CN107429567A - 优选用于有机朗肯循环(orc)设备的多级涡轮机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种有机朗肯循环ORC的涡轮机。该涡轮机包括由至少两个轴承支承的轴和通过与转子叶片阵列交替的定子叶片阵列限定的多个轴向膨胀级。转子叶片由对应的支承盘支撑。主支承盘在相对于轴承的外部位置与轴直接联接，并且其余支承盘被相继逐一地约束在主支承盘上而不是直接被约束在所述轴上。所提出的方案允许在仍具有多个级——在需要的情况下甚至多于三个——的同时获得涡轮机的悬臂式构型。该涡轮机允许使工作流体以(类似于可通过非悬臂式的常规多级轴流式涡轮机或通过两个联接的轴流式涡轮机获得的)高焓变在其它条件不变的情况下膨胀。其余支承盘中的一些支承盘被约束在主支承盘上并从支承所述轴的轴承的同一侧以悬臂方式延伸，以使得涡轮机的转子部分的重心更多地朝向轴承移位。

Description

优选用于有机朗肯循环(ORC)设备的多级涡轮机

技术领域

本发明涉及一种被设计用于优选地在有机朗肯循环(ORC)或卡林那循环或水蒸气循环下运转的涡轮机。

背景技术

“有机朗肯循环”的首字母缩略词ORC通常表示朗肯类型的热力学循环，其使用通常具有比水蒸气高的分子质量的有机工作流体，绝大多数朗肯动力循环使用水蒸气。

ORC设备通常用于从固体生物质联合产生电能和热能；其它应用包括工业过程的废热的开采、从原动机或地热源或太阳热源回收热。

例如，被进给以生物质的ORC设备通常包括：

-被进给生物质燃料的燃烧室；

-热交换器，其设置成将燃烧烟气/气体的一部分热传递到通过中间回路传送的诸如导热油的传热流体；

-一个或多个热交换器，其设置成将中间传热流体的一部分热传递到工作流体，由此引起其预热和蒸发；

-涡轮机，其由处于蒸气状态的工作流体提供动力；和

-发电机，其由涡轮机驱动以产生电力。

在燃烧室下游的热交换器中，传热流体如导热油被加热至通常约300℃的温度。传热流体在闭环回路中循环，从而流经上述热交换器，有机工作流体在该热交换器中蒸发。有机流体蒸气在涡轮机中膨胀，由此产生机械动力，该机械动力然后经与涡轮机自身的轴连接的发电机变换为电力。随着工作流体蒸气结束其在涡轮机中的膨胀，它通过向冷却流体——通常为水——传热而在特定冷凝器中冷凝，所述冷却流体在设备的下游被用作例如用于集中供暖的处于约80℃-90℃下的热载体。冷凝的工作流体被进给到传热流体在其中流动的热交换器中，由此完成闭环回路循环。通常，还存在在涡轮输出部(在冷凝器输入部之前)处冷却蒸气并且在预热器/蒸发器的上游预热有机液体的再生器。

所产生的电力可以被用来操作设备的辅助装置和/或可以导入配电网络中。

在以涡轮机中的工作流体的高膨胀比和高焓变为特征的ORC设备中，涡轮机应当有利地设置有三个或更多个级，其中“级”指定子叶片的阵列以及转子叶片的相应阵列。

随着涡轮级数增加，成本也增加并且项目工程和装配变得越来越复杂，直到可有利地使用两个涡轮机串联连接来操作单个发电机的限制。因此，代替将单个涡轮的级数增加至例如高达六个级以上，可以采取两个均具有三个级的涡轮机。

例如，在由申请人设计用于产生5MW的设备中，代替使用针对3000转/分设计的单个六级轴向涡轮机，已选择使用通过相应的轴在单个发电机的相对两侧与单个发电机连接的两个轴向涡轮机——一个高压涡轮机和一个低压涡轮机。

诸如上述的使用多个涡轮机的方案包含若干技术和经济缺陷。设备必须设置有用于将涡轮机与发电机联接的若干减速单元(在涡轮机被确定尺寸成允许直接联接方案而不需要减速单元的情况下除外)、更多用于蒸气流入相对于高压进气阀而言的低压涡轮机中的阀、双轴承和旋转密封件、双外壳、双轴、双仪表、将涡轮机流体连接的绝热管道等。这引起制造、调整和维修设备的成本的增加，以及校准、起动、停止和运转设备的技术困难。

申请人提出了一种采用两个涡轮机和制造单个多级涡轮机之间的折衷技术方案。专利申请WO 2013/108099描述了一种涡轮机，该涡轮机特别设计成在ORC循环中运转并且包括离心径流级和接着的轴流级。在描述的一个实施例中，涡轮机具有悬臂构型，即轴由相对于转子叶片的支承盘设置在同一侧的轴承支承。

US 2,145,886描述了一种径流式涡轮机，其具有单个支承盘或两个支承盘，后者以悬臂方式安装。第一盘(图1中的附图标记14)支承涡轮机的双向旋转部分中的多个级；第二支承盘(18)与第一盘联接并且支承涡轮机的单向旋转部分中的多个级。

