壳体铸模、壳体结构系列、用于制造径流式涡轮流体能量机的铸造壳体的方法 |
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| 申请号 | CN201580050712.7 | 申请日 | 2015-09-16 | 公开(公告)号 | CN107073561A | 公开(公告)日 | 2017-08-18 |
| 申请人 | 西门子公司; | 发明人 | 塞巴斯蒂安·胡特; 迪特尔·纳斯; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种用于制造径流式 涡轮 流体 能量 机(RFM)的 铸造 壳体(CAS)的方法，包括下述步骤：a)组合壳体铸模(CASM)，b)对已组合的所述壳体铸模(CASM) 制模 ，c)浇铸所述铸造壳体(CAS)。此外，本发明涉及一种用于制造径流式涡轮流体能量机的铸造壳体的多件式的壳体铸模。本发明涉及一种径流式涡轮流体能量机的结构系列的壳体结构系列。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于制造径流式涡轮流体能量机(RFM)的铸造壳体(CAS)的方法，包括下述步骤： |
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| 说明书全文 | 壳体铸模、壳体结构系列、用于制造径流式涡轮流体能量机的铸造壳体的方法 技术领域[0001] 本发明涉及一种用于制造径流式涡轮流体能量机的铸造壳体的多件式的壳体铸模。本发明涉及一种径流式涡轮流体能量机的结构系列的壳体结构系列。本发明涉及一种用于制造径流式涡轮流体能量机的铸造壳体的方法，所述方法包括下述步骤： [0002] a)组合壳体铸模， [0003] b)对已组合的壳体铸模制模， [0004] c)浇铸壳体。 背景技术[0005] 在下文中，尤其在附图描述中，通常涉及径流式涡轮流体能量机的铸造壳体，即使本发明大部分内容替代地研究壳体铸模。这尤其是由于下述原因：由于制模和浇铸(这对应于形状的复制)，壳体铸模除了对于本发明而言不重要的差别外与铸造壳体的形状相同。 [0006] 在本文中，通常也涉及径流式涡轮流体能量机的特性、优点和特征，其中本发明研究壳体铸模、壳体结构系列和用于产生径流式涡轮流体能量机的铸造壳体的方法。这基于下述原因：径流式涡轮流体能量机的优点是由根据本发明的对象和方法的实现所带来的。这种思想上的拼接在下文中不再重复说明。 [0008] 当前，针对径流式涡轮流体能量机作为径流式涡轮压缩机的构成方案，描述用于径流式涡轮流体能量机的壳体的给定条件，所述壳体已借助于开始提出的对象和方法制造。在径流式涡轮流体能量机的作为径流式涡轮膨胀机的同样根据本发明可行的构成方案中，工艺流体的流动方向在想象中反转，使得例如产生“下游”变为“上游”的命名。 [0009] 根据对径流式涡轮流体能量机的热力学方面的要求，在转子上设有特定数量的转动轮，并且在空气动力学方面调整引导流动的部件，特别地，壳体的螺旋状的收集腔在最后的压缩机级的下游必须被专门地调整，所述螺旋状的收集腔也称为高压螺旋部。 [0010] 径流式涡轮流体能量机通常可提供为紧凑的单元，其具有位于共同平台上的输入装置或者输出装置。在径流式涡轮流体能量机处进行维修或检查时，通常必须打开壳体，其中优选的是，避免关于其它所连接的机组的耗费。特别地，应当必须使径流式涡轮流体能量机的输入装置或者输出装置不运动。 [0011] 可借助于开始限定的对象和方法来制造的壳体优选以锅状构型来构造，使得在壳体上不存在沿着中央轴线或旋转轴线延伸的接合部。因为机器通常水平地架设，所以这种类型的接合部也称为水平接合部。接合部伴随着局部的、在接合部的区域中必要的材料集中，所述材料集中一方面需要结构空间，另一方面需要附加的材料，并且此外引起壳体中的刚度跳变(Steifigkeitssprünge)。在锅状构型中，避免所述水平接合部也具有下述优点：在壳体处有机械负荷和热负荷时，不出现沿着环周方向不对称的变形，所述不对称的变形会引起定向问题和接合部中的泄漏。 [0012] 在本文的术语中，如果未另作说明，对轴线的参考始终表示对壳体的中央延伸轴线的参考。当前，该中央的延伸轴线通常与径流式流体能量机的转子的旋转轴线近似相同或者完全相同，对于所述径流式流体能量机而言，壳体已按照根据本发明的方法并且借助于根据本发明的壳体铸模制造。 [0013] 特别地，如下术语，如轴向，径向、切向或者环周方向参考所述轴线。 [0014] 本发明的优选的应用是将径流式涡轮压缩机、尤其构成为管道压缩机的径流式涡轮压缩机的壳体用于压缩天然气。作为替选方案，径流式涡轮流体能量机的根据本发明的壳体也能够用于膨胀机。基本上，这种构成方案在流动方向相反的情况下是相同的。 [0015] 术语“高压”和“低压”在本文的范畴中应理解为：在根据本发明的机器正常运行时，在低压区域中存在比在高压区域中更低的压力。低压并不一定意味着该处存在的压力水平处于环境压力的数量级中或低于所述数量级。 [0016] 在图5中作为纵剖图示意性地描述了呈径流式压缩机形式的传统径流式涡轮流体能量机。该视图用于图解说明迄今为止的壳体结构。所示出的径流式涡轮流体能量机RFM包括转子R和叶轮IMP，所述转子沿着轴线X延伸，所述叶轮具体沿着流动方向为：第一叶轮IMP1、第二叶轮IMP2和第三叶轮IMP3。工艺流体PF穿过壳体CAS的入口进入机器的内部中，并且借助于叶轮IMP且借助于静态地设置在叶轮之间的隔板被压缩到最终压力上。在第三叶轮IMP3之后，在工艺流体PF通过出口径向地离开壳体CAS之前，所述工艺流体在高压螺旋部HSP中收集。壳体CAS基本上包括壳体罩CCV、在低压侧上的低压盖LPC和在高压侧上的高压盖HPC。 [0017] 高压螺旋部HSP要求大量径向结构空间，使得壳体CAS钟状地构成，以便优化材料需求和结构空间需求，其中由于高压螺旋部HSP而在高压侧上设有更大的外径和内径。 [0018] 相应于此，壳体CAS的高压盖HPC尤其在直径方面必须构成得大，并且由于压力在其厚度方面也必须设计足够的尺寸并且耗费地固定在壳体罩CCV上。高压螺旋部的直径进而高压盖的直径影响机器的整体大小并且引起高成本。 [0019] 由于壳体CAS的所需要的钟形形状，侧面也并非近似圆柱形的，并且侧面的壁是弯曲的。由于高压螺旋部HSP的尺寸而同样钟形构成的内束(Innenbündel)IB仅能够沿着第一轴向安装方向DX1引入到壳体CAS或壳体罩CCV中。通过壳体罩的开口从高压盖HPC起引入内束IB。由于在壳体CAS的内径处也是钟形形状，在安装期间内束IB不能支撑在壳体罩中，使得将内束IB沿着转子借助所谓的马尾件(Schachtelhalm)延长，并且在壳体CAS外部克服转子的重力将马尾件支撑在低压侧上或者在低压盖处(例如EP 2 045 472A1的图3、4、5)，使得内束IB的轴向引入能够沿着第一安装方向DX1在壳体罩CCV的内侧上进行，而内束IB不被妨碍性地接触。 [0020] 这类安装是非常耗费的并且通常需要附加地提供专用工具、尤其马尾件，提供马尾件伴随有显著的附加成本。 [0021] 根据图5的径流式涡轮流体能量机的传统构成方案的另一缺点在于高压盖HPC的巨大尺寸，所述高压盖的直径必须遵循属于内束IB的高压螺旋部HSP。大的直径也引起高压盖HPC的大的厚度，并且需要特别可靠地、静态地相对于壳体罩CCV密封高压盖HPC，其中壳体罩CCV在高压区域中附加地由于借助螺丝SCR固定高压盖HPC而被削弱。高压盖HPC的大的重量除此之外在安装期间也需要特别的措施，以便支撑和引导高压盖HPC，并且需要特别小心，以便在接合过程中不破坏高压盖HPC的密封部。 发明内容[0022] 本发明的目的是，改进壳体铸模、壳体结构系列和用于制造径流式涡轮流体能量机的铸造壳体的方法，使得至少部分地避免在上文中所说明的缺点中的至少一些。 [0024] 此外本发明提出一种新型的壳体铸模。 [0025] 此外本发明提出一种新型的壳体结构系列。 [0027] 根据本发明的方法的特别的优点在于对于径流式涡轮流体能量机而言所需要的壳体的造型的可变性，其中壳体在流动方面有利地提供为铸造构件，并且对于高压螺旋部的大量几何形状而言不必提供相同数量的完整的壳体铸模。可不同选择的高压壳体罩模和低压壳体罩模仅必在分别相对并且待彼此接合的端面上具有相同的几何形状或横截面几何形状，使得确保在组装的模部分之间的尽可能平滑的过渡。以在图3中所示出的实例为出发点，显示出：在可实现用于整个壳体模罩的十个不同几何形状的类型多样性的情况下，仅须提供五个高压部分和两个低压部分。这种节省增加了特别的材料节省，所述材料节省从壳体的作为具有集成的高压螺旋部的铸造构件的造型中得出。本发明所基于的专门的模块化实现了：不将高压螺旋部设置在待引入壳体中的内束上，而是将其构成为壳体的整体的组成部分。由此，减小了内束的直径，使得机器整体上能够以更低的径向结构空间构成。在此，尤其有利的是，高压开口具有比低压开口更小的宽度，并且用于高压开口的盖或高压模盖能够与之相应地非常小地构成从而也能够节省材料地构成。 [0028] 本发明的另一有利的改进方案提出：在组合时能够从不同的高压壳体罩模中选择，哪些不同的高压壳体罩模匹配于同样的高压模盖，或者哪些不同的高压壳体罩模设有能借助于高压模盖封闭的相同的开口。 [0029] 本发明的另一有利的改进方案提出：在组合时能够从不同的低压壳体罩模中选择，哪些不同的低压壳体罩模匹配于同样的低压模盖，或者哪些不同的低压壳体罩模设有能借助于低压模盖封闭的相同的开口。 [0030] 本发明的另一有利的改进方案提出：壳体模罩构成为，使得待借助于其制造的铸造壳体沿着轴向方向不分开地构成。 [0031] 此外适宜的是，壳体模罩构成为，使得待借助于其制造的铸造壳体也沿着环周方向不分开地构成。壳体模罩的沿着轴向方向不分开的构成方案仅涉及罩本身的构成方式，其中该罩借助于已经描述过的高压盖和低压盖轴向可封闭地构成。 [0032] 适宜的是，至少高压螺旋部模的区域构成有加固肋模，使得高压螺旋部模的或高压螺旋部的壁厚能够更小地构成，因为高压螺旋部以这种方式构成为用肋加固。 [0033] 当壳体铸模包括至少一个架设支脚模时，进一步减小构件多样性，借助于所述架设支脚模，至少一个架设支脚能够模塑地成形到其它铸造壳体上。 [0034] 尤其在待制造的径流式涡轮流体能量机的构成方案中特别适宜的是，离开接头模设置为壳体铸模的对于离开接头而言可脱离的组成部分，并且从所述构成和安置中产生沿着离开接头轴线的延伸方向，并且进入接头模设置为壳体铸模的用于进入接头的可脱离的组成部分，其中进入接头沿着进入接头轴线的延伸方向延伸，其中壳体铸模以及接头模的构成和安置构成为，使得在以水平伸展的轴线架设径流式涡轮流体能量机时，进入接头轴线和离开接头轴线基本上位于相同的水平平面中。 [0035] 尤其适宜的是，可借助于本发明制造如下壳体结构系列，所述壳体结构系列分别是径流式涡轮流体能量机的组成部分。 附图说明[0036] 在下文中根据具体的实施例参照附图详细描述本发明。除了所述实施例并且除了详细的回引和由此产生的权利要求的特征组合外，对于本领域技术人员存在在此所公开的特征的其它组合可能性，所述其它组合可能性同样可列入本发明。附图示出： [0037] 图1示出贯穿根据本发明的壳体铸模的示意性的纵剖面， [0038] 图2示出根据本发明的壳体铸模的示意性的三维视图， [0039] 图3示出已组合的壳体铸模的示意性的描述图， [0040] 图4示出具有根据本发明制造的铸造壳体的径流式涡轮流体能量机的示意性的纵剖面， [0041] 图5示出贯穿传统构型的径流式涡轮流体能量机的示意性的纵剖面。 具体实施方式[0042] 图1示出贯穿多件式的(即非一件式的)壳体铸模CASM的纵剖面的示意图，所述壳体铸模包括壳体模罩CCVM、高压模盖HCVM和低压模盖LCVM。图2根据本发明在示意性的三维视图中示出这种壳体的壳体铸模。 [0043] 高压模罩CCVM沿着轴线X从高压侧HPS延伸至低压侧LPS。壳体模罩CCVM在垂直于轴线X的轴向平面中借助于沿着环周方向延伸的接合部SPA划分为高压模罩HPCVM和低压模罩LPCVM。