CN103717903A - 多级离心涡轮机 - Google Patents

Abstract

一种多级离心涡轮机（1），所述多级离心涡轮机包括：-转子组件（3），所述转子组件包括携载第一和第二叶轮（10、11）的轴（4）；-定子（2），所述定子包括通路（5）以供流体从所述第一叶轮（10）的出口侧（10b）流至所述第二叶轮（11）的入口侧（11a）；所述通路（5）包括所述第一叶轮（10）的所述出口侧（10b）下游处的扩散器（6）、所述第二叶轮（11）的所述入口侧（11a）上游处的返回通道（8）以及连接所述扩散器（6）和所述返回通道（8）的弯管（7），多个定子叶片（15）设在所述返回通道（8）中；其中所述返回通道（8）的一部分（8b）由所述第一叶轮（10）限定，所述多个定子叶片（15）至少部分在所述返回通道（8）的所述部分（8b）中延伸。

Description

多级离心涡轮机

技术领域

本发明是涉及多级离心涡轮机，并且涉及用于多级离心涡轮机中的离心叶轮以供尤其（但不排他）用于油气应用。

背景技术

离心涡轮机是这样的转动机器：其中将机械能在工作流体与包括至少一个离心叶轮的转动组件之间进行传递。在油气应用中，在流体通常是气态流体的情况下，离心涡轮机包括了压缩机和膨胀机。压缩机是涡轮机，其是通过使用机械能来增加气态流体压力。膨胀机是涡轮机，其借助一个或多个叶轮中的流体膨胀使用工作气态流体的压力来使机械功在转动组件的轴上产生。

在不可压缩流体、例如水中，离心涡轮机包括泵和涡轮，它们在流体与叶轮之间分别以类似于压缩机和膨胀机的方式传递能量。

通常，在所有情况中，工作流体通过在离心叶轮中沿着径向向外方向流动来与离心机器交换能量，所述径向向外方向从叶片的转动轴到叶轮外围周向边缘定向。

具体来说，压缩机式涡轮机中的离心叶轮将驱动涡轮机的电机所供应的机械能传递到通过加速离心叶轮中的流体来压缩的工作气态流体。当流体的向外移动由扩散器和机器壳体限制时，将叶轮所施予至工作流体的动能转换成压力能量。

离心涡轮机常常在其配备有单个叶轮时称作单级涡轮机，或者在其配备有多个串联叶轮时称作多级离心涡轮机。

多级离心压缩机100的现有技术实施例以总体截面视图在图1中示出。

多级离心压缩机100在输入压力与高于所述输入压力的输出压力之间操作过程气体。过程气体例如可为二氧化碳、硫化氢、丁烷、甲烷、乙烷、丙烷、液化天然气中任何一个，或其组合。

压缩机100包括定子102，包括轴104的转动组件103安装在定子内，所述转动组件携载经串联的多个相同叶轮（在图1的实施例中为三个叶轮110、111、112）。轴104沿着压缩机100的转动轴Y延伸，具有从第一叶轮110至最后一个叶轮112来测量的轴向翼展A。

每个叶轮110、111、112具有典型封闭设计配置，其包括了紧密包围轴104的叶轮轮毂113和在后部叶轮圆盘123与前防护罩119之间延伸的多个转动叶片108。叶轮圆盘123包括：前侧124，所述前侧支撑多个转动叶片108；以及与前侧124相对的后侧125。每个叶轮110、111、112分别包括由前防护罩109上的叶轮入口115限定的低压入口侧110a、111a、112a和由叶轮110、111、112的外围边缘限定的高压出口侧110b、111b、112b。

