用于在朗肯循環(huán)中使有機(jī)工作流體膨脹的方法和渦輪的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明描述一種用于在朗肯循環(huán)中使有機(jī)工作流體膨脹的方法，其包括將所述工作流體供應(yīng)到渦輪機(jī)上的步驟，所述渦輪機(jī)配備有與約束到關(guān)于對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)的軸上的多個(gè)轉(zhuǎn)子葉片陣列交替的多個(gè)定子葉片陣列，以界定對應(yīng)的渦輪機(jī)級(jí)。有利的是，所述方法包括以下其它步驟：a)在所述渦輪機(jī)的一個(gè)或多個(gè)徑向級(jí)中引起所述工作流體的第一次膨脹，b)使退出所述徑向級(jí)的所述工作流體在相對于所述旋轉(zhuǎn)軸線的軸向以及切向的方向上轉(zhuǎn)移，以及c)在所述渦輪機(jī)的一個(gè)或多個(gè)軸向級(jí)中引起第二次流體膨脹。步驟b)對應(yīng)于所述工作流體的焓變，所述焓變等于經(jīng)提供用于完成在所述渦輪機(jī)中的所述流體膨脹的平均焓變的至少50％。本發(fā)明進(jìn)一步描述一種用于在朗肯循環(huán)中使有機(jī)工作流體膨脹的渦輪機(jī)，所述渦輪機(jī)允許執(zhí)行所述以上方法。
【專利說明】用于在朗肯循環(huán)中使有機(jī)工作流體膨脹的方法和渦輪機(jī)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于在朗肯循環(huán)中使有機(jī)工作流體膨脹的方法以及一種允許實(shí) 施此類方法的渦輪機(jī)。本申請案主張?jiān)?011年12月20日提交的第BS2012A000008號(hào)意 大利專利申請案的優(yōu)先權(quán)。

【背景技術(shù)】
[0002] 朗肯類型的熱力學(xué)循環(huán)通常利用首字母縮略詞0RC "有機(jī)朗肯循環(huán)"來標(biāo)識(shí)，所述 循環(huán)在對應(yīng)的設(shè)備中用于使用具有高分子質(zhì)量的有機(jī)工作流體以熱能為起始來產(chǎn)生電能。
[0003] 例如，0RC設(shè)備用于以固體生物質(zhì)為起始來聯(lián)合產(chǎn)生電能和熱能，可替代地使用工 業(yè)過程的廢熱、來自原動(dòng)機(jī)或地?zé)嵩吹臒峄厥铡?br> [0004] 例如，供應(yīng)有生物質(zhì)的0RC設(shè)備通常包括：
[0005] -供應(yīng)有燃料生物質(zhì)的燃燒室；
[0006] -經(jīng)提供以將燃燒煙氣/氣體的一部分熱量給予熱傳遞流體（例如，導(dǎo)熱油）的熱 交換器，所述熱量通過中間電路來傳遞；
[0007] -經(jīng)提供以將中間熱傳遞流體的一部分熱量給予將蒸發(fā)的工作流體的熱交換器；
[0008] -供應(yīng)有汽態(tài)工作流體的渦輪機(jī)；以及
[0009] -通過渦輪機(jī)啟動(dòng)的用于產(chǎn)生電能的發(fā)電機(jī)。
[0010] 在燃燒室中，熱傳遞流體（例如，導(dǎo)熱油）被加熱到高達(dá)通常等于約300°c的溫 度。熱傳遞流體在閉合回路中循環(huán)，從而穿過前面提到的有機(jī)工作流體在其中蒸發(fā)的熱交 換器。工作流體的蒸汽在渦輪機(jī)中膨脹，從而產(chǎn)生機(jī)械能，隨后所述機(jī)械能通過連接到渦輪 機(jī)自身的軸上的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化成電能。隨著在渦輪機(jī)中對應(yīng)的膨脹將結(jié)束，工作流體的蒸汽 在適當(dāng)?shù)睦淠髦心Y(jié)，從而將熱量給予在設(shè)備下游作為熱載體用于（例如）區(qū)域加熱的 在80°C到90°C下的冷卻流體（通常是水）。工作流體供應(yīng)到熱傳遞流體所穿過的熱交換 器，從而完成在閉合回路中的循環(huán)。
[0011] 所產(chǎn)生的電能可以用以啟動(dòng)設(shè)備的輔助裝置和/或它可以被引入到配電網(wǎng)絡(luò)中。
[0012] 在以渦輪機(jī)中的工作流體的高膨脹比及高焓變?yōu)樘卣鞯?RC設(shè)備中，渦輪機(jī)配備 有三個(gè)或更多個(gè)級(jí)，其中利用術(shù)語"級(jí)"來意指定子葉片陣列以及對應(yīng)的轉(zhuǎn)子葉片陣列的組 合件。
