CN110088426A - 涡轮机 - Google Patents

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Abstract

一种涡轮机转子组件，包括：一体式主体，包括至少一个用于将流体引入转子组件的入口；以及多个流动通道，其延伸穿过一体式主体并终止于出口部分，所述至少一个入口与多个流动通道中的每一个流体连通。

Description

涡轮机
技术领域
本发明涉及利用工作流体产生旋转能量的涡轮机组件和系统。
背景技术
传统涡轮机的基本操作是：膨胀气体或加压流体，例如蒸汽流或加压液体(统称为工作流体)，被引导到安装在鼓或轴周围的叶片或叶片组上。工作流体进入涡轮室，在那里它撞击在围绕中心轴安装的涡轮机叶片上，使轴旋转并提供有用功。涡轮轴的功用于驱动诸如可以联接到所述轴的发电机的装置。所述轴通常安装在水平轴上的密封润滑轴承中，需要对该密封润滑轴承冷却以避免润滑失效。未用于轴功的能量在排气中作为废工作流体中的废热排出，因此它们具有高温或高速。高压工作流体的运动和叶片式涡轮机的高速旋转产生大量噪音。
目前使用的另一种类型的涡轮机是纯反应涡轮机，其中转子主体围绕固定工作流体入口安装，该固定工作流体入口居中地位于旋转涡轮机头部内的通道中。转子主体设置有外围安装的喷嘴，其与转子主体内的流动通道流体连通。工作流体通过中心安装的固定工作流体入口引入这种类型转子的通道中，并且工作流体流过转子主体并流出周边安装的喷嘴。喷嘴的方向使得排出的高压工作流体引起转子的推力和旋转。与传统的叶片式涡轮机一样，转子通常联接到轴上，以便提取可用的轴功。
关于上述涡轮机和转子中的每一个的主要问题之一是与涡轮机和转子相关联的轴，无论轴是传统涡轮机中的涡轮机叶片的中心安装轴还是纯反应涡轮机的固定工作流体通道入口，都必须以这样的方式支撑所述轴，使得所述轴或转子能够旋转并且存在不允许工作流体逸出的低摩擦支撑机构。(i)在传统涡轮机的情况下轴或及其支撑件之间或(ii)纯反应涡轮机的转子和固定工作流体通道入口之间，由于摩擦引起的功输出的损失可能很大。
另外，用于上述两种涡轮机的工作流体仅限于一种工作流体。
两种类型的涡轮机的另一个问题是与湍流运动相关的噪声发射，超声波流动和工作流体对涡轮机叶片的冲击以及对于传统轴向类型涡轮机的涡轮机叶片运动或纯反应涡轮机的超声波流动，以及转子臂运动。
另一个问题是，特别是对于纯反应涡轮机的固定工作流体入口和转子配置，工作流体入口和转子需要彼此密封以防止或至少减少由于除了周边安装的喷嘴之外的方式导致的来自转子的入口工作流体损失，这种入口工作流体损失会降低涡轮机效率。可以实现这一点的一种方式是通过旋转轴承和密封构件的复杂的多部件布置。上述涡轮机的轴承旋转密封结构需要频繁的维护间隔。
两种类型的涡轮机在给定的工作流体的温度和压力下具有有限的设计转速，并且对于传统涡轮机在不改变叶片配置或尺寸或在纯反应的情况下不改变相对于涡轮机转子臂配置或尺寸的情况下不能调节转速。
将清楚地理解，如果在此提及现有技术出版物，则对出版物的提及并不等于承认该出版物构成澳大利亚或任何其他国家的本领域公知常识的一部分。
发明内容
本发明涉及一种涡轮机，其可至少部分地克服上述缺点中的至少一个或为消费者提供有用或商业的选择。
鉴于前述内容，本发明以一种形式广泛地涉及涡轮机转子组件，涡轮机转子组件包括
一体式主体，至少一个入口，用于将流体引入转子组件；以及多个流动通道，延伸通过一体式主体并终止于出口部分；
所述至少一个入口与所述多个流动通道中的每一个流体连通，以允许通过所述至少一个流体入口进入所述主体的至少一部分流体流入每个所述流动通道。