US 2,747,367描述了一种设置有多级轴向压缩机和涡轮机的燃气涡轮机。轴不是以悬臂方式被支承。支承盘或低压和高压压缩机以及涡轮机彼此螺纹连接。

例如，参考图3，低压压缩机通过附图标记91表示。轴88由三个轴承30、128、140(图3和5)支承。存在两个联接器101和102(图3)并且它们被描述(第3列，第46行)为向外延伸的凸缘101和102；转子盘92通过所述凸缘分离。

参考图4，高压压缩机通过附图标记152表示。轴182由三个轴承168、170、180(图3和4)支承。存在两个联接器160和162并且它们被描述(第4列，第52行)为轴承160和162的支承件(端框)；转子盘154(图4)与轴承的支承件是分开的。

参照图5，高压涡轮机68包括被约束在高压压缩机的轴182上的单个支承盘，所述轴182又由三个轴承168、170和180(图3和4)支承。

参照图5，低压涡轮机74包括两个转子盘；一个转子盘被约束在驱动低压压缩机的轴88上且另一个转子盘被约束在轴140上。两个盘也彼此连接，使得整个组件由三个轴承30、128和140(图3和5)支承。

GB 310037描述了一种每个径流式涡轮机设置有两个另外的轴向级的径流式对转涡轮机。两个转子以悬臂方式安装。如在第2页、第8行中所述，涡轮盘由图1所示的部分3、4和5组成。径向级8和9分别安装在部分3和4上，并且在相对于彼此对称的情况下不会引起系统的重心位置的变化。轴向级10和11(左边两个且右边两个)必要地安装成相对于机器的中心线对称地设置(第1页第87行及以下：“在图1中，A-A表示与涡轮机的几何旋转轴线1成直角的平面，涡轮机围绕该平面是对称的”)。此外，盘未呈环形延伸以便能够在两个相邻盘之间的间隙中容纳定子。

US 2,430,183描述了一种双向旋转径流式涡轮机，其包括反向旋转的反作用涡轮机(图1的盘5和6)和反向旋转的冲击式涡轮机(盘6和10)。实际上不具有盘形的最外部的盘10引起重心远离轴3和4的轴承移位，由此引起力矩增大。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种用于朗肯ORC循环的涡轮机，其设置有相对于轴的轴承以悬臂方式设置的转子级的支承盘，所述支承盘可以设置有多个级，甚至多于三个，并且无论如何都容易装配。

因此，本发明的第一方面涉及根据权利要求1所述的涡轮机，其设计用于有机朗肯ORC循环或次要地用于卡林那循环或水蒸气循环。

特别地，该涡轮机包括由至少两个轴承支承的轴和通过与转子叶片的阵列交替的定子叶片的阵列限定的多个轴向膨胀级。

转子叶片由对应的支承盘支撑。

与传统方案不一样，支承盘之一——以下称为主支承盘——在相对于轴承的外侧位置、即轴承之间的非中间区域与轴直接联接，并且其余支承盘被相继逐一地约束在主支承盘上，但不是被直接约束在轴上。换言之，优选地仅主支承盘朝涡轮机轴线延伸，直至它接触轴。

所提出的方案允许维持涡轮机的悬臂式构型，其中转子叶片的阵列实际上由轴支承，尽管相对于轴承在外侧区域，使得仍然可以具有多个级，在希望的情况下甚至多于三个。因此，该涡轮机可以被设计成使工作流体以(类似于可通过非悬臂式的常规多级轴流式涡轮机或通过两个联接的轴流式涡轮机在其它条件不变的情况下获得的)高焓变膨胀。

如稍后详细所述，根据本发明的悬臂式构型允许在建造工序和维修两者中以相当简单的方式装配和拆卸涡轮机。简单地说，转子叶片的支承盘可以同时或分组被彼此约束，以然后在也插入轴和相应盘之前“成堆”插入蜗壳中。

有利地，至少一些——如果不是全部的话——其余支承盘被约束在主支承盘上并在支承轴的轴承的同一侧以悬臂方式延伸。这允许使涡轮机的旋转部分的重心朝向支承它的轴承移位。随着以悬臂方式安装在主盘上的支承盘的数量增加，重心对应地朝向支承轴的轴承系统移位。

例如，US 2,145,886描述了一种径流式而非轴流式涡轮机，其中另外的级不会使涡轮机的重心在第一级的轴向位置处移位，即朝向轴承移位。此外，通过标号18表示的第二盘主要是盘14的无助于两个连续的盘之间用于定子的充足空间的形成的第二最外侧部分。

US 2,747,367既没有描述设置了主支承盘和被约束在其上的其它盘的方案，也没有描述“悬臂式”装配方案。

可选择地，其它支承盘被约束在主支承盘上并以悬臂方式从支承轴的轴承的相对侧延伸。显然，随着这些支承盘的数量增加，涡轮机的旋转部分的重心倾向于远离轴承移位。

优选地，除主支承盘以外的所有支承盘都设置有大的中心孔，即它们围绕中心孔呈环形延伸；该中心孔的直径大于轴的外径以使得在各环与轴之间限定扩展容积。该容积或间隙可以被用来收纳密封件的支承件的定子部分和轴承(由此允许在靠近转子重心的位置收纳涡轮机侧轴承)并且将轴插入穿过已事先装配在蜗壳上的盘，并且用于维修，以便允许插入仪器，例如检查仪器。