[0013] 隨著渦輪機(jī)級(jí)的數(shù)目增加超過一定限度，使用串聯(lián)連接的兩個(gè)渦輪機(jī)將會(huì)便于單 個(gè)發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)。因此，采用兩個(gè)二者均具有三個(gè)級(jí)的渦輪機(jī)，而不是將單個(gè)渦輪機(jī)中的級(jí) 的數(shù)目增加至（例如）多達(dá)六個(gè)級(jí)或更多。
[0014] 例如，在由 申請人:設(shè)計(jì)的用于產(chǎn)生5麗功率的設(shè)備中，使用利用對應(yīng)的軸相對于 單個(gè)發(fā)電機(jī)在相反的兩側(cè)連接到該單個(gè)發(fā)電機(jī)上的兩個(gè)軸流式渦輪機(jī)（一個(gè)在高壓下且 另一個(gè)在低壓下），而不是使用具有六個(gè)級(jí)的既定以3. OOOrpm旋轉(zhuǎn)的單個(gè)軸流式渦輪機(jī)。
[0015] 如前面所描述的一個(gè)解決方案，具有若干個(gè)潤輪機(jī)的解決方案具有超過一個(gè)技術(shù) 和經(jīng)濟(jì)類的缺點(diǎn)。設(shè)備必須配備有用于將渦輪機(jī)耦合到發(fā)電機(jī)上的多個(gè)異徑管、除高壓進(jìn) 氣閥之外用于使蒸汽流入低壓渦輪機(jī)中的閥門、用于渦輪機(jī)之間的流體連接的隔熱管道、 雙軸承等。這引起生產(chǎn)成本，以及用于啟動(dòng)、停止和操作設(shè)備的技術(shù)困難的增加。
[0016] 美國專利申請案2008/0252077描述了用于應(yīng)用到0RC設(shè)備中的渦輪機(jī)（第11 段）。所述渦輪機(jī)是徑向向心式的，具有單個(gè)級(jí)，因此工作流體的膨脹實(shí)質(zhì)上經(jīng)過渦輪機(jī)自 身的軸線發(fā)生；排出實(shí)質(zhì)上在軸向方向上發(fā)生。
[0017] 在與前面所描述的領(lǐng)域不同的領(lǐng)域中，已經(jīng)提出配備有與軸向級(jí)交替的徑向級(jí)的 燃?xì)鉁u輪機(jī)。
[0018] 例如，美國專利3, 462, 953描述了用于航空應(yīng)用因此未根據(jù)朗肯循環(huán)操作的燃?xì)?渦輪機(jī)，其包括在進(jìn)入渦輪機(jī)中的第一徑向級(jí)和退出渦輪機(jī)的軸向級(jí)之中插入的轉(zhuǎn)子葉片 陣列。這些轉(zhuǎn)子葉片經(jīng)布置以使氣體從徑向膨脹方向轉(zhuǎn)移到軸向膨脹方向上。
[0019] 文檔 US 4, 435, 121、W0 2006/048401、DE 554163 以及 US 2011/085887 描述了現(xiàn)有 技術(shù)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0020] 本發(fā)明的一個(gè)目的是提供用于在朗肯循環(huán)中使有機(jī)工作流體膨脹使得能夠解決 已知解決方案的缺點(diǎn)的渦輪機(jī)和方法。
[0021] 因此，在其第一方面中，本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法。
[0022] 具體來說，本發(fā)明涉及一種用于在朗肯循環(huán)中使有機(jī)工作流體膨脹的方法，其包 括將工作流體供應(yīng)到配備有多個(gè)級(jí)的非向心式渦輪機(jī)上的步驟，每個(gè)級(jí)通過與約束到關(guān)于 對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)的軸上的轉(zhuǎn)子葉片陣列交替的定子葉片陣列來界定。有利的是，所述 方法包括以下其它步驟：
[0023] a)通過一個(gè)或多個(gè)徑向級(jí)誘導(dǎo)工作流體的第一次膨脹，
[0024] b)使葉片陣列（稱為角葉片）中的工作流體從實(shí)質(zhì)上徑向的起始膨脹方向轉(zhuǎn)移到 實(shí)質(zhì)上軸向以及（相對于與所述角葉片成一體的觀測器）切向的膨脹方向上，以及
[0025] c)通過一個(gè)或多個(gè)軸向級(jí)提供第二次流體膨脹。
[0026] 步驟b)對應(yīng)于工作流體的焓變，所述焓變等于經(jīng)提供用于完成在整個(gè)渦輪機(jī)中 的流體膨脹的平均焓變的至少50%。
[0027] 利用術(shù)語"平均焓變"意指全部級(jí)的總焓變與其中執(zhí)行膨脹的級(jí)的數(shù)目之間的比 率。全部級(jí)的總焓變對應(yīng)于全部級(jí)的下游工作流體的總焓與全部級(jí)的上游流體的總焓之間 的差值。
