CN107002701A - 径流式涡轮流体能量机的叶轮、级 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种径流式涡轮流体能量机(RTF)的叶轮(IMP)，所述叶轮包括：‑轮盘(SW)；‑盖板(CW)；‑叶片(BL)；‑轮毂(HB)；其中所述轮毂(HB)构成用于安装在沿着轴线(X)延伸的轴(SH)上，其中所述轮盘(SW)从所述轮毂(HB)起基本上径向地延伸，其中所述盖板(CW)借助于所述叶片(BL)与所述轮盘(SW)连接为，使得在所述轮盘(SW)和所述盖板(CW)之间通过所述叶片(BL)沿着环周方向在所述叶轮(IMP)的至少一个径向区域中限定沿着环周方向彼此分开的流动通道(FC)，其中所述叶轮(IMP)沿着基本上轴向的方向在所述轮毂(HB)的径向附近具有第一流动路径穿通部(O1)，其中与所述第一流动路径穿通部(O1)相比，所述叶轮(IMP)沿着基本上径向的方向离所述轮毂(HB)径向更远地具有第二流动路径穿通部(O2)。为了在优化生产耗费的同时降低流动的损耗，提出：与所述轮盘(SW)的朝向所述盖板(CW)的表面相比，所述盖板(CW)的朝向所述轮盘(SW)的表面至少局部地具有更低的粗糙度。除此之外，本发明提出一种相应的级、一种用于产生被绕流的构件的方法和一种相应制造的构件。

Description

径流式涡轮流体能量机的叶轮、级
技术领域
本发明涉及一种径流式涡轮流体能量机的叶轮，所述叶轮包括轮盘、盖板、叶片和轮毂。轮毂在此构成用于安装在沿着轴线延伸的轴上，其中轮盘从轮毂起基本上径向地延伸，其中盖板借助于叶片与轮盘连接为，使得在轮盘和盖板之间通过叶片沿着环周方向在叶轮的至少一个径向区域中限定沿着环周方向彼此分开的流动通道，其中叶轮沿着基本上轴向的方向在轮毂的径向附近具有第一流动路径穿通部，其中与第一流动路径穿通道相比，叶轮沿着基本上径向的方向离轮毂径向更远地具有第二流动路径穿通部。此外，本发明研究一种包括如此限定的叶轮的级。此外，本发明还提出一种用于产生流体能量机的被流润湿的转动的构件的方法。
背景技术
这种涡轮流体能量机作为压缩机或者膨胀机是已知的。叶轮的径向的构造方式可以是开放或者闭合的类型，其中本发明研究闭合的叶轮，使得盖板相对于轮盘轴向地并且径向地限定各个流动通道。在穿流和绕流径向的叶轮时，在被流润湿的表面处因摩擦而产生压力损耗，所述压力损耗降低涡轮机的效率。在关于气体类型、压力和温度分别提供的运行条件下，局部的因摩擦而引起的压力损耗与局部的流动速度以及被流润湿的表面的局部的粗糙度相关。
从EP 0 593 797 B1中已经已知的是，有针对性地使用构件的粗糙度，改变由此而引起的对流动的影响并且将该知识应用于径流式涡轮压缩机。
发明内容
以所描述的现有技术的缺点为出发点，本发明的目的是，带来开始所提出类型的径流式涡轮流体能量机的效率改进，而没有提高迄今为止必要的生产耗费。为了实现根据本发明的目的，提出一种具有独立权利要求1的特征部分的附加的特征的开始限定类型的叶轮。此外，提出一种根据权利要求8所述的级。相应被回引的从属权利要求包含本发明的有利的改进方案。
本发明在其术语方面以如下为出发点：在生产期间，首先在根据本发明的叶轮的相应的部件(盖板、轮盘、叶片和轮毂)处设置统一的粗糙度，并且该粗糙度在根据本发明所限定的相应的区域中通过附加的处理降低。以这种方式始终产生粗糙度较低的表面区域和其它区域，在所述其它区域中这种处理不被执行并且在所述其它区域处存在相对于此提高的粗糙度。基本上，根据本发明也可以考虑的是，相对于粗糙度降低的区域进行其余区域的粗糙化。然而，这种变型形式是不太优选的。
