CN111801167A - 具有单件式冲击式涡轮的分离组件 - Google Patents

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Abstract

一种分离组件，其包括壳体、在壳体内排出流体的喷射器、以及定位在壳体内并定位成以便与从喷射器排出的流体接触的涡轮。流体使得涡轮在壳体内围绕中心旋转轴线旋转。涡轮包括第一轴向端、第二轴向端和相对于中心旋转轴线从第一轴向端轴向地延伸到第二轴向端的多个轮叶。多个轮叶在多个轮叶中的每一个轮叶之间界定轴向地延伸的通道。第一轴向端是轴向地开放的，使得流体可以畅通无阻地轴向地流过第一轴向端并且流入通道中。喷射器被定位成使得流体的至少一部分通过第一轴向端进入涡轮中。

Description

具有单件式冲击式涡轮的分离组件
相关专利申请的交叉引用
本申请要求于2018年2月2日提交的美国临时专利申请第62/625,624号的优先权和权益，并且该专利申请的内容通过引用以其整体并入本文。
领域
本发明总体上涉及冲击式涡轮(impulse turbines)。
背景
冲击式涡轮组件是旋转系统，在该旋转系统中，来自喷射器的流体流使涡轮旋转，从而将来自流体流的液压能转换成旋转能并将液压动力(其中液压动力等于压力乘以流量)转换为机械动力(其中机械动力等于扭矩乘以速度)。因此，冲击式涡轮组件可以用于为各种装置(诸如旋转过滤或分离装置)提供动力。例如，冲击式涡轮组件可以用于为离心机(例如，液体-颗粒分离器)或空气-油分离器(例如，曲轴箱通风装置)提供动力。有各种类型的冲击式涡轮组件，诸如Turgo型或Pelton型涡轮组件(以及对于每种类型的各种修改)。
图1A-图10示出了具有撞击液体喷射器170的常规冲击式涡轮组件130的各种示例。图1A是常规涡轮组件130的示例，该常规涡轮组件130具有Turgo型式，带有近乎切向的喷射器170(具有轻微的轴向向下倾斜角度)，该喷射器170以有限的接近角(通常大约15°-20°)从上方或下方将流体172排出到常规涡轮组件130中。图1B是组件131的示意性图示，该组件131利用常规Turgo型冲击式涡轮组件130。图2是另一个常规涡轮组件130的示例，该组件130具有带有“分离式叶片(split-bucket)”的Pelton型式，该组件具有排出流体172的切向喷射器170。图3是常规涡轮组件130的示例，该涡轮组件130具有改进的单叶片Pelton型涡轮(single-bucket Pelton-style turbine)，该涡轮具有切向喷射器170，使得流体172通过顶部进入并通过底部排出。图4是常规涡轮组件130的另一个示例，该涡轮组件130具有改进的“两部分式”Pelton型涡轮，其中常规涡轮组件130沿着常规涡轮组件130的顶半部和底半部之间的基本上水平的径向-切向平面(其垂直于用于组装的轴向方向)在中心或中部区域分开。
图5-图10示出了常规涡轮组件130的其他示例。图5和图6示出了如由美国专利第6,925,993号公开的具有封闭底部和改进的单轮叶Pelton型(其中使用了切向喷射器，而不是成一定角度的喷射器)的两部分式常规涡轮组件130的示例，并且图7示出了如由EP2638944公开的类似的两部分式常规涡轮组件130的另一个示例，上述专利的全部公开内容通过引用并入本文。图5-图7中的每个常规涡轮组件130仅具有大约50％的效率。图8和图9示出了常规涡轮组件130的示例，该涡轮组件130为Turgo型，其中喷射器170向下指向常规涡轮组件130或向下与常规涡轮组件130成角度，如分别由GB468557A和GB938967A公开的，上述专利的内容通过引用并入本文。图8和图9还示出了常规涡轮组件130的轮叶132的轮廓和形状的示例。
上面提到的常规涡轮组件130中的每一个具有相对复杂的轮叶曲度，其中轮叶132中的每一个的顶端142具有底切特征(其中轮叶132在顶端142和底端144之间竖直地延伸)。这种底切特征允许常规涡轮组件130更有效且“平滑”或以其他方式改善流体流。然而，这些底切特征导致常规涡轮组件130具有相对复杂的几何形状，这要求常规涡轮组件130包括多个单独的部分。常规涡轮组件130包括至少两个单独的部件或部分，并且在一些情况下，包括22个单独的部件，这些部件需被组装在一起，以便形成或生产常规涡轮组件130，这增大了常规涡轮组件130的复杂性和成本。例如，常规涡轮组件130可以具有针对每个叶片或桨叶的单独的部分，该单独的部分可与轮毂组装，这是用于常规涡轮组件130的现有水力涡轮转轮的正常做法。可替代地，如上所述，图4中的常规两部分式涡轮组件130在彼此附接的顶半部和底半部之间的中部被分开，以形成常规涡轮组件130(意味着轮叶132中的每一个由彼此结合或以其他方式彼此联接的两个不同的部件形成)。此外，利用正常的制造方法和公差，在轮叶132中的每一个的叶片压力面上实现平滑的表面对表面的匹配是特别困难的。如果沿着轮叶132的叶片压力面存在表面不连续性，则层流将沿着轮叶132的表面被破坏，这降低了液压效率。
概述
各种实施方案提供了一种分离组件，该分离组件包括壳体、在壳体内排出流体的喷射器、以及定位在壳体内并定位成以便与从喷射器排出的流体接触的涡轮。流体使得涡轮在壳体内围绕中心旋转轴线旋转。涡轮包括第一轴向端、第二轴向端和相对于中心旋转轴线从第一轴向端轴向地延伸到第二轴向端的多个轮叶。多个轮叶在多个轮叶中的每一个轮叶之间界定轴向延伸的通道。第一轴向端是轴向开放的，使得流体可以畅通无阻地轴向地流过第一轴向端并且流入通道中。喷射器被定位成使得流体的至少一部分通过第一轴向端进入涡轮中。