[0028] 如往常在渦輪機(jī)領(lǐng)域中常見的，在本發(fā)明的范圍中，參考軸向?qū)ΨQ坐標(biāo)系，其中渦 輪軸的旋轉(zhuǎn)軸線位于其上的通用平面稱為子午面。與機(jī)器軸線正交并且位于所認(rèn)為的子午 面上的方向稱為徑向方向。利用術(shù)語"子午面的一個(gè)點(diǎn)中的切向方向"來標(biāo)識(shí)與子午面正 交并且與經(jīng)過所述點(diǎn)的徑向方向正交的方向。與機(jī)器軸線平行的方向界定為軸向方向。
[0029] 更詳細(xì)地說，軸向級(jí)包括對應(yīng)地位于質(zhì)量流向的上游和下游的定子葉片陣列和對 應(yīng)的轉(zhuǎn)子葉片陣列；反過來，流動(dòng)的發(fā)生主要是由于流動(dòng)內(nèi)部的軸向速度分量導(dǎo)致。
[0030] 軸向級(jí)包括對應(yīng)地位于質(zhì)量流向的上游和下游的定子葉片陣列和對應(yīng)的轉(zhuǎn)子葉 片陣列；反過來，流動(dòng)的發(fā)生主要是由于流動(dòng)內(nèi)部的徑向速度分量導(dǎo)致。
[0031] 通過利用徑向級(jí)實(shí)現(xiàn)第一次膨脹并且利用軸向級(jí)實(shí)現(xiàn)第二次膨脹，對于相同的條 件，在效率方面獲得極佳結(jié)果，而不必提供兩個(gè)渦輪機(jī)，而是相反，使用單個(gè)徑流軸流式渦 輪機(jī)。
[0032] 具體來說，所述方法使得避免使用一個(gè)高壓軸流式渦輪機(jī)以及一個(gè)低壓軸流式渦 輪機(jī)。第一次高壓膨脹徑向發(fā)生在渦輪機(jī)的對應(yīng)的徑向級(jí)中并伴隨有離心流，而第二次低 壓膨脹軸向發(fā)生在同一渦輪機(jī)的對應(yīng)的軸向級(jí)中。
[0033] 顯然，所述方法提供的是，流體在兩次膨脹之間從初始徑向膨脹方向到最終軸向 膨脹方向轉(zhuǎn)移。
[0034] 角葉片是定子葉片，或可替代地是轉(zhuǎn)子葉片。
[0035] 在單個(gè)徑流軸流式渦輪機(jī)中執(zhí)行步驟a)到c)。優(yōu)選地，通過在徑向方向上運(yùn)送工 作流體使之經(jīng)過彼此交替安置的至少一個(gè)定子葉片陣列和一個(gè)對應(yīng)的轉(zhuǎn)子葉片陣列來執(zhí) 行步驟a)。通過在軸向方向上運(yùn)送工作流體使之經(jīng)過彼此交替安置的至少一個(gè)定子葉片陣 列和一個(gè)對應(yīng)的轉(zhuǎn)子葉片陣列來執(zhí)行步驟c)。通過運(yùn)送流體使之經(jīng)過定子或轉(zhuǎn)子葉片陣列 (稱為角葉片）來執(zhí)行步驟b)，所述定子葉片或轉(zhuǎn)子葉片陣列之后或之前對應(yīng)地為相應(yīng)的 轉(zhuǎn)子或定子葉片陣列。
[0036] 通過執(zhí)行前面所描述的方法，工作流體的蒸汽在單個(gè)渦輪機(jī)中膨脹，并且因此避 免了級(jí)聯(lián)安裝兩個(gè)渦輪機(jī)或采用具有多個(gè)級(jí)（例如，超過三個(gè)）的軸流式渦輪機(jī)，具有顯而 易見的技術(shù)及經(jīng)濟(jì)優(yōu)點(diǎn)。
[0037] 相對于在US 3, 462, 953中描述的解決方案，本發(fā)明提供的是，角葉片經(jīng)布置以實(shí) 現(xiàn)大于或等于在渦輪機(jī)中全部膨脹的平均焓變的50 %的工作流體的焓變。換句話說，在US 3, 462, 953中描述的角葉片在轉(zhuǎn)化工作流體的能量中起到很小的作用；相反，在本發(fā)明中 角葉片經(jīng)安置以將流體能量的很大且精確定量的一部分轉(zhuǎn)化為到渦輪軸功率的輸入。這對 應(yīng)于角葉片對工作流體施加的切向轉(zhuǎn)移。
[0038] 在一個(gè)方法實(shí)施例中，渦輪機(jī)的角葉片是定子葉片；膨脹的蒸汽的流動(dòng)在軸向方 向和切向方向上轉(zhuǎn)移，也就是說在所述角葉片陣列中轉(zhuǎn)移，并且對于與角葉片成一體的觀 測器來說，工作流體流動(dòng)的速度矢量的徑向分量減到最小且相同速度矢量的軸向分量和切 向分量增到最大。
