CN116241333A - 径向膨胀机 - Google Patents

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Abstract

一种用于膨胀工艺气体的径向膨胀机，具有壳体并且具有安装在壳体中且包括多个叶片(12)的转子(10)，其中转子(10)的叶片(12)与转子(10)的毂(11)的径向内部毂轮廓(16)和壳体的径向外部壳体轮廓(17)一起限定用于工艺气体的流动通道(13)，待膨胀的工艺气体在径向方向上或基本上在径向方向上进入该流动通道(13)并且经膨胀的工艺气体在轴向方向上或基本上在轴向方向上从该流动通道(13)离开，其中，在子午截面中看到的，转子(10)的径向内部毂轮廓(16)至少在一些周向位置中包括以这样的方式的曲率变化，使得邻近于转子的流动前侧，在子午截面中看到的径向内部毂轮廓(16)向外侧径向弯曲，并且邻近于转子的流动后侧，在子午截面中看到的径向内部毂轮廓(16)向内侧径向弯曲。

Description

径向膨胀机
技术领域
本发明涉及径向膨胀机。
背景技术
基本上，膨胀机和压缩机在涡轮机中是不同的。膨胀机也被称为涡轮并且用于膨胀工艺气体以便在工艺气体的膨胀期间提取能量。压缩机利用能量压缩工艺气体。这里提出的本发明涉及膨胀机，即径向膨胀机。
从实践中已知的径向膨胀机配备有壳体和安装在壳体中的转子，其中转子包括多个叶片。转子的叶片与转子的径向内部毂轮廓和壳体的径向外部壳体轮廓一起限定用于工艺气体的流动通道。待膨胀的工艺气体在径向方向上或基本上在径向方向上进入这些流动通道。经膨胀的工艺气体在轴向方向上或基本上在轴向方向上离开这些流动通道。
为了为径向膨胀机提供尽可能高的效率，期望减少流动通道中的二次流。这然后确保通过流动通道的更好的流动。当用于经膨胀的工艺气体的进一步控制的组件(例如扩散器(diffuser))布置在径向膨胀机的下游时，还可通过径向膨胀机中减少的二次流来提高扩散器的效率。
从这一点出发，本发明基于形成一种具有减少的二次流的新型径向膨胀机的目标。
发明内容
该目标通过根据权利要求1的径向膨胀机被解决。根据本发明，子午截面中看到的，转子的径向内部毂轮廓至少在一些周向位置中包括以这样的方式的曲率变化，使得邻近于转子的流动入口侧，在子午截面中看到的径向内部毂轮廓向外侧径向弯曲，并且邻近于转子的流动出口侧，在子午截面中看到的径向内部毂轮廓向内侧径向弯曲。利用本发明，可提供一种径向膨胀机，在这种情况下，可减少二次流、特别是在转子的流动通道的高度方向上并且因此径向方向上的二次流。特别地，通过毂区域的流动可被改善。径向膨胀机具有提高的效率。
优先地，曲率变化是径向内部毂轮廓的唯一曲率变化。
优先地，在其中在子午截面中转子的径向内部毂轮廓包括曲率变化的那些周向位置中，曲率变化在径向内部毂轮廓的工作长度的5%和45%之间的范围中。特别地优选径向内部毂轮廓的该廓形(contouring)以用于通过径向膨胀机的毂区域的更好的流动，以便最终提高径向膨胀机的效率。
优先地，在其中在子午截面中看到的转子的径向内部毂轮廓包括曲率变化的那些周向位置中，向内侧径向弯曲的毂轮廓的部分的最小曲率半径位于曲率变化之后径向内部毂轮廓的工作长度的5%和30%之间，优选10%和15%之间。该特征还用于改善通过径向膨胀机的毂区域的流动以用于提高效率。
优先地，在其中在子午截面中看到的转子的径向内部毂轮廓包括曲率变化的那些周向位置中，向外侧径向弯曲的毂轮廓的部分的曲率半径和叶片的流动入口边缘的毂侧半径之间的比值大于1。通过这样，在避免二次流的同时可进一步改善流动、特别是通过毂区域的流动。
优先地，在其中在子午截面中看到的转子的径向内部毂轮廓包括曲率变化的那些周向位置中，向内侧径向弯曲的毂轮廓的部分的最小曲率半径和叶片的流动入口边缘的毂侧半径之间的比值小于2。通过这样，在避免二次流的同时还可进一步改善通过毂区域的流动。
