CN1033601C - 容积式旋转系统汽轮机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种容积式旋转系统汽轮机，它主要起容积式蒸汽机的作用。其包括几个排成列的圆筒形腔的机壳，平行的几根轴，这些轴的旋转轴线与所说腔的中心成重合，一个转子，转子上径向凹槽容放等间距的压力叶片，转子安装在中心轴上，至少两个转子，在它们的外表面有径向凹槽，这些凹槽相应于压力叶片的位置。通过部分地利用冲击到转子叶片上的蒸汽分子产生的动能，它另外还起径流式汽轮机的作用。

Description

容积式旋转系统汽轮机

本发明涉及旋转汽轮机，特别是涉及一种容积式旋转汽轮机的改进。

在过去，一些著名的发明家，如瓦特、默多克、霍恩布洛尔、特里维西克、埃里克森、莫兹利等，制造了不同类型的旋转式汽轮机，但是所有这些汽轮机都有某些缺点，以致妨碍了其成功的应用。以前制造的多数大型旋旋转式汽轮机出现了极端严重的密封问题，并且都失败了，其原因主要是无法控制蒸汽大量泄漏，致使容积效率大大降低，本发明的主要目的之一是介绍一种大型旋转式汽轮机用的无接触齿轮式迷宫密封装置，它的漏汽量非常小，因而大大提高了容积效率。目前，由于受腐蚀和锈蚀(如转子叶片和其它零件的气蚀或点状腐蚀等影响)。常规汽轮机或任何其它旋转式汽轮机在汽温大大高于560℃的条件下运行是不经济的。所以本发明的一个重要目的是介绍一种能在汽温高于560℃条件下工作而不需要冷却转子叶片并且不需要采用昂贵的特种钢的大型旋转式汽轮机。目前还不能制造在高蒸汽压力和高转速条件下运行的大型旋转式汽轮机，其原因是内压不能完全平衡。所以本发明的另一个目的是介绍一种内部径向和轴向压力完全平衡的旋转式汽轮机。本发明的另一个重要目的是要使动力输出传动轴的转矩出力连续平稳，以满足高能量转换的需要。常规的汽轮机只有在满负载和高转速的工况下效率最高。在部分负载工况下，常规汽轮机的效率迅速下降。所以另一个也是最重要目的是要展示一种能在各种负载工况下运行，而其效率等于甚至高于满负载工况下工作效率的旋转式汽轮机。本发明的又一目的是介绍一种能在过湿蒸汽。未除气蒸汽以及含大量杂质的蒸汽条件下运行的旋转式汽轮机。