优选地，支承盘被互相螺栓连接并且主支承盘借助于选自以下的联接器被约束在轴上：设置有螺栓或双头螺栓的凸缘、Hirth齿、锥形联接器、具有花键或键式轮廓的柱形联接器。优选地，如上所述，在组装步骤期间，所述轴可以插入穿过支承盘/环——其又已经插入涡轮机蜗壳中；轴承稍后安装以完成装配。

在该优选实施例中，位于轴承侧的离主支承盘最远的转子叶片的阵列是高压转子叶片，即在此工作流体膨胀开始。

在该优选实施例中，涡轮机包括在主支承盘上游的至少三个支承盘，并且有时包括在主支承盘下游的一个或多个盘和工作流体的对应膨胀级。

在该涡轮机的另一实施例中，工作流体的第一膨胀级是向心或离心型的径向级，取决于工作流体分别是通过朝向涡轮机的轴线移动还是通过远离其移动而膨胀。在这种状况下，工作流体被分流以便在设置于第一级下游的轴向级中膨胀。该分流发生在所谓的角叶片处。

在该优选实施例中，涡轮机包括定子部分，例如工作流体的喷射蜗壳。转子叶片的阵列被约束在与定子叶片的阵列交替的定子部分上。为了有利于涡轮机装配，定子部分限定阶梯式的内部容积，其中各阶梯被切割以便在工作流体的膨胀方向上形成增大的直径。定子部分的阶梯提供可以容易地固定在其上——甚至逐一地——的定子叶片的阵列的有效靠接和支承表面。

优选地，每个支承盘都包括以悬臂方式朝向相邻的支承盘的带凸缘部分突出以用于靠接联接的至少一个带凸缘部分。两个相邻的支承盘的结合的凸缘连同蜗壳一起限定涡轮叶片组件被限制在其中并且供工作流体膨胀的容积。优选地，穿过盘的带凸缘部分形成一个或多个通孔以便排出任何液体，例如处于液相下的工作流体或润滑油。为了限制正常操作期间的加压工作流体的泄漏，在一种结构变型中，可以在这些孔的每一个中安装切断阀，该阀构造成：

-在涡轮机运转时、即在轴旋转时关闭相应的孔，由此防止工作流体的蒸气从其中通过，

-在涡轮机的转速降低时(在其开始或停止时)打开孔，以允许蓄积在凸缘与涡轮轴之间的容积中的任何液态流体排出(从机械旋转密封件泄漏的冷凝的工作流体或润滑油，或如果存在的话甚至水)。

显然，对于各盘而言，可以设置周向地排列在带凸缘部分上的更多阀以便在旋转期间保持盘的平衡。

优选地，每个阀都包括：

-闭塞部件，例如金属滚珠，其可以插入在支承盘的凸缘中获得的相应通孔中，和

-偏压弹性部件，例如弹簧，其设计用于在开孔位置恒定地推闭塞部件。弹性部件的预紧力是这样的，即在转子达到给定速度时施加在闭塞部件上的离心力高于弹性部件的预紧力，使得该孔在涡轮机运转时保持关闭并且在涡轮机低速运转或完全停止时打开。

作为一个替代方案，每个阀都包括球形的闭塞部件和相应的壳体，优选地通过螺钉保持在一起并且设置有内腔的一组叶片。壳体朝要拦截的孔部分地开口，使得闭塞部件的至少一部分可以从其自身的壳体朝该孔突出。弹性支承部件以悬臂方式支承壳体；例如，壳体被约束在该弹性支承部件——例如进而在孔附近紧固在支承盘上的弹性板片——上。在弹性部件的弯曲之后，闭塞部件截断孔由此关闭它，或闭塞部件移动离开孔移动以使得后者保持打开。

申请人预备提交与类似于上述的切断阀有关的分案申请，所述切断阀可以在其它类型的涡轮机中的支承盘上使用。

优选地，获得穿过主支承盘的一个或多个通路以排出工作流体。这些孔允许从安装在转子叶片和定子叶片之间的迷宫式密封件泄漏的工作流体通过，由此使盘自身的上游和下游压力相等。

在一个实施例中，至少第一涡轮级——即流体沿其膨胀方向通过的第一级——是向心径流式的或离心径流式的。尤其在径向部分包括多于一级的情况下，该方案具有甚至更大的级数，涡轮机的轴向尺寸相等。

此外，采用一个或多个径向类型的向心或离心定子阵列提供了有利于在最前面的阵列中采用可变节距定子的优点，这是因为各个叶片可以围绕互相平行(并且平行于轴)并且不以其它方式取向的轴线(与轴向阵列中一样)旋转。能够作为阀取向和工作的定子的安装可足以在不需要实际的完整级的情况下提供此功能。

