CN103717839B - 离心叶轮以及离心涡轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种离心涡轮机（1），所述离心涡轮机包括：壳体（2）；转子组件（3），所述转子组件包括至少一个离心叶轮（10）以供流体从所述叶轮（10）的入口侧（11）流到出口侧（12）；以及眼密封件（20），其在所述离心叶轮（10）的叶轮眼（15）与所述壳体（2）之间延伸，以防所述流体从所述壳体（2）与所述离心叶轮（10）之间泄漏出来；其中所述眼密封件（20）包括朝向所述入口侧（11）的至少一个第一部分（21a）和朝向所述叶轮（10）的所述出口侧（12）的最后部分（21e），所述最后部分（21e）直径小于所述第一部分（21a）。

Description

离心叶轮以及离心涡轮机
技术领域
本发明是涉及离心涡轮机，涉及用于涡轮机械的离心叶轮并涉及相关生产方法，尤其但非排他地是用于油气应用。
背景技术
离心涡轮机即为其中在工作流体与离心叶轮之间传递机械能的转动机器。在油气应用中，在流体通常是气态流体的情况下，离心涡轮机包括了压缩机和膨胀机。压缩机是通过使用机械能来使气态流体压力增加的涡轮机械。膨胀机是通过使用其中流体膨胀的叶轮来使用工作气态流体压力以在轴上产生机械功的涡轮机械。
在例如水的不可压缩流体中，离心涡轮机包括泵和涡轮，它们在流体与叶轮之间分别以类似于压缩机和膨胀机的方式传递能量。
通常，在所有情况中，工作流体通过在离心叶轮中沿着从叶轮的转动轴到叶轮的外围周向边缘定向的径向向外方向流动而与离心机器交换能量。
具体来说，压缩机式涡轮机械中的离心叶轮将用于驱动涡轮机械的电动机供应的机械能传递到通过加速离心叶轮中的流体来压缩的工作气态流体。当流体向外移动受到扩散器和机器壳体限制时，由叶轮施予工作流体的动能被转换成压力能量。
离心涡轮机可以装配单个叶轮，在这种情况下，其常称作单级涡轮机械，或者可以装配经串联的多个叶轮，在这种情况下，其常称作多级离心涡轮机。
多级离心压缩机100的现有技术实施例在图1中以总体截面视图示出，并在图2和3中以更详细的截面视图示出。压缩机100包括在壳体102中，在所述壳体内安装有轴101和多个叶轮110。轴会沿着压缩机100的转动轴X延伸。轴101和叶轮110包括在通过一对轴承150和160支撑的转子组件103中，从而允许转子组件围绕转动轴X转动。多级压缩机100包括多个级107（在图1的实施例中为七个级107），每级107包括多个叶轮110中的一个叶轮和壳体102的一部分，其中提供叶轮110上游处的入口管道170以及叶轮110下游处的出口管道180。叶轮110具有典型封闭设计配置，包括：叶轮轮毂113，所述叶轮轮毂紧密包围轴101；以及多个叶片108，所述多个叶片在后部叶轮圆盘114与前防护罩119之间延伸。叶轮110包括：入口低压侧111，其由前防护罩109上的叶轮眼115限定；以及出口高压侧112，其由叶轮110上的外围周向边缘限定。
通过操作叶轮110，多级压缩机110的每级107操作用以获取沿着入口管道170流动的输入过程气体，以将气体从叶轮100的入口低压侧111驱动到出口高压侧112，并且随后在高于其输入压力的输出压力下驱使过程气体通过出口管道180。
过程气体例如可为二氧化碳、硫化氢、丁烷、甲烷、乙烷、丙烷、液化天然气中任何一个，或其组合。