多级压缩机100被划分成多个级107a、b、c（在图1的实施例中为三级），每级107a、b、c包括多个叶轮110、111、112中的相应叶轮。在第一与第二级107a、b之间，定子102包括通路105以供过程气体从第一叶轮110的出口侧110流至第二叶轮111的入口侧111a。通路105包括出口侧110下游处的扩散器126、入口侧111a上游处的返回通道128以及连接扩散器126与返回通道128的U形弯管127。多个定子叶片115设在返回通道128中，以将过程流体朝着第二叶轮111的入口侧111a引导。沿着与转动轴Y正交的第一径向向外方向引导在扩散器126中流动的过程气体，同时沿着朝转动轴Y定向的第二径向向内方向引导在返回通道128中流动的气体，弯管127提供气流的180°偏转。

类似地是，与通路105相同的通路设在定子102中，以供同一过程气体从第二叶轮111的出口侧111b流至第三叶轮112的入口侧112a。

通路105设在隔板118中，所述隔板在定子102中从串联叶轮110、111、112中的一个叶轮延伸至下一叶轮。隔板118包括第一部分138，所述第一部分从扩散器126和叶轮圆盘123的后侧125轴向、即沿着平行于转动轴Y的轴向方向延伸至返回通道128，并且在轴102与弯管127之间径向、即沿着与转动轴Y正交的径向方向延伸。密封件130设在隔板118的第一部分138之间间隙131中，用以防止过程气体通过间隙131泄漏。隔板118包括第二部分139，所述第二部分从返回通道128轴向延伸至多个级107a、b、c的下一级。迷宫型的叶轮入口密封件140设在每个离心叶轮110、111、112的前防护罩119的叶轮入口与隔板118的相应部分139之间，以便防止流体在每个叶轮110、111、112与相应部分139之间间隔中泄漏出来、从叶轮的高压出口侧泄漏至其低压入口侧。

期望的是，尽可能地减小轴向翼展A，以便减小总体大小、重量并且因此减小涡轮机成本。另外，轴向翼展减小将会导致经改进的转子动态行为，从而改进转动组件的稳定性，这取决于轴向大小与径向大小之间的比率。

发明内容

本发明的目标在于优化多级离心涡轮机设计以使涡轮机轴向尺寸减小。

根据第一实施例，本发明是通过提供一种多级离心涡轮机而来实现所述目标，所述离心涡轮机包括：转子组件，所述转子组件包括携载有至少第一叶轮和第二叶轮的轴；定子，所述定子包括通路以供流体从所述第一叶轮的出口侧流至所述第二叶轮的入口侧；所述通路包括所述第一叶轮的所述出口侧下游处的扩散器、所述第二叶轮的所述入口侧上游处的返回通道以及连接所述扩散器和所述返回通道的弯管，多个定子叶片设在所述返回通道中以将所述流体朝着所述第二叶轮的所述入口侧引导；其中所述返回通道的至少一部分由所述第一叶轮限定，所述多个定子叶片在所述返回通道的所述部分中至少部分延伸。

所述叶轮和叶轮之间的所述隔板设计允许构建这样一种涡轮机：其中所述返回通道在串联的第一叶轮和第二叶轮之间的部分是由第一叶轮圆盘轮廓形成。所述返回通道的此部分包括所述定子叶片的一部分，从而大大利于朝着紧接所述返回通道下游处的所述叶轮引导所述流体。这允许了通过以下方式将隔板轴向翼展减小至最小程度：在多级涡轮机的常规级中,消除所述隔板在所述叶轮圆盘与所述叶轮下游处的所述返回通道之间的部分。这允许了减小所述涡轮机的所述总体轴向翼展。

在第二实施例中，本发明提供了一种用于离心机械的离心叶轮，所述离心机械包括：转子组件，所述转子组件包括携载有至少两个叶轮的轴；定子，所述定子包括通路以供流体从第一叶轮的出口侧流至第二叶轮；所述通路包括所述第一叶轮下游处的扩散器和所述第二叶轮上游处的返回通道，所述返回通道用于引导所述第二叶轮；所述叶轮包括多个转动叶片以及叶轮圆盘，所述叶轮圆盘具有：前侧，所述前侧支撑所述多个转动叶片，以及后侧，所述后侧与所述前侧相反并经过定形，以对所述多级离心涡轮机中的所述返回通道的至少一部分限定。

