CN110291295A

CN110291295A - 多级的压缩机的返回级或具有扭转的导向叶片的膨胀机

Info

Publication number: CN110291295A
Application number: CN201880011227.2A
Authority: CN
Inventors: 维克托·赫米斯
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2017-02-10
Filing date: 2018-01-09
Publication date: 2019-09-27
Anticipated expiration: 2038-01-09
Also published as: WO2018145838A1; EP3551889B1; EP3551889A1; EP3361101A1; US11073162B2; US20200011345A1; CN110291295B

Abstract

返回级，径流式涡轮机械本发明涉及一种径流式涡轮机械(RTM)的用于借助于工艺流体沿着穿流方向穿流的返回级(RTC)，尤其径流式涡轮压缩机返回级(RCC)，其中返回级(RTC)环形地围绕轴线(X)延伸，其中返回级(RTC)径向向内由内边界轮廓(IDC)限定并且径向向外由外边界轮廓(ODC)限定，其中包括导向叶片(VNS)的至少一个导向叶片级(VST)至少沿着第三部段(SG3)的一部分延伸并且返回级沿环周方向分段为多个流动通道，其中导向叶片级(VST)的导向叶片(VNS)的型廓横截面(PRC)的型廓中线(PML)分别在内边界轮廓(IDC)侧限定内轨迹(ITR)和在外边界轮廓(ODC)侧限定外轨迹(OTR)。此外，本发明涉及一种径流式涡轮机械(RTM)，尤其径流式涡轮压缩机(CO)，其具有至少一个这种返回级。为了在空气动力学方面进行改善而提出，导向叶片(VNS)在中间的第二型廓部段(PS2)中基本上柱形地构成并且此外三维地构造。

Description

多级的压缩机的返回级或具有扭转的导向叶片的膨胀机

技术领域

本发明涉及一种径流式涡轮机械的用于借助于工艺流体沿着穿流方向穿流的返回级，尤其径流式涡轮压缩机返回级，其中返回级环形地围绕轴线延伸，其中返回级径向向内由内边界轮廓限定并且径向向外由外边界轮廓限定，其中沿着第一穿流方向返回级在第一部段中径向向外延伸，其中返回级在第二部段中沿着第一穿流方向以描绘弧形转向的方式从径向外部向径向内部延伸，其中返回级沿着第一穿流方向在第三部段中从径向外部向径向内部延伸，其中返回级沿着第一穿流方向在第四部段中以描绘弧形转向的方式从径向内部向轴向延伸，其中包括导向叶片的至少一个导向叶片级至少沿着第三部段的一部分延伸并且返回级沿环周方向分段为多个流动通道，其中导向叶片级的导向叶片的型廓横截面的型廓中线分别在内边界轮廓侧限定内轨迹和在外边界轮廓侧限定外轨迹。此外，本发明涉及一种径流式涡轮机械，尤其径流式涡轮压缩机，其具有至少一个这种返回级。

背景技术

径流式涡轮机械已知为径流式涡轮压缩机或径流式涡轮膨胀机。如果没有另作说明，下面的实施方案涉及作为压缩机的实施方案。本发明原则上如可应用于压缩机一样可应用于膨胀机，其中径流式涡轮膨胀机与径流式涡轮压缩机相比主要设有工艺流体的相反的流动方向。

在工艺流体膨胀和转向的情况下，在径流式涡轮膨胀机中发生借助于工作轮的驱动将在工艺流体中存储的热力学能量转换为技术功。

在径流式涡轮压缩机中，该过程是相反的，所述径流式涡轮压缩机将技术功转换或存储为流动功，所述流动功热力学地存储在工艺流体中。为此，压缩机的工作轮通常将工艺流体轴向于旋转轴线或具有轴向速度分量地倾斜于旋转轴线吸入并且借助于相应的工作轮加速和压缩所述工艺流体，所述工作轮也称作为叶轮，所述工作轮将工艺流体的流动方向转向到径向方向。在多级的径流式涡轮压缩机中，返回级在下游连接于该工作轮，如果在下游设有至少一个另外的工作轮的话。