根据第一备选方案，在子午截面中看到的，转子的径向内部毂轮廓在周向方向上不同地形成轮廓。特别是当在周向方向上看到的转子的毂轮廓不同地形成轮廓时，转子的毂轮廓周向不对称地被实施。这里，然后优先地在周向方向上邻近的每两个叶片之间形成向外侧径向弯曲到流动通道中的峰部和向内侧径向弯曲的谷部，其中通过这样，可有效地消除特别是马蹄形涡流和通道涡流(它们中的每个表示二次流现象)的形成。在毂轮廓的周向不对称的廓形的情况下，仍可进一步改善通过流动通道特别是在毂区域中的流动，并且甚至进一步提高径向膨胀机的效率。
根据第二备选方案，在子午截面中看到的，转子的径向内部毂轮廓在所有周向位置中相同地形成轮廓。特别是当在周向方向上看到的内部毂轮廓在所有周向位置中相同地形成轮廓时，毂轮廓周向对称地被实施。
本发明的优选的另外的发展从从属权利要求和下面的描述中获得。本发明的示例性的实施例通过附图被更详细地解释但不限于此。
附图说明
附图在此示出：
图1：径向膨胀机的透视图；
图2：通过径向膨胀机的子午截面；
图3：在周向不对称毂轮廓的情况下的通过径向膨胀机的多个子午截面，该多个子午截面在周向方向上邻近的两个叶片之间。
具体实施方式
径向膨胀机，其也可被称为径向涡轮，用于膨胀工艺气体以便在工艺气体的膨胀期间提取能量。
径向膨胀机配备有壳体并且配备有可旋转地安装在壳体中的转子。
图1示出径向膨胀机的转子10，其中转子10包括毂主体11和多个叶片12，该多个叶片12在周向方向U上看到的彼此间隔开并连接到毂主体11。在周向方向U上邻近的每两个叶片12之间形成各自用于工艺气体的流动通道13。
叶片12具有流动前缘14和流动后缘15。在流动前缘14的区域中，待膨胀的工艺气体在径向方向R上或基本上在径向方向R上进入相应的流动通道13。经膨胀的工艺气体在轴向方向上或基本上在轴向方向A上离开相应的流动通道13。
图2示出通过转子10的子午截面，其中本发明涉及在子午截面中看到的转子10的径向内部毂轮廓16的廓形。
此外，径向膨胀机的径向外部壳体轮廓17和叶片12的流动前缘14和流动后缘15的定向在图2中示出。
根据图2，流动前缘14相对于轴向方向A和径向方向R以这样的方式倾斜地设置，使得流动前缘14与毂轮廓16的相交点Si位于半径ri上，该半径ri小于半径ra，其中流动前缘14与壳体轮廓17的相交点Sa位于该半径ra上。半径ri对应于流动前缘14的毂侧半径。
在图2中还示出，流动后缘15与径向内部毂轮廓16的相交点Sx相比于流动后缘15与径向外部壳体轮廓17的相交点Sy在轴向方向A上离相交点Si和Sa具有更短的距离。在其它实施例中，流动后缘15与内部毂轮廓16的相交点Sx也可相比于流动后缘15与径向外部壳体轮廓17的相交点Sy在轴向方向A上离相交点Si和Sa具有相同或更长的距离。
这样的径向膨胀机也被称为斜向(diagonal)膨胀机。
根据本发明，在子午截面中看到的，转子10的径向内部毂轮廓16在一些周向位置中以这样的方式形成轮廓，使得在子午截面中看到的，在这些周向位置中的毂轮廓16包括以这样的方式的曲率变化，使得邻近于转子10的流动前侧或叶片12的流动前缘14，在子午截面中看到的，径向内部毂轮廓16向外侧径向弯曲，并且邻近于转子10的流动后侧或叶片12的流动后缘15，在子午截面中看到的，径向内部毂轮廓16向内侧径向弯曲。
径向内部毂轮廓16包括在其在相交点Si和Sx之间延伸(running)的方向上看到的曲率变化，其中在反转点WP的曲率变化定位在毂轮廓16向外侧径向弯曲的部分和轮廓向内侧径向弯曲的部分之间。
邻近于转子10的流动前侧的毂轮廓16的沿径向向外侧的弯曲在图2中由半径r1来显现。邻近于流动后侧的毂轮廓16的沿径向向内侧的弯曲在图2中由半径r2来显现。
指出的是，在毂轮廓16的工作长度或延伸方向上看到的，从相交点Si开始(emanating)，半径r1变化，正如在相交点Sx的方向上从反转点WP开始看到的，半径r2变化。
在径向内部毂轮廓16的工作长度的每个位置中可存在单独的半径r1或r2，其中在反转点WP，径向内部毂轮廓16不弯曲以便提供曲率变化。
在其中在子午截面中看到的毂轮廓16包括曲率变化的转子12的这样的周向位置中，反转点WP并且因此曲率变化位于径向毂轮廓16的在相交点Si和相交点Sx之间的工作长度的5%和45%之间的范围中，其中相交点Si位于径向内部毂轮廓16的工作长度的0%处并且相交点Sx位于径向内部毂轮廓16的工作长度的100%处。