[0039] 在一個(gè)替代的方法實(shí)施例中，角葉片是轉(zhuǎn)子葉片，并且在步驟b)與c)之間執(zhí)行反 轉(zhuǎn)在角葉片陣列的下游的蒸汽膨脹的方向路線的額外步驟d)。換句話說，經(jīng)過角轉(zhuǎn)子葉片 陣列的流體在實(shí)質(zhì)上軸向的方向上轉(zhuǎn)移，但是相對于渦輪機(jī)軸向級(jí)的橫向逆向流動(dòng)。更詳 細(xì)地說，所述轉(zhuǎn)子角葉片陣列對工作流體的流動(dòng)產(chǎn)生影響，將對應(yīng)的速度矢量的徑向分量 減到最小或?qū)⑵湎⑶以黾釉谙鄬\(yùn)動(dòng)中（也就是說對于與角葉片成一體的觀測器來 說）相同速度矢量的軸向分量和切向分量。在絕對運(yùn)動(dòng)中，也就是說對于靜止的觀測器來 說，退出角葉片陣列的工作流體的速度矢量實(shí)質(zhì)上是軸向的，也就是說在絕對運(yùn)動(dòng)中速度 矢量的切向分量幾乎為零，因?yàn)樗上嗤侨~片的切向速度（常規(guī)地以術(shù)語"搖轉(zhuǎn)速度"命 名）來平衡。
[0040] 因此，角轉(zhuǎn)子葉片下游的流體進(jìn)一步轉(zhuǎn)移約180°，以便被適當(dāng)?shù)爻驕u輪機(jī)的 軸向級(jí)和出口引導(dǎo)。所述反轉(zhuǎn)優(yōu)選地通過為渦輪機(jī)提供實(shí)質(zhì)上環(huán)形的管道來實(shí)現(xiàn)，所述管 道將角葉片的出口部分連接到緊靠下游的定子葉片陣列的入口部分；在軸向部分中管道根 據(jù)U形曲線延伸。
[0041] 在其第二方面中，本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于在朗肯循環(huán)中使有機(jī)工 作流體膨脹的渦輪機(jī)。
[0042] 具體來說，所述渦輪機(jī)包括定子葉片陣列和與前者交替的轉(zhuǎn)子葉片陣列，以及關(guān) 于對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)的用于支撐轉(zhuǎn)子葉片的軸。在渦輪機(jī)的第一部分中，定子葉片陣列 和轉(zhuǎn)子葉片陣列在實(shí)質(zhì)上徑向的方向上交替；在渦輪機(jī)的第二部分中，定子葉片陣列和轉(zhuǎn) 子葉片陣列在實(shí)質(zhì)上軸向的方向上交替。在渦輪機(jī)的第一部分與第二部分之間存在至少一 個(gè)定子或轉(zhuǎn)子葉片陣列（以上稱為角葉片），其經(jīng)布置使將工作流體從在絕對運(yùn)動(dòng)中實(shí)質(zhì) 上徑向的膨脹方向轉(zhuǎn)移到在絕對運(yùn)動(dòng)中實(shí)質(zhì)上軸向以及在絕對運(yùn)動(dòng)或相對運(yùn)動(dòng)中（對應(yīng) 地取決于角葉片是定子葉片還是轉(zhuǎn)子葉片）實(shí)質(zhì)上切向的方向上。換句話說，角葉片經(jīng)布 置以（對于靜止的觀測器來說）將進(jìn)入陣列中的工作流體的速度矢量的徑向分量減到最小 或?qū)⑵湎⑶遥▽τ陟o止的觀測器來說）增加退出陣列的流體的速度矢量的軸向分量 并且還（對于與角葉片成一體的觀測器來說）增加退出陣列的流體的速度矢量的切向分 量。
[0043] 通過角葉片膨脹的工作流體的焓變等于經(jīng)提供用于完成在整個(gè)渦輪機(jī)中的流體 膨脹的平均焓變的至少50%。
[0044] 優(yōu)選地，角葉片的前緣在實(shí)質(zhì)上軸向的方向上延伸，也就是說實(shí)質(zhì)上平行于渦輪 軸的軸線，并且對應(yīng)的后緣在實(shí)質(zhì)上徑向的方向上延伸，也就是說實(shí)質(zhì)上與渦輪軸的軸線 正交。
[0045] 優(yōu)選地，角葉片在實(shí)質(zhì)上彎曲的徑向和軸向方向上延伸。換句話說，每個(gè)角葉片的 表面迫使工作流體的蒸汽流動(dòng)將膨脹方向從徑向變?yōu)檩S向。
[0046] 在優(yōu)選實(shí)施例中，角葉片至少部分在切向方向上延伸以便增加工作流體的速度矢 量的切向分量。由于與流動(dòng)引導(dǎo)表面相鄰的限制層的厚度減少，以此方式有可能在流動(dòng)轉(zhuǎn) 移過程中加速流體使得具有效率優(yōu)勢。
[0047] 在一個(gè)實(shí)施例中，渦輪機(jī)包括經(jīng)布置與同一渦輪機(jī)的軸對準(zhǔn)的工作流體的軸向進(jìn) 氣歧管。在這種情況下，角葉片是定子葉片。
[0048] 角葉片陣列引起的工作流體流動(dòng)的轉(zhuǎn)移對應(yīng)于焓降。在角葉片陣列中發(fā)生的焓變 主要由在每個(gè)相鄰的角葉片之間的流體壓力的減少（相對于陣列自身上游的壓力值）引 起。相應(yīng)地，以最小的流體動(dòng)態(tài)損耗實(shí)現(xiàn)了將壓力能幾乎全部轉(zhuǎn)化成動(dòng)能。