大的压力损耗在如下地点出现，在该地点局部的流动速度和被流过的表面的局部的粗糙度是大的。通常，对于开始提出的叶轮的被流润湿的表面而言，不仅在叶片通道中——即关于叶片表面或叶轮通道底部在叶轮的内部中——而且在外部在轮盘或盖板上需要分别统一的最大所允许的粗糙度，所述开始提出的叶轮也称为径向轮。该粗糙度例如通过标准名称RZ12来说明。当相应的表面由构件或者坯件产生或者经受共同的最终的生产过程时，尤其需要这种统一的粗糙度。
从文献US 2007/0 134 086 A1、US 2 471 174 A1、EP 0 593 797 81、WO 2013/162 896 A1中已经已知如下涡轮机，所述涡轮机部分地具有这种特征。
迄今为止的使涡轮流体能量机的叶轮和相应的被流润湿的构件构成有统一的表面质量的实践，在试图将由此而引起的流动损耗最小化时造成高的生产耗费和高的成本。相应的抛光任务和用于降低表面粗糙度的措施通常可手动地来实施从而是非常昂贵的。本发明避免了这些成本的一部分。
在上文中对叶轮的这种限定中，轮毂作为至少独立的术语引入。通常，轮毂与轮盘一件式地构成并且与之相应地仅假想地由于与轴的连接的功能而分离。关于这点，可以考虑的是，轮毂、轮盘和叶片一件式地构成或者甚至由唯一的毛坯件制成。此外，也可行的是，盖板、叶片、轮盘和轮毂一件式地构成或者甚至由唯一的毛坯件制成，例如借助于现代的铣削法或者借助于腐蚀制成。在最新的发展中，也可以考虑借助于“增材制造”来进行制造。
根据本发明的知识在于：局部的流动速度传统上通常不当地匹配于所提供的局部的表面粗糙度。由此，在如下区域中产生高的因摩擦引起的压力损耗，在所述区域处，高的局部的流动速度与高的粗糙度一起出现。本发明因此提出：与在流动速度较低的区域中相比，在流动速度高的区域中，被流润湿的表面构成有更低的粗糙度。
此外，本发明还提出一种用于产生流体能量机的被流润湿的转动的构件的方法，所述方法具有下述步骤：
a.在流体技术方面设计构件，
b.确定用于第一商的至少一个极限值，所述第一商由在距离δ中流过构件的表面区域的表面流动速度除以相应地关于设计运行点的环周速度获得，
c.确定构件的如下表面区域，在所述表面区域中，所述第一商高于所述极限值，
d.在产生表面区域的至少两个不同的粗糙度的条件下产生构件，其中在第一商高于极限值的至少一些表面区域中产生较低的第一粗糙度，并且在第一商低于极限值的至少一些表面区域中产生或者保留较高的粗糙度。
此外，本发明研究一种构件，所述构件已经根据之前所限定的方法产生。在此尤其优选的是径流式涡轮流体能量机的、尤其径流式涡轮压缩机的叶轮。
所述方法的一个有利的改进方案提出：构件由一件式的坯件产生。本发明的另一有利的改进方案提出：构件一件式地构成，其中优选在构件上不设置可无损坏地拆卸的组成部分。本发明的另一有利的改进方案提出：在一个生产步骤中，属于第一组表面区域的表面区域经受如下处理，所述处理降低表面粗糙度。本发明的另一有利的改进方案提出：在另一方法步骤中，与第二组表面区域相关联的表面区域经受如下处理，所述处理提高表面粗糙度。
附图说明
在下文中根据具体的实施例参考附图详细描述本发明。附图示出：
图1示出沿着径流式涡轮流体能量机的转子的轴线贯穿根据本发明的叶轮的纵剖面，
图2示出根据图2上的II的细节视图，
图3示出根据本发明的方法的流程图。
具体实施方式
图1示出径流式涡轮流体能量机RTF的叶轮IMP，所述径流式流体能量机在此局部地通过一个级STA示意性地描述。叶轮IMP在作为压缩机运行时由流动流体PF沿着主流动方向MFD穿流。如果叶轮IMP在构成为涡轮机的径流式涡轮流体能量机中使用，那么工艺流体PF沿着主流动方向MFD’流动，所述主流动方向MFD’与压缩机的主流动方向MFD相反地取向。当在下文中参考具体的主流动方向MFD、MFD’时，这通过径流式涡轮流体能量机RTF作为压缩机的构成方案来完成，而本发明不受限于压缩机。