优选地，该涡轮机包括蜗壳并且轴的头部具有比蜗壳内径短的直径，使得该轴可以插入并通过使它经蜗壳滑出而抽出。

关于涡轮机密封件，优选地它们之一由包围轴的环限定并且可从在蜗壳中获得的凹部平移，以便移动成与轴头部、优选地主盘上的相应圆形带靠接，所述圆形带在这种情况下将一直延伸到转子轴线以便确保流体密封，或者直接延伸到支承盘上。该方案对于在维修工序期间将涡轮机的内部环境与外部环境隔绝特别有利。

附图说明

然而，本发明的更多细节将从以下参考附图进行的详细说明变得显而易见，在附图中：

-图1是根据本发明的涡轮机的第一实施例的示意性轴向对称截面图；

-图2是根据本发明的涡轮机的第二实施例的示意性轴向对称截面图；

-图3是处于第一构型中的根据本发明的涡轮机的第三实施例的示意性轴向对称截面图；

-图3A和3B是处于两种不同构型中的图3的细节的放大；

-图4是处于第二构型中的根据本发明的涡轮机的第三实施例的示意性轴向对称截面图；

-图5是设置有第一径向离心膨胀级的根据本发明的涡轮机的第四实施例的示意性轴向对称截面图；

-图6是根据本发明的涡轮机的第五实施例的示意性轴向对称截面图；

-图7是图6的细节的放大视图；

-图8是根据本发明的涡轮机的第六实施例的示意性轴向对称截面图；

-图9是设置有第一径向向心膨胀级的根据本发明的涡轮机的第七实施例的示意性轴向对称截面图；

-图10是设置有阶梯式蜗壳的根据本发明的涡轮机的第八实施例的示意性轴向对称截面图；

-图11是双向流动型的根据本发明的涡轮机的第九实施例的示意性轴向对称截面图；

-图12是双向流动型的根据本发明的涡轮机的第十实施例的示意性轴向对称截面图；

-图13是用于根据本发明的涡轮机中的阀的第一实施例的示意性截面；

-图14是用于根据本发明的涡轮机中的阀的第二实施例的示意性截面；

-图15是图14所示的阀的部件的透视图。

具体实施方式

图1示出根据本发明的涡轮机1的第一实施例，涡轮机1包括轴2、用于喷射待膨胀的工作流体和排出膨胀的工作流体的蜗壳3以及多个膨胀级，所述多个膨胀级又由与转子叶片R的阵列交替的定子叶片S的阵列限定。

观察图1，靠左边最远的级是高压级并且靠右边最远的级是低压级。

被标号为10、20、30、40、50的支承盘支撑转子叶片。轴承5和6支承轴2。

出于以下说明的目的，蜗壳3一般指涡轮机1的静止支承部件。如本领域技术人员将理解的，蜗壳3又可以由若干元件形成。

应当指出，在附图中，迷宫式密封件仅被示意性地示出。实际上，为了约束将描述的部件——通常具有不同直径，必须设置迷宫式密封件，所述迷宫式密封件又由具有不同直径的表面限定。

定子叶片紧固在蜗壳3上并且因此是静止的；转子叶片必须与轴2一体地旋转。这通过允许获得涡轮机1的悬臂式构型的支承盘10-50的特定布置结构来实现。

仅一个支承盘——为简单起见称为主支承盘10——与轴2直接联接(在附图所示的情况下借助于Hirth型齿H)，而其余支承盘20-50与主盘10联接但不与轴2直接联接，即它们不与它接触。

更具体地，如在图1的截面图中可见的，设置在主盘10的上游的支承盘40、30和20和设置在盘10的下游的盘50实际上是具有有限的径向延伸范围的环，也就是说它们不会一直延伸到轴2附近。

环40、30、20、10和轴2之间留下了容积或间隙4。间隙4被用于收纳密封件5’的支承件的定子部分以及轴承5和6，由此允许涡轮机被设计成具有朝向轴承的重心，因此比主支承盘10更靠左，并且用于将涡轮轴2插入事先装配在蜗壳3中的盘20、30和40并用于允许插入用于维修的工具。

在实践中，各支承盘10-50具有以悬臂方式沿轴向延伸以实现与相邻盘的带凸缘部分7的靠接联接的带凸缘部分7。在图中所示的示例中，带凸缘部分7通过螺栓8互相螺栓连接，以便形成与轴2一体地旋转的一组支承盘10-50。

如显而易见的，螺栓8沿带凸缘部分7周向地设置。在两个螺栓之间的截面中，可以获得凸缘部分以便使相应的盘轻量化并且减轻由于相对于材料的泊松模量值而言强切向拉应力——其导致盘的颈缩——的存在而引起的负荷减小对螺栓的影响。

所提出的方案提供了允许在主支承盘10的上游设置更多膨胀级的优点，使得这些级仅由主盘10以悬臂方式支承且不是由轴直接支承。盘20-40和50不是被直接约束到轴2上；相反，所设置的仅一个联接是在轴2的头部处与支承盘10的联接，总之在轴承5和6的外部。