上文参照本发明的第一实施例描述的相同优点会通过所述第二实施例实现。

所述第一和第二实施例的另外优点特征通过多级离心涡轮机并通过所附权利要求书中所述叶轮实现。

附图说明

结合附图，将从实施例的以下描述清楚本发明的其他目标特征以及优点，在附图中：

-图1是常规离心涡轮机的纵截面图；

-图2是根据本发明的离心涡轮机的纵截面图；

-图3是示出常规离心涡轮机与本发明的离心涡轮机的对比的纵截面图。

具体实施方式

本发明的第一和第二实施例都在图2中示出。

参照图2，一种多级离心涡轮机1由多级离心压缩机组成。涡轮机1包括转动组件3，所述转动组件包括携载经串联的多个叶轮（在图2的实施例中为第一叶轮10、第二叶轮11以及第三叶轮12）的轴4以及定子2，转动组件3安装在定子内。轴4沿着涡轮机1的转动轴Y延伸，具有从第一叶轮10至最后一个叶轮12测量出的轴向翼展B。

壳体2和转子组件3划分成经串联连接的多个（三个）级1a、1b、1c，所述多个级1a、1b、1c分别包括叶轮10、11和12。对于未在下文中描述的部分，压缩机1必须考虑常规情况并与上述图1的压缩机100相同。

每个叶轮10、11、12是防护罩型的并且分别包括由前防护罩9上的叶轮入口9a限定的低压入口侧10a、11a、12a和由叶轮10、11、12的外围边缘13限定的高压出口侧10b、11b、12b。每个叶轮10、12、11进一步地包括多个转动叶片22以及叶轮圆盘23，所述叶轮圆盘具有：前侧24，所述前侧支撑所述多个转动叶片22；以及后侧25，所述后侧与所述前侧24相反。

定子2包括在第一与第二叶轮10、11之间延伸的隔板18，其中提供通路5a以供过程气体从第一叶轮10的出口侧10b流至第二叶轮11的入口侧11a。与通路5a相同，定子2包括第二通路5b，以供同一过程气体从第二叶轮11的出口侧11b流至第三叶轮12的入口侧12a。在通路5a、5b相同的情况下，对通路5a的描述同样用于描述通路5b，所述描述随后将会考虑加以有效、必要的修正。

所述通路5a包括第一叶轮10的出口侧10b下游处的扩散器6、第二叶轮11的入口侧11a上游处的返回通道8以及连接扩散器6和返回通道8的U形弯管7，多个定子叶片15设在返回通道8中以将流体朝着第二叶轮11的入口侧11a引导。

返回通道8包括在弯管7下游处的第一部分8a和紧接第一部分8a下游处的第二部分8b。返回通道8的第一部分8a由隔板18上的第一和第二表面19、20限定。第一和第二表面19、20沿着平行于转动轴Y的轴向方向彼此间隔开来，第一表面19比第二表面20更接近第一叶轮10。

第二表面20延伸超过返回通道8的第一部分8a，以便同样对其第二部分8b限定。

返回通道8的第二部分8b由隔板18的第二表面20并由设在第一叶轮10的叶轮圆盘23的后侧25上的第三表面21限定。第三表面21与隔膜18的第一表面19相邻并与第二表面20轴向间隔开来。第三表面21经过定形以对回通道8的第二部分8b限定，从而利于朝着第二叶轮11的入口侧11a引导流体。

所述多个定子叶片15中的每个叶片15包括第一部分15a，所述第一部分15a在返回通道8在隔板18的第一与第二表面19、20之间的第一部分8a中延伸。所述多个定子叶片15中的每个叶片15包括第二部分15b，所述第二部分15b在返回通道8在隔板18的第二表面20与叶轮圆盘23的后侧25上的第三表面21之间的第二部分8b中延伸。

