CN105008671A - 蒸汽涡轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种蒸汽涡轮机5，特别是用于内燃机的废热利用，所述蒸汽涡轮机具有：至少一个涡轮机壳体；带有至少一个喷管的导轮10；和至少一个叶轮6，其中，所述喷管构造为陷入到所述导轮10中的通道11。根据本发明提出一种蒸汽涡轮机5，其喷管制造简单。这由如下方式实现，即所述通道11具有恒定的宽度B和沿着所述通道11变化的深度T。由此，可借助仅一个工具在仅一个加工过程中制造所述通道11。

Description

蒸汽涡轮机
技术领域
本发明涉及一种蒸汽涡轮机，特别是用于内燃机废热利用，其具有：至少一个涡轮机壳体；带有至少一个喷管的导轮；和至少一个叶轮，其中，所述喷管构造为陷入到所述导轮中的通道。
此外，本发明涉及一种蒸汽涡轮机的喷管通道的制造方法。
背景技术
由DE 10 2010 042 412A1公开了这种蒸汽涡轮机。该蒸汽涡轮机设置用于内燃机的废热利用，并且具有呈涡轮机壳体、带至少两个喷管的导轮和叶轮形式的常规构件。该喷管构造为矩形的通道，并且具有沿着所述通道汇聚和发散的横截面变化曲线(Querschnittsverlauf)。此外，所述通道设置在导轮的中间区域中。具有变化的横截面变化曲线的这种通道很难制造。在该文献中所述的喷管的特色在于，所述至少两个喷管设置用于叶轮的不同负荷点并且能彼此独立地接通和断开。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种蒸汽涡轮机，其具有至少一个设置在导轮中的喷管，其喷管制造简单。此外，要给出相应的制造方法。
发明优点
该目的这样实现，即所述通道具有恒定的宽度B和沿着通道变化的深度T。该构型具有优点：这样构造的通道由于通道的恒定宽度B而制造简单，因为通道的深度T通过相应的工具到工件中的伸入深度可简单地制造。相应的制造方法比常规通道的制造方法本质上更简单，在常规的制造方法中，通道的宽度B在穿过通道的中间纵向平面的两侧上改变。为此，必须设置不同的工具和/或制造过程，以便制造这种构造的通道。
在本发明的改进方案中，所述通道在导轮中以角度β倾斜地设置。该斜度被设置，以便流过该喷管的蒸汽这样定向到叶轮的叶片上，使得实现优化的驱动效率。
在本发明的其他构型中，所述通道盘绕地设置在导轮中。这样盘绕的通道也能够简单地例如用指铣刀制造，所述指铣刀具有与通道的宽度B相应的直径。在这样盘绕的通道中，角度β沿着通道变化。
在本发明的改进构型中，到通道中的入口部和来自通道的出口部相对于通道中间部或者说通道中心盘绕地设置。在此，特别是出口部或者说其相对于叶轮的叶片的定向对于蒸汽涡轮机的高效率是重要的，而入口部的定向对决定效率作用不大。在此，出口部的定向在出口侧的输出部上具有角度α。
在本发明的其他构型中，相对于穿过该蒸汽涡轮机的轴向纵轴线x而言，在来自通道的输出部上、朝向叶轮过渡的角度α为15°。该角度α与叶轮的几何形状相协调，并且在叶轮不同的构型中当然也可以具有不同的角度。在不盘绕的通道中，角度α和β相等。
在本发明的改进方案中，喷管是拉瓦尔喷管(Lavaldüse)。特别是借助于拉瓦尔喷管能够实现：将蒸汽加速到超音速，并且因此借助加速到超音速的蒸汽来驱动叶轮。
在本发明的改进方案中，多个喷管在外周缘上陷入到导轮中。该构型实现在其整个周缘上使叶轮有利地迎流。此外，由于单个通道的宽度B沿着通道是恒定的，能够在该导轮上设置比在常规喷管更多数量的喷管。此外，通道之间得出的隔片的恒定宽度B有助于提高导轮的强度并因此有助于改进蒸汽涡轮机的运行可靠性。最后，在外周缘上设置的通道制造简单。
在本发明的改进方案中，喷管沿着相应的通道彼此之间具有恒定的间距A。这特别是在盘绕的通道中也是有利的。