可以采用两种方式执行的装配涡轮机1的操作因此被明显简化。

根据第一种方式，轴2插入穿过事先安置在蜗壳3中的盘10-50，即轴2可以与相应轴承5和6一起最后插入其中(在图中看从左至右)。

根据第二种方式，轴2和盘10-50被预装配在蜗壳3的外部，以形成然后同时插入蜗壳3中(在图中看从右至左)的组件。随后，使用使机械密封件以及轴承5和6从与主盘10相对的端部在轴自身上滑动的方法来安装这些元件。

尽管盘10上游的级具有悬臂式构型，但是归功于蜗壳3的一些部分可被收纳在通过转子盘20、30和40的环形留下的间隙4中的事实，旋转元件的组件的重心仍更接近轴承6或甚至在轴承5和6之间。这是目的在于降低轴-转子组件的柔韧性的一个重要特征，由此允许实现系统的“刚性”运转，即具有足够高以大幅大于涡轮机的转速的第一临界挠曲速度。显然，如果设计者在主支承盘10的下游(图1中在盘10的右边)设置多个盘，则重心倾向于远离轴承5、6的区域移位(力矩增大，系统变得更柔韧，第一临界挠曲速度降低)。在相应的几何形状和质量特性相等的盘的总数一定的情况下，随着朝向轴承5和6的系统以悬臂方式安装的盘的数量增加，旋转质量的重心位置更靠近轴承5和6的系统移动，由此引起转子/轴承系统的挠曲本征频率的增大。重心位置的变化还引起相对于与旋转轴线正交的重心轴线的惯性矩的值改变。该要素的值影响本征频率并且根据本领域中公知的计算方法必须考虑。

此外，为了使悬臂质量最小化并且因此使轴-支承盘组件的第一临界挠曲速度的值最大化，设计者还决定使用与铁合金相比更轻的材料如铝或钛来制造叶片和/或支承盘。

如果有必要执行需要拆卸机械密封件的维护，则当涡轮机停止时，可以通过使图2所示的密封环9从蜗壳3中的相应座平移成与轴2的头部靠接来操作所述密封环9。临时密封允许保持涡轮机1的内部环境在特别维护期间与外部环境隔绝并且因此防止空气从外部进入涡轮机或反之工作流体泄漏到外部，取决于停止的涡轮机内部的压力。

作为替代方案，可以存在在直径较大的密封件上平移的环形密封件，该环形密封件在处于前移位置时与转子的支承盘之一(优选地主盘)靠接。在这种情况下，轴2可以在不损失密封的情况下从Hirth齿释放。在又一可行的构型中，可以存在两个密封环9，分别地，一个与轴2靠接且另一个与主支承盘10靠接。在这种情况下，第一个密封环被用作频繁使用的环，以在涡轮机当前停止时使用，并且将优选地设置有弹性体密封垫片，而第二个密封环将在发生需要拆卸轴2和轴承/壳体套筒组件5、5’、6的不可预见的事件时很少使用。由于所述双环，尤其可以更换最内部的密封件的弹性体垫片。轴2可以如图6和7所示借助于螺栓(使用相应的对称轴线描绘)或经拉杆70与具有Hirth齿的主盘连接，以优选液压地加载。拉杆70可以从轴承5和6侧接近并且各自都包括环形螺母71、内六角72、定心缸筒73和与主支承盘10的相应孔啮合的螺纹本体74。

通过紧固系统的使用来促进该操作，所述紧固系统借助于待平移的拉杆11紧固，从而锁定支承盘10-50并且防止它们旋转。拉杆11可以插入形成在支承盘40中的螺孔41中。优选地，每个拉杆11都具有其自身的密封件以防止工作流体经拉杆11自身的座泄漏到涡轮机的外部。

一旦插入相应的孔41中，拉杆11便被固定在蜗壳3上以便保持支承盘10-50相对于蜗壳3锁定，从而允许环9与轴2的头部或主盘10靠接，由此在维修工序期间获得密封。

再次考虑涡轮机1的组装并且参考图2所示的实施例，可以形成如现在描述的构件组合。根据以下次序在蜗壳3的外部执行预组装：

a.最左边的第一定子S；

b.支承盘40上的转子R；

c.第二定子S；

d.支承盘30上的第二转子R，并且通过借助于相对的凸缘表面7上的螺栓8连接盘30和40；

e.第三定子S；

f.支承盘20上的第三转子R，并且通过借助于相对的凸缘表面7上的螺栓8连接盘20和30；

g.第四定子S；

h.支承盘10上的第四转子R，并且通过借助于相对的凸缘表面7上的螺栓8连接盘10和20；

i.第五定子S；

j.支承盘50上的第五转子R，并如果存在更大级数，则通过借助于相对的凸缘表面7上的螺栓8等连接盘10和50。

通过螺钉或借助于其它公知技术——例如通过使叶片接合在于蜗壳3中获得的特殊沟槽中——将定子S紧固在蜗壳3的部分31’上。

然后将该预组装的构件组合插入蜗壳3中。此时，轴2穿过盘20-50本身并沿设置的路径插入，然后通过间隔件(未示出)将轴承5和6定位并保持就位。

在主支承盘10中，存在一个或多个通孔12以允许盘10本身的上游和下游的部分之间的压力平衡。

图3示出涡轮机1的第三实施例，其与图2所示的涡轮机1不同，因为它设置有位于盘10-50的凸缘7上的切断阀13。更具体地，盘10-50的凸缘7被穿孔，即其上周向地形成有多个通孔14。各通孔14由阀13截断。