[0049] 在數(shù)目方面，角葉片陣列可以引起至少一半的平均焓變（通過渦輪機(jī)中獲得的總 焓變與其級(jí)的數(shù)目之間的比率來界定），并且在角葉片陣列中，可用于該陣列自身的焓變的 至少10 %被轉(zhuǎn)化成在相對運(yùn)動(dòng)中的工作流體的動(dòng)能。
[0050] 優(yōu)選地，在此實(shí)施例中，所述軸通過在相對于進(jìn)氣歧管的相反側(cè)處圍繞軸提供的 軸承以懸臂方式支撐。
[0051] 在一個(gè)替代實(shí)施例中，渦輪機(jī)包括流動(dòng)反轉(zhuǎn)蝸殼。角葉片是轉(zhuǎn)子葉片并且蝸殼界 定在轉(zhuǎn)子葉片與緊靠下游定子葉片陣列之間的約180°的曲線，也就是說它界定前面所描 述的實(shí)質(zhì)上環(huán)形的管道。以此方式，實(shí)現(xiàn)了工作流體的蒸汽膨脹的軸向方向路線的反轉(zhuǎn)。
[0052] 在此后一描述的實(shí)施例中，優(yōu)選地，在角葉片與所述曲線之間延伸的通道部分或 管道至少部分增加以在對應(yīng)的膨脹方向反轉(zhuǎn)之前實(shí)現(xiàn)工作流體的減速。在所述曲線下游或 沿著所述曲線，蝸殼可以配備有至少一個(gè)工作流體的流入/提取端口。工作流體的進(jìn)氣歧 管可以相對于軸緊鄰對應(yīng)的支撐軸承徑向布置。
[0053] 通常，至少一個(gè)轉(zhuǎn)子葉片陣列優(yōu)選地裝配在利用端面齒齒接耦合到軸的對應(yīng)的凸 緣上的支撐盤上。此類型的耦合具有支承盤相對于軸的自定心作用。
[0054] 為了避免承載支撐盤的軸經(jīng)受軸向推力的不希望的影響，渦輪機(jī)配備有由渦輪機(jī) 對應(yīng)的內(nèi)體積界定的腔室，由于所述腔室的緣故，確定了作用在所述盤自身的兩面上的壓 力的平衡。
[0055] 具體來說，在每個(gè)支撐盤的上游和下游提供了腔室。具體來說，參考第一支撐盤， 在相對于此支撐盤的同一側(cè)處提供的腔室借助于（例如）曲徑彼此隔離；與第一支撐盤軸 向隔開的腔室通過在所述盤自身中制得的一個(gè)或多個(gè)通孔連通。此外，在第一支撐盤下游 提供的至少一個(gè)腔室與在第一支撐盤上游提供的渦輪機(jī)的高壓級(jí)連通。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0056] 本發(fā)明的進(jìn)一步的細(xì)節(jié)將不論如何從下面參考附圖所進(jìn)行的描述過程中顯而易 見，其中：
[0057] -圖1是根據(jù)本發(fā)明的渦輪機(jī)的第一實(shí)施例的局部截面視圖；
[0058] -圖2是根據(jù)本發(fā)明的渦輪機(jī)的第二實(shí)施例的局部截面視圖；
[0059] -圖3是根據(jù)本發(fā)明的渦輪機(jī)的第三實(shí)施例的局部截面視圖。

【具體實(shí)施方式】
[0060] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的用于有機(jī)工作流體的膨脹的渦輪機(jī)1在軸向?qū)ΨQ部分中的局 部視圖。
[0061] 優(yōu)選地，工作流體屬于烴類，更優(yōu)選地屬于環(huán)狀烴。例如，工作流體是環(huán)戊烷。
[0062] 渦輪機(jī)包括在軸向方向X上延伸的軸2、外殼3或蝸殼，以及彼此交替的多個(gè)定子 葉片陣列Si-S n和多個(gè)轉(zhuǎn)子葉片陣列Ri-Rn，也就是說根據(jù)方案Si-Ri ;S2-R2 ;Sn-Rn等。
[0063] 具體來說，渦輪機(jī)1在概念上根據(jù)工作流體蒸汽的膨脹方向被劃分為第一部分A 和接后的部分B。在第一部分A(稱為高壓部分）中，工作流體的第一次膨脹在實(shí)質(zhì)上徑向 的方向上提供，也就是說在與X軸正交的方向上提供；在第二部分B(稱為低壓部分）中，工 作流體的第二次膨脹在實(shí)質(zhì)上軸向的方向上提供，也就是說在與X軸平行的方向上提供。
[0064] 在渦輪機(jī)的兩個(gè)部分A部分與B部分之間提供了至少一個(gè)角定子葉片陣列AR，所 述陣列具有使工作流體流動(dòng)從初始徑向的膨脹方向轉(zhuǎn)移到軸向的或甚至切向的方向（當(dāng) 觀測圖1時(shí)與紙張正交的方向）上的功能。
[0065] 具體來說，圖1中所示的渦輪機(jī)1包括徑向布置在所述角葉片陣列AR上游的三 個(gè)級(jí)Si-Ri ; S2-R2 ; S3-R3以及軸向安置在所述角葉片陣列AR下游的一個(gè)或多個(gè)級(jí)R4-S 4 ; R5_S5(未示出）。通常在角葉片AR上游和下游的級(jí)的數(shù)目可以不同。