各种其他实施方案提供了一种用于在分离组件中使用的涡轮，该涡轮设定尺寸成用于定位在分离组件的壳体内，并且可定位成以便与从分离组件的喷射器排出的流体接触，从而使得涡轮在壳体内围绕中心旋转轴线旋转。涡轮包括第一轴向端、第二轴向端和相对于中心旋转轴线从第一轴向端轴向地延伸到第二轴向端的多个轮叶。多个轮叶在多个轮叶中的每一个之间界定轴向延伸的通道。第一轴向端是轴向地开放的，使得流体可以畅通无阻地轴向地流过第一轴向端并且流入轴向延伸的通道中。
根据结合附图时进行的以下的详细描述，这些和其他的特征(包括但不限于保留特征和/或可见特征)连同其组织和操作的方式将变得明显，其中在所有的下文描述的若干个附图中，相似的元件具有相似的标记。
附图简述
图1A是常规涡轮组件的透视图。
图1B是包括图1A的常规涡轮组件的组件的示意性视图。
图2是常规涡轮组件的透视图。
图3是常规涡轮组件的透视图。
图4是常规涡轮组件的透视图。
图5是常规涡轮组件的横截面视图。
图6是通过图5的截面A-A截取的横截面视图。
图7是常规涡轮组件的横截面视图。
图8是常规涡轮组件的俯视图和横截面侧视图。
图9是常规涡轮组件的俯视图和横截面侧视图。
图10是根据一种实施方案的分离组件的横截面视图。
图11是根据另一种实施方案的分离组件的横截面视图。
图12A是根据一种实施方案的涡轮的透视图，该涡轮可以在图10的分离组件内使用。
图12B是示出有不同平面的图12A的涡轮的透视图。
图13是图12A的涡轮的横截面视图。
图14是图1的常规涡轮组件的横截面视图。
图15A是图12A的涡轮的透视图。
图15B是图15A的涡轮的轮叶中的一个的透视图。
图15C是图15A的涡轮的轮叶中的一个的仰视图。
图15D是图15A的涡轮的轮叶中的一个的侧视图。
图15E是图15A的涡轮的轮叶中的一个的后视图。
图16A是图12A的涡轮的俯视图。
图16B是通过图16A的截面16B-16B截取的横截面视图。
图17A是常规涡轮组件的仰视透视图。
图17B是图17A的常规涡轮组件的侧视透视图。
图18A是根据一种实施方案的涡轮的透视图。
图18B是图18A的涡轮的一部分的特写视图。
图19是示出轮叶的数量如何影响图1A的常规涡轮组件和图12A的当前涡轮的效率的曲线图。
图20A是在计算流体动力学(CFD)模拟下的图1A的常规涡轮组件的透视图。
图20B是在CFD模拟下的图12A的涡轮的透视图。
图21是图12A的涡轮的横截面视图。
图22是图1A的常规涡轮组件的横截面视图。
图23是图8的常规涡轮组件的一部分。
图24是喷射器的角度对图12A的常规涡轮组件和图12A的当前涡轮的效率的影响的曲线图。
图25A是图1A的常规涡轮组件的横截面视图。
图25B是在CFD模拟下的图1A的常规涡轮组件的透视图。
图26是图12A的涡轮的横截面视图。
图27是在CFD模拟下的图12A的涡轮的仰视图。
图28是在CFD模拟下的图12A的涡轮的俯视图。
图29是在CFD模拟下的图12A的涡轮的俯视透视图。
图30是在CFD模拟下的图12A的涡轮的仰视透视图。
图31是在CFD模拟下的图12A的涡轮的透视图，其中涡轮的结构被隐藏。
详细描述
总体上参考附图，本文公开的各种实施方案涉及具有液压驱动的涡轮的分离组件。由于与常规涡轮相比进行了各种改进，所以该涡轮被构造成为单件式的且具有Turgo型式，并且仍然保持相对高(即，大于60％)的液压效率。涡轮可以经由加压喷射器(例如用润滑油)以高转速驱动。尽管效率稍有折衷(与具有许多单独的部分的常规涡轮相比)，但由于涡轮的构型(如本文进一步描述的)，本涡轮与常规涡轮组件相比是廉价的。
分离组件
如图10-图11中所示的，分离装置或组件20包括壳体22、冲击式涡轮30和转子部分24，涡轮30被配置为使转子部分24旋转。涡轮30和转子部分24定位在壳体22内并可在壳体22内旋转。分离组件20还包括切向喷嘴或喷射器70，该切向喷嘴或喷射器70被配置用于在壳体22内朝向涡轮30排出流体72并且使流体72进入涡轮30中，以便使涡轮30在壳体22内旋转并允许涡轮30为分离组件20的其余部分提供动力。
分离组件20可以利用各种不同的分离技术，包括但不限于板、通道和各种圆柱形过滤介质。例如，根据如图10中所示的一种实施方案，分离组件20是锥形或圆盘堆叠分离器(stack separator)。根据如图11中所示的另一实施方案，分离组件20是渐开线板/通道堆叠分离器。
分离组件20可以是各种不同的旋转过滤或分离装置，包括但不限于润滑油驱动的产品、离心机(诸如旋转气溶胶或颗粒分离装置、液体-颗粒分离器、气溶胶分离器、液体离心机(具有润滑油旁路)等)、惯性分离器、润滑油分离器和空气-油分离器(诸如旋转曲轴箱通风空气-油分离器(即，例如基于介质、基于轴向通道、基于渐开线等)、曲轴箱窜气油分离器或旋转曲轴箱空气-油分离器)。分离组件20可以用作润滑油离心机，如例如且根据美国专利第6,071,300号中的一种实施方案所描述的，该专利的全部公开内容通过引用并入本文。分离组件20可以用于空气过滤和/或用于排放，并且可以是液压驱动的。此外，分离组件20可以安装到发动机或在发动机内使用。
转子部分24可以包括分离组件20内的各种不同的可旋转部分，并且可以包括例如锥形堆、螺旋轮叶或介质型过滤元件，以便过滤流体，以及将涡轮30可旋转地连接到过滤元件的杆。转子部分24被配置成由涡轮30廉价地旋转或驱动。
喷射器
