具有粗糙的壁表面的多级的涡轮压缩机的或涡轮膨胀机的返回级 |
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| 申请号 | CN201580052792.X | 申请日 | 2015-09-28 | 公开(公告)号 | CN107076159A | 公开(公告)日 | 2017-08-18 |
| 申请人 | 西门子公司; | 发明人 | 斯文·柯尼希; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种径流式 涡轮 流体 能量 机械的、尤其径流式涡轮 压缩机 (TCO)的返回级(RS)，所述径流式涡轮流体能量机械具有转动轴线(X)，所述返回级(RS)包括环形的流动通道(CH)，所述流动通道用于将流动的工艺流体(PF)从第一 叶轮 (IMP1)的流动开口输送至设置在下游的第二叶轮(IMP2)的流动开口。为了提高效率而提出：所述流动通道(CH)由限界表面区域(SFA)限定，所述限界表面区域中的至少一个沿着环周方向延伸的特定的粗糙区域具有相对于其它区域增大的表面粗糙度(RZ)。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种径流式涡轮流体能量机械的、尤其径流式涡轮压缩机(TCO)的返回级(RS)，所述径流式涡轮流体能量机械具有转动轴线(X)，所述返回级(RS)包括环形的流动通道(CH)，所述流动通道用于将流动的工艺流体(PF)从第一叶轮(IMP1)的流动开口输送至设置在下游的第二叶轮(IMP2)的流动开口， |
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| 说明书全文 | 具有粗糙的壁表面的多级的涡轮压缩机的或涡轮膨胀机的返回级 背景技术[0001] 在径流式涡轮流体能量机械中，尤其在径流式涡轮压缩机中，工艺流体从叶轮或者工作轮被轴向地抽吸并且被径向加速地输出。在多级的构造方式中，所谓的返回级用于将在上游从叶轮输出的工艺流体输送至更下游的另一个工作轮。在此，该返回级不仅具有使工艺流体离开流动方向径向向外转向到轴向的流动方向并且将其供给另一工作轮的功能，而且至少部分地使工艺流体的流动减速并且以这种方式根据伯努利原理提高压力。在此，在将工艺流体输送至另一工作轮时，返回级通常同时构成为径向向外定向的流动路径中的扩散器和径向向内定向的流动路径中的喷嘴。返回级相对于工作轮是静止的，并且设置在返回级中的导向叶片通常改变涡旋从而改变工艺流体的流动方向以准备接下来进入到下游的压缩中。返回级的这种高要求的空气动力学的任务需要谨慎地在流动方面进行设计，以便将压力损失降低到最小并且优化效率。然而，在返回级的径向的扩散器和喷嘴被穿流时，在流动润湿表面处产生由摩擦引起的并且无法避免的压力损失，所述压力损失降低涡轮机的效率。在所给出的关于气体类型、压力和温度的运行条件中，因摩擦引起的局部压力损与局部流动速度以及局部粗糙度或者流动润湿表面的粗糙性相关。通常，在局部流动速度大并且同时被流过的表面的局部粗糙度大的地方出现大的压力损失。 [0002] 从EP 1 433 960 B1中已经已知，借助于抛光处理使引导流动的构件光滑以至压缩机的整体效率提高。通常，对于流动润湿表面而言，在径向的扩散器或者喷嘴中需要相同的最大粗糙度(例如RZ12)，尤其当这些表面由一个构件或者说在一个生产过程中制成时。这种也在EP 1 433 960 B1中提出的处理方法伴随着附加的加工耗费并且导致明显更多成本。 发明内容 [0003] 基于所描述的现有技术，本发明具有下述目的，将返回级的引导流动的区域的表面设计为，使得相对于已知的解决方案在改善涡轮压缩机的效率的同时降低制造耗费，或者必要时保持制造耗费不变。 [0005] 术语，如轴向、切向、径向或者环周方向——如果未另作说明的话——总是关于径流式涡轮压缩机的转动轴线。根据本发明的返回级是环形地围绕转动轴线延伸的构件。该构件能够沿着环周方向分开地或者不分开地构成。