阀13包括闭塞元件15以闭塞相应的孔14；在附图所示的示例中它是金属滚珠15。弹簧16推动闭塞元件15离开孔14以便打开该通路。当盘10-50旋转时，通过施加在滚珠15上的离心力来抵消弹簧16的弹力。弹簧16的预紧力被特别选择成使得，当涡轮机1以在特定中间速度以上的速度运转时，孔14保持关闭。

作为替代，切断阀13在涡轮机以比所述中间速度低的速度旋转时自动打开孔14，以允许可能保持在间隙4中的处于液相的工作流体的排出，或可能从涡轮机的旋转密封件泄漏的润滑油的排出。

特别地，在图3和3B中，涡轮机是停止的，阀13打开(拉杆11接合在盘40中并锁定它)。在图3A和4中，阀13是关闭的(涡轮机正在以比中间速度高的速度或以标称速度旋转)。

图4示出与图3相同的涡轮机，但阀13是关闭的。

图5示出涡轮机1的第四实施例，其与前面的涡轮机不同，因为第一膨胀级是离心径流式的并且第二级包括在轴向上分流的角定子叶片的阵列。其余级与前面所述的实施例中一样是轴流式的。

特别地，通过增加至少一个径向定子叶片组件，可以设置用于改变或截断流的系统，例如可变节距叶片的系统，由此相对于轴向定子叶片系统降低成本。

图6示出具有实心轴2的实施例。轴2通过Hirth齿和在图7中被放大地示出的多个拉杆70与主支承盘10联接。该涡轮机包括从蜗壳3平移并具有比图2所示的环9大的直径的密封环9’。环9’与主支承盘10靠接地移动以便获得密封。

尽管在附图中未示出，但是在涡轮机的一个实施例中，可以存在交替地或联合地用于维修的两个平移密封件9和9’。

图8示出具有中空轴2的实施例。拉杆2’设置在其中并且螺接在主支承盘10上。它是锁定Hirth齿的替代方案。

图9示出又一实施例，其中第一膨胀级是向心径流式的。在这种情况下，角叶片是由盘40支承的转子叶片。

图10示出又一实施例，其中蜗壳3包括带沟槽的(即阶梯式的)内环31。定子叶片S的阵列各自地紧固在相应的联接环32-35上以与带沟槽的内环31联接。

在实践中，联接环32-35可以相继逐一连续地在带沟槽的内环31的一个阶梯处螺接在其上。该螺接在涡轮机的外部执行，并且最后，带定子阵列S的环31、支承盘10-50和转子R插入蜗壳3中并且紧固在其上。

由带有定子阵列S的环31、支承盘10-50和转子阵列R组成的预组装组合可以被简单地螺接在蜗壳3上。

图11示出涡轮机1的又一实施例，其特征在于属于双向流动型。工作流体入口优选地位于主支承盘10的正中面处。附图标记36表示要与蜗壳3的内环31联接的环。环31从右至左被紧固并然后螺栓连接在蜗壳3上。联接环36包括分流相对两侧的工作流体流的两个对称分割定子阵列S。其余定子S和转子R阵列相对于主支承盘10以对称镜面方式交替。环36与支承盘10和20之间设置有通路P以便防止压力不平衡。这允许涡轮机的转子部分的重心刚好位于主支承盘10上。

图12示出涡轮机的第十实施例，其与前一实施例相似，但不同之处在于，在工作流体进入其中的第一定子阵列S之后，在相对两侧设置了轴向地分流的两个镜面转子阵列R。这些转子阵列R均由主支承盘10支承。

图11和12所示的涡轮机的装配图与针对其它实施例所述的装配图类似。

图14-15示出设置有闭塞元件15安装在其上的本体131——例如具有能够在支承销133上径向地滑动并借助弹簧16抵抗的球形端部的缸筒——的切断阀13的一种可行的构型。闭塞元件15可径向地移动以截断或开放在相应支承盘10-50的带凸缘部分7中获得的孔14。本体131具有待旋拧在孔14中的螺纹部分132。

切断阀13的又一实施例在图13中被示出。在通过铆接销136或螺钉保持在一起的一组叶片135的内部安装有闭塞滚珠15。滚珠15可以自由平移，在由一组叶片135形成的空间内部具有游隙，由此能够在离心力将它推靠在孔14上时嵌合。叶片137弹性地支承叶片组件135和滚珠15。叶片138充当间隔件。销139具有将紧固螺钉140在相应(用于销的)孔142和用于螺钉140的孔141中定心的功能。