叶轮IMP包括轮盘SW、叶片BL和盖板CW，其中轮盘SW包括轮毂HB。借助于轮毂HB，叶轮IMP安装到未示出的轴SH上，所述轴沿着转动轴线X延伸。在下文中所有可涉及轴线的术语，例如轴向的、径向的、环周方向等都涉及该转动轴线X，只要未另作说明。
在所示出的实例中，叶片BL在流动通道FC的宽度方向上三维地扭曲地设计。该设计方案对于具有高的通流能力的叶轮而言是典型的。叶片BL不仅在流动通道FC的基本上径向伸展的部段中延伸，而且在轴向伸展的部段中延伸。
本发明也适宜应用于如下叶轮IMP，所述叶轮具有叶片BL，所述叶片基本上位于径向延伸的部段中。这些叶轮IMP更频繁地在所谓的高压压缩机中使用并且通常具有基本上柱形地设计的叶片BL。
轮盘SW从轮毂HB起基本上径向地延伸。盖板CW借助于叶片BL与轮盘SW连接。以这种方式在轮盘SW和盖板CS之间通过叶片BL沿着环周方向在叶轮IMP的至少一个径向区域中产生彼此分开的流动通道FC。在叶片BL不在其中延伸的径向区域中不存在流动通道FC的沿着环周方向的分开，其中此外共同的流动通道径向地并且轴向地通过轮盘SW和盖板SC限定。
在压缩机的情况下，在入流区域中从轴向方向起，基本上在轮盘SW和盖板CW之间的中心中，主流动方向MFD朝向径向方向的偏转地延伸，直至离开叶轮IMP的出口。为了本发明的术语的统一，叶轮IMP的对于径流式涡轮压缩机的情况称为入口的部段称为第一流动路径穿通部O1。类似地，出口称为第二流动路径穿通部O2。
叶轮IMP由定子STO环绕，所述定子通过在叶轮IMP和定子STO之间的间距在叶轮IMP的两侧限定所谓的轮侧空间WSC。
示例性地在叶轮IMP的左侧示出，轮侧空间WSC如何借助于构成为迷宫式密封件的轴密封件密封，以便不引起穿过轮侧空间WSC的所不期望的旁通流在叶轮IMP的流动通道FC旁流过。在实践中，类似的密封件未示出地同样位于叶轮IMP的右侧上。叶轮IMP的流动通道FC沿着径向方向通入定子STO的环形腔RC中，使得在压缩机的情况下，工艺流体FD能够沿着继续延伸的流出方向MFD从叶轮IMP中流出并且必要时引导到未示出的最后的回导级中或者引导到收集腔中以便从径流式涡轮流体能量机RTF中流出，所述回导级通向另一叶轮IMP。
与轮盘SW的朝向盖板的表面相比，盖板CW的朝向轮盘SW的表面至少局部地、在实例中完全地构成有更低的粗糙度。在此提出：与在叶片的离盖板CW更远的第二叶片表面区域BLA2中相比，叶片BL在靠近并且邻接盖板CW的第一叶片表面区域BLA1中具有更小的粗糙度。此外提出：第一叶片表面区域BLA1随着距轮毂HB的距离增大在垂直于主流动方向MFD上占所述流动通道FC的份额减少。详细地，在流动通道FC的宽度方向上三维地扭曲地设计的叶片BL的所示出的情况下，第一叶片表面区域BLA1在离轮毂HB最近的部段中在流动通道FC的垂直于主流动方向MFD的宽度的超过40％上延伸，并且连续地缩小，直至在径向方向上离轮毂HB最远的部段，缩小至在流动通道FC的垂直于主流动方向MFD的宽度的小于35％上延伸。
除了叶轮IMP的内部，出于降低粗糙度方面的损耗的目的也调整叶轮IMP的外部表面的一部分。盖板CW在背离叶片BL的表面上在第三表面区域CWA3中与在其它第四表面区域CWA4中相比构成有更小的粗糙度。第三表面区域CWA3在此径向地在盖板CW的径向延伸部的径向外部的直至50％的份额上延伸。在附图中，降低的粗糙度的最小直径以DRZ来说明，其中所述区域延伸直至叶轮IMP的最外部的直径D2。在具体的实施例中，降低的粗糙度DRZ的最小的直径对于盖板CW和轮盘SW而言构成为是相同的。在实践中，相应的直径在盖板侧和在轮盘侧能够是不同的。轮盘在背离叶片BL的表面上在第五表面区域SWA5中与在其它第六表面区域SWA6中相比具有更小的粗糙度。适宜地，第五表面区域SWA5构成为在径向上在轮盘的径向延伸部的外部的直至50％的份额上延伸。
