CN110249111B - 轴流式涡轮 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及：一种具有旋转壳(2,4)和静止轴(6,8)的轴流式涡轮；用于其组装的区段；以及用于其制造的材料。

Description

轴流式涡轮
技术领域
本特定装置是一种包括陶瓷材料的轴流式涡轮。
背景技术
轴流式涡轮是一种旋转机器，其从通常在高压和高温下供应到涡轮的沿该装置大体上轴向流动的动力流体中提取有用的轴功。典型的轴流式涡轮使用常规的空气动力学，包括固定(定子)和旋转(转子)叶片(叶片通常具有空气动力学设计)，定子将供应的压力转换为旋流速度，并且转子由于通过旋转移动作用的空气动力学叶片力而提取该速度。通常，这种涡轮由多级交替的转子和定子区段构成，并且转子固定到旋转的中心轴，并且定子固定到静止壳。这种常规的布局可称为"内流道"，以表示内转子区段旋转而外壳是静止的。
PCT申请WO2013/113324描述了一种具有旋转壳的无定子燃气轮机，其中转子安装到该壳而不是安装到中心轴。(在其中的一些实施例中，中心轴可作为静止固定部件提供。)这使得在转子叶片中使用陶瓷材料更加可行，因为这意味着安装在毂上的转子叶片由于离心力而会处于高拉伸应力下，而安装在壳上的转子叶片会处于压缩应力下。这种布局可称为"外流道"，与上述"内流道"涡轮设计不同。
多年来已知工程陶瓷可允许非常高温的涡轮入口流，从而提高发电循环的效率和功率密度。与常规用于涡轮的金属合金相比，已知陶瓷在如此高的温度下实现良好的机械性能，但是相比之下，在轴流式涡轮中使用陶瓷仍然非常罕见，很大程度上因为它们由于其设计要求非常不同而很难整合到发动机设计的前线中。
发明内容
本发明是根据所附权利要求的。
本发明提供一种涡轮组件，包括轴流式涡轮，轴流式涡轮包括轴向布置的成系列的转子区段，其中每个转子区段包括外环和转子叶片，并且转子区段的外环连接以形成旋转外壳，其中转子区段由反应键合氮化硅制成，并且涡轮组件包括外部护套，该外部护套为轴流式涡轮提供结构支承，其中护套由致密氮化硅(DSN)制成，其中转子区段装配在外部护套的内部，并且护套和旋转外壳布置成一起旋转。
优选地，轴流式涡轮还包括轴向布置的成系列的定子区段，其中每个定子区段包括内毂和定子叶片，并且定子区段的内毂连接以形成静止轴，其中定子区段由反应键合氮化硅制成。
因为转子区段装配在外部护套的内部，其中护套和旋转外壳由一起旋转的连接的转子区段形成，当涡轮组件操作时，向外的离心力向外引导到护套，结果操作应变因此主要由护套承担，与反应键合氮化硅相比，致密氮化硅的机械性作为结果能使其能够非常好地处理。同时，由反应键合氮化硅制成的转子区段(以及(存在时)定子区段)使得它们更容易成形为最佳性能所需的复杂形状。
最终结果是涡轮组件，其可比仅由反应键合氮化硅形成的涡轮组件承受更大的机械应变，但同时比等同形状但完全由致密的氮化硅制成的涡轮组件更容易制造且制造起来更便宜。此外，由于反应键合氮化硅和致密氮化硅具有大致相似的热性能，特别是热膨胀性能，故本发明的涡轮组件可在比(例如)其中涡轮包覆在金属护套中的组件更高的温度下操作。
附图说明
图1绘出了轴流式涡轮的截面。
图2绘出了图1的轴流式涡轮的外部视图。
图3绘出了另一个轴流式涡轮的截面，绘出了护套特征。
具体实施方式
根据本发明的涡轮利用外流道轴流式涡轮设计结合氮化硅材料。尽管在现有技术中已知由陶瓷材料制成的涡轮，但它们绝大多数处于内流道轴流式涡轮设计(由于各种构件上的不同应力而具有不同的制造考虑因素)或径向涡轮设计(其设计在与轴流式涡轮完全不同的基础上)，并且在外流道涡轮设计中使用氮化硅对于本发明是新的。已经发现，与氮化硅材料结合的特定设计布局导致优异的性能和更低的成本。