如图10-图11中所示的，加压和撞击或冲击式流体驱动喷射器70定位在涡轮30附近，以便将流体72引导至涡轮30。喷射器70可以集成在壳体22的一部分内。加压喷射器70将加压流体72(例如，驱动液体)从喷射器70的端部或喷嘴(在比喷射器70的主体更小的直径处)朝向涡轮30排出，以使涡轮30自旋(spin)、旋转或以其他方式转动。流体72的压力或流动导致涡轮30旋转，因此将流动流体72的动能(如根据Bernoulli定律，由压力转换而产生的动能)传递到涡轮30，该动能使涡轮30旋转。
因为涡轮30是Turgo型涡轮，所以喷射器70定位在涡轮30上方并朝向涡轮30向下成角度(相对于涡轮30的水平径向-切向平面)，其中喷嘴的端部指向涡轮30的轮叶32的顶端42并直接将流体72导向涡轮30的轮叶32的顶端42。喷射器70相对于涡轮30的特定角度在本文中进一步描述。
流体72可以是例如液体。根据更具体的实施方案，流体72可以是典型的驱动流体，诸如油(例如，发动机油、润滑油或液压流体)。例如，流体72可以是加压发动机润滑油。如本文进一步描述的，与水相比，流体72具有相对高的工作温度粘度。
涡轮
如图12A-图13、图15A-图16B、图18A-图18B、图20B-图21和图26-图31中所示的，单件式、液压的、冲击式轮或涡轮30是分离组件20内的可旋转部件(如图10-图11中所示的)，其由流体72驱动，以便旋转分离组件20内的转子部分24。更具体地，涡轮30定位在壳体22内，以便被从喷射器70排出的流体72接触、旋转或在旋转方向上液压驱动。因此，涡轮30旋转或驱动转子部分24，使得转子部分24的旋转与涡轮30的旋转相关联。来自喷射器70的进入流体72的力导致涡轮30在分离组件20的壳体22内围绕中心旋转轴线64旋转，从而将流体72的液压动力转换成机械动力。
涡轮30用于将液压动力转换成机械动力，其中液压动力＝压力*流量，并且机械动力＝扭矩*速度。因此，涡轮30从喷射器70接收处于高速的流体72的流。流体72的流体动量通量作为冲击力被传递到涡轮30，该冲击力然后使涡轮30旋转，伴随一些相关联的损失(例如，与从液压到旋转的动力转换相关联的损失)。因此，涡轮30赋予流体“动量变化”或“冲击”，从而将流体72的动量转换成力或扭矩，该力或扭矩使涡轮30旋转并因此使转子部分24旋转。尽管多种不同的转速是可能的，但是在特定实施方案中，转速是每分钟5,000转至10,000转(rpm)。
涡轮30形成为单件材料并因此可以通过廉价的制造工艺来模制或铸造。由于涡轮30由单件材料制成，所以涡轮30不需要不同的部件或部分的任何组装。因此，涡轮30可以廉价地制造，以便以相对高的转速廉价地驱动分离组件20和为分离组件20提供动力。此外，由于涡轮30是分离组件20内的单个的、整体的部件，所以涡轮30不是由不同的部件形成或组装而成的，并且在涡轮30没有出现损坏或破坏的情况下不能进一步分成不同的部件。
涡轮构型
涡轮30具有为Turgo型的冲击式叶片设计(impulse-bucket design)。Turgo型的特征在于，喷射器70向下朝向涡轮30的顶部入口面(即，第一轴向端52)成角度并到达该顶部入口面(即，第一轴向端52)上。对于为Turgo型的涡轮30，喷射器70相对于涡轮30的水平径向-切向平面成一定角度(其中涡轮30的水平径向-切向平面垂直于轴向中心旋转轴线64)。相比之下，在各种现有技术设计的为Pelton型的涡轮中，喷射器是直的切向喷射器并且基本上平行于涡轮的水平径向-切向平面。
如图12A中所示的，涡轮30包括第一轴向端52、第二轴向端54和相对于中心旋转轴线64从第一轴向端52轴向地延伸到第二轴向端54的多个轮叶32。涡轮30的第一轴向端52和第二轴向端54沿着中心旋转轴线64的长度彼此相对。涡轮30和喷射器70相对于彼此定向，使得喷射器70引导流体72的至少一部分通过第一轴向端52进入涡轮30中。第一轴向端52和第二轴向端54都不是轴向封闭的(如图16A-图16B中所示的)，使得流体可以穿过涡轮30(特别是轮叶32)的整个轴向长度在第一轴向端52和第二轴向端54之间轴向地流动并轴向地流过第一轴向端52和第二轴向端54。
如图12A中所示的，涡轮30的整体形状基本上是圆柱形的。涡轮30具有轴向中心旋转轴线64，该轴向中心旋转轴线64延伸穿过中心并沿着涡轮30的轴向长度延伸。中心旋转轴线64在轴向方向上延伸(即，中心旋转轴线64和轴向方向彼此平行)，并且涡轮30围绕中心旋转轴线64旋转。涡轮30可以可选地界定中心轮毂59，该中心轮毂59沿着涡轮30的长度的至少一部分并围绕涡轮30的中心延伸(即，基本上平行于中心旋转轴线64并环绕中心旋转轴线64)。轮毂59的至少一部分可以是中空的，以在涡轮30内提供区域，用于与分离组件20内的特征附接，该特征将涡轮30连接到转子部分24，以允许涡轮30引起转子部分24旋转。轮叶32从轮毂59的外表面延伸。
如在本文中进一步描述的，为了允许涡轮30被构造或形成为单件式、廉价的并且仍然保持相当高的效率，涡轮30不包括某些特征，否则这些特征将需要多部分式涡轮组件(诸如具有穿过中部的裂口的两部分式常规涡轮组件130或具有几十个部分(即，每个叶片和桨叶都有单独的部分)的常规涡轮组件130，如图1-图9中所示的)。相反，涡轮30包括产生这样的效果的其他特征(即，单件、廉价的且具有相当高的效率)。例如，如下面更详细描述的，涡轮30不包括沿着涡轮30的第一轴向端52的任何底切特征，轮叶32的数量减少(与常规涡轮组件130相比)，喷射器70相对于涡轮30的水平径向-切向平面的角度增大(与常规涡轮组件130相比)，并且涡轮30包括在轮叶32中的每一个的顶端42和背侧36之间的倒角46。