多级的径流式涡轮机在本发明的术语范围内意味着，多个工作轮围绕相同的旋转轴线可转动地设置。在此，工作轮等同于径流式涡轮机的级。由多级性得到如下要求，在压缩机的情况下径向地从工作轮中流出的工艺流体必须再次沿旋转轴线方向被向回引导并且能够以轴向速度分量流入下游级的随后的工作轮中。能够实现工艺流体的该返回的流动引导因此成为“返回级”。在膨胀机的情况下，构件可以相同地构成并且仅沿相反方向被穿流。

除了工艺流体沿旋转轴线方向的返回和工艺流体沿轴向方向的流动方向转向以外，在返回级中通常也设有导向叶片，所述导向叶片至少部分地或完全地抵消由上游工作轮产生的涡旋，或者甚至给予沿相反方向的涡旋以进入下一下游级。

返回级的常见的构型提出，将所述整个构件借助于所谓的中间隔板借助于适当的支架通常支撑在壳体或其他支承装置中并且定向。此外，返回级包括所谓的叶片底部，所述叶片底部在中间隔板上与已经阐述的导向叶片通过构成返回通道来固定。工艺流体通过返回通道流向下一工作轮入口。在所述构成方案中，导向叶片起到两个功能。一方面导向叶片具有空气动力学功能：使工艺流体产生反向涡旋，使得尽可能补偿至少来自上游级的涡流，并且另一方面导向叶片具有机械任务：将叶片底部固定在中间隔板上，使得虽然存在动态负载仍确保可靠的保持。

在文献DE102014203251A1、DE3430307A1和EP592803B1中分别示出多级的涡轮压缩机的返回级。US2010/0272564A1和WO2014072288A1包含对返回级的空气动力学的考虑。

现有技术的常规的返回级具有不同的缺点，本发明尝试避免所述缺点。几何方面更简单地构造的返回级大多在空气动力学方面较差地匹配于流体技术方面的目的，使得复杂的三维流动情况至少部分地还未被考虑，尤其关于叶片高度还未考虑差别并且与之相应地产生相当大的流动损失，所述流动损失降低效率。其他解决方案，尤其根据WO2014072288A1的返回级提出一种返回级的完全三维构成的叶片装置，所述叶片装置在制造技术方面非常难于实施并且需要耗费的个性化设计，以便至少得到比在简单的几何形状的情况下更好的效率。此外，产生在返回级安装方面大的问题，因为叶片装置由于三维的构成方式通常不能允许常规的固定元件在叶片底部和中间隔板之间延伸穿过导向叶片。于是，在这方面必要时必须使用昂贵的特殊解决方案，使得这种设计最终在市场上是没有机会的。

发明内容

因此，本发明的目的是，将特性，即简化的制造、优化的空气动力学和简单的安装，相结合。

为了实现所述目的，根据本发明提出一种根据权利要求1或8所述的返回级或径流式涡轮机械。分别参引的从属权利要求包含本发明的有利的改进方案。

原则上，径流式涡轮机械的返回级用于将来自位于上游的工作轮的工艺流体从径向向外定向的流动方向再次径向向内地转向并且轴向地输送给在下游跟随的工作轮。术语：轴向、径向、切向、环周方向等在此或在本文献中分别关于中央轴线，返回级围绕所述中央轴线环形地延伸。所述轴线在径流式涡轮机械中也是转子的或具有工作轮的轴的旋转轴线。

位于返回级中的导向叶片级包括导向叶片，所述导向叶片将返回级的环形沿环周方向分段为各个通道。原则上，这些导向叶片也可以具有中断部(分开)，然而根据本发明优选沿着第一流动方向无中断地构成。导向叶片具有型廓，所述型廓相应地展开地也能二维地示出。二维示图例如可行的是，返回级的环形通道沿着在环周方向上延伸的中间面剖开。各个导向叶片的这些剖面能在平面中展开成二维示图。导向叶片的彼此堆叠的型廓的型廓中线可借助于在型廓中的所描绘的圆的中心点产生。