还提供，在其中在子午截面中看到的径向内部毂轮廓16包括曲率半径的转子10的那些周向位置中，向外侧径向弯曲的毂轮廓16的部分的曲率半径r1和流动前缘14与毂轮廓16的相交点的毂侧半径ri之间的比值大于1。因此：r1/ri>1适用。
还提供，在其中在子午截面中看到的径向内部毂轮廓16包括曲率变化的转子10的那些周向位置中，向内侧径向弯曲的毂轮廓16的部分的最小曲率半径r2 MIN和流动前缘14与毂轮廓16的相交点的毂侧半径ri之间的比值小于2。因此：r2 MIN/ri<2适用。
如已经解释过的，在向外侧径向弯曲的毂轮廓16和向内侧径向弯曲的毂轮廓16之间，反转点WP并且因此曲率变化定位在径向内部毂轮廓16的工作长度的5%和45%之间。同样如已经解释过的，毂轮廓16的曲率的相应的曲率半径r1、r2在反转点WP的上游以及也在反转点WP的下游两者变化。
在此优先地提供，其中毂轮廓16向内侧径向弯曲的在反转点WP的下游的最小曲率半径r2 MIN位于反转点WP之后工作长度的5%和30%之间。
如已经解释过的，在子午截面中看到的毂轮廓16包括至少在一些周向位置中具有曲率变化的上文的廓形。根据本发明的变型，在子午截面中看到的，转子10的径向内部毂轮廓16在周向方向上在所有周向位置中相同地形成轮廓。这然后导致径向内部毂轮廓16在周向方向上的周向对称的廓形。
根据本发明的第二备选方案，在子午截面中看到的转子10的径向内部毂轮廓16在周向方向上不同地形成轮廓。优先地，这以这样的方式发生，使得在周向方向上邻近的两个叶片12之间，在第一子午截面中看到的，径向内部毂轮廓16包括上文描述的曲率变化，并且在第二子午截面中看到的，径向内部毂轮廓16不包括曲率变化，即具有各自在周向方向上变化的曲率半径，使得在周向方向上邻近的两个叶片12之间向外侧径向弯曲的峰部和向内侧弯曲的谷部形成在径向内部毂轮廓16上。在没有曲率变化的子午截面中，径向内部毂轮廓16向内侧连续地径向弯曲，即具有在延伸方向上变化的曲率半径。图3示出在周向方向上间隔开的子午截面的两个叶片12之间的多个径向内部毂轮廓16。向外侧径向弯曲的流动前侧上的毂轮廓16的部分限定相应的峰部，向内侧径向弯曲的毂轮廓16的部分限定相应的谷部，其中邻近于流动前侧形成在径向内部毂轮廓16的延伸方向上看到的谷部和峰部。
特别是当在周向方向上看到的径向内部毂轮廓16在子午截面中变化时，优先地提供，在周向方向上邻近的两个叶片之间，向外侧径向弯曲的毂轮廓16的部分的曲率半径r1和叶片12的流动前缘14的毂侧半径ri之间的比值r1/ri和/或向内侧径向弯曲的毂轮廓16的部分的曲率半径r2和叶片12的流动前缘14的毂侧半径ri之间的比值r2/ri变化和/或沿着径向内部毂轮廓16的工作长度的曲率变化并且因此曲率之间的反转点WP的位置各自变化最大达15%。在这种情况下，还提供，转子10的径向内部毂轮廓16在每种情况下在周向方向上邻近的每两个叶片12之间循环重复。因此，在每两个邻近叶片之间邻近于流动前侧形成峰部和谷部。
根据本发明的径向膨胀机，其具有周向对称形成的轮廓的毂轮廓或周向不对称形成的轮廓的毂轮廓，由于特别是可减少叶片12之间的流动通道的高度方向上的二次流而具有高效率。特别地，存在通过流动通道13的毂区域的更好的流动。特别是在径向膨胀机具有周向不对称形成的轮廓的毂轮廓的情况下，可减少诸如马蹄形涡流和通道涡流的二次流现象。
部件列表
10 转子
11 毂
12 叶片
13 流动通道
14 流动前缘
15 流动后缘
16 毂轮廓
17 壳体轮廓。

Claims (13)

1.一种用于膨胀工艺气体的径向膨胀机，其具有壳体，其中转子(10)安装在所述壳体中并且包括多个叶片(12)，其中，所述转子(10)的所述叶片(12)与所述转子(10)的毂(11)的径向内部毂轮廓(16)和所述壳体的径向外部壳体轮廓(17)一起限定用于所述工艺气体的流动通道(13)，待膨胀的工艺气体在径向方向上或基本上在所述径向方向上进入所述流动通道(13)并且经膨胀的工艺气体在轴向方向上或基本上在所述轴向方向上从所述流动通道(13)离开，其特征在于，在子午截面中看到的，所述转子(10)的所述径向内部毂轮廓(16)至少在一些周向位置中包括以这样的方式的曲率变化，使得邻近于所述转子的流动前侧，在子午截面中看到的所述径向内部毂轮廓(16)向外侧径向弯曲，并且邻近于所述转子的流动后侧，在子午截面中看到的所述径向内部毂轮廓(16)向内侧径向弯曲。
