CN1054418C - 磨损小的涡轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明提出减少由于含有粒子的介质所引起的涡轮机磨损的措施，为了减少磨损，把限定叶轮侧空间(13、12)的壁面(6、7)形状设计成可以影响固定壁面(6、7)近壁处的介质流。

Description

磨损小的涡轮机
本发明涉及一种用来输送带有固体粒子的介质的涡轮机，这种涡轮机的机壳内设置一个或多个叶轮，叶轮带有至少一个轮盘，在外壳和轮盘之间构成一个叶轮侧空间并在轮盘和外壳之间设置一个间隙密封。
这种可以是泵、透平、水泵-水轮机或类似机器的涡轮机在不同的技术领域中应用。为了提高机器的寿命，设计人员长期以来致力于提高其材料遭受磨蚀性粒子磨损的涡轮机的使用寿命。
为此，采取的第一类措施是，使用特别硬的耐磨材料。例如在叶轮泵中，对磨损特别敏感的范围已证明是叶轮侧空间和位于此范围内的密封。如果由于材料磨损使密封的间隙增大，则会增加液压损耗，从而降低效率。此外，在多级涡轮机中，还可能由此而产生导致直至使机组停机的巨烈振动。
EP-B-0 346 677公开的一个措施是，防止有轴密封的空间和轴密封本身产生磨损。该空间位于叶轮后面并通过一个间隙密封与高压的叶轮的空间隔开。
德国专利DE-OS 2210556公开的一种叶轮泵用特别耐磨的壳体部分(例如限定螺旋通道和叶轮侧空间的耐磨板)而提高了机器的寿命。此外，这种机器由于给水不含固体物质，因而叶轮侧空间和密封可不受磨蚀性粒子的影响。
DE-OS-23 44 576描述的另一个措施是，在间隙密封范围内的结构考虑了附加的输送通道，其入口前联一个循环环形室。借助这一措施可消除流入间隙密封的输送介质中的磨蚀性粒子，即磨蚀性粒子在环形室内被分离后通过输送通道输入叶轮侧空间，没有了磨蚀性粒子的水则以准无固体的状态流向间隙密封。这个措施虽然有一定的初始效果，但经短期运行后便减弱了输送通道的作用。因为在间隙入口区内，由于不断流入的介质的粒子的富集度有所增加并从而加速了磨损。
EP-B-0 288 500公开的另一个措施是，在叶轮盖盘的外侧设置辅助叶片，而这些辅助叶片被环形隔板间断，从而使叶轮侧空间内的液流减小。但正如实际试验证明的那样，这一措施也没有防止磨损。
DE-OS 38 08 598试图借助于一个叶轮后接空间的环壁面的一定倾斜度来提高使用寿命。
US-A 1 634 317公开了一种用于泵工作轮的轴向推力平衡装置。为此，在两个叶轮盖盘的不同直径上设置了间隙环形密封。其中一个间隙环形密封总是位于一个盖盘的外圆周上，而与此共同作用的第二个间隙环形密封则设置在另一个盖盘的较小直径上。在构成一个通过液体的间隙的情况下，叶轮的吸入口浸入外壳的一个凸缘中。密封间隙的旋转壁面部分具有附加的叶片。因此，产生的介质流的作用与叶轮出口的压力相反。所以，叶轮侧空间保持很小的压力损失，同时达到有效的轴向推力平衡。
本发明的任务是，从根本上减少或消除上述磨损问题。解决以上任务的技术方案在于，限定叶轮侧空间的静止壁面沿近壁处介质流的方向在间隙密封前具有一个环形凸起，其形状把近壁处的介质流沿叶轮侧空间静止壁朝叶轮的旋转轮盘方向引导并将其导入介质流较高的旋转运动范围，其中，凸起和轮盘之间的间隙至少为2mm。已经证实，磨蚀性粒子总是在固定的，即不旋转的壁面附近径向向内移动。由于通过叶轮的叶轮侧摩擦产生径向向外的输送作用，而且，在公知的叶轮中通过外部的辅助叶片还会加强这种输送作用，所以，静止的壁面处的含有粒子的介质同样是径向向内流动并流向密封。因此，本发明采取的措施是，在静止的隔壁范围内避免径向向内的粒子输送，而且假如这一目的不能完全实现，则在间隙密封前使近壁处的粒子或含有粒子的近壁处的介质流流入输送介质的较高旋转运动的范围中，然后粒子便可不成问题地从这个范围向外输送并离开受危及的壁面。