本发明的目的是制造一种容积式旋转系统汽轮机，它主要起容积式汽轮机作用，同时，部分地利用快速流动的蒸汽分子冲击在转子叶片上产生的功能，因而能起类似径流式汽轮机的作用。本发明装置由一个上半机壳和一个下半机壳构成，上下两半机壳借其法兰安装边用螺栓紧密地接合在一起。内压力并不完全平衡的两级涡轮最好由三个叶片转子腔、六个凹槽转子腔和一个齿轮腔组成，这些腔内转子互相平行安装在各自的轴上。每一机腔最好由三个直线排列并相交的圆筒形一级或二级腔组成，腔内安装一个一级或二级叶片转子，并在该叶片转子左右两侧水平安装两个一级或二级凹槽转子。位于机壳末端的齿轮腔取决于特定的转子直径，腔内装有直径与转子直径相同的齿轮。直径很大和转速高的转子最好配备五个较小的齿轮，以尽量降低齿轮圆周速度。一级和两个二级叶片转子以及那个大齿轮均安装在同一个轴上。每组凹槽转子及其相应的小齿轮也安装在一个共同轴上。每组叶片转子及其相应的小齿轮也装在一个共同轴上。每组叶片转子腔及其相应的凹槽转子腔同其它组腔和齿轮腔密封隔开。叶片转子和凹槽转子圆周表面上的小齿轮式齿的排列方式使该转子绕其各自的轴旋转时能够实现无接触啮合。大齿轮和小齿轮均经过精密研磨，啮合非常准确，以保证该无接触啮合转子同步旋转。在机壳上为每个腔设有相应的进口和出口，进口与出口径向相反设置，并通至相应的叶片转子腔。纵向安装在该叶片转子表面上的厚转子叶片沿圆周均布。凹槽转子有相应数量的叶片槽，槽数随相应的转子叶片数和转子的相互转数比而变。为了在动力输出传动轴上得到连续平稳的转矩，该转子叶片与该叶片槽表面无接触啮合，同时留有足够的汽隙，以防止该腔内受压力工质单侧施压的涡轮叶片与同一叶片转子上另一个与凹槽转子的相应叶片槽相啮合的涡轮叶片之间产生单侧压力。上述的两个叶片之间的内压平衡将导致周期性扭矩抵消，这在动力输出传动轴上是显而易见的，因为出力不均匀在大能量转换时马上可以证实是不利的。该转子叶片与叶片以及该叶片槽与叶片槽之间均设有较小的齿轮式齿。该齿轮式齿与相对应转子的互补齿不接触，但非常紧密地啮合，而在两个相啮合的转子之间形成非常有效的、无动摩擦的迷宫齿轮式密封效应，从而达到高容积效率。该叶片转子的转子叶片和凹槽转子的小型齿轮式齿绕其相应的轴转动时，紧贴近其相应空心筒形内腔壁移动，而与其齿轮式齿共同形成无动摩擦的迷宫式密封效应，使处在压力状态下含有工质的圆筒形内腔部分与处在部分膨胀状态的含有工质的圆筒形内腔部分密封分隔。密封效应将该圆筒形内腔部分分成至少两种不同的并密封隔开的压力状态。当该转子叶片紧密地通过其相应的腔体时，该腔体部分内的压力介质的空间容积位移效应通过向转子叶片的面对旋转方向的一侧连续施加压力而产生连续旋转工况。通过利用一级转子腔两侧的两组二级转子腔作为部分膨胀工质容腔而进一步达到获得高容积效率的目的。由一级转子腔入口进入的加压工质通过使该转子叶片在该一级转子腔内产生位移状态而做功，然后膨胀进入相互连通的两个二级转子腔内。两个二级转子腔的总容积比前一个一级转子腔大许多倍。因此，每个工质腔内压力降低的工质的泄漏率相对地低得多。因而部分膨胀损失工质中的能量也就低得多。所以，当二级转子腔总容积比一级转子腔容积相对增大时，工质泄漏造成的能量损失则减少，因而工质的实际泄漏量降低到一个很小的数值，使容积效率相应地大大提高。汽轮机中的腐蚀和锈蚀随工质温度增高而加大。所以，采用转子冷却方法而不直接使工质温度降低对汽轮机内的腐蚀和锈蚀会产生相反的效果。解决此问题的方法是在制造圆筒形内腔壁时。只使叶片转子外圆周表面的一半左右暴露于高温工质，而叶片转子外圆周表面的另一半暴露于因部分膨胀而大幅度降温的工质，因而实现了相应的冷却。随着暴露于冷却介质的面积和温差的加大，冷却容量将成直线上升。随着工质流速的加大，腐蚀和锈蚀影响也加大。由于本发明装置的位移效应，工质流速比该叶片转子圆周速度超出不大，因而相应地降低了腐蚀和锈蚀影响。与常规汽轮机的薄转子叶片相反，本发明的转子叶片设计成很厚很短，所以就有可能采用各种表面涂层或陶瓷等特殊材料，从而进一步降低对转子叶片的腐蚀和锈蚀影响。

进一步降低腐蚀和锈蚀的办法是将叶片转子和转子叶片做成空心的，而用冷却介质进行内冷。叶片转子的压力平衡办法是将叶片转子表面上的转子叶片成偶数设置，并将圆筒形内腔的进口和出口互相径向相反设置，使其产生的力矩相反并互相抵消。为了完全消除凹槽转子的力矩，在一级与二级凹槽转子之间在其相应轴上增加两个压力平衡转子。两个压力平衡转子圆周表面均抛光，并为了抵消全部反压力矩，而使尺寸乘压力和方向相当的一块表面密封，并用管子接到一级转子入口上。这样就可以自动完成各种压力状态下的压力平衡。因而，全部径向和轴向力甚至转子重量产生的力都能得到平衡，而使本发明中的每一级压力转子都能在高蒸汽压力和高转速状态下运行。本发明装置的上述构造使其能象一级或二级径流式串联汽轮机那样减少高压蒸汽。一个速度调节器能调节位移过程所用的工质压力和容积。这样就提供了一种性能优异、热效率高并且总效率高的非常实用的汽轮机系统。

