CN104619953B - 涡轮组件 - Google Patents

Abstract

一种涡轮机，包括一个带有一个头部与一个本体啮合的转子组件，所述本体包括一个接受一种流体注入的通道，所述通道与一个流动室流体连通，所述流动室由所述头部与所述本体啮合时形成，其中所述流动室有特殊构形，可以使所述流体形成层流，通过多个位于所述头部的喷嘴喷出。

Description

涡轮组件

技术领域

本发明涉及转子装置与系统。本发明更具体地涉及利用一种工作流体来产生转动能量的涡轮组件及系统。

背景技术

常规涡轮机的基本运作原理都是这样的：由膨胀气体或加压流体，比如蒸汽流或加压液体(即工质)，直通绕滚筒或中枢轴安装的叶片或叶片组。该工作流体进入涡轮腔后即冲击绕中枢轴安装的涡轮叶片，致使涡轮叶片转动从而输出有用功。该涡轮中枢轴所做的功用来驱动与该中枢轴相连接的设备，例如发电机。该中枢轴典型地安装在水平轴线上的密封润滑轴承上，并且需要不断地冷却以防润滑失效。因为那些没有转换成中枢轴做功的热量会作为废工作流体从排气管道排出，所以这些废工作流体要么具备高温特征，要么具备高速状态。高压工作流体与高转速带叶涡轮机的运动将会产生巨大的噪声。

另一种类型的常用涡轮机就是纯反动式涡轮机，该涡轮机上转子本体绕着一个固定的工作流体入口进行安装，该工作流体入口位于该旋转涡轮机头部内的一个通道里的中心位置。在转子本体中，安装在转子本体外周的喷嘴与位于转子本体内部的流体通道流体连通。工作流体通过一个位于通道中心位置的固定的工作流体入口被引入此类转子的该通道内，该工作流体流经转子本体后，再从安装在转子本体外周的喷嘴喷出。由于这些喷嘴是定向的，以至于喷出的高压工作流体会产生推力使得该转子转动。与常规的带叶涡轮机相同的是，该转子一般会与一根轴相连接，以此输出有用功。

上述的涡轮机及转子都有一个最主要的问题是，不论连接着涡轮机与转子的轴，是常规的涡轮机中安装在叶片中心的轴，还是纯反动式涡轮机中固定的工作流体通道入口，该轴都必须以某种方式进行支承，该方式既能允许该轴或该转子进行转动，又应该是一个低摩擦的支承机构，且不会使工作流体泄露。在常规涡轮机壳中轴与其支承机构之间的摩擦，或者在纯反动式涡轮机中转子与固定工作流体通道入口之间的摩擦，都会产生相当可观的输出功损耗。

此外，上述两种类型的涡轮机，都只能是适用一种工作流体。

上述两种类型涡轮机在工作时由包括湍流，超音速流和常规涡轮机中工作流体对叶片的冲击以及涡轮叶片的运动，或超音速流和纯反动式涡轮机中转动臂的运动，所引致的噪声排放是另外一个问题。

特别是配置在纯反动式涡轮机上的固定工作流体入口和转子还存在一个问题，那就是工作流体入口和转子必须保持密封，以防止或至少减少工作流体从经由转子到安装在转子外周的喷嘴时的损耗，该工作流体损耗会降低涡轮机的工作效率。有一种方法可以实现上述的要求，那就是通过复杂的回转轴承与密封部件的多部分组成进行排列。但是上述的回转轴承密封配置结构需要频繁的维护。

在给定的温度和压力下，两种类型的涡轮机都在设计时便限制了转动速度，并且涡轮机的转动速度不能被更改调整，除非改变常规涡轮机中叶片布置或尺寸，或者更换纯反动式涡轮机壳内转动臂。

显然，提供一种既可以适用多种工质，又可以调整转动速度的涡轮机是具有先进性的。同样地，提供一种低噪声并且可以减少维护需求的涡轮机也是具有先进性的。

发明内容

根据当前发明的一方面，提供一种涡轮机，所述的涡轮机包括：

一个转子组件，所述转子组件带有一个用于与一个本体相连接约束的头部，所述本体包括一个用于引入一种工作流体的通道，所述通道与一个流动室流体连通，所述流动室是由所述头部与所述本体相连接约束时形成的；其中所述流动室的形状适于产生所述工作流体的层流，然后从多个置于所述头部的喷嘴上排出。