根据涡轮机的功率数据，相对于叶轮外半径，该结构可设在不同的，即对相应的使用目的最适宜的不同半径上。例如在叶轮出口范围内、在紧靠间隙密封或轴密封之前或其之间的范围内，还有轴和间隙密封之间的一个叶轮侧空间内均可这样设置。具有权利要求9所述特征的、本发明的另一个解决办法是，限定叶轮侧空间的静止壁面，沿近壁处的介质流方向，在间隙密封之前具有一个环形空穴，此空穴的形状能把近壁面介质流沿叶轮侧空间静止壁面朝叶轮的旋转轮盘的方向流动并导入介质流的高的旋转运动范围，其中，空穴的深度至少相当于局部边界层厚度的3倍。此外，本发明的各项从属权利要求描述了本发明的其他实施形式，结合附图来详细说明这些实施形式。
在附图中示出了本发明的各个实施例并在下面对其详细说明。附图所示为：
图1带有涡壳的一级叶轮泵的截面图作为涡轮机的一个实施例，
图2带有设在叶轮之后的导向叶轮的多级叶轮泵作为涡轮机，
图3至图25静止和旋转壁面之间的详细结构。
在图1所示的涡轮机外壳1中装有一个外半径为r2的叶轮2，它的叶片3装在压出侧的叶轮盖盘4和吸入侧叶轮盖盘5之间；其对面为静止的外壳壁面，一个压出侧的外壳壁面6和吸入侧的外壳壁面7。叶轮2周围是与压力接管9连通的螺旋通道8。由于叶轮侧空间内的压差，外壳1内的介质的一部分流往叶轮入口范围内的间隙密封10或流往轴密封范围内的压出侧间隙密封11。叶轮盖盘4、5上的叶轮侧摩擦在压出侧的叶轮侧空间12内和在吸入侧的叶轮侧空间13产生介质流动。
不同空间内的流动条件，下面以叶轮侧空间12、13为例来进行说明和进行不同的观察。在吸入侧的叶轮侧空间13或一个相应的空间中由于存在压差产生通流。即介质由较高压力的范围流往较低压力的范围，例如在一个泵中，从叶轮出口流往叶轮入口。该介质流与由于旋转面和润湿该旋转面的介质之间的叶轮侧摩擦产生的介质流相叠加。在压出侧的叶轮侧空间12内或相应的空间内可产生介质通流的条件下，压出侧的叶轮侧空间12或一个与其相应的空间的情况也是如此。这可能是轴向推力溢洪孔或一个别的可促成通流的开口。但在不存在通流流过空间的情况下，则仍然在静止的壁面上产生一个径向向内的介质流。造成该介质流的原因是叶轮侧的摩擦。由于这种叶轮侧摩擦在旋转的面上产生一个带径向向外分流的介质流，这种介质流在静止壁面上产生回流即环流。在上述所有通流或环流情况下，含有磨蚀性粒子的介质在经过静止的壁面之后均径向向内流。
图2所示多级涡轮机的情况与上述情况相似。在作为泵工作时，含有粒子的介质会通过吸入接管14.1、14.2流向叶轮2.1、2.2。与图1所示实施例不同的是，第一级的叶轮2.1、2.2只在各级之间的轴通孔范围内有一个压出侧的间隙密封。
介质离开第一级的叶轮后流经导向装置15.1、15.2并流向第二级的一个双流叶轮16，再从那里流入螺旋通道8，并从该处经压力接管9流出。以图1为例详细述及的叶轮周围情况也适用于图2所示的实施例。
除了图13、14、16、17、21、24和25外，图3至图23的视图从结构上看是一致的。这里指的是左侧静止壁面和右侧旋转壁面之间的结构。按照图1，这些结构可用于吸入侧的叶轮侧空间13的范围内。旋转壁面部分的旋转轴总是位于相应视图的下方。当然，这里的视图也适用于压出侧的叶轮侧空间12，但要将视图倒过来看。为简化起见，这里只限于对上述规定进行描述。
在图3至图8中可以看到一个设在固定的壳壁7上的凸出的环17，此环对面设有旋转的叶轮盖盘5，其间有一个间隙18。沿固定壳壁7径向向内流动的、含磨蚀性粒子的介质流通过环17朝叶轮方向并据此转向旋转的叶轮盖盘5，然后从该处和叶轮侧摩擦引起的介质流一起向外流出。