本发明的涡轮机转子组件设计成中速、中扭矩转子组件，其在用于发电时具有特定应用。本发明的涡轮机转子组件的主要优点之一是由于涡轮机的特征，它不需要减速齿轮来操作交流发电机。转子组件设计成能够旋转并且优选地与轴相关联，以便产生可用于发电的可用功。转子组件优选地通过磁性联结器或类似类型的联结器与轴相关联。
在本发明的上下文中，术语“中速”优选地意指高于100转/分钟并且更接近6000转/分钟。假设转子组件的中速旋转以及可能发生破坏或损坏，则会发生轴承故障，则本组件的中速转子通常在封闭的壳体内使用，因此使用优选的磁性联结器来将高速转子与轴相关联用于输出可用功。
优选的是，本发明的中速涡轮机转子组件由工作流体驱动，并且优选的流体是制冷剂或类似的可压缩和可液化的蒸汽。优选的工作流体通常通过入口提供给转子组件，通过转子中的流动通道并且从转子中限定的会聚和发散出口离开，以便驱动涡轮机转子的中速旋转。本发明的涡轮机也可以使用非共沸流体混合物进行操作。
本发明的中速转子包括具有多个流动通道的主体，每个流动通道终止于出口会聚-发散部分。
涡轮机转子组件包括：一体式主体，具有至少一个入口，用于将流体引入转子组件；以及多个流动通道，延伸通过一体式主体并终止于出口部分，所述至少一个入口与多个流动通道中的每一个流体连通。
优选的是，当在一个取向上观察时，主体基本上是圆形的，而当在垂直取向上观察时，主体基本上是圆锥形或部分圆锥形(截头圆锥形)。特别优选的是，主体的形状为截头圆锥形，但是是具有弧形腰部的钟形，而不是真正圆锥形的基本上平坦的腰部。
在优选实施例中，多个流动通道的出口部分通常设置在主体唇缘的横向侧边缘上。出口部分优选地基本上与唇缘相切地定向，以便在优选的工作流体或气体离开出口部分时产生旋转力。出口部分优选地包括会聚-发散喷嘴，以便产生所需的切向推力并使转子旋转。
各个流动通道的出口部分通常均匀地交错或彼此略微偏移，以便驱动旋转。
优选的是，出口部分彼此共面，以便以平衡的方式驱动旋转，其中大部分(如果不是全部)驱动力施加在同一平面中以便产生最大旋转速度。
优选地，所述多个流动通道中的每一个将至少部分地从主体的邻近入口的部分螺旋延伸到优选地设置在主体唇部的横向侧边缘上的多个流动通道的出口部分。
优选地，流动通道将各自从主体的邻近优选的基本上圆锥形或截头圆锥形主体的入口的一部分朝向外围唇缘延伸，但随着流动通道朝向外围唇缘延伸而成弧形或弯曲状远离入口，使得流动通道的末端基本上相对于唇缘切向地定向。所有流动通道通常沿相同方向延伸穿过主体。优选地，形成在主体中的多个流动通道围绕主体等距间隔开。
优选地，将在本发明的转子组件中提供偶数个流动通道。通常，在转子组件中将限定5至15个流动通道，但是所提供的流动通道的数量通常将取决于转子组件的尺寸，其中较大的转子组件包括比较小的转子组件更多的流动通道。
多个流动通道优选地是弧形的，以便将进入转子组件的轴向流动转换成径向流动，以提供转子组件的旋转。优选的是，每个流动通道是连续的弧形，优选地在其长度上具有基本均匀的尺寸并且没有障碍物，也没有其他引起压头损失的形状，例如孔或任何漩涡或产生干扰的形状。从入口到流动通道到喷嘴的流动应尽可能接近理想的层流。
进一步优选的是，至少一个，通常多个开口设置在主体中，从主体的下壁延伸，以接收一个或多个紧固件，以将磁性联结器附接到主体。优选地，附接开口设置在相邻的流动通道部分之间或更优选地设置在每个第二相邻的流动通道部分之间。
在具有5个或更多个流动通道的特别优选的实施例中，将提供四个附接开口，每个附接开口用于延伸到主体中的细长紧固件。
主体的下壁可以与主体的优选弧形腰部基本同心地延伸，以便最小化用于形成主体的材料的量，从而减小主体的重量。如果需要，可以在主体上提供一个或多个较厚的部分以为主体提供强度。
如上所述，主体优选地由可以烧结或3D打印的金属或弹性材料形成。