可选地，所述转子组件可以用耐高温材料制作，以便所述涡轮机可在不同的温度和压力状况下使用多种工作流体。

优选地，所述转子组件包括一个工作流体入口部件，所述工作流体部件可插入所述通道，所述工作流体入口部件带有一个位于中心位置的管道，借由该所述管道，所述工作流体入口部件可以引导所述工作流体注入所述转子组件。可选地，所述工作流体部件位于一个容积式回转密封之中，所述容积式回转密封由所述通道提供。所述容积式回转密封一般是一种带有中心孔的环形部件，所述容积式回转密封附接在所述转子本体的内腔上，以保证所述工作流体部件与所述转子本体流体连通。所述密封可以包含一个容积式叶片，以推动工作流体回流入所述流动室。所述密封可以允许一小点的工作流体外泄到所述通道里，以润滑所述转子组件。

所述工作流体入口部件通过它的接口与所述容积式回转密封相连，并由此使得所述转子组件可以在其转动的时候得到支撑。所述工作流体入口部件可以是固定的，并能使所述转子本体在其中转动。所述工作流体入口部件可以有助于所述转子本体的就位支承。在一个最优选的实施例里，所述转子本体可以与工作流体入口部件处于悬浮状态，并由一个轴封组件进行支承。

所述转子可能包括一个弹簧加压密封组件。可选地，所述弹簧加压密封件毗邻于所述转子本体底部，并且和所述容积式回转密封相连接，以防止所述工作流体的泄露。可选地，所述弹簧加压密封组件与部分的所述容积式回转密封有相交关系。第二种的所述的密封组件作为弹簧加压密封的常见形式是更为优选的。所述弹簧加压密封组件中可以有至少一个径向管道，经典地在所述径向管道之中安置的是一种弹簧加压高温自润滑塑胶环式密封组件。所述环形密封组件一般有多个部分，以便于所述密封组件在转动期间可以膨胀和收缩。

所述工作流体入口部件的外表面和其在密封组件或密封部件上对应的放置位置，可以是相对应的构形，以使得所述工作流体入口部件和所述密封组件可以相互密封，同时允许所述密封组件进行转动以及受由此类转动所引起的离心力的影响。

可选地，所述流动室的形状可以通过所述头部产生一种层流。优选地，所述流动室是波纹状的以减少所述工作流体的乱流。所述喷嘴可以与所述流动室通过相连接的等高的喷射器相互耦合，以便于减少在转动时的空气阻力，以及减少由于空气爆裂时的噪声。优选地，所述喷射器位于所述层流流动室的相切线上。

优选地，所述喷嘴排列在多套的喷嘴对上。优选地，每个喷嘴的头部是可以调整，可以是节流的以通过在一个半开合的位置调节出一个期望的流速。可选地，所述喷嘴头部置于所述转子头部的周面之内或与之相邻近。

所述转子头部可以和一根输出轴相耦合。所述的输出轴一般与一台用于功率产出应用的发电机，比如由驱动轴推进的任何海陆空运输设备或者任何需要转动做功的静止物件。所述输出轴一般是伸长的圆柱形，经典地对心连接在所述转子本体上，并且一般位于所述工作流体入口部件的对面。所述输出轴一般可以由一个或多个密封件支承，所述密封件可以在配置上与所述工作流体入口部件和所述转动本体密封时所用的密封件一样。

可选地，所述转子组件安装于一对支承板内。所述支承板可以通过一系列的支承杆相互耦合。所述支承板可以由任何适合的耐高温材料制作而成。

此份说明书中所引用的前案，不能也不应该被直接视为公知常识或被认可为公知常识。

附图说明

为了让本发明能被更好地理解和投入实际应用，现在要列写出本发明的附图，举例说明本发明优选的实施例，在其中：

图1是本发明的一个实施例中涡轮机内一个转子组件的一张剖面正视图；

图2是图1中所述转子组件的转子头部的一张平面横剖图；以及

图3是所述转子组件安装在一个蒸汽涡轮机系统内的示意图。

具体实施方式

关于图1，其依据本发明的一个实施例说明了一个转子组件100的一种可能的配置方式。如图所示，在这种情况下的所述转子组件100包括一个置于一对支承板,之间的转子机构101。在此例中所述支承板可以通过一系列的支承杆耦合在一起，所述支承杆通过孔103固定在每块支承板上，从而保持了位于支承板101₁，101₂，之间的所述转子机构101的稳定。

在此例中的所述转子机构101包括头部104和本体105。所述头部104通过使用合适的紧固件牢牢连接在所述本体105上，所述紧固件插在孔上以在头部104和本体105之间形成一个防漏的紧密封。如图所示，所述的本体105包括一个通道107，所述通道107连接一个工作流体入口部件108，以用来往所述转子的所述头部104内注入一种工作流体。在此例中所述工作流体入口部件108通过位于支承板101₁的入口夹具109插入所述通道107。优选地，所述入口夹具109包括一个可以钻入一个无头螺丝的孔110，或者其他类似的适合的紧固件来保持所述工作流体入口部件108的位置稳定。