优选地，提出沿着环周方向分开的构成方案，以便产生一个或多个返回级的接合部，所述接合部在分开返回级的情况下允许在不拆开转子的情况下分隔转子。原则上，也可以考虑返回级的沿着环周方向不分开的构成方案，尤其在轴向可拆开的转子的情况下。 [0006] 在本发明的上下文中，粗糙度——如果未另作说明的话——总是表示根据DIN EN ISO 4287:1998的单位为[μm]的平均粗糙度Rz。 [0007] 返回级通常以在轴向上分开的方式构成，其中叶片基部将流动通道的径向向外引导的分支与径向向内引导的分支在流动的180°转向的下游分隔开，并且该叶片基部安装在返回级的隔板上，其中隔板一方面用于返回级中的流动引导，并且另一方面用于将返回级固定在涡轮压缩机的其它部件上，例如固定在内壳体上或者固定在包围涡轮压缩机的内束的支承件上。 [0008] 本发明的一个有利改进方案提出，返回级的流动通道可在想象中划分为下述部段。 [0009] 第一部段径向地延伸，并且在第一部段的第一端部处具有朝向设置在上游的叶轮的径向开口。 [0010] 第二部段借助第二部段的第一端部邻接于——在涡轮压缩机的情况下设置在上游的——第一部段的第二端部，并且流动以大约180°从径向方向转向到相反的径向方向中。 [0011] 基本上径向伸展的第三部段借助第一端部邻接于第二部段的——在涡轮压缩机的情况下设置在上游的——第二端部。 [0012] 第四部段径向地借助第四部段的第一端部径向地邻接于——在涡轮压缩机的情况下设置在上游的——第三部段的第二端部。第四部段使流动以大约90°沿着轴向方向转向，并且借助第四部段的第二端部，所述第四部段具有朝向设置在下游的第二叶轮的轴向开口。 [0013] 在这些部段中，优选根据本发明，在不同的位置设有粗糙区域，这将在下文中详细说明。 [0014] 优选地，第一部段中的第一粗糙区域设置在与其它轴向限界表面相比轴向离第三部段轴向更远的那个轴向限界表面上。 [0015] 优选地，在第二部段的第二端部处开始，在第二部段的径向靠内的限界表面上的第二粗糙区域以在沿着流动通道的延伸部的30％至70％之间延伸的方式设置。 [0016] 优选地，第三粗糙区域设置成：在第三部段中直接邻接第二粗糙区域并且在沿着流动通道的5％至40％之间延伸。 [0017] 优选地，第四粗糙区域在第四部段中位于径向靠外的限界表面上。 [0018] 本发明的一个优选的改进方案提出：粗糙区域分别在流动通道的整个环周上延伸。 [0019] 当径流式涡轮流体能量机械是涡轮压缩机时，工艺流体以第一部段、第二部段、第三部段、第四部段的顺序穿流所述部段。 [0020] 当径流式涡轮流体能量机械是涡轮压缩机时，工艺流体以第四部段、第三部段、第二部段、第一部段的顺序穿流所述部段。 [0021] 有意义的是，流动通道的第一部段能够具有导向叶片，以便使流动符合下游所提供的条件。 [0022] 适宜的是，粗糙区域具有20μm [0023] 优选地，不粗糙的区域具有20μm>Rz，尤其优选10μm>Rz的平均粗糙度。 [0024] 在局部的流动速度不能够有意义地匹配于所提供的局部的表面粗糙度的情况下，为了将因摩擦而引起的压力损失保持得尽可能小，应根据本发明相反地使局部的表面粗糙度匹配于局部的流动速度。表面的区域特有的粗糙度根据本发明提出，与在流动速度较低的区域中相比，在流动速度高的区域中流动润湿表面以更小的粗糙度构成。 [0025] 本发明的一个优选的应用提出：返回级具有装有叶片的径向的扩散器或者在径流式涡轮机的情况下具有装有叶片的径向的喷嘴。 [0026] 本发明的另一优选的应用提出：返回级具有无叶片的径向的扩散器或者在径流式涡轮机的情况下具有无叶片的径向的喷嘴。 [0027] 在径向的扩散器或径向的喷嘴中的速度水平在环形腔内径处——即在工作轮外径处——最高并且随着半径的增加——即向外——减小。同时，环形腔壁的流动润湿的待加工的表面随着半径变得更大。通过根据本发明局部地使粗糙度匹配于在径向的扩散器和喷嘴中的流动润湿表面的局部的流动速度水平，降低因摩擦引起的压力损失，而不必须提高构件的制造成本。