流动通道可以穿过主体的内部体积进行内切或成形。可以使用诸如金属布线的加工工艺，例如数控机床，但是形成主体的特别优选的方法是三维金属印刷或烧结技术，因为这将允许形成其中形成有流动通道的一体式主体。
设置在主体中的多个流动通道中的每一个流动通道将优选地包括至少一个会聚区。优选地，将在多个流动通道中的每一个流动通道中提供单个会聚区。
优选地，每个流动通道中的优选会聚区设置在每个流动通道的出口附近但与出口隔开。具有会聚区的流动通道的特定构造将优选地形成喷嘴，该喷嘴在形成转子时集成到流动通道中。在功能上，会聚区通常用于增加会聚区中的流体流动的速度，这将再次有助于最大化转子组件的旋转速度。在流动通道与会聚区之间，优选至少在入口侧，并且优选在会聚区的入口侧和出口侧，通常存在弧形过渡部。
设置在主体中的多个流动通道中的每一个将优选地包括至少一个发散区。优选地，将在多个流动通道中的每一个中提供单个发散区。
优选的是，每个流动通道中的优选发散区设置在每个流动通道的出口附近但与出口隔开。具有发散区的流动通道的特定构造将优选地形成喷嘴，该喷嘴在形成转子时集成到流动通道中。在功能上，发散区通常用于增加流体流动的速度，这将再次有助于最大化转子组件的旋转速度。在流动通道与发散区之间通常存在弧形过渡部。
在最优选的区域中，每个流动通道优选地包括到会聚区的弧形过渡部，然后通过弧形过渡部发散到比会聚区更靠近出口的发散区。优选地，会聚区近似为流动通道的横截面积的一半，并且发散区近似为流动通道的横截面积。重要的是，每个流动通道优选地在整个行程距离内具有基本均匀的横截面积而没有障碍物，并且仅优选的会聚-发散喷嘴改变通过流动通道的流动的形状。
优选地，入口是管状的并且为多个流动通道中的每一个提供流体。优选的入口设置在主体中，优选地基本上垂直于设置有转子组件的出口的平面。
特别优选的是，入口的内端将封闭多个流动通道中的每一个的上端，使得进入转子的流体被迫进入至少一个流动通道，并且优选地，均等地进入所有流动通道。
优选的入口将与优选的钟形或3D抛物线形主体一体形成。优选的入口通常与转子组件一起旋转。如果是这样，则优选在入口上设置外部位置，以便安装入口从而旋转。
在其他配置中，入口可以与主体分开形成并且位置固定，并且转子相对于入口旋转，但是这不是最优选的，因为如果入口不随转子组件旋转则转子的高速性质可能导致将入口与转子密封的问题。
可以设想，在使用中，涡轮机转子组件可以支撑在一个或多个支撑构件上。可以提供任何合适的支撑构件，但是在本发明的优选实施例中，一个或多个支撑构件包括轴承。优选地，轴承包括旋转轴承，使得涡轮机转子组件的旋转引起轴承的相应旋转。在本发明的最优选实施例中，可以提供两个或更多个轴承。
所述一个或多个轴承可以由任何合适的材料制成，但是在本发明的优选实施例中，一个或多个轴承可以由相对低摩擦的材料制成。因此，在本发明的一些实施例中，轴承可以由金属或聚合物制成。然而，在本发明的一个具体实施例中，轴承可以由陶瓷制成。
本文描述的任何特征可以与本发明范围内的本文描述的任何一个或多个其他特征的任何组合进行组合。
本说明书中对任何现有技术的引用不是，也不应被视为对现有技术形成公知常识的一部分的承认或任何形式的暗示。
附图说明
本发明的优选特征、实施方案和变化形式可从以下详细描述中看出，其为本领域技术人员提供了实施本发明的充分信息。具体实施方式不应被视为以任何方式限制本发明的前述发明内容的范围。具体实施方式将参考如下的多幅附图：
图1是根据本发明优选实施例的涡轮机转子组件的平面图。
图2是图1中所示的涡轮机转子组件的底部的视图。
图3是图1中所示的涡轮机转子组件的轴测图，其中为了清楚起见，主体的顶部部分地透明呈现。
图4是图1中所示的涡轮机转子组件沿线A-A的剖视图。
图5是根据本发明优选实施例的涡轮机转子组件的主体的等距视图，其中主体的入口和顶部透明呈现以观察内部布置。