迷宫型的密封件30设在第一与第三表面19、21之间间隙31中，用以防止流体从第一和第二叶轮10、11的出口侧10b、11b直接流至相应返回通道8而非首先流经相应扩散器6和弯管7。密封件30与参照图1常规解决方案所述密封件130的功能相同，即、防止从每个叶轮10、11的出口侧10b、11b朝着相应下一叶轮11、12泄漏。

密封件30设在叶轮圆盘23的周向边缘13与隔板18在扩散器6与返回通道8之间轴向并在叶轮圆盘23与弯管7之间径向延伸的部分38之间轴向延伸。

密封件30包括多个密封件齿，其可以是转子的、即如图2所示与叶片圆盘制造在一起，或是定子的、即安装在隔板18的部分38上。

在上述多级涡轮机1设计中，返回通道8的第二部分8b由叶轮10的表面限定，同时多个定子叶片15在部分8b中部分延伸。

沿着与转动轴Y正交的第一流动径向方向X1引导在扩散器6中流动的流体，并且沿着朝着转动轴Y定向的第二流动方向X2引导在返回通道8中流动的流体。第一与第二流动方向X1、X2之间的角度W大于180°。角度W的值通常包括在区间185°至210°中。

本发明还可以用于离心膨胀机应用中。

更通常地来说，本发明还可以用于可压缩和不可压缩流体所用离心涡轮机，后一种涡轮机包括泵和水轮机。

叶轮和叶轮之间的隔板设计允许通过以下方式将隔板轴向大小减小至最小程度：相对常规多级涡轮机（图1），消除隔板在叶轮圆盘与叶轮下游处的返回通道之间的部分，换句话说，尽可能地减小隔板18的安装有迷宫形的密封件30的部分38。这可能是通过使用每个叶轮圆盘的后侧对返回通道的一部分限定而来实现。这就允许减小涡轮机总体轴向翼展、尤其是轴向翼展A和B（图3）。因此，本发明即允许实现上述目标以及优点。

另外，本发明会允许实现另外优点。具体来说，实验测试表明作用于在返回通道的第二部分8b中流动而与每个叶轮的转动表面21接触的流体的热学和流体动力学积极效应。叶轮转动有效帮助激励流体，防止或延迟在返回通道中的流体分离。出于上述原因，本申请即允许朝着涡轮机中的第一级后的级的入口侧来更好地引导流体，从而改进总体效率。

本说明书使用实例来公开本发明、包括最佳模式，同时也使所属领域中的任何技术人员都能够实践本发明、包括制造并使用任何装置或系统并且执行所涵盖的任何方法。本发明的专利保护范围由权利要求书界定，并且可以包括所属领域中的技术人员所想出的其他实例。如果此类其他实例具有的结构元素与权利要求书的字面意义相同，或者如果此类其他实例包括的等效结构元素与权利要求书的字面意义并无实质差别，那么此类其他实例也在权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种多级离心涡轮机（1），所述多级离心涡轮机包括：

-转子组件（3），所述转子组件包括携载至少第一叶轮（10）和第二叶轮（11）的轴（4）；

-定子（2），所述定子包括通路（5）以供流体从所述第一叶轮（10）的出口侧（10b）流至所述第二叶轮（11）的入口侧（11a）；所述通路（5）包括所述第一叶轮（10）的所述出口侧（10b）下游处的扩散器（6）、所述第二叶轮（11）的所述入口侧（11a）上游处的返回通道（8）以及连接所述扩散器（6）和所述返回通道（8）的弯管（7），多个定子叶片（15）设在所述返回通道（8）中以将所述流体朝着所述第二叶轮（11）的所述入口侧（11a）引导；