图12B示出了延伸穿过涡轮30的各种切片平面(slicing plane)(轴向平面和径向平面两者)。在轮叶32的顶端42处的椭圆形喷射器拦截区块74是当轮叶32在流体72的流下面通过时每个轮叶32拦截来自喷射器70的流体72的区域。
轮叶
涡轮30还包括多重(multiple)或多个(a plurality of)叶片、桨叶或轮叶32(本文中总体上称为“轮叶”)，其被定位和成形为捕获来自喷射器70的流体72的流。因此，喷射器70将流体72朝向轮叶32引导，以便使整个涡轮30旋转。
轮叶32中的每一个包括顶端42和底端44并在顶端42和底端44之间竖直地(即轴向地)延伸。如图12A-图13中所示的，轮叶32中的每一个从涡轮30的第一轴向端52轴向地(例如，沿着中心旋转轴线64的方向)延伸到涡轮30的第二轴向端54。轮叶32的竖直或轴向前缘或顶端42是指轮叶32的最靠近涡轮30的第一轴向端52的端部，并且是轮叶32的最先拦截来自喷射器70的流体72的边缘。轮叶32的底端44是指轮叶32的最靠近涡轮30的第二轴向端54的端部，并且与顶端42相对。每个相应轮叶32的一部分在轮叶32的顶端42和底端44之间相对于轴向方向(该轴向方向平行于中心旋转轴线64)弓起或弯曲(特别是沿着轮叶32的底端44附近的一部分)。因此，在距中心旋转轴线64相同的径向距离处，顶端42在围绕中心旋转轴线64的周向旋转方向上比轮叶32的底端44更靠前(如图12A和图16A中所示的)。
轮叶32中的每一个还从涡轮30的轮毂59的外表面相对于中心旋转轴线64径向地延伸，并且在轮叶32的内部径向边缘(其更靠近中心旋转轴线64)和外部径向边缘38(其更远离中心旋转轴线64)之间相对于径向方向弯曲，使得轮叶32围绕涡轮30的圆周的一部分(例如，围绕中心旋转轴线64)弯曲。轮叶32沿着涡轮30的整个圆周定位并且间隔开。
如图12A、图13和图16A-图16B中所示的，轮叶32在轮叶32中的每一个之间界定轴向地延伸的纵向u形间隙、空间或通道58，以便允许流体72流过轮叶32之间的通道58，并沿涡轮30轴向地引导流体72。通道58从涡轮30的第一轴向端52轴向地延伸到第二轴向端54。
轮叶32各自包括在轮叶32的第一侧上的压力面或弯曲撞击侧或表面34以及在轮叶32的第二侧上的后掠表面(back-swept surface)、背面、吸力面、背表面或背侧36。来自喷射器70的流体72被直接引导至撞击表面34，以便使涡轮在旋转方向上旋转。撞击表面34沿着喷射器70比背侧36更靠近上游(即，背侧36沿着涡轮30的旋转方向比撞击表面34更靠前)。撞击表面34沿着轮叶32的长度的一部分轴向地和径向地向内弯曲(即，沿着轮叶32的长度的中下部部分向内弯曲)，而背侧36沿着轮叶32的长度的一部分沿着类似的曲率轴向地和径向地向外弯曲(即，沿着轮叶32的长度的中下部部分向外弯曲)。轮叶32中的每一个的撞击表面34和背侧36在轮叶32中的每一个的内部径向边缘处连接到(并弯曲进入)涡轮30的轮毂59的外表面。
撞击表面34和背侧36在轮叶32的一侧或外部径向边缘38处会聚。轮叶32的外部径向边缘38在涡轮30的第一轴向端52和第二轴向端54之间轴向地延伸(并且从轮叶32的顶端42延伸到底端44)。
涡轮的第一轴向端
为了廉价地构造为单个件，涡轮30的第一轴向端52不包括“反向拔模斜度(reverse draft)”或任何底切几何特征(包括任何顶板)，并且涡轮30具有“开放顶部”或“开放端部”几何形状，如图13中所示的，这允许涡轮30可直拉模制或铸造。
底切几何特征是阻止、阻挡或阻碍流体72的至少一部分在轴向方向上通过涡轮30的第一轴向端52轴向地进入涡轮30中并沿轮叶32中的每一个的顶端42流过通道58的任何部分、表面或结构。(注意，虽然底切几何特征阻挡了在轴向方向上的流动，但是由于流体72在切向方向上流动或者流体72在底切几何特征之间流动，所以底切几何特征仍然可以允许流体72流入通道58中。)涡轮30不包括任何轴向地阻挡或阻碍流体72在轴向方向上通过第一轴向端52的轴向流动的结构。底切几何特征包括偏离“轴向平行”方向并从例如轮叶32的撞击表面34和/或背侧36(特别是从轮叶32的顶端42)、从轮叶32之间的涡轮30的轮毂59的外表面(特别是轮毂59的顶部区域)或从涡轮30的顶部(例如，沿着第一轴向端52)径向地和/或切向地延伸的任何部分、表面或特征。底切几何特征可以仅包括例如唇缘、突起、延伸部、壁或凸缘。因此，底切几何特征阻挡了轴向流体流过涡轮30的第一轴向端52。这样，涡轮30的第一轴向端52是“轴向开放的”，因为流体可以畅通无阻地轴向地流过第一轴向端52并从涡轮30的第一轴向端52流入轮叶32之间的通道58中。喷射器70和涡轮30定位成使得流体72的至少一部分通过第一轴向端52进入涡轮30中。在本涡轮30的各种特征下，涡轮30的这种构型仍然允许涡轮30具有良好的液压效率，从而将流体72的动量转换成涡轮30上的旋转扭矩。任何性能上的降低都可通过增大喷射器70的角度来补偿，如本文中进一步描述的。