在本发明的改进方案中，仅一个工具被设置用于制造所述通道。该工具能够例如是铣盘，所述铣盘可用于制造直线的通道。铣盘具有的厚度相应于要制造的通道的宽度，而加工到工作轮中的通道的深度通过该工具到工作轮中的伸入深度确定。但是如之前已经实施的那样，指状(stiftfrmig)铣刀工具也适合于制造所述通道，其中，在制造盘绕的通道时使用这样的铣刀工具。
本发明的其他有利的构型在附图说明中得出，在所述附图说明中详细地描述本发明的在附图中示出的实施例。
附图说明
附图示出了：
图1：用于对内燃机的废热进行废热利用的系统的回路示意图；
图2：蒸汽涡轮机的螺旋导入件、导轮和叶轮的分解立体图；
图3：具有三个陷入式喷管的导轮的细节图；和
图4：常规的和改型的拉瓦尔喷管的原理示意图。
具体实施方式
图1示出了用于废热利用，特别是用于从内燃机的废热流中回收能量的系统的示意图。在内燃机运行时，燃料和燃气供应给该内燃机，所述燃料和燃气在内燃机的燃烧室内在内燃机运行时在热效应下燃烧，并且使活塞运动，用于使与活塞连接的曲轴在缸体中产生旋转运动。内燃机的燃料喷射系统例如构造为共轨喷射系统，并且内燃机是以柴油燃料运行的自燃式内燃机。燃料和燃气的废热流通过废气管路1导出并且被引导穿过蒸发器2。蒸发器2例如构造为管式热交换器并且具有多个管道，热废气被引导经过所述管道，之后热废气在蒸发器2的输出侧上到达进一步引导的废气管路1中。在废气从废气管路1中被导出到坏境中之前，在该废气管路1中可在蒸发器2之前或者之后安装有废气消声器和/或用于废气再处理的装置(例如呈催化净化器和/或烟灰过滤器的形式)。
蒸发器2是用于从内燃机的废热流中进行废热利用的系统的一部分，并且具有工作流体回路3，所述工作流体回路被工作流体流过，所述工作流体例如是水或者有机介质例如乙醇。为此，泵4被接入工作流体回路3中，所述泵输送工作流体流过工作流体回路3。泵4能够机械地、液压地或者优选电地运行，其中，该运行能够被控制。也就是说，该泵能至少根据系统的运行状态被开启和关闭。工作流体被泵4输送通过蒸发器2并且接着到达呈蒸汽涡轮机5形式的膨胀机。蒸汽涡轮机5具有呈叶轮6(图2)形式的支承在涡轮机壳体中的涡轮机，所述叶轮在流动的工作流体流过时被置于旋转运动。涡轮机还具有设有轴承的轴7，叶轮6设置并且固定在所述轴上，其中，轴7此外与工作机连接。工作机例如是发电机，通过所述发电机产生电流并且必要时将电流例如存储在蓄电池中。这样以电流形式产生的能源能够以任意方式使用，例如在安装内燃机到车辆中的情况下用于运行车辆。但是工作机也可例如是液压的机器，通过所述液压的机器液压流体例如输送到储存器中。最后，工作机也可以是机械的机器，所述机械的机器例如直接与车辆的驱动系连接，内燃机安装在所述车辆中。
工作流体回路3还具有冷凝器8，所述冷凝器由工作流体和冷却流体流过。工作流体回路3如下起作用：
泵4将处于液态的工作流体输送到蒸发器2中，在所述蒸发器中工作流体由热废气转化成蒸汽态。在蒸发器2的输出侧上设置有蒸汽涡轮机2，在所述蒸汽涡轮机中气态的工作流体在驱动蒸汽涡轮机5的叶轮6的情况下膨胀。在流过蒸汽涡轮机5之后，工作流体供应给冷凝器8，在所述冷凝器中工作流体如此程度地冷却，使得工作流体又转化为液态，之后工作流体又被供应给泵4。
图2分别示出了蒸汽涡轮机的螺旋导入件9、导轮10和叶轮6的立体图。螺旋导入件9形成用于使蒸汽进到蒸汽涡轮机5中的入口部。在螺旋导入件9中，进入的蒸汽被置于圆环形的流动并且接着到达导轮10的入口侧14。导轮10具有多个通道11(呈凹槽形式)，所述通道设置在导轮10的周缘上。通过通道11作为呈拉瓦尔喷管形式的喷管的流动技术构型，流过的蒸汽被加速直到超音速，并且在流出侧12上流出时由通道11流到叶轮6的叶片12上，并且驱动叶轮6旋转运动。在流过叶轮6之后，蒸汽或者供应给另一叶轮或者从蒸汽涡轮机5又引出流回到工作流体回路3中。通道6这样定向，使得蒸汽在流出侧13上相对于穿过蒸汽涡轮机5的轴向轴线x以在流动技术方面有利的角度α出现到叶轮6的叶片12上。为此，通道11例如(如图2所示)恒定地以相对于轴向轴线的角度α＝β(15°)通过导轮10设置。