本发明也可以作为涡轮与泵或压缩机联合机组使用。

本发明的进一步应用范围还包括压缩机、泵、马达等本发明的目的可以通过以下措施实现：

一种容积式旋转系统汽轮机，包括几个排成列的圆筒形腔的机壳，平行的几根轴，这些轴的旋转轴线与所说腔的中心成重合，一个转子，转子上径向凹槽容放等间距的压力叶片，转子安装在中心轴上，至少两个转子，在它们的外表面有径向凹槽，这些凹槽相应于压力叶片的位置，所说的两个转子安装在紧靠叶片转子的位置，所说的转子放置在机壳的腔中，并且彼此运动状态下结合在机壳内限定出工作腔，工作流体的进口和出口通道沉机壳母线成对且径向相反的设置，从而使产生的力矩相互抵消，一个使所述几根轴的同步旋转的装置，包括设置在这些轴端的啮合齿轮，其特征在于，通过减少泄漏和平衡径向和轴向压力来提高容积效率，设有密封工作腔的装置，在机壳腔内的表面设置两个圆弧的密封插片，在叶片转子的区域与压力叶片一起产生无摩擦动力密封，从而将工作流体分别进入膨胀区和压缩区，转子的外表面设有齿缘，用来限定在叶片转子的齿与每一凹槽转子之间的无摩擦动力迷宫式密封。

本发明的目的还可以通过下述措施实现：

密封装置包括密封环，密封片和密封件，密封环，安装在机壳内轴的工作腔两侧，密封片安装在腔室的侧表面，密封件安装在机壳中，在凹槽转子的区域形成无接触密封。还设有另外的工作腔，由径向隔板所分隔，并在所述几根轴的轴向方向连续设置，每一所说的腔都有径向反向设置的通道来送入和排出工作流体。设有平衡转子和另外的密封装置，同轴的圆筒形腔在工作腔之间沿轴向设置在机壳内，从而限定压力平衡腔，每一个压力平衡腔容放压力平衡转子，另外的密封装置和另外的流体供入和排出通道分别与工作流体送入和排出通道连通。另外的密封装置是在机壳内靠近平衡转子成对设置的圆弧密封片。叶片转子的压力叶片数为偶数。每一叶片的圆周表面设有凹槽，以在叶片和所说的密封插片之间产生一个密封。转子设置在机壳中，这样齿缘的啮合将限定一个另外的装置来同步所说几根轴的旋转。所说的密封插片设置在机壳腔的一部分上，并在工作流体供入通道和排出通道之间，在供入通道一侧。还有一个特点为齿轮数大于轴数。所说的密封插片，密封片和密封件的制作材料与压力叶片和压力转子的制作材料不同。为便于维修，叶片转子的凹槽为T形。所说密封插片密封片和密封件由一种能与接触面免于卡住的材料制成。所述的工作腔的排放通道是与压力平衡腔的排放通道和工作腔的工作流体供应通道相连通。叶片转子的压力叶片以无接触的方式与相邻转子的径向凹槽相啮合，并在其间限定一个间隙。所述的压力叶片按顺序与所述的径向凹槽相啮合，从而在其之间限定一个连续的间隙，从而在中心轴上产生一个基本不变的扭矩。

相比于常规的旋转式汽轮机，本发明的容积式旋转汽轮机漏汽量非常小，因而大大提高了容积效率，常规旋转式汽轮机，不能在高蒸汽压力高转速条件下运行，其原因是内压不能完全平衡，本发明则是一种内部径向和轴向压力完全平衡的旋转式汽轮机，本发明的汽轮机还能使动力输出传动轴的转矩出力连续平稳，从而满足高能量转换的需要。

