CN110325743A - 返回级 - Google Patents

Abstract

一种径流式涡轮机械(RTM)的返回级(RCH)，具有至少一个导向叶片级(VST)，其中所述返回级(RCH)环形地围绕轴线(X)延伸，其中所述返回级(RCH)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，其中导向叶片级(VST)包括导向叶片(VNS)，其被绕流的表面(SFC)从位于上游的前缘(LDE)作为压力侧(PRS)和吸入侧(PCS)沿着脊线(SCL)以彼此间隔开型廓横截面(PRC)的方式延伸直至后缘(TLE)，其中在每个型廓横截面(PRC)的脊线(SCL)处的切线相对于径向‑轴向参考平面(PRF)对于所述脊线(SCL)的每个点围成叶片构造角(VCA)，其中在所述前缘(LDE)处的叶片构造角(VCA)和在下游位置处的叶片构造角(VCA)之间的差对于每个型廓横截面(PRC)的脊线(SCL)的每个点限定偏转角(RDA)，其中所述导向叶片(VNS)至少沿着第三部段(SG3)的一部分延伸，其中所述后缘(TLE)设置在所述第三部段(SG3)中，其特征在于，在所述后缘(TLE)处在所述翼展(SPW)的中心，所述偏转角(RDA)总是大于平均总偏转角(RAM)，其中在所述翼展(SPW)的两个端部分别在所述翼展的至少10％处，所述偏转角(RDA)总是小于平均总偏转角(RAM)。

Description

返回级

技术领域

本发明涉及一种径流式涡轮机械的返回级，具有至少一个导向叶片级，其中所述返回级环形地围绕轴线延伸，其中所述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，所述返回级在第一部段中径向向外延伸，其中所述返回级在第二部段中沿着第一穿流方向以描绘弧形偏转的方式从径向外部朝向径向内部延伸，其中所述返回级沿着第一穿流方向在第三部段中从径向外部朝向径向内部延伸，其中所述返回级沿着第一穿流方向在第四部段中以描绘弧形偏转的方式从径向内部朝向轴向延伸，其中导向叶片级包括导向叶片，其中所述导向叶片分别包括沿着翼展延伸的叶身，其被绕流的表面从位于上游的前缘作为压力侧和吸入侧沿着脊线以彼此间隔开型廓横截面的方式延伸直至后缘，其中在每个型廓横截面的脊线处的切线相对于径向-轴向参考平面对于脊线的每个点围成叶片构造角，其中在前缘处的叶片构造角和在下游位置处的叶片构造角之间的差对于每个型廓横截面的脊线的每个点限定偏转角，其中平均总偏转角是在后缘处在翼展上取平均值的偏转角，其中导向叶片至少沿着第三部段的一部分延伸，并且所述返回级沿环周方向被分成流动通道，其中所述后缘设置在第三部段中。

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，下述实施方案涉及作为压缩机的实施方案。本发明原则上正如可应用于膨胀机一样可应用于压缩机，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反向的流动方向。

在工艺流体的减压和偏转的情况下，在径向涡轮膨胀机中发生借助于驱动工作轮将在热力学上储存在工艺流体中的能量转换成技术功。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储存为流动功，所述流动功在热力学上储存在工艺流体中。为此，压缩机的工作轮通常相对于旋转轴线轴向地或倾斜于旋转轴线以轴向速度分量吸入工艺流体，并且借助于相应的工作轮加速和压缩所述工艺流体，所述工作轮也称为叶轮，所述工作轮将工艺流体的流动方向偏转到径向方向上。在多级的径流式涡轮压缩机中，如果下游设有至少一个另外的工作轮，那么返回级在下游邻接于工作轮。

在文献DE102014203251A1、DE 34 303 07 A1和EP 592 803 B1中分别描绘了多级涡轮压缩机的返回级。US 2010/0272564 A1和WO2014072288A1包含对返回级的空气动力学的考虑。

从作者Vishal Jariwala、Louis Larosiliere和James Hardin的会议“Proceedings of the ASME Turbo Expo”卷/年度2016的“Design exploration of areturn channel for multistage centrifugal compressors”文章中，可得到复杂的导向叶片几何形状的分析。所提出的导向叶片分别延伸至返回级的第四部段的90°偏转部中，以便改进出流的在翼展方面的均匀性。这种返回级要耗费地制造并且耗费地装配。