[0066] 角定子葉片AR約束到蝸殼3上，并且如圖式中所示，它們根據(jù)彎曲路徑（在軸向 部分中所見）延伸。葉片AR的前緣A&優(yōu)選地在軸向方向上延伸并且后緣A&優(yōu)選地在徑 向方向上延伸；因此每個(gè)葉片AR沿著具有此系列流體動(dòng)態(tài)管道的彎曲的路徑延伸，以減少 或消除（相對于葉片自身上游的值）工作流體流動(dòng)的平均徑向分量并且產(chǎn)生軸向及切向分 量。
[0067] 優(yōu)選地，定子葉片AR(當(dāng)通過放置在旋轉(zhuǎn)軸線X上的觀測器觀測時(shí)）在底部與外 圍部分之間延伸第一實(shí)質(zhì)上徑向長度，隨后葉片沿圓周或沿切線方向成曲線型，并且之后 它們具有在軸向和切向方向上逐漸轉(zhuǎn)移的葉片間管道。
[0068] 一些轉(zhuǎn)子葉片Rn，以及優(yōu)選地所有轉(zhuǎn)子葉片，通過借助于由參考標(biāo)號(hào)10(局部截面 中）標(biāo)識(shí)的端面齒齒接約束到渦輪機(jī)1的軸2上的支撐盤8來支撐。具體來說，如圖式中 所示，支撐盤8耦合到軸的凸緣9上。端面齒齒接使得盤8在徑向方向上"浮動(dòng)"，從而相對 于X軸自定心。
[0069] 鋼制撐桿（未示出）軸向推動(dòng)支撐盤8使其抵靠軸2對應(yīng)的耦合凸緣。
[0070] 軸2通過在對應(yīng)的末端處的軸承（與流體密封件一起示出）支撐，或者其優(yōu)選地 利用布置在支撐盤8的同一側(cè)處的軸承以懸臂方式支撐。
[0071] 蝸殼3配備有待膨脹的工作流體蒸汽的一個(gè)或多個(gè)流入歧管7。
[0072] 在相對膨脹期間，蒸汽通行的路徑由箭頭示出。
[0073] 圖2示出渦輪機(jī)1的一個(gè)替代實(shí)施例，其中角葉片AR是通過盤8支撐的轉(zhuǎn)子葉片。 與圖1中指示的那些參考標(biāo)號(hào)相等的參考標(biāo)號(hào)標(biāo)識(shí)相同的或等效的元件。
[0074] 與前述解決方案不同，工作流體的蒸汽流動(dòng)在軸向方向上從角葉片陣列AR轉(zhuǎn)移， 但相對于渦輪機(jī)1的軸向延伸逆向流動(dòng)，也就是說朝向提供渦輪機(jī)1中的流體進(jìn)入的部分 轉(zhuǎn)移。為此，蝸殼3界定像U形一樣成曲線型的環(huán)形的管道4以反轉(zhuǎn)供應(yīng)的流向，以便引導(dǎo) 流動(dòng)朝向低壓級(jí)B。
[0075] 優(yōu)選地，在轉(zhuǎn)子角葉片陣列AR下游，管道4的部分增加以在其供應(yīng)方向反轉(zhuǎn)之前 引起流動(dòng)減速。在葉片陣列AR與低壓部分B之間可以存在一個(gè)或多個(gè)流入或提取端口 5。
[0076] 同樣在此第二實(shí)施例中，角葉片AR優(yōu)選地相對于角葉片AR自身下游的值增加蒸 汽流動(dòng)的速度矢量的切向分量。
[0077] 圖3示出渦輪機(jī)1的第三實(shí)施例。角葉片AR是定子葉片并且其通過蝸殼3支撐。 與第一實(shí)施例不同，軸3以懸臂方式支撐在提供在蝸殼3的同一側(cè)中、并且具體來說在蝸殼 3的排出蝸殼的同一側(cè)處的對應(yīng)的軸承上。
[0078] 在此實(shí)施例中，借助于相對于軸2對準(zhǔn)并且同軸裝配的軸向歧管6直接在前向方 向上實(shí)現(xiàn)待膨脹的蒸汽的流入，如圖式中所示。在軸2以懸臂方式裝配的第一實(shí)施例中，也 可以米用軸向歧管6。
[0079] 同樣，在第二和第三實(shí)施例中，定子和轉(zhuǎn)子級(jí)的數(shù)目可以不同于圖式中所示的數(shù) 目。
[0080] 參考圖1到3,渦輪機(jī)1包括腔室CpCyCyC；，每個(gè)腔室對以相對壓力值為特征的 渦輪機(jī)內(nèi)部的體積定界。腔室Cp C2、C3、C4經(jīng)布置以借助于渦輪機(jī)1的不同部分A與B之 間的壓力差實(shí)現(xiàn)對作用在支撐盤8上的軸向推力的補(bǔ)償。
[0081] 具體來說，參考圖1，曲徑L使腔室C3保持與高壓部分A實(shí)質(zhì)上分隔開。為了避免 經(jīng)過高壓部分的工作流體的壓力推動(dòng)第一支撐盤8朝向腔室q (向右觀察圖1)，后者借助 于在橫跨第一支撐盤8的51-1?1陣列之間、或者在部分A自身的其它位置中打開的一個(gè)或多 個(gè)通孔與高壓部分A連通。
