CN108603514A - 只通过进口法兰和出口法兰支承的涡轮压缩机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种径向涡轮压缩机(TCO)，包括至少一个叶轮(IP)、至少一个壳体(CS)，其中，所述叶轮(IP)可绕轴线(X)旋转，所述壳体(CS)包括在所述叶轮(IP)上游的进口(IL)，所述进口(IL)包括进口法兰(IF)，其安装在处理气体管(PGP)上，所述壳体(CS)包括在所述叶轮(IP)下游的出口(OL)，其包括出口法兰(OF)，所述壳体(CS)包括出口蜗壳(VL)，该出口蜗壳(VL)绕所述轴线(X)在所述叶轮(IP)下游和在所述出口(OL)上游延伸，所述径向涡轮压缩机(TCO)包括驱动单元(DRU)，该驱动单元(DRU)驱动所述叶轮(IP)，并安装在所述壳体(CS)上。为了简化排气质量的改善，本发明提出，所述壳体(CS)只由所述进口法兰(IF)和所述出口法兰(OF)支承，所述壳体(CS)包括驱动单元法兰(DRF)，所述驱动单元(DRU)包括固定法兰(FF)，所述驱动单元法兰(DRF)和所述固定法兰(FF)通过固定元件(FE)而相互牢固连接，所述驱动单元(DRU)只由所述固定法兰(FF)支承。而且，本发明还涉及包括这种涡轮压缩机(TCO)的装置(AR)。

Description

只通过进口法兰和出口法兰支承的涡轮压缩机
本发明涉及一种包括活塞发动机的装置，其包括用于排气的排气管线，该排气管线包括将所述排气的一部分导入所述活塞发动机的进口的再循环管线，其中，径向涡轮压缩机设置在所述再循环管线中，该径向涡轮压缩机包括至少一个叶轮和至少一个壳体，所述叶轮可绕轴线旋转，所述壳体包括在所述叶轮上游的进口，该进口包括进口法兰，该进口法兰用于安装在处理气体管上，所述壳体包括在所述叶轮下游的出口，该出口包括出口法兰，所述壳体包括出口蜗壳，该出口蜗壳绕所述轴线在所述叶轮的下游和所述出口的上游延伸，所述径向涡轮压缩机包括驱动单元，该驱动单元驱动所述叶轮，并安装在所述壳体上。而且，本发明还涉及一种包括所述涡轮压缩机的装置。
所述类型的径向涡轮压缩机在用于压缩气体的多种应用中使用。径向涡轮压缩机类型适用于低压操作以及高压压缩。对于压力范围，本发明并不区分风扇和压缩机。根据本发明的压缩机也可用于低压头操作。径向涡轮压缩机类型的特别优点是较高的稳固性以及关于容积流量和压力差的较高的灵活性。
因为径向涡轮压缩机通常构造得比相同容积流量能力的轴流压缩机更大更重，所以轴流机器类型可能更适合有限空间消耗需求的应用。径向类型机器趋向于更加灵活和稳固。有限的空间可用性不仅限制了在机器操作过程中的最终空间需求，而且，在大部分情况下，装配和维护对于它们在可用空间情况下的可行性而言也是决定性的。
因此，本发明的一个目的是提供一种包括涡轮压缩机单元的装置，该装置在装配和操作过程中需要更少空间。
该目的通过上述类型的装置来实现，该装置包括涉及这些部件的相应权利要求的附加特征，其中，从属权利要求涉及本发明的优选实施例。
根据本发明的径向涡轮压缩机包括至少一个叶轮，但也能够包括多个叶轮。优选是，叶轮安装在轴上。优选是，所述轴只由驱动单元内部轴承来支承。驱动装置优选是电马达。
轴密封件优选地在叶轮和驱动单元的内部部件之间密封在承载着叶轮的转子轴以及马达的定子和/或涡轮压缩机的壳体的静止部件之间的间隙。