叶轮眼密封件120设在每个离心叶轮110的叶轮眼115与壳体102之间，以便防止流体在壳体102与叶轮110之间的间隙中泄漏、从入口低压侧111泄漏到出口高压侧112。壳体102包括朝向叶轮眼105并设有用于容纳叶轮眼密封件120的空腔的入口环。
叶轮眼密封件120是迷宫型的，具有多个齿121a至e（在图1至3的实施例中为五个齿121a至e）。每个齿121a至e朝向转动轴X径向延伸并且围绕转动轴X周向延伸。齿121a至e的包络廓线在形状上是圆锥形，具有平均直径122。眼密封件120安装在壳体102中的外壳上且放置方式为使得朝向入口低压侧111的第一齿121a直径小于朝向入口高压侧111的最后一个（第五）齿121e。为了匹配叶轮眼密封件120的形状，叶轮眼115设有梯状区域116，其包括了多个阶梯117a至e（在图1至3的实施例中为五个阶梯117a至e），每个阶梯朝向多个齿121a至e中的相应齿。多个阶梯117a至e包括朝向入口低压侧111的第一阶梯117a，其具有的直径123a小于朝向叶轮110的出口高压侧112的最后一个（第五）阶梯117e的直径123e。
通过眼密封件120的流体泄漏必须尽可能地减小，原因在于从出口泄漏到入口侧的流体的一部分必须再次通过叶轮压缩，由此减小涡轮机械效率。
与叶轮110具有相同设计的叶轮也可用于膨胀机中，主要差异在于以下事实：气态流体在叶轮中膨胀，即，对应于叶轮眼的入口侧是高压侧，而对应于外围圆周边缘的出口侧是低压侧。膨胀机中，叶轮眼密封件会防止流体在壳体与叶轮之间的间隙中泄漏、从出口高压侧泄漏到入口低压侧。同样，膨胀机中，通过眼密封件的流体泄漏必须尽可能地减小，原因在于从出口泄漏到入口侧的流体的一部分并不流动通过叶轮并且由此并不利于在轴上产生机械功，从而减小涡轮机械效率。
将会需要的是，设计并且提供一种用于减小通过离心叶轮的叶轮眼的泄漏流的改进密封系统。
发明内容
本发明的目标在于生产一种离心涡轮机以及一种离心叶轮，从而提供一种改进叶轮眼密封系统以使所述涡轮机械的壳体与所述叶轮之间的泄漏流减小。
根据第一实施例，本发明是通过提供一种离心涡轮机而来实现所述目标，所述离心涡轮机包括：壳体；转子组件，所述转子组件包括至少一个离心叶轮以供流体从所述叶轮的入口侧流到出口侧；眼密封件，其在所述离心叶轮的叶轮眼与所述壳体之间延伸，以便防止所述流体在所述壳体与所述离心叶轮之间泄漏出来；其中所述眼密封件具有朝向所述入口侧的至少一个第一部分和朝向所述叶轮的所述出口侧的最后部分，所述最后部分直径小于所述第一部分。
根据所述第一实施例的进一步的优点，所述眼密封件是迷宫型的，具有在径向方向上朝向所述叶轮的转动轴延伸的多个齿。
根据所述第一实施例的进一步的优点，所述迷宫型眼密封件安装在所述壳体的入口环上，所述入口环是朝向所述叶轮眼中的梯状区域，所述梯状区域具有朝向吸入侧的至少第一阶梯和朝向所述叶轮的所述出口侧的最后一个阶梯，所述最后一个阶梯直径小于所述第一阶梯；所述眼密封件的齿数量等于所述叶轮眼上的所述梯状区域中的阶梯数量，所述眼密封件被安装在所述壳体的所述入口环上的方式为使得所述眼密封件的每一个齿朝向所述叶轮眼中的相应阶梯。
根据所述第一实施例的进一步的优点，所述叶轮眼上的所述梯状区域中的阶梯数量在4与10之间。
根据所述第一实施例的进一步的优点，所述离心叶轮是防护罩型的，所述叶轮眼上的所述梯状区域设在所述离心叶轮中的防护罩上。
根据所述第一实施例的进一步的优点，所述离心涡轮机是压缩机，所述叶轮的所述入口侧所处压力低于所述出口侧的压力。