高压模罩HPCVM在轴向区域中构成为高压螺旋部模HSPM，其具有用于离开接头的开口。低压模罩LPCVM具有进入开口IOC，所述进入开口用于进入铸造壳体CAS中的进入接头IFL。在图2的三维视图中示出进入接头模IFLM和离开接头模OFLM。不仅进入接头模IFLM而且离开接头模OFLM沿着轴线、即进入接头轴线IFX或离开接头轴线OFX延伸。壳体铸模CASM优选构成为，使得在以轴线X的水平定向(所述轴线在径流式涡轮能量机RFM完全组合时也作为转子R的旋转轴线存在)架设相应的径流式涡轮能量机时，如也在图2中所描绘的那样，进入接头轴线IFX和离开接头轴线OFX设置在相同的水平平面中。在对图4中示出的径流式涡轮流体能量机RFM的不同的热力学要求下，可分别调整高压螺旋部HSP或高压螺旋部模HSPM的大小。由此，根据本发明的方法提出：在第二步骤中对已组合的壳体铸模CASM制模并且最终在第三步骤中浇铸壳体CAS之前，在第一步骤中进行壳体铸模CASM的组合。壳体铸模CASM的组合利用已经阐述过的壳体铸模罩CCVM的模块性和将其划分为高压模罩HPCM和低压模罩LPCVM来进行。根据热力学的要求，从对不同的低压壳体模罩LPCVM和出自不同模块的适当的高压壳体模罩HPCVM的选择中进行壳体模罩CCVM的组合，如在图3中所示出的那样。 [0044] 图3示出如下可行性：从五个不同的高压壳体模罩HPCVM(HPCVM1至HPCVM5)和两个不同的低压壳体模罩LPCVM(LPCVM1，LPCVM2)中根据方法步骤a)组合壳体铸模CASM。这两个模部分的选择方案的数量在此仅是示例性的。以这种方式，能够以优化的效率选择高压壳体模罩HPCVM，伴随着对此最佳的延伸比、转动轮外径和螺旋部基圆。 [0045] 不同的高压壳体模罩HPCVM尤其通过高压螺旋部模HSPM的不同大小的收集腔SCL来区分。特别地，高压螺旋部模HSPM设有加固模肋FINM，所述加固肋模尤其用于浇铸加固肋，所述加固肋用于加固在图4中所示出的高压螺旋部HSP。 [0046] 高压螺旋部模HSPM具有径向向外指向收集腔的螺旋部入口SPI。高压螺旋部模HSPM的螺旋收集腔SCL从螺旋部入口SPI起径向向外环形地沿着环周方向延伸，并且沿着轴向方向观察从螺旋部入口SPI朝向低压侧LPS延伸。螺旋部出口在此近似割线状地与沿着环周方向延伸的螺旋部收集腔SCL相切。 [0047] 壳体模罩CCVM设有架设支脚模SUPM，其中架设支脚模SUPM不仅在架设时，如所述架设支脚模在上文中已经借助水平延伸的轴线X限定过那样，以第一竖直取向相对地基支撑壳体CAS。除此之外还提出：在架设支脚模SUPM的相对置的侧上在壳体模罩CCVM处同样设有架设支脚模，使得所产生的壳体CAS在水平轴线X中具有用于两个可能的竖直定向的架设支脚。 [0048] 在图4中以纵剖面示意性地描述的径流式涡轮流体能量机RFM具有铸造壳体CAS，所述铸造壳体沿着轴线X延伸。铸造壳体CAS具有壳体罩CCV，所述壳体罩沿着环周方向不分开地构成。水平地以水平延伸的轴线X架设径流式涡轮流体能量机RFM。在图2、4中在更左边表明的侧上，存在铸造壳体CAS的轴向的高压侧HPS。在右边表明的侧上，存在轴向的低压侧LPS。转子R沿着轴线X延伸，所述转子沿轴向从壳体CAS中引导出来。在高压侧HPS上，壳体CAS的壳体罩CCV借助于高压盖HCV相对于周围环境封闭。在低压侧LPS上，壳体罩CCV借助于低压盖LCV相对于周围环境封闭。转子R借助于联接装置CUP在高压侧HPS上与输入装置DRI以传输扭矩的方式连接。 [0049] 在高压侧HPS上存在径向轴承HBR，所述径向轴承安置在高压盖HCV上。在低压侧LPS上存在径向轴承LBR和轴向轴承LBA，所述径向轴承和轴向轴承安置在低压盖LCV上。在高压侧HPS上和在低压侧LPS上分别存在轴密封件，即高压轴密封件HSS和低压轴密封件LSS，以便对转子R和相应的盖之间沿着环周方向延伸的运动间隙进行密封。壳体罩CCV以在垂直于轴线X的轴向平面中延伸的方式、在低压壳体罩LCV和高压壳体罩HCV之间的接合部SPA(图1)中分开地构成并且借助于旋拧装置可拆卸地拼接，所述接合部借助于点划线表示并且在沿着壳体罩CCV的环周方向上延伸，所述旋拧装置通过螺丝SCR表示。