发明内容

基于此，本发明的目的是，改进返回级的空气动力学，而不必接受这种耗费。

为了实现根据本发明的目的，本发明提出根据权利要求1所述的返回级。从属权利要求包含本发明的有利的改进方案。

术语轴向、径向、切向、环周方向等在这种情况下或在该文献中分别基于中心轴线，返回级环形地围绕所述中心轴线延伸。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。

在本发明的术语中，多级的径流式涡轮机械表示：多个工作轮围绕相同的旋转轴线可转动地设置。在这种情况下，工作轮等同于径流式涡轮机械的级。从多级性中得到下述要求：在压缩机的情况下，径向从工作轮流出的工艺流体必须沿旋转轴线的方向再次被向回引导，并且能够以轴向速度分量流入下游级的后续的工作轮中。因此能够实现工艺流体的这种返回的流动引导称为“返回级”。在膨胀机的情况下，构件能够相同地构成并且仅沿相反的方向被穿流。

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的偏转以外，在返回级中根据本发明也设有导向叶片，所述导向叶片至少部分地或完全地抵消由上游工作轮中引起的涡旋，或者甚至给予沿相反方向的涡旋以进入下一下游级。

返回级的根据本发明的优选的实施方式提出，所述整个构件借助于所谓的中间隔板借助于适宜的支架通常支撑在壳体或其它支承装置中并且定向。此外，返回级包括所谓的叶片底部，所述叶片底部与已经阐述的导向叶片固定在中间隔板上，以形成返回通道。通过返回通道，工艺流体流到下一工作轮入口。在该结构中，导向叶片具有两个功能。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，使得尽可能补偿来自上游级的涡旋，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，使得尽管有动态载荷，仍能够确保可靠的保持。

位于返回级中的叶片级包括导向叶片，所述导向叶片将返回级的环形形状沿环周方向分段成各个通道。原则上，所述导向叶片也能够具有中断部(分开)，但是根据本发明优选沿着第一流动方向不中断地构成。所述导向叶片具有相应地展开地也能够二维显示的型廓。如果沿着在环周方向上延伸的中间面剖开返回级的环形通道，二维显示例如是可行的。各个导向叶片的这些剖面能够展开成一个平面，以进行二维显示。导向叶片的上下堆叠的型廓的型廓中心线能够借助于型廓中的内切圆的中心点产生。所述型廓中心线在下文也称为脊线。

借助型廓中心线能够沿着相应的导向叶片的中间高度限定沿着第一流动方向的型廓中心线路径坐标或脊线路径坐标。导向叶片沿着该坐标的长度优选归一化为总长度1或100％。

导向叶片的高度方向当前被定义为垂直于穿流方向——尤其是垂直于第一穿流方向——并且垂直于环周方向取向的方向。叶片的高度或高度方向在该文献中称为叶片的翼展或翼展方向。

导向叶片的直接紧邻于返回级的环形通道的外边界轮廓的型廓中心线在此称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处的型廓横截面的型廓中心线被称为叶片的内轨迹。在这种情况下，返回级的外边界轮廓也称为盖板侧的边界轮廓，因为设置有盖板的工作轮在外边界轮廓的侧上具有这种盖板。工作轮的毂侧的流动轮廓与此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能够称为毂侧的边界轮廓。沿着返回级的复杂的几何形状，内边界轮廓不能总是被视为比沿着穿过返回级的平均流线的相同的位置的外边界轮廓径向更靠内，使得这种替选的表述适于更好的理解。

根据本发明，在翼展中心的偏转角总是大于分别关于导向叶片的后缘的平均总偏转角。本发明的有利的认知在于，导向叶片的这种成形一方面引起后续的工作轮的对于返回级的效率有利的迎流，并且另一方面关于制造和安装方面伴随相对小的耗费。由于前缘优选仅设置在180°偏转部后，并且后缘设置在从径向向内定向的流动到轴向定向的流动的90°偏转部上游，因此导向叶片基本上位于径向伸展的流动通道中，而没有流动的强制性的轴向部分。根据本发明的导向叶片对于流入到工作轮中有利地准备在180°偏转部后并且在转向到轴向方向前的流动，使得导向叶片沿轴向方向延续到下游的偏转部中不是必要的。返回级中的传统的导向叶片形状要么必须接受在翼展方向上的不利的不均匀的流动分布，要么以耗费的方式继续进入返回级的第二部段和/或第四部段的偏转部中，以便确保后续的工作轮的有利的迎流。但是，由于在环周方向上产生的不均匀性，靠近工作轮的后缘导致工作轮的不利的激励。