就陶瓷涡轮材料而言，一种可接受的材料是致密氮化硅(DSN)，其通常是指主要由氮化硅(Si3N4)构成的广泛类型的陶瓷，通常为贝塔(β)六方晶体形式。致密化通常通过添加少量金属氧化物来帮助在高温下形成液相而实现，这使得氮化硅颗粒能够在施加的压力和温度下重新排列以通过液相致密化来致密化(参考Kingery W.D., Bowen H.K., UhlmannD.R，"Introduction to Ceramics"，John Wiley & Sons出版，ISBN 0- 471-47860-1)。预计商业DSN陶瓷的密度高于理论密度的96％。高温机械性能通常由用于帮助陶瓷致密化的烧结助剂控制。使用更耐火的玻璃、最少量的烧结添加剂(通常通过在高温下施加压力来辅助陶瓷致密化时)或晶间玻璃的后制造失透都改善了在高温下的抗蠕变性。这类陶瓷包括PSSN(无压烧结氮化硅)、SSN(烧结氮化硅)、HPSN(热压氮化硅)、GPSN(气压烧结氮化硅)、HIPSN(热等静压氮化硅)和SPSSN (火花等离子烧结氮化硅)。合适的陶瓷的实例包括但不限于由Kyocera Ltd提供的SN282和SN240、由Coorstek Ltd提供的NT154和由FCTIngenieurkeramik GmbH提供的气压烧结氮化硅(GPS-SN)。
另一类合适的材料是Sialon陶瓷。Sialon陶瓷可认作是致密氮化硅陶瓷的子集。通常利用的陶瓷通常是具有分子式Si6-zAlzOzN8-z的膨胀的贝塔(β)六方晶系Si3N4晶格，其中z通常大于1.5(但可扩展到超过4)。通常通过添加金属氧化物或其它合适的液体烧结助剂的组合来实现致密化。Sialon陶瓷与上述致密氮化硅陶瓷的不同之处在于通过在氮化硅晶格内掺入来自致密化助剂的一些阳离子而实现的晶格畸变程度。
可被视为一种致密氮化硅的另一种合适材料是烧结反应键合氮化硅(SRBSN)。这是一种如下所述的反应键合氮化硅(RBSN)，它已经过烧结过程；在这种金属氧化物的生产中，作为烧结助剂添加到起始Si金属粉末中。因此，在高于1450℃将Si转化为Si3N4之后，可能通过升高温度来实现一些致密化。这与收缩(通常<10％)和孔隙率降低同时发生。作为该烧结的结果，虽然SRBSN的密度通常低于理论氮化硅密度的96％，但同时SRBSN具有高于RBSN的中间密度。结果，由于其具有的密度超过由RBSN制造的转子区段的密度，因此适合用作根据本发明的涡轮组件中的护套材料。
如所附权利要求中所述，本发明的涡轮组件包括外部护套，该外部护套在结构上支承转子区段并适于与它们一起旋转，并且由致密的氮化硅制成。适用于此目的的致密氮化硅材料包括但不限于任何上述致密氮化硅材料，包括气压烧结氮化硅材料、Sialon陶瓷和SRBSN。优选地，用于护套的致密氮化硅材料的密度高于理论密度的96％。更优选地，用于护套的致密氮化硅材料的密度高于理论密度的98％。
各种制造技术可用于生产包括DSN和Sialons陶瓷的涡轮构件。如下所述，构件的制造阶段可认为是生坯形成、致密化和精加工。
生坯形成是指：在与烧结助剂和通常短效粘合剂混合后，陶瓷粉末形成为基本产品形状。这些包括但不限于滑铸、压铸、冷冻铸造、注塑、模压和等静压。加工步骤可遵循初始形状形成。
致密化是施加热和可选地施加压力的过程。在此之前可进行低温热处理阶段，这取决于所使用的生坯形成途径和配方。在该过程的这个阶段，典型的线性收缩率为18％至22％。
除了"如烧制(as fired)"以外，任何要求的表面光洁度都需要精加工，或确保紧密的尺寸公差。一般通过金刚石磨削或抛光来加工构件。