因此，如图13中所示的，轮叶32中的每一个包括轴向或竖直顶部部分43。轮叶32中的每一个的竖直顶部部分43(例如，最靠近轮叶32的顶端42并且包括轮叶32的顶端42的区域)是完全竖直的，并且在轴向方向上平行于中心旋转轴线64(并且因此基本上垂直于沿着涡轮30的第一轴向端52的顶部水平径向-切向平面)线性地延伸(即，在一条基本上直的线上延伸)，以消除任何底切。竖直顶部部分43可以是例如轮叶32的大约上一半或四分之一。涡轮30的第一轴向端52不包括任何底切特征，诸如弯曲或向外切向延伸部(其将轴向地阻挡流体轴向地流入涡轮30的第一轴向端52中)，这使得能够进行单部分式模制或直拉加工。否则，底切特征可能会至少部分地绊住(由于抽出)用于形成轮叶的表面的工具。注意，虽然轮叶32的顶部部分43基本上竖直并且不包括任何底切特征，但是轮叶32中的每一个的底部部分可以包括底切特征(即，沿着轮叶32的底部部分的偏离“轴向平行”方向的特征)，而轮叶32仍然是单个部分。
因为涡轮30的第一轴向端52不具有任何底切特征，所以撞击表面34的在轮叶32中的每一个的顶端42处的部分在涡轮30的旋转方向上比撞击表面34的其余部分更靠前(即，整个撞击表面34的最前部)。
相比之下，如图14的涡轮组件130所示的，常规涡轮组件130的轮叶132中的每一个的顶部部分(其与轮叶132的底端144相比最靠近轮叶132的顶端142)相对于任何旋转轴线弯曲，这沿着常规涡轮组件130的第一轴向端152产生底切特征。更具体地，轮叶132中的每一个的顶端142向前成角度并朝向喷射器170倾斜，以更好地将来自喷射器170的流体172捕获和容纳到轮叶132中的每一个中。轮叶132中的每一个的顶部部分不平行于任何旋转轴线，并且相对于水平径向-切向平面小于90°，这沿着常规涡轮组件130的第一轴向端152产生了底切特征。轮叶132的顶端142处的撞击表面不比撞击表面的其余部分更靠前。特别地，轮叶132的撞击表面的中部是整个撞击表面的最前部。因此，为了形成常规涡轮组件130，轮叶132必须沿着轮叶132中的每一个的中心用分模线分开，或者由于沿着轮叶132中的每一个的顶部部分的这种底切特征，单独的部件必须单独模制并组装到载体轮毂。注意，轮叶132中的每一个的底部部分也包括类似的底切特征。
图15A示出了将流体72分配到涡轮30的轮叶32中的每一个的撞击表面34上的喷射器70。作为参考且根据一种实施方案，图15A中所示的平面间隔大约1.5毫米(mm)。喷射器70以特定的直径排出流体72，该直径等于喷射器70的端部(流体72通过该端部离开喷射器70)的直径JD。图15B-图15D示出了涡轮30的轮叶32中的一个的各种视图。如所示的，除了最靠近轮叶32的顶端42的轮叶32的竖直顶部部分43之外，轮叶32还具有基本上平滑和连续的弯曲部，并且撞击表面34基本上是椭球面或球面的。如上所述，该竖直顶部部分43基本上竖直并平行于中心旋转轴线64。该竖直顶部部分43的高度H可以根据所需的构型而变化。根据一种实施方案，竖直顶部部分43的高度H大约是喷射器70的端部的直径JD的0.5倍，但是也可以是喷射器70的端部的直径JD的大约2倍。
轮叶数
如图16A-图16B中所示的，涡轮30的轮叶32的数目或数量被减少(与常规涡轮组件130相比)，以便在轮叶32中的每一个之间产生足够尺寸的通道58，这增大了沿着轮毂59的圆周的轮叶32中的每一个之间的间距，从而减少了轮叶32重叠的量，并且在轮叶32中的每一个之间提供了近似均匀的空隙轴向间隙57。例如，涡轮30可以包括围绕轮毂59间隔开的13个-15个轮叶32(并且不超过15个轮叶32)，并且轮叶32彼此不重叠。因此，由于轮叶32之间的轴向间隙57，涡轮30可以是工具钢或直拉模制的。相比之下，如图17A-图17B中所示的，常规涡轮组件130严重重叠，并包括22个或更多个轮叶132。通常，为了提高常规涡轮组件130的性能并避免喷射异象(jet-spell)(即，流体172在流体172撞击轮叶132之后立即向外偏转)，会建议轮叶132高度地重叠，这防止流体172的一些动量被捕获并转换成常规涡轮组件130的旋转，这降低了常规涡轮组件130的液压效率。
如图16A中所示的，涡轮30在轮叶32中的每一个之间界定了完整的轴向间隙57。轴向间隙57是轮叶32之间的通道58的一部分，轴向间隙57沿涡轮30的整个长度(即，从涡轮30的第一轴向端52到第二轴向端54)竖直地(或轴向地)无阻碍地笔直延伸，而不受轮叶32的任何表面的阻碍或中断。由于该轴向间隙57，相邻的轮叶32完全分离，并且在平行于中心旋转轴线64的方向上从顶部到底部彼此不重叠。如图16B中所示的，轴向延伸的间隙57在一个轮叶32的背侧36的最后部部分(例如，沿着轮叶32的竖直顶部部分43)到相邻轮叶32的撞击表面34的最前部部分(例如，沿着轮叶32的底端44)之间延伸。
轮叶32的数量的减少略微降低了涡轮30的性能和液压效率，但是允许涡轮30为单部分式设计，而不是多部分式设计。此外，与如本文所述的其他改变相组合，与常规涡轮推荐相比，效率对轮叶数的敏感性显著降低。
涡轮30内的轮叶32的最佳数量取决于涡轮30的各个不同的方面。例如，轮叶32的最佳数量取决于节圆直径与喷射器直径JD的比值。如图18A中所示的，节圆半径(pitchradius)PR是喷射器170的中央纵向轴线和涡轮30的中心旋转轴线64之间的距离，并且节圆半径PR*2＝节圆直径。如图18B中所示的，喷射器直径JD是流体72被释放的喷射器70的端部处的直径。根据一种实施方案，节圆直径为大约26mm并且喷射器直径JD为大约2.6mm，这提供了10:1的节圆直径与喷射器直径比。
各种已发表的参考文献在轮叶的确切“最佳”数量上有所不同。例如，根据来自Zidonis,Audrius&Aggidis,G.A..(2015).Pelton Turbine:Identifying the OptimumNumber of Buckets Using CFD.Journal of Hydrodynamics.28.10.1016/S1001-6058(16)60609-1的图表，通过对比四篇不同的参考文献可以看出，对于比值10:1，推荐的轮叶数量在16到25个之间，其中平均大约为21个轮叶。然而，为了产生该轴向间隙57，本涡轮30却包括围绕轮毂59间隔开的13个-15个轮叶。