2.根据权利要求1所述的径向膨胀机，其特征在于，所述曲率变化是单个曲率变化。
3.根据权利要求1或2所述的径向膨胀机，其特征在于，在其中在所述子午截面中所述转子(10)的所述径向内部毂轮廓(16)包括所述曲率变化的那些周向位置中，所述曲率变化位于所述径向内部毂轮廓(16)的工作长度的5%和45%之间的范围中。
4.根据权利要求1、2或3所述的径向膨胀机，其特征在于，在其中在所述子午截面中看到的所述转子的所述径向内部毂轮廓(16)包括所述曲率变化的那些周向位置中，向外侧径向弯曲的所述毂轮廓(16)的部分的曲率半径(r1)和叶片(12)的流动前缘(14)的毂侧半径(ri)之间的比值大于1。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的径向膨胀机，其特征在于，在其中在所述子午截面中看到的所述转子(10)的所述径向内部毂轮廓(16)包括所述曲率变化的那些周向位置中，向内侧径向弯曲的所述毂轮廓(16)的部分的最小曲率半径(r2-MIN)和叶片(12)的流动前缘(14)的毂侧半径(ri)之间的比值小于2。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的径向膨胀机，其特征在于，在其中在所述子午截面中看到的所述转子的所述径向内部毂轮廓(16)包括所述曲率变化的那些周向位置中，向内侧径向弯曲的所述毂轮廓(16)的部分的最小曲率半径(r2-MIN)位于所述曲率变化之后所述径向内部毂轮廓的工作长度的5%和30%之间，优选10%和15%之间。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的径向膨胀机，其特征在于，在所述子午截面中看到的，所述转子的所述径向内部毂轮廓(16)在周向方向上不同地形成轮廓。
8.根据权利要求7所述的径向膨胀机，其特征在于，在所述子午截面中看到的，所述转子的所述径向内部毂轮廓(16)在所述周向方向上以这样的方式不同地形成轮廓，使得在所述周向方向上邻近的两个叶片(12)之间，所述转子(10)的所述径向内部毂轮廓(16)在第一子午截面中看到的包括所述曲率变化，并且在第二子午截面中看到的不包括任何曲率变化，使得在所述周向方向上邻近的每两个叶片(12)之间形成向外侧径向弯曲的峰部和向内侧径向弯曲的谷部。
9.根据权利要求7或8所述的径向膨胀机，其特征在于，在所述子午截面中看到的，所述转子的所述径向内部毂轮廓(16)在所述周向方向上以这样的方式不同地形成轮廓，使得在所述周向方向上邻近的两个叶片(12)之间，向外侧径向弯曲的所述毂轮廓(16)的部分的曲率半径(r1)和所述叶片的流动前缘(14)的毂侧半径(ri)之间的比值变化。
10.根据权利要求7至9中的任一项所述的径向膨胀机，其特征在于，在所述子午截面中看到的，所述转子的所述径向内部毂轮廓(16)在所述周向方向上以这样的方式不同地形成轮廓，使得在所述周向方向上邻近的两个叶片(12)之间，向内侧径向弯曲的所述毂轮廓(16)的部分的曲率半径(r2)和所述叶片的流动前缘(14)的毂侧半径(ri)之间的比值变化。
11.根据权利要求7至10中的任一项所述的径向膨胀机，其特征在于，在所述子午截面中看到的，所述转子的所述径向内部毂轮廓(16)在所述周向方向上以这样的方式不同地形成轮廓，使得所述曲率变化的位置沿着所述径向内部毂轮廓(16)的工作长度变化达最大15%。
12.根据权利要求7至11中的任一项所述的径向膨胀机，其特征在于，在所述周向方向上邻近的每两个叶片(12)之间的所述转子的所述径向内部毂轮廓(16)在每种情况下循环重复。
13.根据权利要求1至6中的任一项所述的径向膨胀机，其特征在于，在所述子午截面中看到的，所述转子的所述径向内部毂轮廓(16)在所有周向位置中等同地形成轮廓。
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