以这种方式能沿着第一穿流方向沿着相应的导向叶片的中间高度限定型廓中线路径坐标。导向叶片沿着所述坐标的长度适宜地归一化为总长度1。

导向叶片的高度方向在此定义为如下方向，其垂直于穿流方向，尤其垂直于第一穿流方向，并且垂直于环周方向取向。

导向叶片的直接邻接在返回级的环形通道的外边界轮廓上的型廓中线在此称作为导向叶片的外轨迹，并且导向叶片的直接位于内边界轮廓上的型廓横截面的型廓中线称作为导向叶片的内轨迹。在该情况下，返回级的外边界轮廓也可以称作为盖板侧的边界轮廓，因为设有盖板的工作轮在外边界轮廓的侧上具有所述盖板。工作轮的毂侧的流动轮廓与之相对地位于返回级的内边界轮廓上，使得返回级的内边界轮廓也可以称作为毂侧的边界轮廓。沿着返回级的整个几何结构，内边界轮廓可以不总是视为与对于沿着穿过返回级的中间流线的相同位置的外边界轮廓相比径向更靠内，使得这种替选的表述适合于更好的理解。

周向位置角确定沿着所参照的构件的环周方向的相应的位置，在此基本上是导向叶片的基准点或线，例如在特定的型廓横截面的型廓中线上的点。周向位置角的正的伸展方向在此与轴的或转子的旋转方向相反地选择。所述角的顶点与中央轴线重叠。对于本领域技术人员而言，返回级总是与流动技术方面的目的相关联，使得返回级的术语范围与涡轮机械的旋转方向的割裂原则上是不适宜的。

根据本发明，导向叶片级的导向叶片的三个型廓部段由于其功能的重点而彼此不同。第一和第三型廓部段与工艺流体的弧形转向极其相关，其中第二型廓部段与流动技术方面的目的相比更少地具有弧形转向。所有三个型廓部段与工艺流体的减速或加速相关联，使得也发生如下高要求的叠加的空气动力学过程。此外，第二型廓部段还特别优选地用于对于在叶片底部处的中间隔板的至少一个固定元件的穿引。本发明很大程度上考虑到上述条件。本发明使在导向叶片的高度延伸上的流动有利地均匀化，其中针对在型廓部段中的L值分别适用：

在第一型廓部段(PS1)中：

θ_OTR(L)≠θ_ITR(L)和(θ_OTR(L)-θ_ITR(L))’≠0，

在第二型廓部段(PS2)中：

θ_OTR(L)＝θ_ITR(L)和(θ_OTR(L)-θ_ITR(L))’＝0

在第三型廓部段(PS3)中：

θ_OTR(L)≠θ_ITR(L)和(θ_OTR(L)-θ_ITR(L))’≠0。

特别适宜的是一个改进的构成方案，其中在第一型廓部段中适用：

θ_OTR(L)-θ_ITR(L)>0，

其中在第三型廓部段(PS3)中适用:

θ_OTR(L)-θ_ITR(L)<0。

本发明的一个有利的改进方案提出，适用：

(θ_OTR(L)-θ_ITR(L))’＝0，对于刚好一个时，

(θ_OTR(L)-θ_ITR(L))’＝0，对于刚好一个时。

中间的第二型廓部段有利地从至多L＝0.4延伸至最小L＝0.6。

为了将中间隔板固定在叶片底部上是有意义的是，导向叶片中的至少一些在第二型廓部段中具有从内轨迹的点延伸至外轨迹的点的留空部，用于将固定元件在内边界轮廓和外边界轮廓之间穿引。优选地，所述留空部朝向横向的叶片型廓表面封闭。特别优选地，留空部具有中央的直的延伸轴线并且尤其可以构成为孔。