可选的优选实施例中，驱动单元以气密或气密密封的方式与涡轮压缩机壳体连接。驱动单元壳体是气密的，由径向涡轮压缩机输送的处理气体浮动至驱动单元壳体中。
在所应用的处理气体为化学腐蚀性的情况下，在驱动单元和径向涡轮压缩机之间有轴密封的方案是优选的(例如在处理气体是来自燃烧发动机的排气的情况下)。
根据本发明，涡轮压缩机只由进口法兰和出口法兰的法兰连接件来支承。该特征应当理解为，这些法兰连接件合适地构造而传递至少95％的机械负载，该机械负载是支承涡轮压缩机抵抗重力以及支承涡轮压缩机抵抗动态负载的机械负载，该动态负载来自它自身的操作以及来自相邻系统的激励，例如压力脉动和振动。涡轮压缩机可以通过其它线路和管道来连接，以便能够供给能量以及可能的用于润滑或冷却的流体，但是这些连接件并不传递较大量的机械支承负载(以便将涡轮压缩机保持在它的位置)。因为支承负载通过法兰来传递至任何相邻结构，例如涡轮压缩机的进口管，所以涡轮压缩机壳体(法兰属于该涡轮压缩机壳体)设计成将静态和动态负载的机械力传递至相邻模块的连接法兰。
本发明的一个优选实施例中，用于支承涡轮压缩机的机械负载的主要部分通过进口法兰来传递。优选是，进口法兰设计成将至少95％(优选100％)的动态和静态机械负载传送至通过固定元件而与进口法兰连接的模块上。
包括涡轮压缩机的装置的优选实施例包括出口管，该出口管与涡轮压缩机的出口法兰连接，该出口法兰包括弹性结构。该弹性结构优选地设计成通过出口管来传递较小的力。替代地，弹性结构能够通过出口管设计和它的支承结构(制成为柔性)来实现，这样，并不通过该结构来传递较大量的机械负载。
本发明的另一优选实施例中，所述壳体包括肋，以便提高所述壳体的弯曲刚性，其中，沿所述壳体的周边分布的所述肋至少局部在所述驱动单元法兰和所述进口法兰之间沿径向延伸，并沿径向方向沿肋的高度延伸。这种肋结构使得壳体能够将涡轮压缩机的全部机械动态和静态负载(来自于重力以及来自于动态激励)通过壳体的进口法兰而传递至任何相邻的模块中。这些肋提供足够的刚性，以便用于通过所述进口法兰来支承驱动单元的质量，其中，在进口法兰和驱动单元的重心之间的距离起到类似杠杆的作用。壳体在操作中的优选位置是与轴线(旋转轴线)水平对齐，其中，术语“水平”是参考了重力的方向。
为了进一步减小根据本发明的涡轮压缩机的空间需求，优选实施例中，所述蜗壳在各周向肋位置处的径向横截面区域至少局部是在该特定周向位置处的相应肋的整体部分。
该优选实施例的更优选改进方案中，涡轮压缩机的所述壳体包括在没有由所述出口蜗壳沿轴向占据的区域中的周向外部第一表面，其中，所述出口蜗壳至少沿周边的50％沿径向延伸，其中，它在相同柱形平面中的径向横截面区域作为径向外部第一表面。这样，蜗壳的横截面区域与第一径向外表面的柱形平面共用相同的径向空间。因为蜗壳的径向横截面区域由具有特定厚度的蜗壳壁的内表面来限定，所以蜗壳壁的作用类似于肋的延续部分，从而提高了壳体的抗弯曲刚性。而且，这种设计保证了由涡轮压缩机占据的径向空间，从而能够在可用空间有限的情况下优化气动设计。
本发明的另一优选实施例中，所述壳体铸造成单件，包括所述进口、所述进口法兰、所述出口、所述出口法兰、所述出口蜗壳、所述肋、所述径向外部第一表面。
这些肋中的至少一些与所述出口蜗壳的径向外壁一起形成在壳体的径向外表面上的加强结构。优选是，该结构特别构造而用于增加弯曲刚性。