[0082] 類似地，腔室C2與C4通過延伸通過第二支撐盤8的管道彼此連通并且與渦輪機(jī)的 排出部分連通；在腔室Ci與c 2之間提供了分隔曲徑。
[0083] 利用所描述的布置，腔室Q的壓力等于或接近高壓部分A的選定點(diǎn)中的流體壓 力，并且腔室(：2、(： 3和C4中的壓力等同于渦輪機(jī)1的排出壓力。
[0084] 圖1到3中的任一者中所示的渦輪機(jī)1允許執(zhí)行如上文所描述的根據(jù)本發(fā)明的方 法。
[〇〇85] 有利的是，渦輪機(jī)1允許利用有機(jī)流體在朗肯循環(huán)中獲得高焓變和高膨脹比。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于在朗肯循環(huán)中使有機(jī)工作流體膨脹的方法，其包括將所述有機(jī)工作流體供 應(yīng)到配備有多個(gè)級(jí)的渦輪機(jī)（1)上的步驟，每個(gè)級(jí)通過與約束到關(guān)于對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)軸線（X) 旋轉(zhuǎn)的軸（2)上的轉(zhuǎn)子葉片陣列（RpRj交替的定子葉片陣列（Si，S n)來界定，其特征在于 以下步驟： a) 通過一個(gè)或多個(gè)徑向級(jí)引起所述工作流體的第一次膨脹，以及 b) 使葉片陣列（AR)(稱為角葉片）中的所述工作流體從所述實(shí)質(zhì)上徑向的膨脹方向轉(zhuǎn) 移到相對于與所述角葉片（AR)成一體的觀測器實(shí)質(zhì)上軸向以及切向的膨脹方向上，以及 c) 通過一個(gè)或多個(gè)軸向級(jí)誘導(dǎo)第二次流體膨脹， 其中所述步驟b)對應(yīng)于所述工作流體的焓變，所述焓變等于經(jīng)提供用于完成在所述 渦輪機(jī)（1)中的所述流體膨脹的平均焓變的至少50%。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中通過在所述徑向方向上引導(dǎo)所述工作流體使之經(jīng) 過彼此交替安置的至少一個(gè)定子葉片陣列（&，S n)與一個(gè)對應(yīng)的轉(zhuǎn)子葉片陣列（&，Rn)來 執(zhí)行所述步驟a)，通過在所述軸向方向上引導(dǎo)所述工作流體使之經(jīng)過彼此交替安置的至少 一個(gè)定子葉片陣列（Si，S n)和一個(gè)對應(yīng)的轉(zhuǎn)子葉片陣列（&，!〇來執(zhí)行所述步驟c)，以及通 過引導(dǎo)所述流體使之經(jīng)過定子或轉(zhuǎn)子角葉片陣列（AR)來執(zhí)行所述步驟b)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的方法，其中所述角葉片（AR)是轉(zhuǎn)子葉片并且其 中在所述步驟b)與c)之間執(zhí)行以下步驟： d) 反轉(zhuǎn)在所述角葉片陣列（AR)的下游的所述流體膨脹方向的路線。
4. 根據(jù)前述權(quán)利要求1到3中任一權(quán)利要求所述的方法，其中通過在所述步驟b)中所 述工作流體的膨脹引起的所述焓變的至少10%轉(zhuǎn)化為退出所述角葉片陣列（AR)的所述工 作流體的動(dòng)能。
5. -種用于在朗肯循環(huán)中使有機(jī)工作流體膨脹的渦輪機(jī)（1)，其包括定子葉片陣列 以，S n)以及與前者交替的轉(zhuǎn)子葉片陣列況，Rn)，以及關(guān)于對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)軸線⑴旋轉(zhuǎn)的用 于支撐所述轉(zhuǎn)子葉片（&，R n)的軸（2)，其特征在于在所述渦輪機(jī)的第一部分（A)中，所述 定子葉片陣列（Si，Sn)和所述轉(zhuǎn)子葉片陣列狀，1〇在實(shí)質(zhì)上徑向的方向上交替，在所述渦 輪機(jī)的第二部分（B)中，所述定子葉片陣列（Si，S n)和所述轉(zhuǎn)子葉片陣列汛，1〇在實(shí)質(zhì)上 軸向的方向上交替，以及在所述渦輪機(jī)的所述第一部分與所述第二部分之間存在至少一個(gè) 定子或轉(zhuǎn)子葉片陣列（AR)(稱為角葉片），所述陣列經(jīng)布置以使所述工作流體從實(shí)質(zhì)上徑 向的膨脹方向轉(zhuǎn)移到實(shí)質(zhì)上軸向和/或切向的膨脹方向上， 其中，通過所述角葉片（AR)膨脹的所述工作流體的焓變等于經(jīng)提供用于完成在所述 渦輪機(jī)（1)中的所述流體膨脹的平均焓變的至少50%。