旋转的轴6，并且该轴6在其第一端部6’处连接至转子2。更详细地，机械单元5包括与短管4同轴的衬套7。衬套7和/或短管4还具有用于防止衬套7与短管4之间绕回转轴线“X-X”相对旋转的凹槽和/或花键。
在衬套7中安装有球轴承8，该球轴承8以下述方式支撑轴6，即，轴6在所述衬套7内部能够绕回转轴线“X-X”自由旋转。在示出的非限制性示例中，机械单元5包括设置在衬套7的轴向中间位置处的两个并列的轴承8和置于所述衬套7的靠近轴6的第二端部6’’的端部处的轴承8。
机械单元5还包括设置在轴6的第一端部6’处、衬套7与轴6之间的密封装置或密封套9和设置在轴6的第二端部6’’处、衬套7与轴6之间的油封10。
在轴6的第一端部6’上形成有排齿11，当涡轮机1被组装并准备工作时，该排齿11与形成在转子2上的排齿12接合。两个排齿11、12限定希尔德型之类的自定心接头。
轴6具有轴向开口13，并在该轴向开口13内部容置有系杆14。系杆14具有从轴6的第一端部6’伸出并连接至转子2的头部14’。系杆14被引入转子2的中央孔中，并且头部14’具有抵靠转子2的背向机械单元5的球状表面16的球状表面15。系杆14具有与头部14’相反、并且从轴6的第二端部6’’伸出的终端14’’。旋拧至终端14’’上的螺母17抵靠轴6上紧转子2，两个排齿11、12的齿彼此啮合，从而使得转子2与轴6彼此一体地旋转。
在短管4的面向转子2的面上形成有锥形表面18，该锥形表面18面向存在于转子2上的锥形表面19。
当为了工作而以正确方式组装涡轮机1（图1）时，将衬套7插入到短管4中并锁定在短管4中。（通过齿式接头11、12）使轴6与转子2成为一体并且转子2与定子3间隔开。特别地，两个锥形表面18、19彼此相向，同时被相互间隔开。
为了拆卸机械单元5，将第一螺钉20取出，以移除衬套7与短管4之间的轴向阻挡件。随后，移动机械单元5、转子2与系杆14（所有部件沿轴向方向仍相互是一整体），直到使转子2的锥形表面19紧靠短管4的锥形表面18并且产生能够防止容纳在壳体中的工作流体泄漏的静态密封。
此时，转子2、短管4与定子3通过未示出的适当装置彼此锁定。
随后将螺母17从系杆14上移除，并且因而能够通过使机械单元5从与转子2相反的一侧滑出短管4而以整体的方式抽出整个机械单元5（由衬套7、轴6、轴承8、密封套9和油封10组成），并且同时系杆14（其保持约束至转子2）从轴6的轴向开口13（图2）中抽出。

Claims (9)

1.一种膨胀涡轮机，包括：
-壳体，所述壳体具有用于工作流体的入口和出口；
-至少一个定子（3），所述至少一个定子（3）安装在所述壳体内部；
-至少一个转子（2），所述至少一个转子（2）安装在所述壳体内部并且绕相应的回转轴线（X-X）旋转；
-短管（4），所述短管（4）约束至所述壳体；
-机械单元（5），所述机械单元（5）安装在所述短管（4）内部；所述机械单元（5）包括衬套（7）和以能够旋转的方式安装在所述衬套（7）内部的轴（6）；所述轴（6）绕所述回转轴线（X-X）旋转并且连接至所述转子（2）；其中，所述轴（6）以能够移除的方式连接至所述转子（2），并且整个机械单元（5）能够从与所述转子（2）相反的一侧从所述短管（4）中抽出；
其特征在于，所述转子（2）能够沿所述轴向方向（X-X）在第一构型与第二构型之间运动，其中，在所述第一构型中，所述机械单元（5）安装在所述短管（4）内部，并且所述转子（2）与所述短管（4）间隔开，从而所述工作流体能够使所述转子（2）旋转，在所述第二构型中，所述机械单元（5）被从所述短管（4）中抽出，并且所述转子（2）在静态密封（18、19）处倚靠所述短管（4）。
2.根据权利要求1所述的涡轮机，包括自定心接头（11、12），所述自定心接头（11、12）连接所述轴（6）和所述转子（2）。
3.根据权利要求2所述的涡轮机，其中，所述自定心接头（11、12）为齿联型。
4.根据权利要求1所述的涡轮机，包括系杆（14），所述系杆（14）插入到所述轴（6）的轴向开口（13）中；所述系杆（14）具有连接至所述转子（2）的端部（14’）并且沿所述机械单元（5）从所述短管（4）抽出的方向（A）与所述转子（2）成一体。
5.根据权利要求4所述的涡轮机，包括球状联接件（15、16），所述球状联接件（15、16）连接所述系杆（14）与所述转子（2）。
6.根据权利要求1所述的涡轮机，还包括用于当所述转子（2）处于所述第二构型中时将所述转子（2）抵靠所述短管（4）锁定的装置。
7.根据权利要求1所述的涡轮机，其中，所述机械单元（5）还包括密封套（9）和油封（10），其中，所述密封套（9）置于所述轴（6）的连接至所述转子（2）的端部（6’）处且位于所述衬套（7）与所述轴（6）之间，所述油封（10）置于所述轴（6）的与所述转子（2）相反的端部（6’’）处且位于所述衬套（7）与所述轴（6）之间。
8.根据权利要求1所述的涡轮机，其中，所述机械单元（5）包括滚动轴承（8），所述滚动轴承（8）将所述轴（6）以能够旋转的方式支撑在所述衬套（7）内部。
9.一种用于拆卸膨胀涡轮机的方法，所述方法包括以下步骤：
-提供包括根据权利要求1所述的特征的涡轮机；
-将所述机械单元（5）和所述转子（2）相对于所述短管（4）向后移动，直到使所述转子（2）在静态密封（18、19）处抵靠所述短管（4）为止；
-将所述转子（2）抵靠所述短管（4）锁定；
-在将所述转子（2）抵靠所述短管（4）锁定的同时，将所述机械单元（5）从所述短管（4）中抽出。
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