其中所述返回通道（8）的至少一部分（8b）由所述第一叶轮（10）限定，所述多个定子叶片（15）至少部分在所述返回通道（8）的所述部分（8b）中延伸。

2.根据权利要求1所述的多级离心涡轮机（1），其中所述定子（2）包括在所述第一与所述第二叶轮（10、11）之间延伸的隔板（18），并且所述返回通道（8）包括位于所述弯管（7）下游处的第一部分（8a）和紧接所述第一部分（8a）下游的第二部分（8b），所述返回通道（8）的第一部分（8a）由所述隔板（18）上的第一和第二表面（19、20）限定，所述第一和第二表面（19、20）沿着平行于所述轴（4）的转动轴（Y）的轴向方向彼此间隔开，所述返回通道（8）的所述第二部分（8b）由所述隔板（18）的所述第二表面（20）和所述第一叶轮（10）上的第三表面（21）限定，所述第三表面（21）邻接所述第一表面（19）并与所述第二表面（20）轴向间隔开。

3.根据权利要求2所述的多级离心涡轮机（1），其中所述多个定子叶片（15）中的每个叶片包括：

-第一部分（15a），所述第一部分在所述返回通道（8）的所述第一部分（8a）中介于所述隔板（18）的所述第一与所述第二表面（19、20）之间延伸；

-第二部分（15b），所述第二部分在所述返回通道（8）的所述第二部分（8b）中介于所述隔板（18）的所述第二表面（20）与所述第一叶轮（10）的所述第三表面（21）之间延伸。

4.根据权利要求2所述的多级离心涡轮机（1），其中每个叶轮（10、11）包括多个转动叶片（22）和叶轮圆盘（23），所述叶轮圆盘具有：前侧（24），所述前侧支撑所述多个转动叶片（22）；以及后侧（25），所述后侧与所述前侧（24）相反并且其上设有所述第三表面（21）。

5.根据权利要求2所述的多级离心涡轮机（1），其中密封件（30）设在所述第一与所述第三表面（19、21）之间的间隙（31）中，用以防止所述流体从每个叶轮（10、11）的所述出口侧（10b、11b）直接流至相应返回通道（8）。

6.根据权利要求5所述的多级离心涡轮机（1），其中所述隔板（18）包括在所述扩散器（6）与所述返回通道（8）之间轴向延伸并在所述叶轮圆盘（23）与所述通路（5）的所述弯管（7）之间径向延伸的部分（38），所述密封件（30）设在所述隔板的所述部分（38）与所述叶轮圆盘（23）的周向边缘（13）之间。

7.根据权利要求6所述的多级离心涡轮机（1），其中所述密封件（30）是迷宫型的。

8.根据权利要求1所述的多级离心涡轮机（1），其中沿着与所述轴（4）的所述转动轴（Y）正交的第一流动径向方向（X1）引导在所述扩散器（6）中流动的所述流体，并且沿着朝所述转动轴（Y）定向的第二流动方向（X2）引导在所述返回通道（8）中流动的流体，所述第一与第二流动方向（X1、X2）之间的角度（W）大于180°。

9.一种用于多级离心涡轮机（1）的叶轮（10、11），所述多级离心涡轮机包括：

-转子组件（3），所述转子组件包括携载至少两个叶轮（10、11）的轴（4）；

-定子（2），所述定子包括通路（5）以供流体从第一叶轮（10）的出口侧（10b）流至与所述第一叶轮（10）相同的第二叶轮（11）；所述通路（5）包括所述第一叶轮（10）下游处的扩散器（6）和所述第二叶轮（11）上游处的返回通道（8），所述返回通道用于引导所述第二叶轮（11）；所述叶轮（10、11）包括：

-多个转动叶片（22）；以及

-叶轮圆盘（23），所述叶轮圆盘具有：前侧（24），所述前侧支撑所述多个转动叶片（22）；以及后侧（25），所述后侧与所述前侧（24）相反并经过定形以对所述多级离心涡轮机（1）中的所述返回通道（8）的至少一部分进行限定。

10.根据权利要求9所述的叶轮（10、11），其中所述叶轮圆盘（23）包括周向边缘（13）并且密封件（30）设在所述周向边缘（13）与多级离心涡轮机（1）的定子（2）之间。

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