在导向叶片分别以入口边缘分别设置在第二部段中，优选在第二部段的弧形转向的区域中设置在关于中央轴线的第一转向角的0°至90°之间时，可以进一步优化返回级的效率。

转向角在返回级中的弧形转向中分别是返回级的相应的穿流方向尤其第一穿流方向在所观察的转向部段的入口处至出口处的轴向径向平面中的投影的角差。

空气动力学方面的一个改进通过如下方式得到，即导向叶片分别以出口边缘分别设置在第四部段中，优选在第四部段的弧形转向的区域中设置在关于轴线的第二转向角的0°至60°之间。

根据本发明的径流式涡轮机械包括已经描述的类型的返回级，其中如下轴线与转子的或承载工作轮的轴的旋转轴线相同，返回级围绕所述轴线环形地延伸。返回级在此沿着第一穿流方向从一个工作轮至位于下游的工作轮引导流动。

特别适宜地，本发明实现，中间直径与出口直径的比小于1.5，尤其小于1.4，其中出口直径是位于返回级上游的工作轮的出口直径，并且中间直径是返回级的从第一部段至第二部段的过渡横截面的直径。

附图说明

下面，参照附图根据特殊的实施例详细阐述本发明。附图示意地示出：

图1示出贯穿具有返回级和工作轮的径流式涡轮机械的壳体的局部的轴向纵剖面；

图2示出根据图1中表明的剖面II-II的横截面示图；

图3示出根据本发明的返回级的导向叶片级连同中间隔板的三维描述；以及

图4示出在返回级的导向叶片级的各个导向叶片的型廓中线的外轨迹和内轨迹之间的周向位置角差变化曲线，其关于沿着第一流动方向归一化为1(无量纲)的型廓路径坐标描绘。

具体实施方式

图1示出径流式涡轮机械RTM的返回级RC，所述径流式涡轮机械构成为径流式涡轮压缩机CO。

在此针对径流式涡轮压缩机CO示例地阐述的构件构造相同地根据本发明也可实现为径流式涡轮膨胀机，其中工艺流体PF在径流式涡轮压缩机CO中沿第一穿流方向FD1穿流这些构件，而在径流式涡轮膨胀机中沿相反的第二穿流方向FD2穿流这些构件。在本文中，只要没有另作说明，叙述始终涉及第一穿流方向FD1。

图1示出局部示出的径流式涡轮机械RTM或径流式涡轮压缩机CO的两个连续被穿流的级的部分，即第一级ST1和第二级ST2的部分，其中在此完全示意地示出在两个级ST1、ST2之间的返回级RTC。两个级ST1、ST2在此示出为具有围绕旋转轴线X可转动地设置的工作轮，即第一工作轮IP1和第二工作轮IP2。

工艺流体PF在图1的示图中以轴向流入并且径向流出的方式沿着第一穿流方向FD1首先穿流第一工作轮IP1。也仅示例性地说明相反地定向的第二穿流方向FD2，如其可能在径流式膨胀机中存在。在下游紧接第一工作轮IP1，工艺流体PF以径向向外流动的方式到达径向向外定向的第一部段SG1并且在那里减速，在下游到达第二部段SG2的大约180°转向部中并且接着到达第三部段SG3的径向向内定向的返回部中。在第三部段SG3下游，工艺流体PF在第四部段SG4中以从径向向内流动转向轴向流动的方式到达第二工作轮IP2中，以便在那里再径向向外加速。

返回级RTC包括叶片底部RR、导向叶片VNS和中间隔板DGP。中间隔板DGP借助于至少一个支架SUP支撑在支承装置中，在此支撑在壳体CAS中，并且在那里定位。支架SUP和壳体CAS的支撑部段在此形状配合地构成为榫槽连接。

以没有详细示出的方式，返回级RTC或叶片底部RR和中间隔板DGP具有接合部，所述接合部在共同的平面中基本上沿着轴线X伸展。对于安装适宜地，所述接合部位于与壳体CAS的未示出的接合部相同的接合平面中。

原则上也可考虑，在两个工作轮之间的转子可分开地构成或者工作轮为了安装目的可彼此轴向移动地构成，使得返回级RTC可以不可分地构成并且在借助环绕的壳体组装之前逐步地与转子的工作轮IP1、IP2一起安装。壳体CAS可以至少水平或竖直分开地构成。