在第二实施例中，本发明提供了一种用于离心涡轮机的离心叶轮，所述离心叶轮包括：叶轮眼，所述叶轮眼具有梯状区域，所述梯状区域具有朝向入口侧的至少一个第一阶梯和朝向所述离心涡轮机的出口侧的最后一个阶梯，所述最后一个阶梯直径小于所述第一阶梯。
上述实施例的所述叶轮眼的设计和所述叶轮眼密封件的安装允许所述叶轮眼和所述叶轮眼密封件减小所述平均直径，但不减小所述叶轮的入口的直径，即，不修通过所述叶轮的气流。鉴于通过所述叶轮眼的流体泄漏与叶轮眼的平均直径成比例，减小此类直径导致所述流体泄漏减小，从而实现本发明的所述目标。
根据本发明的新的设计所允许的叶轮重量减小使得进一步的优点得以确定。较轻叶轮允许所述叶轮上的转子动态特性得到改进，并更易于平衡轴向推力。
本发明的进一步的目标在于发展一种用于生产所述涡轮机械和所述叶轮的方法。
根据第三实施例，本发明是通过提供一种用于减小通过离心涡轮机中的眼密封件的泄漏的方法而来实现这个进一步的目标，所述离心涡轮机具有：壳体；转子组件，所述转子组件包括至少一个离心叶轮以供流体从所述叶轮的入口侧流到出口侧；眼密封件，其在所述离心叶轮的叶轮眼与所述壳体之间延伸，以便防止所述流体在所述壳体与所述离心叶轮之间泄漏出来；所述眼密封件包括至少一个第一部分和直径小于所述第一部分的最后部分；其中所述方法包括以下步骤：朝向所述入口侧来安装具有所述第一部分的所述迷宫型眼密封件，并朝向所述叶轮的所述出口侧来安装具有所述最后部分的所述迷宫型眼密封件。
上文参照本发明的第一和第二实施例描述的相同优点通过所述第三实施例来实现。
附图说明
结合附图，将从实施例的以下描述清楚本发明的其他目标特征以及优点，在附图中：
-图1是常规离心涡轮机的纵截面图；
-图2是示出图1的离心涡轮机的基本部分的纵截面图；
-图3是示出图1和2的离心涡轮机的细节部件的纵截面图；
-图4是根据本发明的离心涡轮机的纵截面图；
-图5是对应于图3所示视图的示出图3所示离心涡轮机中的根据本发明的离心叶轮的纵截面图。
具体实施方式
本发明的第一和第二实施例分别是在图4和5中示出。
参照图4，离心涡轮机1由包括固定壳体2和转子组件3的多级离心压缩机构成。将壳体2和转子组件3分为多个（7个）串联连接的级7。对于未在下文中描述的部分，压缩机1必须考虑常规情况并与上述图1至3的压缩机100相同。
转子组件7包括离心叶轮10以供气态流体从叶轮10的入口低压侧11流到出口高压侧12。离心叶轮10是防护罩型，包括其上设有叶轮10的叶轮眼15的防护罩19。叶轮眼15限定入口低压侧11，流体通过所述入口低压侧沿着实质平行于叶轮10的转动轴X的方向进入叶轮10。流体离开叶轮10所通过的出口高压侧12是由叶轮10的外围周向边缘限定。
每个级7进一步地包括迷宫型的眼密封件20，其在离心叶轮10的叶轮眼15与壳体2的入口环4之间延伸，以便防止流体在壳体2与离心叶轮10之间泄漏出来、从出口高压侧12泄漏到入口低压侧11。
迷宫型眼密封件20具有在径向方向上朝向叶轮10的转动轴X延伸并在周向方向上围绕转动轴X延伸的多个齿21a至e（在图4和5的实施例中为五个齿21a至e）。齿21a至e的包络廓线在形状上是圆锥形，具有平均直径22。多个齿21a至e包括朝向入口侧11的至少一个第一齿21a和朝向叶轮10的出口侧12的最后一个齿21e，最后一个齿21e直径小于第一部分21a。