本发明的一个有利的改进方案提出，后缘分别描绘一直线。在该设计方案中，在偏转角的不同优选借助于翼展的不同的型廓的脊线的不同的曲率来实现。

另一有利的改进方案提出，后缘构成为弯曲的或弯折的。在这种情况下，换言之不涉及后缘的直的实施方案。在这种情况下，后缘的弯曲能够沿环周方向和径向方向构成，并且此外也能够设想这些偏移的任何混合形式。

在该情况下，本发明的一个有利的改进方案提出，在翼展的两个端部处分别至翼展的至少7％，该处的型廓横截面的脊线比平均脊线长度更短地构成。如果例如在柱形的叶片情况下或在非柱形的叶片情况下，在翼展的这两个端部区域中后缘缩短，或者在该部位处叶身略微被切除或切掉，那么能够实现这种实施方案。因此，能够以特别低成本的方式实现在翼展端部的区域中根据本发明原则上需要的最小偏转部。

附图说明

下面借助特定的实施例参考附图详细阐述本发明。附图示意性地示出：

图1示出穿过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示出具有后缘的不同的构型的根据本发明的导向叶片的示意性立体图；

图3结合根据本发明的返回级示出根据本发明的导向叶片的示意性立体图；

图4示出具有相关的返回级的根据本发明的导向叶片的另一实施形式的示意性立体图。

具体实施方式

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

在此示例性地对于径流式涡轮压缩机CO阐述的构件根据本发明也能够实施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并且在径流式涡轮膨胀机中沿相反的第二穿流方向FD2穿流所述构件。除非另作说明，否则在本文献中的描述始终涉及第一穿流方向FD1或径流式涡轮压缩机CO。

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的相继被穿流的两个级的部分，即第一级ST1和第二级ST2的部分，其中在两个级ST1、ST2之间的返回级RCH在这种情况下完全示意性地示出。在此，两个级ST1、ST2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。

在图1的视图中，工艺流体PF首先沿着第一穿流方向FD1以轴向流入和径向流出的方式穿流第一工作轮IP1。也仅示例性地给出相反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以径向向外地流动的方式到达返回级RCH的径向向外指向的第一部段SG1并且在该处减速，在下游到达第二部段SG2的约180°偏转部中，并且随后进入第三部段SG3的径向向内指向的返回部中。在第三部段SG3的下游，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，以便能够在该处再次径向向外加速。

返回级RCH包括叶片底部RR、导向叶片VNS和中间隔板DGP。所述中间隔板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，并且定位在那里。在这种情况下，支架SUP和壳体CAS的支撑部段形状配合地构成为榫槽连接。

以未详细示出的方式，返回级RCH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。对于安装适宜的是，所述接合部处于与壳体CAS的未示出的接合部相同的接合平面中。

原则上也能够设想，转子可分开地构成在两个工作轮之间，或者工作轮构成为可相对于彼此轴向移动，以用于安装目的，使得返回级RTC能够不分开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、IP2一起装配。所述壳体CAS在任何情况下都能够水平或竖直分开地构成。

在图1中示出的返回级RCH的传统构成方案提出，叶片底部RR、导向叶片VNS和中间隔板DGP彼此固定。当前，这借助于螺钉SCR进行，所述螺钉借助于点划线简化地示出。因此，一方面螺钉SCR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强度，另一方面在导向叶片VNS中必须设有足够大的穿通孔，使得导向叶片VNS的型廓必须足够强地构成。

图2示出根据本发明的返回级RCH的导向叶片VNS的示意性立体图。结合轴线X和垂直于所述轴线的径向方向R示出所述导向叶片VNS。在图2中，在不同的部位处标识通过轴线X和径向方向R展开的参考平面PRF，以便图解示出几何关系。

导向叶片VNS包括沿着翼展SPW延伸的叶身VAF，其被绕流的表面SFT从位于上游的前缘LDE作为压力侧PRS和作为吸入侧PCS沿着脊线SCL彼此以型廓横截面PRC间隔开地延伸直至后缘TLE。在翼展的端部，在脊线SCL上绘出两条切线TGT，并且也在翼展的一半1/2SPW上，在脊线SCL处的切线TGT表示：对于每个型廓横截面PRC，对于脊线SCL的每个点限定相对于径向-轴向参考平面PRF的叶片构造角VCR。在前缘LDE处的叶片构造角VCA和在下游位置处的叶片构造角VCA之间的差在此对于脊线SCL的每个点限定偏转角RDA(RDA(SPW,SCL))＝VCA(SPW,SCL＝LDE)-VCA(SPW,SCL))。由此，能够在后缘TLE处确定平均总偏转角RAM作为在翼展SPW上建立的偏转角RDA。