盖板CW还有轮盘SW的径向外部的、沿着环周方向延伸的环形的边缘表面ES与其它不具有较低的粗糙度的区域相比分别构成有更低的粗糙度。有利地并且适宜地，这种较小的粗糙度也应用于叶片BL的最外部的棱边。
图3示意性地示出用于产生流体能量机FEM的被流润湿的构件COM的根据本发明的方法的流程图。在此，所述构件例如能够是叶轮IMP或者级STA的被流润湿的一部分。以热力学数据THD为出发点，所述方法提出：从坯件GRN中产生被润湿的构件COM。
在第一步骤a.中，根据热力学数据THD在流体技术方面设计构件COM。所述设计的第一步骤是第二步骤b.的基础，在所述第二步骤中确定用于第一商QO1的极限值LIM，所述第一商由在距离δ中流过构件COM的表面区域SUA的表面流动速度VL除以相应地关于设计运行点的环周速度UV获得。该表面流动速度VL能在离真正的构件表面特定的距离δ中从相应的流体技术方面的计算中获得。环周速度从设计运行点中直接由相应的直径和转速(n，ω)产生。在根据图3的实例中确定第一商QO1的仅一个极限值LIM期间，可行的是，在本发明的范围中，也确定通过上限值和下限值限定的商值范围，在接下来的步骤中表面区域SUA与所述商值范围相关联，在所述表面区域中在生产过程中设置不同的粗糙度。
在第三步骤c.中，根据极限值LIM确定表面区域SUA，所述表面区域在第一商QO1方面高于极限值LIM。在图3的实施例中，与之相应地将构件COM的表面划分为两个组，对于一个组而言，第一商QO1高于极限值LIM，而对于一个组而言，第一商QO1低于极限值LIM。
第四步骤d.研究从坯件中产生构件COM并且研究表面区域SUA的至少两个不同的粗糙度RZ的制造。坯件GRN能够作为用于从固体中铣削出来的未加工的工件存在，分成几部分地或者也以用于烧结的粉末的形式作为半成品存在，或者作为用于产生构件COM的其它原料存在。就本发明而言重要的是，表面特性在根据本发明的加工步骤中来制造。较低的第一粗糙度RZ在至少一些表面区域SUA中产生，在所述表面区域中表面流动速度VL高于极限值LIM。较高的粗糙度RZ在至少一些表面区域SUA中产生或者保留，在所述表面区域中表面流动速度VL低于极限值LIM。
根据本发明的方法的结果是流体能量机FEM的构件COM。

Claims (11)

1.一种径流式涡轮流体能量机(RTF)的叶轮(IMP)，所述叶轮包括：
-轮盘(SW)；
-盖板(CW)；
-叶片(BL)；
-轮毂(HB)；
其中所述轮毂(HB)构成用于安装在沿着轴线(X)延伸的轴(SH)上，
其中所述轮盘(SW)从所述轮毂(HB)起基本上径向地延伸，
其中所述盖板(CW)借助于所述叶片(BL)与所述轮盘(SW)连接为，使得在所述轮盘(SW)和所述盖板(CW)之间通过所述叶片(BL)沿着环周方向在所述叶轮(IMP)的至少一个径向区域中限定沿着环周方向彼此分开的流动通道(FC)，
其中所述叶轮(IMP)沿着基本上轴向的方向在所述轮毂(HB)的径向附近具有第一流动路径穿通部(O1)，
其中与所述第一流动路径穿通部(O1)相比，所述叶轮(IMP)沿着基本上径向的方向离所述轮毂(HB)径向更远地具有第二流动路径穿通部(O2)，
其特征在于，
与所述轮盘(SW)的朝向所述盖板(CW)的表面相比，所述盖板(CW)的朝向所述轮盘(SW)的表面至少局部地具有更低的粗糙度。
2.根据权利要求1所述的叶轮(IMP)，
其中与所述叶片(BL)的离所述盖板(CW)更远的第二叶片表面区域(BLA2)相比，所述叶片(BL)在靠近并且邻接所述盖板(CW)的第一叶片表面区域(BLA1)中具有更低的粗糙度。