这尤其由于如下原因实现：结合有较低流动速度的区域中的大面积的较大的所允许的粗糙度的降低的耗费与高流动速度的区域中的小面积的较小粗糙度的提高的耗费相抵。附图说明 [0028] 在下文中借助具体的实施例参考附图详细描述本发明。附图示出： [0029] 图1示出贯穿根据本发明的涡轮压缩机的纵剖面的示意图。 具体实施方式[0030] 图1示出贯穿涡轮压缩机TCO的从第一叶轮IMP1至第二叶轮IMP2的返回级RS的示意性的纵剖面。 [0031] 这两个叶轮IMP1、IMP2是转子R的组成部分，其中叶轮IMP1、IMP2力配合地安装在沿着轴线X延伸的轴SH上。转子R由引导流动的、静止的构件围绕，在此示出所述构件中的返回级RS。多级的涡轮机通常包括多个返回级RS，从第一叶轮IMP1沿着流动方向观察，所述返回级使工艺流体PF在径向的扩散器段之后紧接着以180°转向并朝径向内部回导，并且随后沿着轴向方向转向，以便将工艺流体PF供给位于下游的第二叶轮IMP2，所述第一叶轮在涡轮压缩机TCO的情况下轴向地抽吸工艺流体PF并且径向地将其输出。 [0032] 返回级通常包括叶片基部SB和隔板ZB，所述叶片基部和隔板借助于导向叶片V彼此固定地连接，以在其之间构成流动通道。通常，返回级RS以沿着环周方向分开的方式构成，使得返回级在接合部中的分开实现了从返回级的结构中取出转子。转子在装配时被径向地插入或者在拆卸时被径向地取走。 [0033] 返回级RS相对于转子R在不同的部位具有轴密封件SHS，所述轴密封件会防止在运行时压差或旁流未消耗地减少。 [0034] 为了限定本发明，从第一叶轮IMP1延伸至第二叶轮IMP2的流动通道CH在想象中被分为四个连续的部段S1、S2、S3、S4、即在涡轮压缩机的情况下，沿着流动方向相继设置的部段。在涡轮膨胀机的情况下，反向于流动方向对这些部段S1-S4编号。第一部段S1基本上径向地延伸并且在第一部段S1的第一端部S1E1处具有朝向第一叶轮IMP1的径向开口。第二部段S2借助第二部段S2的第一端部S2E1邻接于第一部段S1的第二端部S1E2，并且使穿过通道CH的流动以大致180°从一个径向方向转向到相反的径向方向。在涡轮压缩机TCO的情况中，流动从径向向外定向转向为径向向内的方向。在第二部段S2上连接有第三部段S3，所述第三部段借助第三部段S3的第一端部S3E1邻接于第二部段S2的第二端部S2E2。该部段基本上径向地伸展并且在涡轮压缩机TCO的情况下从径向更向外朝径向更向内引导流动。第四部段径向地借助第四部段S4的第一端部S4E1径向地邻接于第三部段S3的第二端部S3E2并且使流动朝向第二叶轮IMP2转向大约90°。第四部段S4的第二端部S4E2邻接于第二叶轮IMP2。 [0035] 第一粗糙区域RZ1在第一部段S1中位于与其它轴向限界表面相比轴向离第三部段S3更远的那个轴向限界表面上。 [0036] 从第二部段S2的第二端部S2E2开始，第二粗糙区域RZ2位于第二部段S2的径向靠内的限界表面上。该第二粗糙区域RZ2在沿着第二部段S2的流动通道的延伸部的30％至70％之间延伸。 [0037] 第三粗糙区域RZ3在第三部段S3中直接邻接于第二粗糙区域RZ2，并且在沿着第三部段S3中的流动通道CH的5％至40％之间延伸。 [0038] 第四粗糙区域RZ4在第四部段S4中在径向靠外的限界表面上延伸。 [0039] 原则上可以考虑的是，在四个粗糙区域RZ1-RZ4中并非所有的粗糙区域或者仅一个唯一的粗糙区域设计用于改进涡轮机TCO的效率。通过根据本发明并且根据图1的实施例完整地实现粗糙区域RZ1-RZ4来达到最高的效率增益。原则上可以考虑的是，在流动通道CH的限界表面SFA中以额外粗糙化的方式构成区域RZ1-RZ3，或者限界表面SFA的其它区域相对于粗糙区域RZ1-RZ4设有更低的表面粗糙度，例如借助于抛光。此外也可以考虑的是，提出不仅对粗糙表面RZ1-RZ4进行粗糙化而且对其它的限界表面SFA进行抛光，以便实现根据本发明的效果。 |
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