另一优选实施例中，壳体包括6至10个肋，优选8个肋，各肋沿轴向延伸和沿径向方向沿肋的高度延伸，且这些肋中的至少一些包括所述出口蜗壳，与所述出口蜗壳壁成整体部分。
另一优选实施例中，所述壳体由不锈钢来铸造，其中，优选的材料是W 1.4408(DIN：GX5 CrNiMo 19 11 2；ASTM：316 A 743 CF-8M；这是完全奥氏体铬镍-Molibdaen-钢，具有良好的抗腐蚀性)。由不锈钢来将壳体铸造成单件具有显著的优点：随后的加工量最小，且比当壳体包括多个模块(这些模块相互连接)时明显更小。
壳体的优选实施例将出口蜗壳设置为半外部半内部。如前面所述，蜗壳因此有径向横截面区域。该横截面区域至少沿周边的50％(优选是沿100％)，该周边由虚拟柱形平面而进行切面，该虚拟柱形平面通过紧密包裹壳体(相应地与其相切)的径向外表面(省略了肋)而限定(分别在没有由肋占据的区域)。
另一优选实施例提供了壳体的进口腔室，该进口腔室在进口法兰附近，该进口腔室设计为这样：相对于轴线的倾斜表面分别使得收集在进口腔室中的任何液体安全地排出至排出孔中，以避免任何液体收集在进口腔室中。
本发明的另一优选实施例为，涡轮压缩机是与用于处理气体的管道或再循环管线在一起的装置的一部分，其中，再循环管线包括连接法兰，涡轮压缩机的进口法兰与该连接法兰牢固连接，以便将来自涡轮压缩机的机械负载传递至再循环管线。
根据本发明的另一优选实施例，该装置还包括活塞发动机，该活塞发动机包括用于排气的排气管线，该排气管线连接至所述再循环管线中，该再循环管线将一部分所述排气导入涡轮压缩机中。根据本发明的这种装置的进一步改进是，再循环管线在涡轮压缩机下游继续返回至活塞发动机中，用于使得由所述活塞发动机产生的一部分排气再循环。
本发明的优选应用是由活塞式发动机产生的排气的再循环，以便改善排气质量。
本发明还提供了一种通过将根据本发明的涡轮压缩机添加至再循环管线中或者通过将包括根据本发明的涡轮压缩机的再循环管线添加至活塞发动机而改造活塞式发动机的方法。
通过下面结合附图对执行本发明的当前最佳方式的说明，将更清楚本发明的上述属性、其它特征和优点以及获得它们的方式，并将更好地理解本发明自身，附图中：
图1表示了根据本发明的涡轮压缩机的示意流程图，该涡轮压缩机作为根据本发明的装置的一部分，
图2、3分别表示了根据本发明的涡轮压缩机的壳体的示意三维视图，
图4表示了根据图2中的剖面IV的示意剖视图，
图5至图7分别表示了根据图3中所示的剖面X、XI、XII的、穿过肋的剖视图。
在图1-7中，相同的参考标号用于相同部件。如果没有另外说明，措辞例如周向、径向、切向、轴向是参考涡轮压缩机TCO的轴线X而言的。
图1表示了包括根据本发明的涡轮压缩机TCO的装置AR的示意图，该涡轮压缩机TCO设置在再循环管线RL中，以便输送来自活塞发动机PE的再循环排气直至更高压力。具体实例参考属于船舶VS(船)的活塞发动机的优选应用。活塞发动机可以驱动船舶，或者可以与发电机(未示出)组合来产生电能。
活塞发动机PE在内燃处理中消耗空气AR和燃料FL，从而产生排气EG和机械动力(未示出)。排气EG通过排气管线EGL排出。一部分排气EG被导入再循环管线RL。因为空气AR将在活塞发动机PE中与来自再循环管线RL的再循环排气EG混合，所以涡轮压缩机TCO用于增加排气EG的压力直至空气AR的压力，该空气AR由未示出的涡轮增压器压缩直至活塞发动机的供给压力。如图1所示的再循环排气EG可以改善排气质量，特别是NOX排放。