返回级RTC的在图1中示出的常规的构成方案提出，叶片底部RR、导向叶片VNS和中间隔板DGP固定在彼此上。在此，这借助于螺栓SCR进行，所述螺栓借助于虚线简化地示出。为了螺栓SCR在一侧将叶片底部RR充分地固定在中间隔板DGP上并且为了必须具有最小厚度，在另一侧在导向叶片VNS中必须设有足够大的穿孔，使得导向叶片VNS的型廓必须足够厚地构成。

导向叶片沿着第一穿流方向FD1分为三个连续的型廓部段PS：

第一型廓部段PS1，

第二型廓部段PS2，

第三型廓部段PS3。

图2示意地示出贯穿根据本发明的径流式涡轮机械RTM的横截面，如其在图1中用II-II所示出。安装在轴SH上的第一工作轮IP1沿着旋转方向ROT围绕轴线X可转动地支承。示例地，方向径向水平地和竖直地示出。周向位置角θ相对于旋转方向ROT正地伸展。第一工作轮IP1以示例地示出的方式具有导向叶片级的导向叶片IPB。为导向叶片IPB标出出口边缘TEI。返回级RTC在第一工作轮IP1下游延伸。返回级RTC具有导向叶片级VST，其具有导向叶片VNS，在所述导向叶片中仅示例地示出一个导向叶片。示意地示出的导向叶片VNS仅以其入口边缘LER示出。总体上，图2示出在轴SH的旋转方向ROT或工作轮IP1、IP2和周向位置角θ之间的相互关系。

图3三维地示出返回级RTC的部分，即具有导向叶片VNS的导向叶片级VST及其三维构型。

图4示出在型廓中线路径坐标L上标出的外轨迹与内轨迹的周向位置角之间的差的变化曲线，所述型廓中线路径坐标归一化为总长度1地给出。第一替选方案ALT1提出，差首先是正的并且随后在大约0.3L处下降为0并且在那里恒定地伸展直至在大约0.65L处Δθ下降为负。第二替选方案ALT2提出，周向位置角差Δθ首先在入口边缘LER的范围内为正，接着下降为负，在那里具有局部最小值并且再升高直至在大约0.3L处差为0。在那里，Δθ直至大约0.65L保持恒定并且随后升高为正，直至局部最大值，以便接着再下降为负。在这两种情况下，在第一型廓部段PS1中周向位置角差(除了与0轴的交点)不等于0，同样如在第三型廓部段PS3中。在第二型廓部段PS2中在相应的导向叶片VNS的中心得到恒定为0的周向位置角差。

Claims

1.一种径流式涡轮机械(RTM)的用于借助于工艺流体沿着穿流方向穿流的返回级(RTC)，尤其径流式涡轮压缩机返回级(RCC)，

其中所述返回级(RTC)环形地围绕轴线(X)延伸，

其中所述返回级(RTC)径向向内由内边界轮廓(IDC)限定并且径向向外由外边界轮廓(ODC)限定，

其中沿着第一穿流方向(FD1)，所述返回级(RTC)径向向外延伸到第一部段(SG1)中，

其中所述返回级(RTC)在第二部段(SG2)中沿着所述第一穿流方向(FD1)以描绘弧形转向的方式从径向外部向径向内部延伸，

其中所述返回级(RTC)沿着所述第一穿流方向(FD1)在第三部段(SG3)中从径向外部向径向内部延伸，

其中所述返回级(RTC)沿着所述第一穿流方向(FD1)在第四部段(SG4)中以描绘弧形转向的方式从径向内部向轴向延伸，

其中包括导向叶片(VNS)的至少一个导向叶片级(VST)至少沿着所述第三部段(SG3)的一部分延伸，并且所述返回级沿环周方向分段为多个流动通道，

其中所述导向叶片级(VST)的导向叶片(VNS)的型廓横截面(PRC)的型廓中线(PML)分别在所述内边界轮廓(IDC)侧限定内轨迹(ITR)和在所述外边界轮廓(ODC)侧限定外轨迹(OTR)，