本发明的其它目的通过参看附图和对各种实施例的详细介绍可以得到更清楚的了解。附图中相同编号代表相同的结构部分。

图1为沿本发明的一级转子组中心垂直剖开的正面图。

图2为沿本发明的压力平衡转子中心垂直剖开的正面图。

图3为本发明装置垂直剖开的侧视图，它还示出了两个压力平衡转子。

图4a和4b为本发明的叶片转子与不带齿轮式齿的叶片转子相比较的局部垂直剖视放大图。

如图1和图3所示，本发明装置由上半机壳1和下半机壳2组成。机壳1和2内有一级和二级转子腔组，腔内分别有一级和二级转子。中间有一个大圆形叶片转子腔，在其左右两侧各水平平行设置一个小圆形凹槽转子腔。上半机壳与下半机壳通过抛光的法兰安装边7用螺栓拧紧在一起。两个上下机壳1和2上设有入口3、5和出口4、6，该进出口互相径向相反的位置。为了支撑机壳，机座8和9刚性安装在下半机壳上。在该大圆形腔内，一级叶片转子12安装在轴14上，处在壳体中心位置。同时，在一级叶片转子12的两侧，有凹槽转子15和16并分别安装在各自的轴17和18上。纵向安装在该叶片转子12表面上的厚转子叶片13沿圆周均布。凹槽转子15和16有相应数量的叶片槽19和20，该槽数随转子叶片13数和相互的转数比而变。转子叶片13与叶片槽19和20无接触啮合。转子叶片13紧贴近可调的(最好是金属的)镶片10和11无接触地移动，这样就将机腔侧的入口3和5与机腔侧的出口4和6密封，所以当通过径向相反的入口3和5送入加压介质(例如蒸汽)时，就可以达到连续旋转工作状态。该金属转子腔密封片10和11最好采用能在与转子叶片13发生接触时不会卡住的材料。机腔的侧密封片38和39用能防止与转子叶片13以及叶片转子和凹槽转子卡住的材料制造。同时，在该转子叶片13之间以及叶片槽19、20之间有较小的齿轮式齿21和22。该齿轮式齿21和22无接触啮合，但与相对转子的互补齿啮合非常紧密，在该转子之间产生非常有效的、无动摩擦的迷宫齿式密封效应。凹槽转子15和16的齿轮式齿22紧密靠近密封片23和24旋转，但不相接触，因而在靠近入口3和5的转子腔侧与靠近出口6和4的转子腔侧之间产生密封效应。所有转子的无接触啮合通过图3所示的同步齿轮40来完成。为了具有两级膨胀涡轮的功能，第二级叶片转子34和35安装在共同的中心轴14上，装在该第一级叶片转子12的两侧，而相应的二级凹槽转子则安装在轴17和18上。叶片转子34和35的两个相邻转子叶片之间的总容积比叶片转子12的要大许多倍，因此，可以产生相应的二级内部蒸汽膨胀。在叶片转子34、12和35之间设有压力平衡转子25a、25b和26a、26b，分别装在轴17和18上。图2示出分别装在轴17和18上的压力平衡转子25a和25b。迷宫式密封件27、28、29和30将压力平衡转子25a和25b的抛光表面的一部分同转子腔50无接触地密封隔开。入口3和5与入口31和32连通，因而自动产生一个相同的压力，径向施加到压力平衡转子25a、25b和26a、26b及凹槽转子15和16的表面上，以达到压力完全平衡。与凹槽转子相反，叶片转子12、34和35由于蒸汽压力总是径向相反产生，使相反方向的压力相互抵消，所以其压力总是完全平衡的。叶片转子12腔的出口4和6和压力平衡转子腔的出口33与叶片转子34和35的转子腔入口连通，将泄漏的蒸汽变成附加的工质，因而提高本发明装置的容积效率。

图4中不带齿轮式齿21和22的两个转子旋转表面51和52，虽然节圆47和48相等，但是通过无接触啮合的转子叶片49与相应转子槽20的间隙43a和44a的漏汽量极大。在节圆47和48相等的情况下，由于无接触啮合的齿轮式齿21和22具有密封能力，通过间隙43b和44b的漏汽量要小得多，因而显著地增加了容积效率。间隙43和44可以防止如图所示的转子叶片13和49之间的蒸汽压力升高，否则在该转子叶片之间将出现内压力平衡，而造成周期性扭矩抵消，这点由动力输出传动轴出力不均匀可以看得到。转子叶片安装在T型槽41内，在叶尖上有凹槽42，以增强其迷宫密封能力。在所有转子的侧面安装有能防止卡住的密封片38和39。由于转子压力平衡，只有极小的力作用在转子轴14、17和18上，这样就可以采用高转速球轴承45和46。密封件36和37使各个转子腔之间密封。