壳体罩CCV的构成方案的优选的替选方案在于：壳体CAS的壳体罩CCV以在垂直于轴线X的(在此也借助于接合部SPA(图1)描述)轴向平面中延伸的方式具有低压侧LPS和高压侧HPS之间的沿着环周方向延伸的过渡部，其中由于在铸造法中在制模和浇铸之前进行的、由特定高压模罩和特定低压模罩组合而成壳体铸模，壳体罩沿着轴向方向连续一件式地构成为铸件。以这种方式成功将不同的高压罩几何形状与低压罩几何形状组合，其中铸模可仅设置用于不同的高压罩和低压壳体罩。 [0050] 高压壳体罩HCV设有高压螺旋部HSP，所述高压螺旋部具有收集腔SCL，其中收集腔SCL具有：沿着环周方向切向地并且径向向外取向的离开开口OOC，和壳体CAS或高压壳体罩HPCV的径向向外指向的离开接头OFL。在低压侧LPS上，低压壳体罩LPCV具有：径向的进入开口IOP，和逆着流动方向观察连接到所述进入开口上的、进入到铸造壳体CAS中的进入接头IFL。这些构件在图2中同样如离开接头OFL一样可见。 [0051] 在进入接头IFL中也存在沿着对角线将接头分为两个相同的半部的流动肋GFI(图1)，所述流动肋一方面加固接头而另一方面将入流的工艺流体PF(图2)划分为用于环形的入流室的两个半部的两个基本上相同的体积流。 [0052] 在图2中也可以清楚看到的是，至少在高压螺旋部HSP的区域中在铸造壳体CAS处位于外部的径向延伸的加固肋FIN。在机器水平架设的情况下，这些加固肋FIN优选不仅朝向地面过渡为架设支脚而且转入相反的方向，以便使机器即使在相反的竖直取向中也能够以水平延伸的轴线X架设。 [0053] 当在输入装置DRI的设置相同的情况下流动方向应相反时，这种选择能够是特别适宜的。在图2中除此之外还可以看到，离开接头RFL具有沿着离开接头轴线OFX的延伸方向，并且进入接头IFL具有沿着进入接头轴线IFX的延伸方向，其中铸造壳体CAS构成为，使得在以水平伸展的轴线架设径流式涡轮流体能量机RFM时，离开接头轴线OFX和进入接头轴线IFX基本上位于相同的水平平面中。 [0054] 在图4中在转子R处设有平衡活塞BAP，所述平衡活塞借助于平衡活塞轴密封件BAS将高压室HPC和低压室LPC分开。平衡活塞BAP在轴向方向上朝向高压侧HPS设置在转子R的叶轮IMP旁边。这种相邻于平衡活塞BAP的叶轮IMP由在径流式涡轮流体能量机RFM中处于最高压力水平上的工艺流体PF穿流。平衡管路BAC在进入开口IOP下游将低压室LPC与进入室INC连接。该平衡管路BAC出于这种目的仅连接到壳体罩CCV中的开口上。以这种方式能够通过取下低压盖LCV打开机器，并且能够将由转子和环绕的引导流动的部件构成的内束IBN轴向地从壳体CAS中取出，而不需要拆卸平衡管路BAC。 [0055] 一种用于安装径流式涡轮流体能量机的方法提出下述步骤： [0056] a)架设具有基本上水平定向的轴线X的壳体罩CCV， [0057] b)在低压开口LPO上游设置基本上平行于轴线X延伸的导轨GL，其中低压开口LPO是打开的， [0058] c)提供内束IBN，所述内束至少包括转子R和设置在转子R的叶轮IMP上的引导流动的静止部件，所述静止部件与转子R共同形成可运送的单元， [0059] d)沿着导轨GL将内束IBN引入到壳体罩CCV中；内束IBN在此包括所谓的回导级RRS或隔板作为静止部件，所述静止部件分别在叶轮IMP的下游使工艺流体PF以180℃从径向向外朝着径向向内转向，并且导向位于下游的、轴向地进入后续叶轮中的级。 [0060] 根据本发明，高压螺旋部HSP是壳体CAS的组成部分，所述高压螺旋部具有从高压螺旋部HSP起并且逆着流动方向观察在径向上通入内部的螺旋部入口SPI。从螺旋部入口SPI起，收集腔SCL在下游基本上轴向地朝向低压侧LPS延伸。此外，收集腔SCL位于螺旋部入口SPI的径向外部。 |
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