除了弯曲的后缘TLE以外，图2还示出直的后缘TLE’和设有两个弯折部的弯折的后缘TLE”，其通过切除或省去在翼展SPW的两个端部区域中的初始叶身VAF的部分而产生。

图3示出根据本发明的返回级RCH的内置的导向叶片VNS。如下区域基本上从径向外部朝向径向内部沿着工艺流体PF的第一穿流方向FD1延伸，在所述区域中，导向叶片VNS设在返回级RCH中。为了固定所述装置，螺钉SCR沿翼展方向延伸穿过叶身VAF。

图4示出与具有不同地构成的导向叶片VNS的图3相同的情况。图4的导向叶片VNS柱形地构成，并且在翼展SPW的两个端部处具有后缘TLE”的缩减区域。所述实施方案对应于在图2中的三个替选方案之一(TLE”)的视图。

Claims (6)

1.一种径流式涡轮机械(RTM)的返回级(RCH)，具有至少一个导向叶片级(VST)，其中所述返回级(RCH)环形地围绕轴线(X)延伸，

其中所述返回级(RCH)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(RCH)在第一部段(SG1)中径向向外延伸，

其中所述返回级(RCH)在第二部段(SG2)中沿着所述第一穿流方向(FD1)以描绘弧形偏转的方式从径向外向径向内延伸，

其中所述返回级(RCH)沿着所述第一穿流方向(FD1)在第三部段(SG3)中从径向外向径向内延伸，

其中所述返回级(RCH)沿着所述第一穿流方向(FD1)在第四部段(SG4)中以描绘弧形偏转的方式从径向内向轴向延伸，

其中所述返回级(RCH)包括导向叶片(VNS)，其中所述导向叶片(VNS)分别包括沿着翼展(SPW)延伸的叶身(VAF)，所述叶身的被绕流的表面(SFC)从位于上游的前缘(LDE)作为压力侧(PRS)和吸入侧(PCS)沿着脊线(SCL)以彼此间隔开型廓横截面(PRC)的方式延伸直至后缘(TLE)，

其中在每个型廓横截面(PRC)的脊线(SCL)处的切线相对于径向-轴向参考平面(PRF)对于所述脊线(SCL)的每个点围成叶片构造角(VCA)，

其中在所述前缘(LDE)处的叶片构造角(VCA)和在下游位置处的叶片构造角(VCA)之间的差对于每个型廓横截面(PRC)的脊线(SCL)的每个点限定偏转角(RDA)，

其中平均总偏转角(RAM)是在所述后缘(TLE)处在所述翼展(SPW)上取平均值的偏转角(RDA)，

其中所述导向叶片(VNS)至少沿着所述第三部段(SG3)的一部分延伸，并且所述返回级(RCH)沿环周方向被分段成流动通道，

其中所述后缘(TLE)设置在所述第三部段(SG3)中，

其特征在于，

在所述后缘(TLE)处在所述翼展(SPW)的中心，所述偏转角(RDA)总是大于所述平均总偏转角(RAM)，

其中在所述翼展(SPW)的两个端部分别至所述翼展的至少10％处，所述偏转角(RDA)总是小于所述平均总偏转角(RAM)。

2.根据权利要求1所述的返回级(RCH)，其中所述前缘(LDE)分别设置在所述第三部段(SG3)中。

3.根据权利要求1或2所述的返回级(RCH)，其中所述后缘(TLE)分别描绘一直线。

4.根据权利要求1或2所述的返回级(RCH)，其中所述后缘(TLE)弯曲地或弯折地构成。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的返回级(RCH)，其中在所述翼展(SPW)的两个端部分别在所述翼展的至少7％处，该处的型廓横截面(PRC)的脊线(SCL)比平均脊线长度(SLL)更短地构成。

6.根据权利要求1、2、4和5所述的返回级(RCH)，其中除了在所述翼展(SPW)的两个端部处的区域，所述导向叶片(VNS)具有直的前缘并且基本上柱形地构成，其中在所述后缘(TLE)处分别在所述翼展的至少7％处，该处的型廓横截面(PRC)的脊线(SCL)比平均脊线长度(SLL)更短地构成。