迷宫型眼密封件2安装在壳体2的入口环4上的空腔上，所述入口环是朝向叶轮眼15上的梯状区域16。梯状区域16包括朝向吸入侧的第一阶梯17a和朝向叶轮10的出口侧的最后一个阶梯17e。为了匹配迷宫型眼密封件20的廓线，最后一个阶梯17e具有的直径23e小于梯状区域16中的第一阶梯17a的对应直径23a。
优选地是，眼密封件20的齿21a至e数量等于叶轮眼15上的梯状区域16中的阶梯17a至e数量，眼密封件20被安装在入口环4上的方式为使得眼密封件20的每一个齿21a至e朝向叶轮眼15中的相应阶梯17a至e。
优选地是，梯状区域16中的阶梯17a至e数量以及迷宫型眼密封件20的齿21a至e数量在4与10之间。
本发明也可以用于离心膨胀机应用中，其中眼密封件会放置气态流体在壳体与离心叶轮之间泄漏出来、从入口高压侧泄漏到出口低压侧。
更通常地，本发明也可以用于适于可压缩的流体和不可压缩流体的离心涡轮机，后一涡轮机械包括泵和水轮机。
通过将图3的常规解决方案与图5的本发明的解决方案比较，显而易见的是，当梯状区域116、16中的第一阶梯117a、17a的直径的值相同时，叶轮眼密封件20的平均直径22的值小于常规叶轮眼密封件120的平均直径122。这导致了通过叶轮眼密封件20的泄漏流减小。
通过将常规离心叶轮100（图3）与本发明的离心叶轮10（图5）比较，显而易见的是，当两个叶轮110、10具有相同流动几何形状时，叶轮10的重量低于叶轮110的重量。实际来说，当梯状区域116、16中的第一阶梯117a、17a的直径的值相同时，梯状区域16中的第二至第五阶梯17b至e的直径的值低于常规梯状区域16中的第二至第五阶梯117b至e的直径的值。这就导致通常约10%的重量减小。由于重量减小，离心叶轮10显现出了经改进的转子动态特性以及对轴向推力的经改进的平衡。
根据本发明的第三实施例，一种用于减小通过上述离心涡轮机1的眼密封件20的泄漏的方法包括以下步骤：朝向入口侧11安装具有第一齿21a的迷宫型眼密封件20，并且朝向离心叶轮10的出口侧12安装具有最后部分21e的迷宫型眼密封件20。
本发明的所有实施例会允许实现上述目标以及优点。
另外，本发明会允许实现另外优点。具体来说，上述方法可以用于翻新常规涡轮机械100，方法是用多个叶轮10并用多个眼密封件20替换多个离心叶轮110以及多个眼密封件120，从而获得本发明的涡轮机械1，而不修改常规涡轮机械中的其他部件。
通常，就本发明的所有实施例而言，进一步的优点在于以下事实：如果梯状区域16的几何参数、即阶梯的高度和宽度是与常规应用相同，那么用于常规应用中的同一眼密封件仍可以使用，只需将其转动180°并朝叶轮的入口将其安装在壳体中的具有直径更大的齿的入口环上即可。
本说明书使用实例来公开本发明、包括最佳模式，同时也使所属领域中的任何技术人员都能够实践本发明、包括制造并使用任何装置或系统并且执行所涵盖的任何方法。本发明的专利保护范围由权利要求书界定，并且可以包括所属领域中的技术人员所想出的其他实例。如果此类其他实例具有的结构元素与权利要求书的字面意义相同，或者如果此类其他实例包括的等效结构元素与权利要求书的字面意义并无实质差别，那么此类其他实例也在权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种离心涡轮机(1)，所述离心涡轮机包括：
-壳体(2)；
-转子组件(3)，所述转子组件包括至少一个离心叶轮(10)以供流体从所述叶轮(10)的入口侧(11)流到出口侧(12)；