但是通道11也可盘绕地设置在导轮10中。那么，角度β沿着通道11变化，并且在流出侧13上流出时达到例如具有值15°的角度α。但是通道11在导轮11中彼此的间距A至少近似一直相等。通道11沿着相应的通道都具有恒定的宽度B。通道11的深度T相反地从入口侧14经过通道中心15直到出口侧13是变化的。各个通道11的深度T在入口侧14和出口侧13上具有(不同的)最大值Tmax并且近似地在通道中心15具有最小值Tmin。在导轮10的安装好的状态中，通道11例如被入口部的环形壁区段向外封闭，从而蒸汽完全地并且仅可流动通过所述通道11。
图3示出了导轮10的细节立体图，其中，在该导轮10中加工有四个并排的通道11。当然，可在该导轮10中实际加工多个通道11(如根据图2的导轮10中所示的那样)。根据图3的视图示出了导轮10的出口侧13的俯视情况。
如已经在图2中详细示出的那样，通道11都具有沿着相应通道的恒定的宽度B。通道11的深度T相反地从入口侧14经过通道中心15直到出口侧13是变化的。各个通道11的深度T在入口侧14和出口侧13上具有最大值Tmax并且近似地在通道中心15具有最小值Tmin。以这种方式模拟拉瓦尔喷管。
在图4中，在上图示出常规构造的拉瓦尔喷管16。该拉瓦尔喷管16具有带有大面积的入口侧14，所述面积由于拉瓦尔喷管持续收缩，在通道中心15的后方区域中达到最小值，之后出口侧13的横截面积又持续变大。在下面设置的“对折的(geklappten)”拉瓦尔喷管16中，给出如在上面所示的拉瓦尔喷管16相同的面积比例，其中，下面的拉瓦尔喷管16的几何形状具有上面的几何形状的双倍宽度。由此，这两个拉瓦尔喷管16面积相等。下面的拉瓦尔喷管16的几何形状由根据本发明构造的具有恒定宽度B和沿着通道变化的深度T的通道11实现。在入口侧14和出口侧13上的最大深度Tmax如之前不同地实施。计算和实验得出，在下面的图中示出的几何形状和在上面的图中示出的几何形状效果相一致。

Claims (10)

1.蒸汽涡轮机(5)，特别是用于内燃机的废热利用，该蒸汽涡轮机具有：至少一个涡轮机壳体；带有至少一个喷管的导轮(10)；和至少一个叶轮(6)，其中，所述喷管构造为陷入到所述导轮(10)中的通道(11)，其特征在于，所述通道(11)具有恒定的宽度(B)和沿着所述通道(11)变化的深度(T)。
2.根据权利要求1所述的蒸汽涡轮机(5)，其特征在于，所述通道(11)在所述导轮(10)中以角度(β)倾斜地设置。
3.根据权利要求1或2所述的蒸汽涡轮机(5)，其特征在于，所述通道(11)盘绕地设置在所述导轮(10)中。
4.根据权利要求3所述的蒸汽涡轮机(5)，其特征在于，在入口侧(14)上通到所述通道(11)中的入口部和在出口侧(13)上来自所述通道(11)的出口部相对于通道中心(15)盘绕地设置。
5.根据权利要求4所述的蒸汽涡轮机(5)，其特征在于，在来自所述通道(11)的出口部上的、朝向所述叶轮(6)过渡的角度(α)为15°。
6.根据上述权利要求中任一项所述的蒸汽涡轮机(5)，其特征在于，所述喷管是拉瓦尔喷管(16)。
7.根据上述权利要求中任一项所述的蒸汽涡轮机(5)，其特征在于，多个喷管在所述导轮(10)中被设置在外周缘上。
8.根据权利要求7所述的蒸汽涡轮机(5)，其特征在于，所述喷管沿着相应的通道(11)彼此之间具有恒定的间距(A)。
9.根据上述权利要求中任一项所述的蒸汽涡轮机(5)，其特征在于，仅一个工具、特别是铣盘被设置用于制造所述通道(11)。
10.用于制造蒸汽涡轮机(5)的喷管的通道(11)的制造方法，所述蒸汽涡轮机具有：至少一个涡轮机壳体；一接收所述喷管的导轮(19)；和至少一个叶轮(6)，其特征在于，借助于仅一个工具将所述通道(11)加工到所述导轮(10)中，所述通道具有恒定的宽度(B)和沿着所述通道(11)变化的深度(T)。
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