环17的宽度t1应大于叶轮侧空间宽度6的一半，即t1/b≥0.5。实验证明，将环17设置在相对半径r1上是特别有利的，相对于叶轮的或它的叶轮盖盘5的外半径r2而言相对半径r1相当于r1/r2的比值约为0.8。设在别的半径r1亦有效。叶轮例空间宽度b减去环17的宽度t1之差即为间隙s，此间隙不得小于2mm，在任何情况下都不具有密封间隙的功能；一个这样的密封间隙会被流过的粒子破坏。通过2mm或更大的最小间隙宽度，在间隙范围内防止磨损增加。这点也适用于下面的其他附图中的视图。
在图4所示的、旋转的叶轮盖盘5上，在与突出的环17的相同高度设有多个叶片19，叶片19与环17之间有小的间距。这些叶片19的径向延伸等于或不等于环17的径向延伸。按照图5，相邻叶片19在较大的直径上相邻地并以较长的径向延伸固定在旋转的叶轮盖盘5上。
图3至图5所示环17周围的点划线表示环表面不同倾斜度的范围。
在图6中，在旋转盖盘5上设置了一个环20，该环位于比固定的外壳环17所处直径更大的直径上。旋转环20的面向固定环17的下侧设有叶片19，它们产生一个较高旋转运动的范围，从而把近壁处含粒子的介质流偏转到叶轮外直径。在不用叶片19的情况下亦可设置产生输送作用的槽，例如可在叶轮的材料中设置这种槽。在环和叶片或槽配对时，两者之间的间隙倾斜是有利的，该倾斜引起粒子径向向外的强制运动。叶片或槽既可沿轴向和垂直于旋转的方向设置，亦可设置成与轴向有一定的角度，如图16和图17所示。
图7所示的旋转环20设置在比固定环17所处直径更小的直径上并为了近壁处的含粒子的介质流的偏转而具有产生较高旋转运动的槽或叶片19。槽或叶片19的输送能力是这样设计的，即其输送能量对近壁处介质流的影响很小。输送能量小，以至它们在叶轮侧空间13以内不产生由迄今众所周知的外部辅助叶片所产生的加强环流。
在图8中，在静止的和凸出的环17的上下方，在旋转的叶轮部分5上设置有短的叶片19.1、19.2。环17和叶片之间的间隙21、22沿倾斜方向伸展。
在图5至图8以及以后的图中所示的叶片亦可全部和部分地被盖板状的构件按封闭叶轮的方式覆盖。
图9至图12中的外壳环17带有一个径向向外的圆盘23，此圆盘加强近壁处带粒子的介质流的偏转过程。此外，旋转的叶轮盖盘5配有或没有短的叶片19。圆盘23可设在环17的前端，亦可设在它的中间部位。
图11所示圆盘23周围的点划线也表示圆盘表面的不同倾斜度的范围。
图13和图14表示固定在外壳上的环17的俯视图，此环17按图13做成密封的环，但亦可按图14做成分割的环，分割的准则在于，几个环形扇段17.2相对于壳壁7呈叶片形走向。环形扇段17.2的中心位于旋转轴的中心以外，但在相应的垂直和/或水平的截面平面内移动。各环形扇段沿图中没有示出的叶轮旋转方向向外敞开。所以，可对介质流进行不同的定位和影响。箭头表示叶轮的旋转方向。
图18至图20表示的壁面外形结构没有凸出的环，壁本身有空穴25，其结构为流出边26的出口朝向设在对面的、旋转的叶轮盖盘5。根据观察方式，这种壁面形状亦可被看成是使叶轮侧空间13或14变窄的造形。其后则是一个使近壁处带粒子的介质流转向的空穴25。近壁处带粒子的介质流沿静止的壳壁面7被导向具有较高旋转运动的叶轮侧空间13。此处亦可在旋转的叶轮盖盘5上设置带有很小的径向伸展的叶片19，以便加强把粒子导向一个较高的旋转能的范围的导向效果。
以图18为例来详细说明其中的比例关系。在图18中给出的角度α不应超过30°，空穴25的长度l与深度t2之比值不应小于3。深度t2应这样设计，即它至少等于该处边界层厚度的3倍。边界层厚度由一般的计算过程求出(例如按Schlichting：《边界层理论》G.Braun Karlsruhe 1982年出版)。边界层厚度在很大程度取决于介质、叶轮转数、半径r1或r1′以及叶轮侧空间13的宽度b。
影响近壁处的介质流的另一种结构形式如图21至25所示，这既可是伸入静止壁面7内的槽27又可是凸出的叶片28，它们沿叶轮的旋转方向或对面的旋转圆盘面的旋转方向径向向外伸展，同时，它们把由近壁处的介质流带来的粒子沿槽27或叶片28的径向向外的轮廓向外导走。为了从叶轮侧空间的内部范围向外输送粒子，在叶轮侧空间内需要多次循环，直至在一个螺旋内或在一个导向装置内把粒子输出为止。