对于要求保护的发明的特定构件，使用反应键合氮化硅(RBSN)。反应键合氮化硅(RBSN)在陶瓷中是独特的，并且与致密氮化硅(DSN)的不同之处在于形成途径和RBSN是多孔的(通常具有10至30％的孔隙率)。
RBSN的一种制造方法是在通过在纯氮环境中烧制转化成氮化物形式之前，从合适的硅固体坯料(通过冷压合适的硅粉形成的所述坯料)加工形状。与在较硬，更脆的陶瓷相中的金刚石磨削相比，在柔软和延展性金属硅相中的加工大大降低了加工成本。这很像上面描述的"生坯形成"阶段。氮环境中的加热过程在1450℃以上进行，以转化为硅(Si)金属至氮化硅陶瓷。转换过程导致尺寸变化高达1％，从而使内应力最小化并且需要很少或甚至不需要进一步昂贵的精加工，也没有补偿收缩的困难。结果，与其它烧结工艺相比，氮化物加热工艺产生最小的收缩，从而使内部应力最小化，不需要进一步加工，并且在烧制后很少(或甚至没有)昂贵的进一步精加工，并且很大程度上消除了补偿收缩的困难。备选地，硅材料(如硅粉末)可注塑成型，并且由于低收缩率，在烧制后也不需要或很少需要进一步加工。
可烧结Si金属粉末金属压块以使最终形状能够通过常规的金属加工工艺(代替金刚石磨削)来生产。通过火焰/等离子喷涂可容易地制备"生坯形状"。成品陶瓷中存在可忽略不计的玻璃(与在配制和制造期间使用的金属氧化物添加剂相反)，因此预计改善了高温抗蠕变性。主要的应用限制是由于残留的开放孔隙，其取决于局部环境易受腐蚀或氧化。结果，RSBN与较高密度的氮化硅(如通过烧结形成的那些)相比往往具有较差的机械性能，较高密度的氮化硅由于昂贵的磨削和更多的工艺步骤(需要更大程度的收缩)，通常具有更高的制造成本，或否则需要大量的成本和时间来调整注塑模具以正确地补偿收缩。因此，与DSN相比，RSBN对于具有更高部件复杂性的部件更加可行，只要允许其潜在的较差机械性能。在本发明的上下文中，转子区段和(优选地)定子区段由RBSN制成。
定义为氮化硅的广泛类别的材料包括但不限于致密氮化硅、Sialon材料、RBSN和SRBSN(其中Sialon材料和SRBSN是致密氮化硅的类型)。它们都具有相似的热膨胀性能、高强度(和承受力或压力的能力)和高温下相对于金属的抗蠕变性，以及相对于其它陶瓷的良好热冲击性能。正如大多数陶瓷所广泛引用的那样，氮化硅材料在抵抗压缩负载方面比抵抗拉伸负载好得多。如上所述，在本发明中，转子区段和优选的定子区段由RBSN制成，而护套由致密的氮化硅(可能包括SRBSN或Sialon材料)制成。
与常规内流道轴流式涡轮不同，其使用附接到旋转轴的转子叶片，其中定子叶片附接到周围的壳，图1和图2中所示的涡轮通过将转子叶片2附接到外环14来反转这一点，外环14连接来形成外壳4，其全部一起旋转，并将定子叶片6附接到不旋转的轴8，并因此是一种外流道涡轮。
图1至3中的涡轮包括转子区段10和定子区段12。转子区段包括空气动力学转子叶片2，其径向地定位在外圆环14内。在本发明的一个实施例中，如图1和2所示，当将相邻的转子区段10装配在一起时，外环14连接以形成连续的外圆筒或壳4。在本发明的备选实施例中，如图3所示，还设有单独的护套16，并且相邻的转子区段10装配在所述护套16的内侧，外环14连接以形成护套16内的连续圆筒4；在使用该实施例的情况下，该组件优选地是圆柱形的，以使得更容易磨削护套16的内径。转子区段10和壳4以及(如果存在的话)护套16一起旋转。(根据本发明的其它涡轮可具有与壳不同的管状形式，如圆锥形状，可选地具有一定的轴向厚度变化。)