图19示出了曲线图，该曲线图示出了通过计算流体动力学(CFD)对常规Turgo型涡轮组件130(如图1A和图20A中所示的)和涡轮30(如图20B中所示的)进行模拟得出的水力效率和轮叶数量之间的相关性。如所示的，常规涡轮组件130的峰值效率为大约72％，而本涡轮30的峰值效率为大约63％。然而，由于轮叶数量的减少(为了消除重叠)而导致的效率损失在常规涡轮组件130中与在本涡轮30中相比是不同的。更具体地，常规涡轮组件130的效率比本涡轮30对轮叶数量的变化更敏感，如所描绘的，相比于本涡轮30的较小的效率范围，常规涡轮组件130的随轮叶数量变化的效率范围更宽(如由图19的曲线图中的效率响应的“平坦度”所描绘的)。因此，减少本涡轮30中的轮叶32的数量不会像将影响常规涡轮组件130中的效率那样影响本涡轮30的效率。此外，如图19中所示的，对于本涡轮30(具有本涡轮30的所有各种特征)的轮叶32的最佳数量为大约15个，而对于常规涡轮组件130的轮叶132的最佳数量为大约22个。
此外，如图17A-图17B中所示的，涡轮30不包括沿第一轴向端52或第二轴向端54定位(并沿轮叶32的径向长度的任何部分延伸)的通常在常规涡轮组件130内使用的顶板或外部支撑环160。该外部环160通常用于支撑、加固和加强常规涡轮组件130的轮叶132，特别是在重型水力发电应用中。然而，外部环160在常规涡轮组件130内产生了底切特征。通过本涡轮30内消除外部环160，涡轮30可以被模制成单个部分，并且涡轮30的效率提高了大约1％。
喷射器的增大的角度
由于涡轮30的第一轴向端52不包括任何底切特征，所以来自喷射器70的流体72竖直地或轴向地向上偏转，这导致流体72立即从轮叶32的顶部溢出。相反，在各种常规涡轮组件130中，由于常规涡轮组件130的第一轴向端152处的底切特征，流体172沿着轮叶132在期望的方向上被获取或向下引导，并因此朝向轮叶132或在轮叶132的底部排出。所需的具有最小剩余速度的向下排放受轮叶的出口角度和轮叶与喷射器之间0.4至0.5的最佳相对速度的影响。
为了引导流体72进入轮叶32，喷射器70以向下的角度A朝向涡轮30的第一轴向端52(并且因此朝向轮叶32中的每一个的顶端42)定向。在常规涡轮组件130中(如图22-图23中所示的)，喷射器170的角度AC相对小，以便使输送到轮叶32的冲击式能量的量最大化。然而，在本涡轮30中，为了减少由于涡轮30的第一轴向端52的构型(即，没有底切特征并且轮叶32的竖直顶部部分43平行于中心旋转轴线64)而导致的流体72的不期望的竖直(反向)排放、飞溅或溢出76的量，喷射器70相对于涡轮30的水平径向-切向平面(其中水平径向-切向平面垂直于竖直(即轴向)中心旋转轴线64)的角度A被增大，并且喷射器70相对于轮叶32以比常规涡轮组件130推荐的角度更陡的角度定向，如图21-图23中所示的。例如，通常，常规涡轮组件130中的喷射器170的角度AC为大约10°-20°(或者，根据一些常规涡轮组件130，为15°-20°)，而本涡轮30中的喷射器70的角度A为大约20°-30°。根据一种实施方案，喷射器70以大约22°-26°或更优选地23°-25°的角度A定位。喷射器70的角度A的这种增大部分地降低了切向喷射器速度(结果导致可用的冲击式能量降低)。然而，由于流体72的竖直溢出减少，净冲击式能量得到补偿。因此，随着喷射器70的角度A的增大，更多的流体72被捕获在涡轮30内(与较小的角度A相比)，并且涡轮30的预测峰值效率仍然是63％。
图24示出了根据CFD模拟常规涡轮组件130(其包括沿着第一轴向端152的接纳和捕获流体172的底切特征，并且具有22个轮叶132)和本涡轮30(其沿着涡轮30的第一轴向端52没有任何底切特征并且具有15个轮叶32)的涡轮效率如何受喷射器的角度增大的影响。如所示出的，在许多常规涡轮组件130中，如果喷射器170的角度AC增大(从15°增大到24°)，则常规涡轮组件130的效率降低(如所预期的)，因为随着角度AC增大，来自流体172的较少动量可以传递到轮叶132。因此，喷射器170的增大的角度AC妨碍了常规涡轮组件130的性能。相反，在本涡轮30中，如果喷射器70的角度A增大(从15°增大到24°)，则涡轮30的效率会出乎意料地增大，尽管从流体72传递到轮叶32的动量减小了。因此，由于涡轮30内的其它设计修改，喷射器70的增大的角度A实际上有助于涡轮30的性能。
轮叶的倒角顶端和背侧
许多常规涡轮组件130通常具有“尖锐的边缘(sharp edge)”，以干净地切穿来自喷射器170的流体172。然而，对于本涡轮30的模制或铸造的单部分式设计，沿轮叶32的顶端形成尖锐的或薄的边缘是困难的，这是因为在模制或铸造过程中难以填充锐边缘。此外，在一些常规涡轮组件130中，轮叶132的顶端42具有平坦顶部，如图25A-图25B中所示的。然而，如图25中的CFD模拟所示的，常规涡轮组件130的轮叶132的顶端42上的平坦顶部产生了一个问题，即平坦顶部导致流体172横跨常规涡轮组件130的顶部水平地偏转(如178处所示的)。