图24所示静止外壳壁面7为锯齿形，其中，轮廓的缓平上升面29沿旋转壁面5的旋转方向伸展。采取这个措施使粒子一再被推离静止的壁并到达具有较高的介质局部旋转速度的范围，以便使粒子在经过多次循环后重新能离开叶轮侧空间13或14。图25表示这种形状的壁面7的俯视图。

Claims (13)

1.用于输送含固体粒子的介质的涡轮机，在机壳(1)内设置有一或多个叶轮(3、16、2.1、2.2)，这些叶轮(2.1、2.2、3、16)带有至少一个轮盘(5、6)，在外壳(1)和轮盘(5、6)之间构成一个叶轮侧空间(12、13)并在轮盘(5、6)和外壳(1)之间设置一个间隙密封(10、11、11.1、11.2)，其特征是，限定叶轮侧空间(12、13)的静止壁面(6、7)沿近壁处介质流的方向在间隙密封(5、6、11.1、11.2)前具有一个环形凸起(17)，该凸起的形状能把近壁处的介质流沿叶轮侧空间(12、13)的静止壁面(6、7)导向叶轮(3、2.1、2.2)的旋转轮盘(4、6)方向并导入流体介质的较高旋转运动范围，其中，凸起(17)和轮盘之间的间隙(5)至少为2mm。
2.按权利要求1的涡轮机，其特征是，在静止的外壳壁面(6、7)上设置有一个沿轴向凸出的环形面或环(17)。
3.按权利要求2的涡轮机，其特征是，在环形面或环(17)端部范围的对面，在旋转的壁面(4、5)上设置有多个短的叶片或槽(19)。
4.按权利要求2的涡轮机，其特征是，环形面或环(17)与一个设置在旋转的壁面(4、5)上的直径较大或较小的装叶片或设槽的环形面(1)或环(20)共同作用。
5.按权利要求2的涡轮机，其特征是，环形面或环(17)带有一个径向伸展的凸出的圆盘(23)。
6.按权利要求5的涡轮机，其特征是，在圆盘(23)范围的对面，在旋转的壁面(4、5)上设置有多个短的叶片(19)或槽。
7.按权利要求2的涡轮机，其特征是，环形面或环(17)由多个扇形段(17.2)组成，其中每个扇形段(17.2)的中点都位于旋转轴以外。
8.按权利要求1或2的涡轮机，其特征是，在旋转环(20)上设置的槽或叶片(19)倾斜于旋转轴伸展。
9.用于输送含固体粒子的介质的涡轮机，在机壳(1)内设置有一或多个叶轮(2.1、2.2、3、16)，这些叶轮(2.1、2.2、3、16)带有至少一个轮盘(5、6)，在外壳(1)和轮盘(5、6)之间构成一个叶轮侧空间(12、13)并在轮盘(5、6)和外壳(1)之间设置一个间隙密封(10、11、11.1、11.2)，其特征是，限定叶轮侧空间(12、13)的静止壁面(6、7)沿近壁处介质流的方向在间隙密封(5、6、11.1、11.2)前具有一个环形空穴(25)，该空穴的形状能把近壁处的介质流沿叶轮侧空间(12、13)的静止壁面(6、7)导向叶轮(2.1、2.2、3)的旋转轮盘(4、6)方向内并导入流体介质的较高旋转运动范围，其中，空穴(25)的深度(t2)至少等于局部边界层厚度的三倍。
10.按权利要求9的涡轮机，其特征是，在静止壁面(6、7)上构成一个空穴(25)，其中，空穴(25)和静止壁面(6、7)之间的过渡区带有一个流出边(26)。
11.按权利要求10的涡轮机，其特征是，在流出边(26)对面，在旋转壁面(4、5)上设置有多个短叶片(19)或槽。
12.按权利要求9至11中任一项的涡轮机，其特征是，在静止壁面(6、7)上设置多个槽(17)和/或叶片(28)，它们沿对面的旋转壁面的旋转方向径向向外伸展。
13.按权利要求12中任一项的涡轮机，其特征是，静止壁面(6、7)本身带有向外伸展的、具有一个平缓上升面(29)的槽。
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