图1中所示的装置AR是用于推进船舶的燃烧发动机的一部分。因为在船舶上的空间受到限制，所以包括再循环管线和涡轮压缩机TCO的装置AR必须较小，且装配应当不需要太多空间。而且，在进行改造而使得现有的活塞式船舶发动机装备有包括所述再循环管线和根据本发明的涡轮压缩机TCO的装置的情况下，空间可用性和装配的选择性甚至可能更受限制。当活塞发动机PE最初并不设计成包括再循环管线RL和涡轮压缩机TCO时，活塞发动机PE没有提供用于这些附加部件的任何支承。因此，本发明提供了一种装置和涡轮压缩机TCO，以便通过将所述涡轮压缩机TCO提供为径向涡轮压缩机TCO而对付这些需求，该径向涡轮压缩机TCO包括至少一个叶轮IP和至少一个壳体密封件S，其中，所述叶轮IP可绕轴线X旋转，且所述壳体CS包括在所述叶轮IP上游的进口IL。
所述进口IL的进口法兰IF将安装至图1中的所述处理气体类型PGP上，该处理气体类型PGP也表示为引导排气EG的再循环管线RL。所述壳体CS包括在所述叶轮IP下游的出口OL，该出口OL包括出口法兰OF。进口法兰IF和出口法兰OF分别安装在再循环管线RL和处理气体管PGP的相应法兰上。作为壳体CS的一部分，出口蜗壳VL在所述叶轮IP下游和在所述出口OL上游绕所述轴线X延伸。该蜗壳VL减速和收集被压缩的排气EG，以便增加压力。
所述壳体CS只由所述进口法兰IF和所述出口法兰OF支承。基本上，优选是进口法兰IF和壳体自身CS构造得将总机械负载通过进口法兰IF传递至处理气体管PGP法兰或再循环管线RL法兰。在涡轮压缩机TCO下游的再循环管线并不承载来自涡轮压缩机TCO的支承件的任何负载。所述壳体CS还包括驱动单元法兰DRF，其中，所述驱动单元DRU包括固定法兰FF，所述驱动单元法兰DRF和所述固定法兰FF通过固定元件FE而相互固定连接，所述驱动单元DRU只由所述固定法兰FF支承。
图2、3和4分别示意表示了壳体CS以及支承叶轮IP的轴SH(只在图4中)的轴向部分。涡轮压缩机TCO通过由进口法兰IF限定的进口IL而沿轴向接收所述处理气体和排气EG。叶轮IP使排气EG加速，并将排气EG沿径向喷射至出口蜗壳VL中。沿周向延伸的出口蜗壳VL收集所述排气EG并使得所述排气EG减速，从而增加压力。排气EG向下游通过由出口法兰OF限定的出口OL而离开蜗壳VL。在叶轮IP的上游和在进口法兰IF的下游，壳体SC包括形状为蜗壳的进口腔室IC。在该进口腔室IC中，进口导向叶片装置IGV(只在图4中)用于控制流动。进口腔室由倾斜的内表面限定，以便使得任何液体都能够沿轴向方向排出。出口OL的蜗壳VL还包括排出开口DO，以便排出由排气EG携带的任何液体。壳体CS沿周向CD设有多个肋RB，该肋RB从进口法兰IF沿轴向方向朝向固定法兰FF延伸，并沿肋的高度沿径向延伸。外部蜗壳壁VLW的径向外部部分结合在各肋RB中，从而进一步加强壳体CS而抵抗弯曲。出口蜗壳VL沿周向方向CD延伸，并在各周向位置CFP处有特定的径向横截面区域CRA，在图5、6、7中表示了相对于肋RB的三个不同周向位置。所述径向横截面区域CRA至少局部是在特定周向位置CFP处的相应肋RB的整体部分。壳体CS的基本径向外部轮廓(省略了肋)限定了周向径向外部第一表面ROS1。该虚拟柱形表面在外部轮廓没有由肋RB占据的位置处由壳体SC的外部轮廓来限定。该虚拟柱形表面至少沿周边的50％与径向横截面区域CRA相交。