因此，如图26中所示的，为了最小化由于流体72撞击轮叶32中的每一个轮叶的顶端42而导致的流体72在进入涡轮30的入口处的水平偏转78，轮叶32中的每一个包括位于轮叶32中的每一个的背侧36和顶端42之间并沿着轮叶32中的每一个的背侧36和顶端42的斜切边缘或倒角46(即，轮叶32中的每一个的后顶部拐角被倒角)。在具有这个倒角46的情况下，涡轮30仍然可模制成单个部分。倒角46可以是相对于背侧36和顶端42成角度并且在背侧36和顶端42之间基本上线性地延伸的表面。
倒角46的尺寸可以根据期望的构型而变化。例如，倒角46的尺寸可以是轮叶32厚度的20％-80％。更优选地，倒角46的尺寸可以大于轮叶32的厚度的50％。
可替代地，轮叶32中的每一个的顶端42具有圆角半径，其中顶端42的沿着轮叶32的背侧36的拐角是弯曲的、弧形的或圆形的。在上述每种实施方案中，顶端42的沿着撞击表面34的拐角仍然可以相对“尖锐”(即，成90°的角度)。具体而言，顶端42可以近似垂直于撞击表面34的顶部部分并直接邻接撞击表面34的顶部部分且沿着撞击表面34的顶部部分延伸。虽然顶端42也可以近似垂直于背侧36的顶部部分，但是倒角46定位在顶端42和背侧36之间，并且在顶端42和背侧36之间以一定角度延伸。顶端42可以在撞击表面34和倒角46之间线性地延伸。
涡轮效率
由于本涡轮30的各种特征，涡轮30的效率被折衷，但是涡轮30的设计(与常规涡轮组件130相比)被简化，并因此更廉价。例如，在CFD“虚拟测试”中，尽管单件式设计需要设计折衷，但涡轮30实现了相当高的效率(预计63％的效率)，这高于一些常规的两部分式设计。常规涡轮组件130(具有多个部分)在相似的规模和相似的流体和压力下通常具有大约72％的效率。
根据许多CFD模拟(其中一些在图27-图31中示出)，涡轮30的特定构型提供了最佳性能，同时仍可模制为单件式。特别地，绘制在液相边界表面上的速度轮廓提供了关于涡轮30的性能的视觉反馈。图27-图31示出了流体72如何相对于涡轮30流动。如图27-图31中进一步所示的，残留的竖直溢出76的量被最小化。
此外，用于润滑油驱动的产品(例如曲轴箱窜气油分离器或润滑油离心机)的处于小尺寸规模和高液体粘度条件(例如油)下的冲击式涡轮的效率显著低于处于大尺寸规模和在水力发电应用中使用水的冲击式涡轮的效率。冲击式涡轮30和常规冲击式涡轮组件130相对小，并且分别与涡轮30和常规涡轮组件130一起使用的流体72、172具有相对高的液体粘度。相比之下，水力发电涡轮，诸如“微型水力发电(picohydro)”涡轮，通常在尺寸上比涡轮30和常规涡轮组件130大许多倍。此外，水力发电涡轮使用水而不是油来驱动涡轮。水的粘度小于分别与涡轮30和常规涡轮组件130一起使用的流体72、172(例如，发动机油)的粘度的十分之一。例如，水的粘度为大约1cP，并且流体72、172(例如油)的粘度可以为大约10cP-20cP。因此，涡轮30的效率和常规涡轮组件130的效率显著低于在水力发电应用中与水一起使用的大规模涡轮的效率。
“尺度效应”可以用涡轮的雷诺数来表征，如下式所示：
Figure BDA0002662410460000181
其中Re是雷诺数，rho(ρ)是流体的密度，v是流体的平均速度，D是直径，并且μ是流体的粘度。
由于多种不同的因素，特别是流体72、172的粘度、润湿性和“粘性”如何，涡轮30和常规涡轮组件130的雷诺数以及因此的效率相对于水力发电涡轮的雷诺数来说相对受限。例如，涡轮30和常规涡轮组件130的雷诺数通常比水力发电涡轮的雷诺数小至少两到三个数量级。因此，涡轮30和常规涡轮组件130比水力发电涡轮效率更低。通常，水力发电涡轮(甚至小型水力发电涡轮)的水力效率范围在大约70％-90％之间。常规涡轮组件130的效率(如由CFD流体体积(volume of fluid,VOF)模型所确定的)范围在大约30％-70％之间，这取决于设计细节和为避免喷射器-叶片干扰、喷射溢出和其他设计相关问题而采取的措施。
如本文所使用的，术语“约”、“大约”、“基本上”以及类似的术语旨在具有与本公开的主题所属领域中的普通技术人员普遍和接受的用法一致的广泛的意义。如本文所使用的术语“大约”是指参考测量值、位置或尺寸的±5％。查阅本公开的本领域的技术人员应理解，这些术语旨在允许对所描述和要求保护的某些特征进行说明，而不将这些特征的范围限制到所提供的精确的数值范围。因此，这些术语应被解释为指示所描述和要求保护的主题的非实质性或无关紧要的修改或改变被认为在如所附权利要求中所述的本发明的范围内。
如本文所使用的术语“联接”、“连接”、“附接”以及类似术语意指两个构件直接或间接地连结到彼此。这样的连结可以是固定的(例如，永久的)或可移动的(例如，可移除的或可释放的)。这样的连结可以在以下情况下实现：两个构件或两个构件和任何附加的中间构件彼此一体地形成为单个整体；或者两个构件或两个构件和任何附加的中间构件附接至彼此。
本文中对元件的位置(例如，“顶部”、“底部”、“上方”、“下方”等)的引用仅用于描述图中各种元件的定向。应当指出的是，根据其他的示例性实施方案，不同元件的定向可以不同，并且这种变化旨在被本公开所涵盖。
值得注意的是，各种示例性实施方案的结构和布置仅仅是说明性的。虽然在本公开中只详细描述了几种实施方案，但审阅本公开的本领域技术人员应容易认识到，很多修改(例如，在各种元件的大小、尺寸、结构、形状和比例、参数的值、安装布置、材料的使用、颜色、定向等方面的变化)是可能的，而实质上不偏离本文所述的主题的新颖性教导和优点。例如，元件的位置可以倒置或者以其它方式改变，并且分立的元件或位置的性质或数目可以发生改变或变化。根据可替代的实施方案，任何工艺或方法步骤的顺序或次序可以改变或者重新排列。也可在各种示例性实施方案的设计、操作状况和布置上做出其他替代、修改、变化和省略，而不偏离本发明的范围。