图6是从图5中所示的主体下方观察的视图。
图7是图5中所示的主体的平面图。
图8是图1中所示的涡轮机转子组件的等距视图，为清楚起见，主体的底部部分地透明呈现。
图9是从图8中所示的主体下方观察的视图。
图10是图1中所示的涡轮机转子组件的侧视图。
图11是根据本发明优选实施例的磁性联结器元件的等距视图。
图12是图11中所示的磁性联结器元件的沿直线B-B的侧视图。
图13是根据本发明优选实施例的涡轮机转子组件的等距视图。
图14是根据本发明优选实施例的涡轮机转子组件在转子壳体内的侧剖视图。
图15是根据优选实施例的涡轮机的等距部分透视图，示出了在初始流动期间通过涡轮机的流动模式。
图16是图15中所示的涡轮机的等距部分透视图，示出了在图15之后的流动路径。
图17是图15中所示的涡轮机的等距部分透视图，示出了在图16之后的流动路径。
图18是图17中所示的涡轮机的另一视图，示出了流动路径。
图19是图17中所示的涡轮机的另一视图，示出了流动路径。
具体实施方式
根据本发明的特别优选的实施例，提供了一种转子组件。
附图中所示的涡轮机转子10包括一体式主体，该一体式主体包括至少一个入口15，用于将流体引入转子10中；以及多个流动通道12，其延伸穿过一体式主体并终止于出口13，所述至少一个入口15与多个流动通道12中的每一个流体连通。
包括转子10的图14中所示的涡轮机转子组件被设计成中速、中扭矩转子组件，其在用于发电时具有特定应用。转子设计成在壳体52内旋转并且与输出轴(未示出)相关联，以便产生可用于发电的可用功。转子组件优选地通过磁性联结器53与输出轴相关联，磁性联结器53在图11和12中更详细地示出。可以在转子10中提供开口以将磁性联结器直接附接到转子10。
优选的是，本发明的中速涡轮机转子组件由工作流体驱动，并且优选的流体是制冷剂或类似的可压缩气体。优选的工作流体通常通过入口提供给转子组件，穿过转子中的流动通道并且从转子中限定的会聚和发散出口离开，以便驱动涡轮机转子的中速旋转。本发明的涡轮机也可以使用非共沸流体混合物进行操作。
本发明的中速转子包括一体式主体，该一体式主体包括多个流动通道12，每个流动通道12终止于与会聚-发散部分相关联的出口13。
如图所示，当在一个取向上观察时，所述主体基本上是圆形的，而当以垂直取向观察时，该主体基本上是圆锥形或部分圆锥形(截头圆锥形)。特别优选的是，主体的形状为截头圆锥形，但是是具有弧形腰部的钟形，而不是真正圆锥形的基本上平坦的腰部。
在优选实施例中，多个流动通道12的出口13通常设置在主体的唇缘的横向侧边缘上。出口13优选地定向为基本上与唇缘相切，以便在优选的工作流体或气体离开出口13时产生旋转力。每个出口13优选地与会聚-发散喷嘴相关联，以便产生所需的切向推力并使转子旋转。
各个流动通道12的出口13通常彼此均匀地交错或略微偏移，以便驱动旋转。
优选地，出口13彼此共面，以便以平衡的方式驱动旋转，其中大部分(如果不是全部)驱动力施加在同一平面中以便产生最大旋转速度。
优选地，多个流动通道12中的每一个将至少部分地从邻近入口15的主体的一部分螺旋地延伸到多个流动通道12的出口13，所述出口13优选地设置在主体唇缘的横向侧边缘上。
优选地，每个流动通道12将从优选的基本上圆锥形或截头圆锥形的主体的邻近入口15的一部分朝向外围唇缘延伸，但随着流动通道12朝向周边唇缘延伸而远离入口15成弧形或弯曲，使得流动通道12的末端基本上相对于唇缘切向地定向。所有流动通道12通常沿相同方向延伸穿过主体。优选地，形成在主体中的多个流动通道12围绕主体等距间隔开。
优选地，将在本发明的转子组件中提供偶数个流动通道12。通常，在转子组件中将限定5至15个流动通道2，但是所提供的流动通道12的数量通常将取决于转子组件的尺寸，其中较大的转子组件比较小的转子组件包括更多的流动通道。