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的渦輪機(jī)（1)，其中所述角葉片（AR)的所述前緣（ARi)在實(shí)質(zhì) 上軸向方向上延伸并且所述對應(yīng)的后緣（ARo)在實(shí)質(zhì)上徑向方向上延伸。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5或權(quán)利要求6所述的渦輪機(jī)，其中所述角葉片（AR)在實(shí)質(zhì)上彎曲的 徑向和軸向方向上延伸。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5到7中任一權(quán)利要求所述的渦輪機(jī)，其中所述角葉片（AR)至少部分 在切向方向上延伸，以便至少在通過與所述角葉片（AR)成一體的觀測器觀測到的相對運(yùn) 動(dòng)中增加所述流體速度矢量的切向分量。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5到8中任一權(quán)利要求所述的渦輪機(jī)，其包括經(jīng)布置與所述軸（2)對 準(zhǔn)的所述工作流體的軸向進(jìn)氣歧管（6)，并且其中所述軸（2)通過從相對于所述進(jìn)氣歧管 (6)的相反側(cè)提供的軸承以懸臂方式支撐并且其中所述角葉片（AR)是定子或轉(zhuǎn)子葉片。
10. 根據(jù)權(quán)利要求5到8中任一權(quán)利要求所述的渦輪機(jī)，其包括蝸殼（3)，并且其中所 述角葉片（AR)是轉(zhuǎn)子葉片，并且在所述轉(zhuǎn)子葉片與所述緊靠下游的定子葉片陣列（S 4)之 間，所述蝸殼（3)界定約180°的曲線（4)，其中流體膨脹的軸向方向的路線被反轉(zhuǎn)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的渦輪機(jī)，其中在所述角葉片（AR)與所述曲線⑷之間的通 道部分至少部分增加以在所述對應(yīng)的膨脹方向反轉(zhuǎn)之前實(shí)現(xiàn)所述工作流體的減速。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10或權(quán)利要求11所述的渦輪機(jī)，其中在所述曲線（4)的下游，所述 蝸殼（3)配備有至少一個(gè)所述工作流體的流入/提取端口（5)。
13. 根據(jù)前述權(quán)利要求10到12中任一權(quán)利要求所述的渦輪機(jī)，其包括相對于所述軸 (2)徑向布置在所述對應(yīng)支撐軸承之間的實(shí)質(zhì)上中間位置上的所述工作流體的進(jìn)氣歧管 ⑵。
14. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一權(quán)利要求所述的渦輪機(jī)，其中至少一個(gè)轉(zhuǎn)子葉片陣列 (&，!〇裝配在利用端面齒齒接（10)耦合到所述軸⑵的對應(yīng)凸緣（9)上的支撐盤⑶上。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的渦輪機(jī)，其中在第一支撐盤（8)的上游和下游相對于所述 旋轉(zhuǎn)軸線（X)提供至少一個(gè)腔室（Ci-C；)，所述腔室通過所述渦輪機(jī)（1)的對應(yīng)的內(nèi)體積界 定，并且其中布置在所述第一支撐盤（8)的同一側(cè)上的所述腔室（&、(；）實(shí)質(zhì)上彼此隔離， 并且其中所述第一支撐盤（8)配備有至少一個(gè)通孔，用于均衡通過所述第一支撐盤（8)自 身分隔開的所述兩個(gè)腔室（C 3_C4)內(nèi)部的壓力，或者用于均衡在所述第一支撐盤下游的所 述腔室（Q)的壓力與所述渦輪機(jī)（1)的所述第一部分（A)內(nèi)部的壓力。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的渦輪機(jī)，其包括兩個(gè)支撐盤（8)，其中所述第二支撐盤放置 在所述第一支撐盤的下游并且它配備有至少一個(gè)通孔，用于均衡緊靠所述第二支撐盤自身 上游的所述腔室（C 4)內(nèi)部的壓力與所述渦輪機(jī)（1)的排出壓力。
【文檔編號(hào)】F01K25/10GK104066937SQ201280067570
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2012年12月18日 優(yōu)先權(quán)日:2012年1月20日
【發(fā)明者】馬里奧·蓋亞, 羅伯特·比尼 申請人:Turboden責(zé)任有限公司