Claims (22)

1.一种分离组件，包括：
壳体；
喷射器，所述喷射器在所述壳体内排出流体；以及
涡轮，所述涡轮定位在所述壳体内并且定位成以便与从所述喷射器排出的所述流体接触，所述流体使得所述涡轮在所述壳体内围绕中心旋转轴线旋转，
所述涡轮包括第一轴向端、第二轴向端和多个轮叶，所述多个轮叶相对于所述中心旋转轴线从所述第一轴向端轴向地延伸到所述第二轴向端，所述多个轮叶在所述多个轮叶中的每一个之间界定轴向延伸的通道，所述第一轴向端是轴向开放的，使得流体能够畅通无阻地轴向地流过所述第一轴向端并且流入所述通道中，
其中所述喷射器被定位成使得所述流体的至少一部分通过所述第一轴向端进入所述涡轮中。
2.如权利要求1所述的分离组件，其中所述涡轮形成为单个件。
3.如权利要求1所述的分离组件，其中所述多个轮叶中的每一个在顶端和底端之间轴向地延伸，其中所述顶端比所述底端更靠近所述涡轮的所述第一轴向端，其中所述多个轮叶中的每一个包括平行于所述中心旋转轴线延伸的竖直顶部部分。
4.如权利要求1所述的分离组件，其中所述多个轮叶中的每一个在顶端和底端之间轴向地延伸，所述顶端比所述底端更靠近所述涡轮的所述第一轴向端，其中所述多个轮叶中的每一个包括在其第一侧上的撞击表面和在其第二侧上的背侧，其中来自所述喷射器的所述流体被直接引导至所述撞击表面，
并且其中，所述撞击表面的在所述多个轮叶中的每一个的所述顶端处的部分在所述涡轮的旋转方向上比所述撞击表面的其余部分更靠前。
5.如权利要求1所述的分离组件，其中所述涡轮在所述多个轮叶中的每一个轮叶之间以及在所述通道内界定了完整的轴向间隙，所述轴向间隙从所述涡轮的所述第一轴向端轴向无阻碍地笔直地延伸到所述第二轴向端。
6.如权利要求1所述的分离组件，其中所述多个轮叶中的相邻的轮叶在平行于所述中心旋转轴线的轴向方向上彼此不重叠。
7.如权利要求1所述的分离组件，其中所述涡轮的所述第一轴向端和所述第二轴向端都不被封闭，使得流体能够畅通无阻地轴向地在所述第一轴向端和所述第二轴向端之间流动并且流过所述第一轴向端和所述第二轴向端。
8.如权利要求1所述的分离组件，其中所述涡轮不包括沿着所述多个轮叶的径向长度的任何部分延伸的板或环。
9.如权利要求1所述的分离组件，其中所述喷射器相对于所述涡轮的水平径向-切向平面以一定角度定位，并且其中所述涡轮的所述水平径向-切向平面垂直于所述中心旋转轴线。
10.如权利要求9所述的分离组件，其中所述喷射器的所述角度相对于所述涡轮的所述水平径向-切向平面为大约22°至26°。
11.如权利要求1所述的分离组件，其中所述喷射器朝向所述涡轮的所述第一轴向端向下成角度。
12.如权利要求1所述的分离组件，其中所述多个轮叶中的每一个在顶端和底端之间轴向地延伸，其中所述顶端比所述底端更靠近所述涡轮的所述第一轴向端，其中所述多个轮叶中的每一个包括在其第一侧上的撞击表面和在其第二侧上的背侧，其中来自所述喷射器的所述流体被直接引导至所述撞击表面，并且其中所述多个轮叶中的每一个包括位于所述多个轮叶中的每一个轮叶的背侧和顶端之间的倒角。
13.如权利要求12所述的分离组件，其中所述顶端基本上垂直于所述撞击表面和所述背侧的相应的顶部部分。
14.如权利要求12所述的分离组件，其中所述倒角相对于所述顶端和所述背侧成角度，并且在所述顶端和所述背侧之间基本上线性地延伸。
15.如权利要求1所述的分离组件，其中所述涡轮包括围绕所述涡轮的轮毂间隔开的13个至15个轮叶。
16.如权利要求1所述的分离组件，其中所述多个轮叶中的每一个在顶端和底端之间轴向地延伸，所述顶端比所述底端更靠近所述涡轮的所述第一轴向端，其中在距所述中心旋转轴线相同的径向距离处，所述多个轮叶中的每一个轮叶的所述顶端在所述涡轮的旋转方向上比所述多个轮叶中的每一个轮叶的所述底端更靠前。
17.如权利要求1所述的分离组件，其中所述多个轮叶中的每一个在顶端和底端之间轴向地延伸，所述顶端比所述底端更靠近所述涡轮的所述第一轴向端，其中所述多个轮叶中的每一个轮叶在所述多个轮叶中的每一个轮叶的所述顶端和所述底端之间相对于轴向方向弯曲，其中所述轴向方向平行于所述中心旋转轴线。
18.如权利要求1所述的分离组件，其中所述多个轮叶中的每一个轮叶在内部径向边缘和外部径向边缘之间相对于径向方向弯曲。
19.一种用于在分离组件中使用的涡轮，所述涡轮被设定尺寸成用于定位在所述分离组件的壳体内，并且能够定位成以便与从所述分离组件的喷射器排出的流体接触，从而使得所述涡轮在所述壳体内围绕中心旋转轴线旋转，所述涡轮包括：
第一轴向端，
第二轴向端，以及
多个轮叶，所述多个轮叶相对于所述中心旋转轴线从所述第一轴向端轴向地延伸到所述第二轴向端，所述多个轮叶在所述多个轮叶中的每一个轮叶之间界定轴向延伸的通道，所述第一轴向端是轴向开放的，使得流体能够畅通无阻地轴向地流过所述第一轴向端并且流入所述轴向地延伸的通道中。
20.如权利要求19所述的涡轮，其中所述涡轮形成为单个件。
21.如权利要求19所述的涡轮，其中所述涡轮在所述多个轮叶中的每一个轮叶之间以及在所述通道内界定了完整的轴向间隙，所述轴向间隙从所述涡轮的所述第一轴向端轴向无阻碍地笔直地延伸到所述第二轴向端。
22.如权利要求19所述的涡轮，其中所述多个轮叶中的相邻的轮叶在平行于所述中心旋转轴线的轴向方向上彼此不重叠。
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