图2、3、4所示的壳体CS铸造成单件，包括进口法兰、出口法兰、出口蜗壳、肋、径向外部第一表面(描述轮廓)。
根据本发明的装置也适用于改造现有活塞发动机的方法，以便改善排气质量。在该方法的第一步骤中，提供所述再循环管线RL。在第二步骤中，根据本发明的涡轮压缩机TCO安装至再循环管线RL上。该方法特别有利于改造作为船舶VS的一部分的活塞发动机PE。

Claims (5)

1.一种包括活塞发动机(PE)的装置，
包括用于排气(EG)的排气管线(EGL)，所述排气管线(EGL)包括再循环管线(RL)，所述再循环管线(RL)将所述排气(EG)的一部分导入所述活塞发动机(PE)的进口中，
其中，径向涡轮压缩机(TCO)设置在所述再循环管线(RL)中，
其中，所述径向涡轮压缩机(TCO)包括：
至少一个叶轮(IP)、至少一个壳体(CS)，
其中，所述叶轮(IP)能绕轴线(X)旋转，所述壳体(CS)包括在所述叶轮(IP)上游的进口(IL)，
所述进口(IL)包括进口法兰(IF)，所述进口法兰(IF)用于安装在处理气体管(PGP)上，
所述壳体(CS)包括在所述叶轮(IP)下游的出口(OL)，所述出口(OL)包括出口法兰(OF)，
所述壳体(CS)包括出口蜗壳(VL)，所述出口蜗壳(VL)绕所述轴线(X)在所述叶轮(IP)下游和在所述出口(OL)上游延伸，
所述径向涡轮压缩机(TCO)包括驱动单元(DRU)，所述驱动单元(DRU)驱动所述叶轮(IP)，并用于安装在所述壳体(CS)上，
其特征在于：
所述壳体(CS)只由所述进口法兰(IF)和所述出口法兰(OF)支承，
所述壳体(CS)包括驱动单元法兰(DRF)，
所述驱动单元(DRU)包括固定法兰(FF)，
所述驱动单元法兰(DRF)和所述固定法兰(FF)通过固定元件(FE)而相互牢固连接，
所述驱动单元(DRU)只由所述固定法兰(FF)支承。
2.根据权利要求1所述的装置，其中：
所述壳体(CS)包括肋(RB)，以便增加所述壳体(CS)的弯曲刚性，
所述肋(RB)沿所述壳体的周边分布，至少局部在所述驱动单元法兰(DRF)和所述进口法兰(IF)之间沿轴向延伸；以及
沿径向方向沿肋(RB)的高度延伸。
3.根据权利要求2所述的装置，其中：
沿周向方向(CD)延伸的所述出口蜗壳(VL)在各周向位置(CFP)处有特定的径向横截面区域(CRA)，且所述径向横截面区域(CRA)至少局部是在特定周向位置(CFP)处的相应肋(RB)的整体式部分。
4.根据权利要求2所述的装置，其中：
在没有由所述出口蜗壳(VL)沿轴向占据和没有由所述肋(RB)占据的区域中，所述壳体(CS)包括周向径向外部第一表面(ROS1)，其中，所述出口蜗壳(VL)至少沿周边的50％沿径向延伸，其中，它的径向横截面区域(CRA)与径向外部第一表面(ROS1)在相同柱形平面中。
5.根据权利要求2所述的装置，其中：
所述壳体(CS)铸造成单件，包括进口(IL)、进口法兰(IF)、进口腔室(IC)、出口(OL)、出口法兰(OF)、出口蜗壳(VL)、肋(RB)、径向外部第一表面(ROS1)。
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