其中所述内轨迹(ITR)或外轨迹(OTR)的走向可定义为：

θ(L)＝F_θ(L)

R(L)＝F_R(L)

其中

θ：沿所述径流式涡轮机械(RTM)的旋转方向的周向位置角，其具有在轴(X)上的顶点；

L：沿着相应的所述导向叶片(VNS)的中间高度沿着所述第一穿流方向(FD1)的型廓中线路径坐标，其归一化为总长度1；

F_θ(L)：在所述型廓中线上的位置L和周向位置角θ之间的函数关系；

R：内轨迹(ITR)或外轨迹(OTR)的位置的半径，

其中所述导向叶片(VNS)沿着所述第一穿流方向(FD1)具有三个连续的型廓部段(PS)：

第一型廓部段(PS1)，

第二型廓部段(PS2)，

第三型廓部段(PS3)，

其特征在于，

分别针对型廓部段中的L值适用：

在所述第一型廓部段(PS1)中：

θ_OTR(L)≠θ_ITR(L)和(θ_OTR(L)-θ_ITR(L))’≠0，

在所述第二型廓部段(PS2)中：

θ_OTR(L)＝θ_ITR(L)和(θ_OTR(L)-θ_ITR(L))’＝0

在所述第三型廓部段(PS3)中：

θ_OTR(L)≠θ_ITR(L)和(θ_OTR(L)-θ_ITR(L))’≠0。

2.根据权利要求1所述的返回级(RTC)，

其中在所述第一型廓部段(PS1)中适用：

θ_OTR(L)-θ_ITR(L)>0，

其中在所述第三型廓部段(PS3)中适用:

θ_OTR(L)-θ_ITR(L)<0。

3.根据权利要求1或2所述的返回级(RTC)，其中适用：

(θ_OTR(L)-θ_ITR(L))’＝0，对于刚好一个时，

(θ_OTR(L)-θ_ITR(L))’＝0，对于刚好一个时。

4.根据权利要求1、2或3所述的返回级(RTC)，

其中所述第二型廓部段(PS2)从至多L＝0.4延伸直至至少L＝0.6。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的返回级(RTC)，

其中至少一些所述导向叶片(VNS)在所述第二型廓部段(PS2)中具有从所述内轨迹的点延伸至所述外轨迹的点的留空部，用于在所述内边界轮廓(IDC)和所述外边界轮廓(ODC)之间穿引固定元件。

6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的返回级(RTC)，

其中所述导向叶片(VNS)分别以入口边缘(VLE)分别设置在所述第二部段(SG2)中，优选在所述第二部段(SG2)的弧形转向的区域中设置在第一转向角(BA1)的0°至90°之间。

7.根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的返回级(RTC)，

其中所述导向叶片(VNS)分别以出口边缘(VTE)分别设置在所述第四部段(SG4)中，优选在所述第四部段(SG2)的弧形转向的区域中设置在第二转向角(BA2)的0°至60°之间。

8.一种径流式涡轮机械(RTM)，尤其径流式涡轮压缩机，具有至少一个根据权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的返回级(RTC)，其中所述径流式涡轮机械(RTM)具有能围绕所述轴线(X)转动地支承的转子(ROT)，所述转子包括至少两个工作轮(IP1，IP2)，其中所述返回级(RTC)沿着所述第一穿流方向(FD1)从一个工作轮(IP1，IP2)至下游的工作轮(IP1，IP2)引导流动。

9.根据权利要求8所述的径流式涡轮机械(RTM)，

其中所述工作轮(IP1，IP2)在所述返回级(RTC)上游具有出口直径(D2)，其中所述返回级的从所述第一部段(SG1)至所述第二部段(SG2)的过渡横截面以中间直径(DRR)设置，其中适用：

DRR/D2＜1.5，尤其DRR/D2＜1.4

其中：

D2：工作轮(IP1，IP2)的出口直径

DRR：所述返回级的从所述第一部段(SG1)至所述第二部段(SG2)的过渡横截面的中间直径。