在转子叶片2之间留有空间以用于定子叶片6。定子区段12包括包含在内毂20上的定子叶片6。定子区段12的内毂20装配在一起以形成轴8，轴8锁定而不能旋转。(轴8可通过壳4锁定而不能旋转)。通常，组装过程涉及交替地放置转子区段10和定子区段12，以形成具有叶片的两个同心组件。
在本发明的一些实施例中，转子区段10和定子区段12形成为整体件，每个包括许多叶片，通常为20至60个。备选地，本发明的一些实施例可允许单独叶片附接到公共毂，或少量叶片的组件附接到公共毂，以便于制造。
在本发明的一些实施例中，转子环14和/或定子区段12包括键槽的形式或其它非平面接口以相互传递扭矩，而不是依赖于来自壳体4或护套16的装配的摩擦。
静止轴8和旋转外组件的布置意味着在操作中压缩离心力作用在转子叶片2上，而不是如在常规涡轮中安装在旋转中心轴上那样将它们置于张力下。
如果由陶瓷材料制造转子叶片2，则这是优选的，因为陶瓷在张力下更容易破裂和蠕变。因此，与常规布置相比，转子叶片2在外壳4上的放置因此减小了对转子叶片的机械要求。
在旋转负载下，壳4处于拉伸状态，这允许使用更简单的叶片几何形状并因此具有优越的结构效率，即，在操作中，更大比例的涡轮接近允许应力的最大极限，使得没有任何材料不必要地在性能以下操作。更简单的叶片几何形状还意味着没有应力集中，这在更复杂的几何形状中是典型的。这种几何形状使得生产和磨削成光滑的表面也很简单、廉价，最大限度地减小表面缺陷在潜在裂纹引发中的影响。
这些特征(将转子叶片2放置在壳4上并使壳处于拉伸状态)允许叶片以更高的速度旋转，从而增加了级做功并因此减少了级的数量，并因此减少相同功率所需的重量(即，功率重量比得到改善)，从而带来材料成本的好处。它还允许从较薄的叶片获得相同的空气动力负载，可能只有1mm厚，允许每级使用更多的叶片。当结合减小的轴向长度时，更高的叶片数量提供叶片轴向长度与桨距的最佳比率，因此使用更薄的叶片减小了涡轮的总长度和重量而不影响效率，这对于车辆应用特别有用。
可以各种方式从涡轮的旋转部分提取扭矩，包括但不限于附接到旋转部分的带或齿轮，或在一端悬臂定子轴8并且将转子在另一端连接回旋转轴，和/或通过定子组件返回，或使定子组件作为在中间相遇的两个单独的悬臂，允许中间转子级连接到穿过两个定子的旋转中心轴。
可选地，转子区段10的外环14和/或定子区段12的内毂20可包括护罩以限制尖端泄漏。可选地，可改为通过提供附加的环和/或毂区段来提供护罩，附加的环和/或毂区段设计成与转子区段10和/或定子区段12对接，或通过结合附加的环设置在转子区段10和/或定子区段12上，附加的环附接到转子叶片的内部或定子叶片的外部并且将其连接在一起。这限制了尖端泄漏和环形损失并且为叶片提供了附加的结构刚度。
转子区段10或定子区段12中的任一个可或可不促进流路的环形扩口，从而产生锥形组件，如通常在流动通过涡轮减小压力时保持恒定的轴向速度。
转子区段10和定子区段12由RBSN制成，尽管具有复杂的几何形状，但其可廉价地制造。
可选地，外壳4或护套16可在外部冷却以降低陶瓷操作温度，假设所产生的热应力不会抵消该益处。常规的轴流式涡轮使用通过嵌入叶片中的微通道的冷却；相反，对外壳4或护套16提供外部冷却意味着转子叶片2和定子叶片6不需要这样的通道，因此简化了设计考虑和制造过程。
可选地，由较高强度材料制成的护套16能够可选地在所述转子区段10的外部滑动(或，如图3的实施例中，作为组装过程的部分将转子区段10装配到其)，从而通过抵抗拉伸的离心负载来增加相当大的强度。优选地，该护套16是圆柱形的，以使磨削内径更容易。其它圆锥形式也可能足够起到该作用，增加成本但允许环在后面阶段向外张开，在空气动力学上是优选的。