-眼密封件(20)，其在所述离心叶轮(10)的叶轮眼(15)与所述壳体(2)之间延伸，以防所述流体从所述叶轮(10)的高压侧泄漏到低压侧；
其中所述眼密封件(20)包括朝向所述入口侧(11)的至少一个第一部分(21a)和朝向所述叶轮(10)的所述出口侧(12)的最后部分(21e)，所述最后部分(21e)直径小于所述第一部分(21a)。
2.根据权利要求1所述的离心涡轮机(1)，其中所述眼密封件(20)是迷宫型的，多个齿(21a至e)在径向方向上朝向所述叶轮(10)的转动轴(X)延伸。
3.根据权利要求1所述的离心涡轮机(1)，其中所述眼密封件(20)安装在所述壳体(2)的入口环(4)上，所述入口环朝向所述叶轮眼(15)中的区域(16)，所述区域包括朝向吸入侧的至少第一部分(17a)和朝向所述叶轮(10)的所述出口侧的最后部分(17e)，所述最后部分(17e)直径小于所述第一部分(17a)。
4.根据权利要求2所述的离心涡轮机(1)，其中所述迷宫型的眼密封件(20)安装在所述壳体(2)的入口环(4)上，所述入口环朝向所述叶轮眼(15)中的梯状区域(16)，所述梯状区域包括朝向吸入侧的至少第一阶梯(17a)和朝向所述叶轮(10)的所述出口侧的最后一个阶梯(17e)，所述最后一个阶梯(17e)直径小于所述第一阶梯(17a)。
5.根据权利要求4所述的离心涡轮机(1)，其中所述眼密封件(20)的齿(21a至e)数量等于所述叶轮眼(15)上的所述梯状区域(16)中的阶梯(17a至e)数量，所述眼密封件(20)安装在所述壳体(2)的所述入口环(4)上，使得所述眼密封件(20)的每一个齿(21a至e)朝向所述叶轮眼(15)中的相应阶梯(17a至e)。
6.根据权利要求5所述的离心涡轮机(1)，其中所述梯状区域(16)中的阶梯(17a至e)数量在4至10之间。
7.根据权利要求4所述的离心涡轮机(1)，其中所述离心叶轮(10)是防护罩型的，所述叶轮眼(15)上的所述梯状区域(16)设在所述离心叶轮(10)的防护罩(19)上。
8.根据权利要求1所述的离心涡轮机(1)，其中所述离心涡轮机(1)是压缩机，所述叶轮的所述入口侧(11)压力低于所述出口侧(12)。
9.一种用于离心涡轮机(1)的离心叶轮(10)，所述离心叶轮包括：叶轮眼(15)，所述叶轮眼具有梯状区域(16)，所述梯状区域具有朝向入口侧(11)的至少一个第一阶梯(17a)和朝向所述离心涡轮机(1)的出口侧(12)的最后一个阶梯(17e)，所述最后一个阶梯(17e)直径小于所述第一阶梯(17a)。
10.一种用于减小通过离心涡轮机(1)中的眼密封件(20)的泄漏的方法，所述离心涡轮机具有：壳体(2)；转子组件(3)，所述转子组件包括至少一个离心叶轮(10)以供流体从所述叶轮(10)的入口侧(11)流到出口侧(12)；眼密封件(20)，其在所述离心叶轮(10)的叶轮眼(15)与所述壳体(2)之间延伸，以防所述流体从所述壳体(2)与所述离心叶轮(10)之间泄漏出来；所述眼密封件(20)包括至少一个第一部分(21a)和直径小于所述第一部分(21a)的最后部分(21e)；其中所述方法包括以下步骤：朝向所述入口侧(11)安装具有所述第一部分(21a)的迷宫型的所述眼密封件(20)，并朝向所述叶轮(10)的所述出口侧(12)安装具有所述最后部分(21e)的所述迷宫型的所述眼密封件(20)。
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