可重新构造的多级orc涡轮机的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种可重新构造的多级涡轮机。
【背景技术】
[0002]有机朗肯循环技术(称为《0RC》，此名称是英语术语“Organic Rankine Cycle”的缩写)使得通过利用沸点低的工作流体将中等温度或低温的热能转化为电能。在有机朗肯循环设备中，此液态工作流体被栗送，随后被蒸发。有机物流体的蒸气随后膨胀且然后凝结。
[0003]将密度高于水且在大气压下沸点温度低于50°C的有机流体定义为沸点低密度高的流体。
[0004]蒸发交换器、冷凝器、及循环栗均为常规设备且在市场上很容易购买。但是，用于使工作流体的蒸气膨胀的设备则复杂得多。出于提高效率和可靠性的原因，与例如螺旋器膨胀机，活塞膨胀机或涡轮型膨胀机之类的体积膨胀机相比较而言，涡轮设备(涡轮机)被认为是对功率超过400千瓦的气体膨胀的应用的最好技术。
[0005]涡轮机针对在温度，出口处压力，流体流量，入口处允许的最高压力及温度的方面的给定的运行点而进行设计。运行条件的改变(例如因为实际的出口处压力高于预设的额定条件)将导致超出规范的运行，这将导致效率降低和/或供应的电功率减小。
[0006]新型涡轮机的发展需要在流体力学，热力学，机械以及数字模拟，质量控制方面的广泛的工程技术，还需要非技术资源(采购，质量管理…)。新型涡轮机的设计和开发也需要经济资源及研发时间。另外，从空气动力学或机械的观点来看，设计糟糕的涡轮机的导致整个设备的效率及/或实用性方面的低的性能。
[0007]在ORC设备的技术主要用于中等温度/低温源且因此具有相应的中等/低的效率的情况，在经济和工业化方面都很难接受在中型(尤其是达到3MW的)项目中每一次都接受新的涡轮机。因此，ORC技术的使用者很自然地对其设备及其涡轮机研发了一种仅限于给定数量的设备的朝向《产品》市场的近似以满足所有的可能的需要，而不是一种定制的相似系统。
[0008]但是，ORC的应用在冷源，热源的温度，要增值的热功率及可考虑的工作流体(出于环境及安全的原因)的方面是非常不同的。
[0009]在涡轮机领域的设计选择中，转子的旋转速度及所述级的数量是影响成本的参数。但是，并不能够容易地优化此二者，以及选择使得所述参数中的一个减小但使得所述参数中的另一个增加(使得级的数量减小但使得旋转速度增加以及因此线速度增加)的设
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[0010]多级轴向涡轮机通常被用于蒸汽机或燃气涡轮机，但在ORC涡轮机的现有技术中通常涉及在大多数情况下具有一个级或两个级且通常具有高的旋转速度的径向或轴向型的涡轮机。
[0011]这些涡轮机通常为悬臂式机械设计，具有轴侧以及轮侧的两个轴承，与涡轮机的元件位于所述轴承之间的称为轴承之间的设计相反。悬臂式设计使得将密封件的数量减小至一个，但是此设计难以与具有多个数量的级兼容。
[0012]同样，对于给定的直径，通常选择将第一分配器中的超音速流降至最低以便减小级的数量。这具有如下作用:提高旋转速度(以及因此增加沿轴的外围的线速度)，并或多或少地降低相关级的效率。
[0013]引导该整体决定的主要因素是:级的工作是耗费成本的。
[0014]出于此原因，轴向ORC涡轮机通常被限制为三个级或更少的级，通常对于径向涡轮机而言限制为一个级。
[0015]在此将带有固定于旋转轴的叶片的非实心的厚度小的圆盘定义为轮。转动的整体，g卩，轮+轴形成转子。
[0016]将涡轮机的固定部分定义为定子，且特别是带有固定于涡轮机的体部的叶片的非实心的厚度小的圆盘。不转动的零件的整体被称为定子。
【实用新型内容】
[0017]本实用新型的目的是弥补这些不便的全部或一部分。
[0018]在一般情况下，本实用新型的目的在于一种针对少量，成本低且可根据客户的需求而重新构造的优化的ORC涡轮机。
[0019]为此目的，根据第一方面，本实用新型的目的在于一种用于使密度大于水且在大气压下的沸点温度低于50°C的有机物流体膨胀的多级ORC涡轮机，所述多级ORC涡轮机包括:
[0020]-转子，轴承和密封件被定位在所述转子的每一个末端，
[0021]-可拆卸的级，所述可拆卸的级分别包括固定的分配器及固定至旋转轴的活动的轮，
[0022]-每个轮包括其上装有叶片及轮圈的圆盘，所述轮的整体由单个块体地整体加工制造，
[0023]-每个级在出口处具有方向为相对于转子的轴线具有小于15°的角度的亚音速流，
[0024]-级的数量大于或等于两个。
[0025]通过这种布置，可以通过在轴承之间增加或撤出级而对涡轮机进行快速的装配。此外，通过将离开每个级的出口处的流动方向设置基本为轴向，允许在上游或下游去除或增加级而不会扰乱整个设备。加工为一个零件允许减少成本且便于安装。这还增加了可靠性且远离叶片的固有模式(震动)，且因此极大地便利了级的增加或去除。