护套材料优选但不一定具有与制造转子区段10的材料相似的热机械性能；在转子区段由RBSN制成的情况下，护套材料由如上所述的致密氮化硅制成；合适的致密氮化硅材料的实例包括(但不限于)陶瓷，如由Kyocera提供的氮化硅282(SN282)、NT154(由Coorstek提供)、烧结氮化硅(SSN)、气压烧结氮化硅(GPS-SN)或高气压烧结氮化硅(HGPS-SN)。在比较例中，护套16可由金属形成，无论是高温金属如镍合金还是高强度金属如轧钢，或各种石墨基材料，可能具有绝缘内层或合适的冷却策略(如果使用金属壳，则护套16通常由镍合金制成)。金属圆筒和圆锥易于制造，因此如果使用合适的过盈配合来补偿不同的热膨胀，也可适用于壳。在比较例中，各种石墨基材料也可起到转子区段或护套的作用而不脱离本文所述的本发明的范围。在使用护套16的情况下，通常选择包含在护套中的较高强度材料以具有优异、更可靠和/或更好记录的机械性能，因此比转子毂构件更能够承受张力。与这些比较例相比，本发明中由氮化硅材料制造转子区段和护套两者的优点在于，RBSN和致密氮化硅两者的热性能将趋于相似，足以大大减少或消除差热膨胀引起的任何问题。
将转子叶片2放置在壳4(在使用的情况下，以及护套16)内并使它们的组合组件旋转允许设计者分离空气动力学和结构这两个功能的材料要求，允许用于每个的不同的材料性质的并置。
在根据本发明的涡轮中，必须存在使用转子环(即壳)的所述外流道布置形式，并且此外转子区段10、定子区段12或壳4或(在存在时)护套16中的至少一个由氮化硅制成。在一些实施例中，材料的组合可用于壳4、转子区段10或定子区段12，或(在存在时)护套16，这些组合包括氮化硅与任何其它材料的任何形式。
由于护套16仅需要是简单的形状，如圆柱形或圆锥，可能在厚度上具有一些渐缩，因此诸如SN282或GPS-SN或其它致密氮化硅材料的材料的磨削成本远低于高度复杂的空气动力学叶片形状的情况，因为磨床可使用较少的专业磨削工具和使用较少的机床轴容易地沿内表面轴向插入。可使用护套内径的精确测量来磨削转子轮毂外径以适应，从而利用磨削外径和在两种材料中大体上较弱的中磨削的容易性，从而降低磨削成本。
尽管具有复杂的几何形状仍可廉价地制造的RBSN转子件的使用，布置成有利于压缩，旁边有由布置成有利于拉伸的较强材料构成的几何上简单(因此相对低成本)的护套，因此利用了两种材料的有利特性，同时减轻了缺点。
可选地，通过在组装期间施加适度的温差，所述护套16可在转子区段10上收缩配合(特别是当转子区段包括RBSN时)，使转子区段进入残余压缩，并从而在旋转时减小较弱转子区段10中的拉伸负载。备选地，公差可保持滑动。在此情况下，可接受的是，允许转子毂(大体上是较弱的材料)蠕变直到过盈配合自身形成，而不是在组装之前加工必要的精细公差。
常规的金属内流道涡轮和所引用的现有技术的外流道涡轮，为了在高温下工作，需要由昂贵的稀有金属合金构成，并且要么受到有限的操作温度(低于约1100℃，这限制了发电效率)，或需要复杂的毛细管通道将冷却空气吹过叶片以保持其机械强度。冷却通道增加了涡轮叶片设计和制造的实质复杂性，增加了寄生压缩机负载以为空气流提供动力，并且不能容易地装配到通常在微型涡轮(即低于1MW的燃气轮机)中的非常薄且小的叶片中。特定新型涡轮中使用的陶瓷材料可在高于1100℃的高温下操作，无需使用稀有金属合金或冷却通道，因此大大降低了成本和复杂性，同时即使对于具有薄且小的叶片的微型涡轮也允许高性能。