图13示出未安装在相应盘上的阀。当涡轮机相对于(以上定义的)中间速度以较低速度旋转时，叶片弹簧137和间隔件138保持滚珠15远离孔14。当速度较高时，叶片弹簧137弯曲并且闭塞滚珠15与孔14靠接，由此闭塞孔14。设计者可以修改弹簧137和16的弹性以及可移动系统的质量，以便确定阀自身运转的中间速度值。

Claims (23)

1.一种有机朗肯循环ORC或卡林那循环或水蒸气循环的涡轮机(1)，包括由至少两个轴承(5，6)支承的轴(2)、多个转子叶片(R)阵列和对应的支承盘(10-50)以及多个定子叶片(S)阵列，其中所述支承盘(10-50)中的一个支承盘(10)——称为主支承盘——在相对于所述轴承(5，6)的外侧位置与所述轴(2)直接联接，并且其余支承盘(20-50)被约束在所述第一支承盘(10)上，并且相继地逐一约束，但不是被直接约束在所述轴(2)上，

其特征在于，所述其余支承盘中的至少一些(20-40)通过从所述轴承(5，6)的支承所述轴(2)的同一部分以悬臂方式延伸而被约束在所述主支承盘(10)上，使得所述涡轮机(1)的转子部分的重心相对于所述主支承盘(10)一者的重心位置更多地朝向所述轴承(5，6)移位，或至少与其重合。

2.根据权利要求1所述的涡轮机(1)，其中，所述其余支承盘中的至少一些(50)通过沿与支承所述轴(2)的所述轴承(5，6)相反的方向以悬臂方式延伸而被约束在所述主支承盘(10)上，使得涡轮级(1)的数量增加。

3.根据前述权利要求1-2中任一项所述的涡轮机(1)，其中，除了所述主支承盘(10)之外的所述支承盘(20-50)设置有中心孔，即它们是环，使得在每个环与所述轴(2)之间限定了间隙(4)并且所述间隙按需延伸以收纳定子构件如密封件和轴承(5，6)以及相应的壳体套筒(5’)和蜗壳(3)的中心部分。

4.根据前述权利要求1-3中任一项所述的涡轮机(1)，其中，所述支承盘(10-50)被互相螺栓连接并且所述主支承盘(10)借助于选自以下的联接而被约束在所述轴上以在加压油状态下装配：凸缘、螺栓或双头螺栓、Hirth齿(H)、圆锥形联接器、花键或键式轮廓、一个或多个筒形联接器。

5.根据前述权利要求1-4中任一项所述的涡轮机(1)，其中，位于所述轴承(5，6)侧的离所述主支承盘(10)最远的转子叶片(R)阵列是高压转子叶片。

6.根据前述权利要求1-5中任一项所述的涡轮机(1)，其中，支承盘(10-50)的系列或组合能在所述涡轮机(1)的外部被预组装以便同时安装在所述涡轮机中。

7.根据前述权利要求1-6中任一项所述的涡轮机(1)，包括定子部分，例如蜗壳(3)，所述定子叶片(S)阵列以与所述转子叶片(R)阵列交替的方式被约束在所述定子部分上，其中所述定子部分限定设置有阶梯式的内表面的旋转体(31)并且每个定子叶片(S)阵列都通过环(32-35)紧固在至少一个所述阶梯上，并且在这种情况下，所述支承盘(10-50)也能逐一插入所述定子部分中。

8.根据前述权利要求1-7中任一项所述的涡轮机(1)，其中，每个所述支承盘都包括以悬臂方式朝向相邻支承盘的带凸缘部分(7)突出的至少一个带凸缘部分(7)以用于靠接联接，并且包括穿过所述带凸缘部分(7)的一个或多个通孔(14)和每个孔(14)的切断阀(13)，所述切断阀构造成用于：

-在所述涡轮机(1)运转期间关闭所述孔(14)并因此避免工作流体通过，

-在所述涡轮机(1)缓慢旋转或停止时打开所述孔(14)，以便允许可能堆积在所述凸缘(7)附近的容积(4)中的处于液相下的工作流体的排出，或可能经所述涡轮机(1)的密封件泄漏的润滑油的排出。

9.根据权利要求8所述的涡轮机(1)，其中，每个切断阀(13)都包括：

-闭塞部件(15)，所述闭塞部件用于闭塞在相应的支承盘(10-50)的凸缘(7)中获得的所述通孔(14)，和

-偏压弹性部件(16，137)，所述偏压弹性部件被设计用于在打开的孔(14)的位置推压所述闭塞部件(15)，并且

其中，所述偏压弹性部件(16，137)的预紧力是这样的，即在所述涡轮机运转时施加在所述闭塞部件(15)上的离心力比所述偏压弹性部件(16)的预紧力高，使得所述孔(14)在所述涡轮机(1)以标称速度运转时仍关闭，并且在所述涡轮机(1)停止或低速运转时打开。