所述多个流动通道12优选地是弧形的，以便将进入转子组件的轴向流动转换成成径向流动以提供转子组件的旋转。
进一步优选的是，至少一个，通常多个开口17设置在主体中，从主体的下壁延伸，以接收一个或多个紧固件18，以将磁性联结器53附接到主体。优选地，附接开口17设置在相邻的流动通道12之间，或者更优选地，设置在每个相间隔的相邻的流动通道12之间。
在具有5个或更多个流动通道的特别优选的实施例中，将提供四个附接开口17，每个附接开口用于延伸到主体中的细长紧固件18。
主体的下壁19可以与主体的外壁21的优选弧形腰部基本同心地延伸，以便最小化用于形成主体的材料的量，从而减小主体的重量。如果需要，可以在主体上提供一个或多个较厚的部分以为主体提供强度。
如上所述，主体优选地由金属材料形成。形成主体的特别优选的方法是三维金属打印技术，因为这将允许形成其中形成有流动通道12的一体式主体。
设置在主体中的多个流动通道12中的每一个将优选地包括到会聚区22的弧形过渡部，然后通过弧形过渡部发散到比会聚区22更靠近出口的发散区20中。优选地，会聚区22近似为流动通道12的横截面积的一半，并且发散区20近似为流动通道12的横截面积。重要的是，每个流动通道12优选地在整个行程距离内具有基本上均匀的横截面积，没有障碍物，并且只有优选的会聚-发散喷嘴(形成为从优选的弧形过渡部到会聚区，然后是弧形过渡部和发散区)对通过流动通道12的流动塑性。
在功能上，会聚-发散喷嘴用于增加流体流动的速度，这将再次有助于使转子组件的旋转速度最大化。
优选地，入口15是管状的并且为多个流动通道12中的每一个提供流体。优选的入口15设置在主体中，优选地基本上垂直于转子组件的各个出口13所在的平面。
特别优选的是，入口15的内端将封闭多个流动通道12中的每一个的上端，使得进入转子的流体被迫进入至少一个流动通道12并且优选地，均等地进入所有流动通道12。
优选的入口将与主体的优选钟形部分一体形成。优选的入口通常与转子组件一起旋转。如果是这样的话，外部位置23优选地设置在入口上，以便安装入口从而旋转。
在本说明书和权利要求书(如果有的话)中，词语“包括”及其衍生词包括“包括有”和“包含”包括每个所述整数，但不排除包括一个或多个其他整数。
本说明书中对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书在各个地方出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不一定都指代同一实施例。此外，特定特征、结构或特性可以以一种或多种组合以任何合适的方式组合。
根据法规，已经用或多或少特定于结构或方法特征的语言描述了本发明。应理解，本发明不限于所示或所述的具体特征，因为本文所述的装置包括使本发明生效的优选形式。因此，在本领域技术人员适当解释的所附权利要求(如果有的话)的适当范围内以任何形式或变型要求保护本发明。

Claims (21)

1.一种涡轮机转子组件，包括：一体式主体，包括至少一个入口，用于将流体引入转子组件；以及多个流动通道，延伸通过所述一体式主体并终止于出口部分，所述至少一个入口与所述多个流动通道中的每一个流体连通。
2.根据权利要求1所述的涡轮机转子组件，其与轴相关联，以便产生用于发电的可用功。
3.根据权利要求1所述的涡轮机转子组件，其通过附接到所述转子组件的磁性联结器与所述轴相关联，并且所述涡轮机转子组件与附接到所述轴的磁性联结器磁性地相关联。
4.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮机转子组件，其中，所述涡轮机转子组件由工作流体驱动。
5.根据权利要求4所述的涡轮机转子组件，其中，所述工作流体是可压缩和可液化的蒸汽。