3.根据权利要求2所述的叶轮，
其中所述第一叶片表面区域(BLA1)随着距所述轮毂(HB)的距离增加在垂直于主流动方向(MFD)上占所述流动通道(FC)的份额减少。
4.根据权利要求3所述的叶轮，
其中所述叶片(BL)构成为三维的扭曲的叶片(BL)，
其中所述第一叶片表面区域(BLA1)在离所述轮毂(HB)最近的部段中在所述流动通道(FC)的垂直于所述主流动方向(MFD)的宽度的超过40％上延伸，并且连续地缩小，直至离所述轮毂(HB)最远的部段，缩小至在所述流动通道(FC)的垂直于所述主流动方向(MFD)的宽度的小于35％上延伸。
5.根据权利要求3所述的叶轮，
其中所述叶片(BL)构成为基本上柱形的叶片(BL)，
其中所述第一叶片表面区域(BLA1)在离所述轮毂(HB)最近的部段中在所述流动通道(FC)的垂直于所述主流动方向(MFD)的宽度的超过40％上延伸，并且连续地缩小，直至离所述轮毂(HB)最远的部段，缩小至在所述流动通道(FC)的垂直于所述主流动方向(MFD)的宽度的超过70％上延伸。
6.根据权利要求1至5中至少一项所述的叶轮，
其中所述盖板(CW)在背离所述叶片(BL)的表面上在第三表面区域(CWA3)中与在其它的第四表面区域(CWA4)中相比具有更低的粗糙度，
其中所述第三表面区域(CWA3)径向地在所述盖板(CW)的径向延伸部的外部的直至50％的份额上延伸。
7.根据权利要求1至6中至少一项所述的叶轮，
其中所述轮盘(SW)在背离所述叶片(BL)的表面上在第五表面区域(SWA5)中与在其它第六表面区域(SWA6)中相比具有更低的粗糙度，
其中所述第五表面区域(SWA5)径向地在所述轮盘(SW)的径向延伸部的外部的10％的直至50％的份额上延伸。
8.根据上述权利要求中至少一项所述的叶轮，
其中所述盖板(CW)和/或所述轮盘(SW)分别具有径向外部的、沿着环周方向延伸的边缘表面(ES)，所述边缘表面与不具有较低的粗糙度的其它区域相比具有更低的粗糙度。
9.一种径流式涡轮流体能量机(RTF)的级(STA)，所述级包括根据权利要求1至6中至少一项所述的转动的叶轮(IMP)和围绕所述叶轮(IMP)的定子(STO)，
其中所述定子(STO)具有连接到第二流动路径穿通部(O2)上的环形腔(RC)，所述环形腔基本上径向地并且沿着环周方向延伸，
其中所述环形腔(RC)的连接到所述第二流动路径穿通部(O2)上的部段在第七表面区域(RCA7)的环形腔(RC)的径向延伸部的超过15％上相对于其余的径向延伸部的第八表面区域(RCA8)具有降低的粗糙度。
10.一种用于产生流体能量机(FEM)的被流润湿的转动的构件(COM)的方法，所述构件尤其是根据上述权利要求中至少一项所述的叶轮(IMP)或者级(STA)，所述方法具有下述步骤：
a.在流体技术方面设计所述构件(COM)；
b.确定用于第一商(QO1)的至少一个极限值(LIM)，所述第一商由在距离(δ)中流过所述构件(COM)的表面区域(SUA)的表面流动速度(VL)除以相应地关于设计运行点的环周速度(UV)获得，
c.确定所述构件(COM)的如下表面区域(SUA)，在所述表面区域中，所述第一商(QO1)高于所述极限值(LIM)，
d.在产生表面区域(SUA)的至少两个不同的粗糙度(RZ)的条件下产生所述构件(COM)，其中在所述第一商(QO1)高于所述极限值(LIM)的至少一些表面区域(SUA)中产生较低的第一粗糙度(RZ)，并且在所述第一商(QO1)低于所述极限值(LIM)的至少一些表面区域(SUA)中产生或者保留较高的粗糙度(RZ)。
11.一种根据权利要求9所述的方法所产生的构件(COM)。
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