为了防止所述转子头部104中所述工作流体的回流，部分紧邻所述转子头部的所述工作流体入口部件108通过放置于通道107内的一个回转密封111来定型。如图可以看到，在此定型品中，所述回转密封111与置于所述入口夹具109之上的本体105的底部齐平，以至于本体105可以在所述回转密封111上自由转动。在此例中所述回转密封111包含一个螺旋线状纹理，所述螺旋线状纹理可引导工作流体朝着所述头部104向上流动，以此减少所述工作流体通过通道107时回流的可能性。为了进一步减少所述头部104中所述工作流体泄露的可能，可多加一个环形密封112。如图所示，环形密封112交叠在部分紧靠所述本体105底部的所述回转密封111上，并且通过弹簧113抵住所述入口夹具109的上表面。本领域的一般技术人员可以看出，这种特殊的装配方案可以使所述本体在密封111与112上转动,。而且考虑到有所述入口夹具109，所述转子的所述本体可以进行承压安装。

如上所述指出，所述转子头部104以密封连接的方式固定在所述转子本体105上。在此例中，所述转子头部在与所述本体约束连接时有特殊构形，以形成一个层流室114，所述层流室将所述工作流体均匀地分配到位于所述层流室114切线上的喷嘴115。所述喷嘴的这种特殊的装配方案将会在图2的叙述中进行详细的讲解。如图所示，所述头部104的上顶端包括一根伸出在支承板101₂之上的轴116，以使得所述转子转动产生的能量能够被利用起来。如此特殊的案例中所示，所述轴116被放置在位于支承板101₁内的安装部件117中。

在此例中，所述安装不见117可以是一个类似于密封部件111的回转密封部件，并且置于与所述头部104上表面所对的位置上。在这样的例子中，所述轴116有摩擦地放置在所述安装部件117之内，并且可以在所述密封部件117之中自由转动。尽管在本例中应用到了一种有摩擦地安装方式，但是本领域的一般技术人员可以明白所述轴可以结实地安装在所述安装部件117和/或支承板101₂之内。

在本例中，所述转子100被设计成可以在工作流体从一个高温环境到一个本体外部的低压环境后膨胀的条件下运行，并产出机械工。更具体地说，当一种工作流体被注入处于高压和/或高温下的所述转子中的时候。随着所述工作流体流经所述转子本体105后，接着进入位于所述头部104内的所述层流室114，然后所述工作流体经由所述层流室的分配从所述喷嘴115排出。由于所述头部104外的环境比所述工作流体充满所述层流室114内处于更加的低压和/或低温条件，所以其所构成的随着所述喷嘴115大小形状的不同而变化的压力差，使得所述工作流体以高压流的形式喷出，并由此产生一个所述转子的推动力。

虽然上述所谈论到的实施例是用于防止源于所述层流室的所述工作流体的回流，以保证所述工作流体势能的最大利用率，但是本领域的一般技术人员可以看出，所述工作流体一小点地渗漏到所述本体105和通道107以及所述密封111是可行的。例如，在所述工作流体是蒸汽或者一种液体的时候，一小点工作流体的回流可以润湿所述通道107，从而润滑所述转子组件100.

图2进一步详细描述了所述头部104的结构。如图所示，所述头部104包括多个的喷嘴115。如图可见，所述喷嘴115按组的方式排列，并且每个喷嘴115通过一个引射管118以连续的方式耦合在所述层流室114上。在此例中，所述引射管118牢固地置于所述层流室114的切线上(例如，所述引射管的最外层边缘即所述层流室的周面上的切线)，以便于从每个喷嘴115上取得最大的推力。

如图可见，在此例中，所述喷嘴115包括一个可调式头部119。所述头部119可以通过调节以改变所述转子的转动速度。例如，一个或多个的所述喷嘴可以保持开启或关闭或半开闭(节流)，进而改变所述工作流体的输出，从而调整所述转子的工作速度，以此使所述转子有效地输出能量。

如图2所示，所述转子头部以一个特别的构形来限制所述转动部分的外突，从而在涡轮机工作时减少噪声的排放。更具体地说，所述喷嘴115位于所述头部119，每个喷嘴115都以所述转子头部104的圆周面为结界点，或者说每个喷嘴115都在所述转子头部104的圆周面之内。此外，通过以这种方式安置的所述喷嘴115，既可以减少由所述转子产生的噪声，也可以减少所述转子的拖曳。