6.根据权利要求4所述的涡轮机转子组件，其中，所述工作流体是非共沸流体混合物。
7.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮机转子组件，其中，当在一个取向上观察时，所述主体基本上是圆形的，而当在垂直取向上观察时，所述主体基本上是圆锥形或截头圆锥形的。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的涡轮机转子组件，其中，当在一个取向上观察时，所述主体基本上是圆形的，而当在垂直取向上观察时，所述主体是钟形的，具有弧形腰部。
9.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮机转子组件，其中，所述多个流动通道中的每一个的相应的出口部分设置在所述主体的唇缘的横向侧边缘上，基本上与所述唇缘相切地定向以便当工作流体离开所述出口部分时产生旋转力。
10.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮机转子组件，其中，所述相应的出口部分包括会聚-发散喷嘴，以便产生切向推力并使所述转子旋转。
11.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮机转子组件，其中，相应的出口部分彼此共面以产生最大旋转速度。
12.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮机转子组件，其中，所述多个流动通道中的每一个至少部分地从所述主体的与所述入口相邻的部分延伸到所述多个流动通道的所述出口部分。
13.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮机转子组件，其中，所述多个流动通道中的每个流动通道是弧形和连续的并且在所述入口与会聚-发散喷嘴之间没有限制，以便将进入转子组件的工作流体的轴向流动转换成径向流动以提供所述转子组件的旋转。
14.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮机转子组件，还包括设置到所述主体中的开口，所述开口从所述主体的下壁延伸以接收紧固件以将磁性联结器附接到所述主体。
15.根据权利要求8所述的涡轮机转子组件，其中，所述主体的下壁与所述主体的弧形腰部基本上同心地延伸，以便最小化用于形成所述主体的材料的量。
16.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮机转子组件，其中，所述主体由烧结或3D打印的金属或弹性材料形成。
17.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮机转子组件，其中，设置在所述主体中的所述多个流动通道中的每一个包括至少一个会聚区。
18.根据权利要求17所述的涡轮机转子组件，其中，每个流动通道中的所述会聚区设置成与每个流动通道的出口部分相邻但是与所述出口部分隔开，以在形成转子时形成集成到所述流动通道的喷嘴。
19.根据权利要求17或18所述的涡轮机转子组件，其中，在所述流动通道和所述至少一个会聚区之间，在所述会聚区的至少入口侧上提供弧形过渡部。
20.根据权利要求17至19中任一项所述的涡轮机转子组件，其中，在每个流动通道中提供发散区，所述发散区在所述至少一个会聚区的下游与每个流动通道的所述出口部分相邻但与所述出口部分隔开。
21.根据权利要求17至20中任一项所述的涡轮机转子组件，其中，所述会聚区大约是所述流动通道的横截面积的一半。
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