本发明装置作为涡轮与泵或压缩机的联合机组使用，其方法是用两个叶片转子34和35来压缩介质(例如空气)，将入口作为该介质的出口，并将出口作为入口，并用叶片转子12按所述的位移方式做功。熟悉本专业的人很容易理解，本发明可以有各种应用形式，如压缩机、泵和马达等。须知，这里所介绍和公开的各种实施例只是作为例子举出，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可以进一步做出其它改型。

Claims (16)

1.一种容积式旋转系统汽轮机，包括几个排成列的圆筒形腔的机壳，平行的几根轴，这些轴的旋转轴线与所说腔的中心成重合，一个转子，转子上径向凹槽容放等间距的压力叶片，转子安装在中心轴上，至少两个转子，在它们的外表面有径向凹槽，这些凹槽相应于压力叶片的位置，所说的两个转子安装在紧靠叶片转子的位置，所说的转子放置在机壳的腔中，并且彼此运动状态下结合在机壳内限定出工作腔，工作流体的进口和出口通道沉机壳母线成对且径向相反的设置，从而使产生的力矩相互抵消，一个使所述几根轴的同步旋转的装置，包括设置在这些轴端的啮合齿轮，其特征在于，通过减少泄漏和平衡径向和轴向压力来提高容积效率，设有密封工作腔的装置，在机壳腔的内表面设置两个圆弧的密封插片，在叶片转子的区域与压力叶片一起产生无摩擦动力密封，从而将工作流体分别进入膨胀区和压缩区，转子的外表面设有齿缘，用来限定在叶片转子的齿与每一凹槽转子之间的无摩擦动力迷宫式密封。

2.按照权利要求1所述的汽轮机，其特征在于，所说的密封装置包括密封环，密封片和密封件，密封环，安装在机壳内轴的工作腔两侧，密封片安装在腔室的侧表面，密封件安装在机壳中，在凹槽转子的区域形成无接触密封。

3.按照权利要求1所述的汽轮机，其特征在于，还没有另外的工作腔，由径向隔板所分隔，并在所述儿根轴的轴向方向连续设置，每一所说的腔都有径向反向设置的通道来送入和排出工作流体。

4.按照以上任一项权利要求所述的汽轮机，其特征在于，设有平衡转子和另外的密封装置，同轴的圆筒形腔在工作腔之间沿轴向设置在机壳内，从而限定压力平衡腔，每一个压力平衡腔容放压力平衡转子，另外的密封装置和另外的流体供入和排出通道分别与工作流体送入和排出通道连通。

5.按照权利要求4所述的汽轮机，其特征在于，另外的密封装置是在机壳内靠近平衡转子成对设置的圆弧密封片。

6.按照权利要求5所述的汽轮机，其特征在于，叶片转子的压力叶片数为偶数。

7.按照权利要求5所述的汽轮机，其特征在于，每一叶片的圆周表面设有凹槽，以在叶片和所说的密封插片之间产生一个密封。

8.按照权利要求5所述的汽轮机，其特征在于，转子设置在机壳中，这样齿缘的啮合将限定一个另外的装置来同步所说几根轴的旋转。

9.按照权利要求5所述的汽轮机，其特征在于，所说的密封插片设置在机壳腔的一部分上，并在工作流体供入通道和排出通道之间，在供入通道一侧。

10.按照权利要求5所述的汽轮机，其特征在于，齿轮数大于轴数。

11.按照权利要求5所述的汽轮机，其特征在于，所说的密封插片，密封片和密封件的制作材料与压力叶片和压力转子的制作材料不同。

12.按照权利要求5所述的汽轮机，其特征在于，为便于维修，叶片转子的凹槽为T形。

13.按照权利要求5所述的汽轮机，其特征在于，所说密封插片密封片和密封件由一种能与接触面免于卡住的材料制成。

14.按照权利要求5所述的汽轮机，其特征在于，所述的工作腔的排放通道是与压力平衡腔的排放通道和工作腔的工作流体供应通道相连通。

15.按照权利要求5所述的汽轮机，其特征在于，叶片转子的压力叶片以无接触的方式与相邻转子的径向凹槽相啮合，并在其间限定一个间隙。

16.按照权利要求15所述的汽轮机，其特征在于，所述的压力叶片按顺序与所述的径向凹槽相啮合，从而在其之间限定一个连续的间隙，从而在中心轴上产生一个基本不变的扭矩。

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