10.根据权利要求8所述的涡轮机(1)，其中，每个切断阀(13)都包括：

-球形的闭塞部件(15)；

-用于所述闭塞部件(15)的壳体，优选地限定内腔的一组叶片(135)，所述内腔朝向所述孔(14)部分地开放以使得所述闭塞部件(15)的至少一部分能从所述壳体本身朝向所述孔(14)突出；

-用于支承所述壳体的弹性支承部件(137)，

其中，所述壳体被约束在所述弹性支承部件(137)——例如继而在所述孔(14)附近紧固在所述支承盘上的弹性板片——上，并且

其中，在所述弹性支承部件(137)的弯曲之后，所述闭塞部件(15)截断所述孔(14)或远离所述孔移动以使得所述孔保持打开。

11.根据前述权利要求1-10中任一项所述的涡轮机(1)，其中，经所述主支承盘(10)获得用于平衡同一主盘(10)上游和下游的压力的一个或多个通路(12)，并且所述孔位于比密封环(9’)——如果存在的话——大的直径上。

12.根据前述权利要求1-11中任一项所述的涡轮机(1)，其中，所述第一涡轮级在工作流体的膨胀方向上是向心径流式的或离心径流式的。

13.根据前述权利要求1-12中任一项所述的涡轮机(1)，包括在所述主支承盘(10)的上游的至少三个支承盘(20-40)和有时在所述主支承盘的下游的一个或多个盘(50)，以及工作流体的相应膨胀级。

14.根据前述权利要求1-13中任一项所述的涡轮机(1)，其中，所述涡轮机包括蜗壳(3)并且所述轴的头部具有比所述蜗壳的内径小的直径，使得所述轴能通过使其经所述蜗壳(3)滑出而被抽出。

15.根据前述权利要求1-14中任一项所述的涡轮机(1)，包括至少一个密封件(9，9’)，所述密封件由包围所述轴(2)的环限定并且能从在蜗壳(3)或其它静止部件(5’)中获得的凹部平移，以便移动成与在所述轴端部上获得的相应圆形座靠接，所述座被设计成与所述主支承盘(10)联接，或者靠着所述支承盘(10-50)的其中一个——优选地所述主支承盘(10)。

16.根据前述权利要求1-15中任一项所述的涡轮机(1)，所述涡轮机为双向流动型，包括位于所述支承盘(10-50)的其中一个的两侧的多个膨胀级，并且其中工作流体经径向入口而在这种支承盘处开始膨胀并且在所述支承盘的相对部分处被轴向地分流成两股流。

17.根据权利要求16所述的涡轮机(1)，其中，所述流体经径向入口而在所述主支承盘(10)处开始膨胀并且在所述主支承盘(10)的相对部分处被轴向地分流成两股流。

18.根据权利要求16或权利要求17所述的涡轮机(1)，包括环形腔(P)，所述环形腔将所述支承盘的上游的流体在其中开始膨胀的第一定子(S)的出口与所述支承盘自身下游的第一定子(S)的出口流体连通。

19.根据权利要求16或权利要求17所述的涡轮机(1)，其中，供流体通过的所述第一膨胀级(R)属于向心径流式，具有与所述支承盘连接的双向流动转子(10)。

20.一种ORC朗肯循环设备，或卡林那循环设备，或水蒸气循环设备，包括根据前述权利要求1-19中任一项所述的涡轮机(1)。

21.一种涡轮机中的转子叶片的阵列的支承盘的相应通孔(14)的切断阀(13)，其特征在于它构造成：

-在所述涡轮机(1)运转期间关闭所述通孔(14)并因此避免工作流体通过，

-在所述涡轮机(1)缓慢旋转或停止时打开所述通孔(14)，以便允许处于液相下的工作流体或可能经所述涡轮机(1)的密封件泄漏的润滑油通过。

22.根据权利要求21所述的切断阀(13)，包括：

-闭塞部件(15)，所述闭塞部件用于闭塞在相应的支承盘(10-50)的凸缘(7)中获得的所述通孔(14)，和

-偏压弹性部件(16，137)，所述偏压弹性部件被设计用于在打开的通孔(14)的位置推压所述闭塞部件(15)，并且

其中，所述偏压弹性部件(16，137)的预紧力是这样的，即在所述涡轮机运转时施加在所述闭塞部件(15)上的离心力比所述偏压弹性部件(16)的预紧力高，使得所述通孔(14)在所述涡轮机(1)以标称速度运转时仍关闭，并且在所述涡轮机(1)停止或低速运转时打开。

23.根据权利要求21所述的切断阀(13)，包括：

-球形的闭塞部件(15)；

-用于所述闭塞部件(15)的壳体，优选地限定内腔的一组叶片(135)，所述内腔朝向所述通孔(14)部分地开放以使得所述闭塞部件(15)的至少一部分能从所述壳体本身朝向所述通孔(14)突出；

-用于支承所述壳体的弹性支承部件(137)，

其中，所述壳体被约束在所述弹性支承部件(137)——例如继而在所述通孔(14)附近紧固在所述支承盘上的弹性板片——上，并且

其中，在所述弹性支承部件(137)的弯曲之后，所述闭塞部件(15)截断所述通孔(14)或远离所述孔移动以使得所述孔保持打开。