陶瓷内流道轴流式涡轮的现有技术实施例原则上可在高于1100℃的高温下工作而无需稀有金属合金或冷却通道。然而，由于这种现有技术实例没有氮化硅护套16的等同物以提供结构支承，因此叶片本身需要既有结构(承受拉伸负载)又复杂，因此它们不能利用组合不同氮化硅材料的选项或不能利用制造选项，因此可能更昂贵且难以制造。尽管最好地使用氮化硅材料，为了确保陶瓷的可靠性，根据本发明的涡轮需要比相同功率的典型现有设计(通常在20000rpm以上)更低的转速，对于低于1MW的功率水平是低于20000rpm的。为了保持相同的功率和效率，这增加了涡轮级的数量，使涡轮轴向更长。由于涡轮的结构完整性可主要由高强度护套16提供，因此在更多级上延伸这对于成本几乎没有影响。可选地，护套16可在涡轮的中途终止，因为较低温度的涡轮级可能不需要那么多的结构支承。此外，较低的速度和较低的材料密度(且因此较低的轴承负载)更加兼容更为成熟的轴承选项，如SKF Ltd提供的陶瓷混合深沟滚子轴承，而不是更多的特殊选择，如箔轴承或磁性轴承。较低的速度还可降低轴承损耗、噪音和振动。
可选地，在根据本发明的涡轮中，转子可放置在真空内以防止风阻损失并有效地使涡轮护套16或外壳4绝缘，从而减少壳4或护套16中的传导损失和热瞬态应力。真空可通过旋转密封件朝向轴承密封，并且可能需要通过单独的泵送系统维持真空。
可选地，根据本发明的涡轮可与燃烧器结合使用。可选地，涡轮的外部可由环形燃烧器环绕，该环形燃烧器具有本领域技术人员已知的任何适当形状和尺寸，其可在合适的条件和成分下将气体输送到涡轮的入口。可选地，该燃烧器可具有交错的燃料喷射位置，使得沿燃烧器轴向的温度梯度与涡轮的温度梯度匹配，以减小涡轮外壳或护套上的径向热应力。这种类型的燃烧器降低了涡轮循环的冷却和/或绝缘要求，并且将两个压力容器结合在一起，减少了所需的压力保持结构的数量。可选地，可通过暴露于涡轮转子的高旋转速度来形成无焰燃烧系统(通常称为MILD、HiTAC和FLOX)，从而帮助气体速度高于典型的火焰速度。
可选地，根据本发明的涡轮可为再生涡轮循环的部分，其可包括用于入口空气的压缩机、将热从涡轮排气传递到压缩空气的旋转再生器或热交换换热器、用于升高压缩空气的温度达到所需的涡轮入口条件的燃烧器，以及本文所述的涡轮。与其它微型涡轮循环相比，包括涡轮的这种循环能够具有高效率。
上文描述了各种实施例和特征。应当认识到，这些实施例仅示出了当前提出的发明，且自身可与创造性主题分开或组合。

Claims (7)

1.一种涡轮组件，包括：
i) 轴流式涡轮，其包括轴向布置的成系列的转子区段，其中每个转子区段包括外环和转子叶片，并且所述转子区段的外环连接以形成旋转外壳，其中所述转子区段由反应键合氮化硅制成；以及
ii) 外部护套，其为所述轴流式涡轮提供结构支承，其中所述外部护套由致密氮化硅制成；
其中所述转子区段装配在所述外部护套的内部，并且所述外部护套和旋转外壳布置成一起旋转。
2.根据权利要求1所述的涡轮组件，其特征在于，所述轴流式涡轮还包括轴向布置的成系列的定子区段，其中每个定子区段包括内毂和定子叶片，并且所述定子区段的内毂连接以形成静止轴，其中所述定子区段由反应键合氮化硅制成。
3.根据权利要求2所述的涡轮组件，其特征在于，所述轴流式涡轮还包括至少一个护罩，所述至少一个护罩包括在内毂中。
4.根据权利要求1至权利要求3中任一项所述的涡轮组件，其特征在于，所述轴流式涡轮还包括至少一个护罩，所述至少一个护罩包括在外环中。
5.根据权利要求1至权利要求3中任一项所述的涡轮组件，其特征在于，所述外部护套由致密氮化硅制成，其中密度高于理论密度的96％。
6.根据权利要求1至权利要求3中任一项所述的涡轮组件，其特征在于，所述外部护套由氮化硅282或气压烧结氮化硅构成。
7.一种系统，包括：根据前述权利要求中任一项所述的涡轮组件；压缩机；燃烧器；和再生器或换热器。
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