关于图3，其举例说明了一种可能的系统配置方案，该方案利用上述图1和图2中的所述转子进行机械制造。在此例中，所述转子是用蒸汽作为所述工作流体来运行的。本领域的一般技术人员可以看出，高压流和其他可进供给所述锅炉的工作流体需要用到各种的辅助元件，比如泵止逆阀，减压阀等等。为了使本说明及使用的附图更清晰明了，这些部件并没有被提及或显示出来。

如图所示，在此例中，所述转子100被放置于一个外壳200之内。所述工作流体入口部件108连接到锅炉201上，以使得蒸汽可以从所述工作流体入口部件108进入所述层流室114。所述锅炉201可以是任意一种适用的锅炉，比如一个燃气锅炉，电热锅炉，太阳能锅炉等等。随着所述锅炉生产出来的蒸汽进入所述层流室114内，所述蒸汽接着通过引射管118从喷嘴头部119喷出，从而引起所述转子驱动轴116的转动。

所述蒸汽从所述转子头部104排出后充满所述外壳200，然后所述的排出蒸汽可以通过线管203从所述外壳200抽取到冷凝器202。然后所述抽取的蒸汽再凝结后返回到所述锅炉201。本领域的一般技术人员可以看出在此例中，所述冷凝器202仅需要供给足够的对蒸汽的冷却，以使蒸汽冷凝回液态。所述冷凝器202并不需要在冷凝液回到所述锅炉前进行大幅度的冷却。事实上，通过不在冷凝液回炉前大幅度冷凝所述蒸汽，可以减少所述锅炉由于锅炉内水与回炉水之间的温差所造成的渗漏。

此外，当所述蒸汽从所述转子排出的时候，所述蒸汽便失去了其本来的压力和温度，这样就造成了部分的所述蒸汽在所述外壳内就提前冷凝，这样的冷凝水可以通过线管204提取并直接返回到所述锅炉里。

在上述的例子中，所述本发明的转子组件100被描述成垂直安装的，并且在中心纵轴线上转动。如此所述转子的各种元件都依据中心线对称放置，以平衡转动，以及减少可移动部分的摩擦。本领域的一般技术人员都可以看出，尽管上述例子所描述的转子都按垂直方向安装运行，但是所述转子也可以水平安装，并且对它的运行没有实质性的影响。

应该清楚的是，上述的实施例只是本发明的一个正本，相近的技术人员可以很明显地看出其中还可以有更多的改进的地方，而这些改进应该都被视为在本发明描述的保护界限范围之内。

Claims (12)

1.一种涡轮机，其特征在于，包括：

一个转子组件，所述转子组件上的一个圆形头部与一个本体啮合，所述本体包括一个接受工作流体流入的通道，所述圆形头部和所述本体啮合处形成一个圆形的流动室，所述通道与所述流动室流体连通，所述圆形头部的径向边缘包括多个凹槽，每个所述凹槽容纳有喷嘴，使得所述喷嘴都处于所述圆形头部的圆周面之内，每个所述喷嘴通过与所述流动室相切的引射管耦合在所述流动室之上；所述流动室的形状适于产生所述工作流体的层流，然后从多个置于所述圆形头部的喷嘴上排出。

2.根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，其中所述的转子组件带有一个工作流体入口部件，所述工作流体入口部件可插入所述通道；所述工作流体入口部件带有一个位于中心的管道，借由该所述管道，所述工作流体入口部件可以让所述工作流体注入所述流动室。

3.根据权利要求2所述的涡轮机，其特征在于，其中所述的工作流体入口部件位于一个容积式回转密封内，所述容积式回转密封位于所述通道里。

4.根据权利要求3所述的涡轮机，其中所述的容积式回转密封部件包含一个叶片，所述叶片推动所述工作流体进入所述的流动室。

5.根据权利要求3所述的涡轮机，其特征在于，所述容积式回转密封成能使少量的所述工作流体进入所述通道，用以润滑所述转子组件。

6.根据权利要求2所述的涡轮机，其特征在于，所述转子组件在转动时由所述工作流体入口部件的接口支承。

7.根据权利要求6所述的涡轮机，其特征在于，所述工作流体入口部件固定在所述转子组件上。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的涡轮机，其特征在于，所述流动室内的轮廓是波纹状的，以减少所述工作流体流动产生的乱流。

9.根据权利要求1-7中任一项所述的涡轮机，其特征在于，所述引射管为波纹状。

10.根据权利要求1-7中任一项所述的涡轮机，其特征在于，所述喷嘴以一定间隔成对分布排列在所述圆形头部上。

11.根据权利要求1-7中任一项所述的涡轮机，其特征在于，每个所述喷嘴都带有一个可调节的头部。

12.根据权利要求11所述的涡轮机，其中每个所述喷嘴的头部都带有含全关和全开位置的节流功能，用以产出一个所述工作流体的期望输出流速。