[0026]在实施例中，本实用新型的目标涡轮机包括:
[0027]数量大于或等于三的级，和/或
[0028]数量大于或等于五的级。
[0029]借助于这种布置，可以通过增加或去除级而对涡轮机进行多种重新构造。
[0030]在实施例中，轴承为滚动轴承且密封件是机械密封件。
[0031]涡轮机的制造及维护成本也因此被降低。
[0032]在实施例中，每个分配器包括其上装有叶片及轮圈的圆盘，所述分配器的整体由单个块体整体加工制造，每个分配器在安装或运行时保持为单独的零件。
[0033]加工成一个零件不但减少了成本且便利了安装过程。这还增加了可靠性也远离了叶片的固有模式(震动)。此外，增加或去除级因此是非常容易的。
[0034]在实施例中，每个级在出口处具有亚音速流，所述亚音速流的方向为相对于转子的轴线具有小于10°的角度。
[0035]通过设置离开每个级的流动方向基本为轴向，在上游或下游去除或增加级而不会扰乱整个设备。
[0036]在实施例中，转子的旋转速度为每分钟1500、1800、3000或3600转+/-20转。
[0037]旋转速度为每分钟1500、1800,3000或3600转+/-20转允许与发电机直接联接，因为这是具有2或4个极具有50赫兹或60赫兹的交流发电机的旋转速度。
[0038]在实施例中，轴承及密封件处的线速度低于30m/s。
[0039]转子的小的旋转速度允许轴承的小的线速度。这允许对(滚动)轴承及密封件(机械密封件)使用标准的部件。
[0040]在实施例中，转子的外半径是不变的。
[0041]涡轮机的转子将被设计成外直径不变(也称为《恒定罩盖》)，允许使用可以在其他应用中一一即在其他的流体膨胀条件下一一重复使用的筒形膨胀体部。
[0042]在实施例中，转子的第一振动模式的频率比最大旋转速度高20%。
[0043]在实施例中，反应度大于0.3且所述转子装有平衡活塞及/或挡块类型的轴向推力的补偿元件。
[0044]在实施例中，定子由三个主要的体部构成，入口体部，分配器被固定在其内部的膨胀体部，及出口体部。
[0045]根据第二方面，本实用新型旨在提出一种将本实用新型的目标涡轮机适应于同一种流体的不同膨胀状态的方法，所述方法包括通过去除或增加至少一个级而更改所述级的数量的步骤。
[0046]根据第三方面，本实用新型旨在提出一种本实用新型的目标涡轮机的制造方法，所述制造方法包括如下步骤:通过对所述圆盘，所述叶片以及所述轮圈的整体加工，对于至少一个轮或分配器的由单独一件整体地加工所述轮或分配器。
[0047]在实施方式中，所述轮和分配器的加工的步骤通过加工工具的沿轴向靠近而实现。
[0048]本实用新型的第二及第三方面的方法的优点，目标及特性与本实用新型的第一方面的目标涡轮机相似，故在此不重复解释。
【附图说明】
[0049]本实用新型的其他特殊优点、目标及特征由随后的参考附图的本实用新型的目标装置的至少一个特殊实施方式体现，其中:
[0050]-图1以剖面图示意性示出本实用新型的目标涡轮机的特殊的实施方式的叶片，
[0051]-图2以剖面图示意性示出本实用新型的目标涡轮机的特殊的实施方式，以及，
[0052]-图3以剖面图示意性示出本实用新型的目标涡轮机的特殊的实施方式的整体加工的轮。
【具体实施方式】
[0053]本说明是非限制性地给出的。
[0054]附图并未按比例绘制。
[0055]本实用新型的目标涡轮机是一种基于多级轴向涡轮机的原理的可重新构造的涡轮机，其用于高密度流体在有机朗肯循环设备中的膨胀。
[0056]此用于高密度流体的多级轴向涡轮机具有允许具有多个数量的级的轴承间的转子的机械设计，这使得能够为其他应用进行重新构造。
[0057]本实用新型的目标涡轮机具有与两个连续的极之间的三角形的轴向速度对应的流动。可以主动设置在每个级的出口处的流动方向，这允许在一个级的上游或下游去除级而不扰乱整个设备，因此对涡轮重新构造。
[0058]为了保持级的入口及出口的流动的轴向方向，涡轮机通常被设计成流动以给定的角度(例如15° )进入所述级，且以可能具有偏差的另一角度离开。
[0059]优选地，在本实用新型的目标涡轮机中，涡轮机的每个级都被优化以使得离开的流动为轴向方向，也就是说具有0°的角度。这个规定对于涡轮机的轮廓的选择及设计都更具有限制性，但是可以在去除级的方向允许具有重新构造的设计，进入被去除的级后的级的流动总是沿轴向方向。
[0060]涡轮机具有允许转子的小的旋转速度的亚音速流。此亚音速流允许定位有轴承和密封件的转子的轴的末端具有小的线速度。
[0061]增加级的数量还允许减小旋转速度，且此外减小轴的外围以及轴承和密封件处的线速度。
[0062]亚音速流和级数的增加对轴承和密封件的组成部分的技术具有影响。借助于考虑的级的数量以及亚音速流，本实用新型的目标涡轮机允许使用滚动轴承来替代气体轴承及磁轴承，以及用机械密封件类型的密封件替代气体密封件。
[0063]这降低了涡轮机的制造成本。
[0064]涡轮机包括以整块加工成一个零件的轮和分配器，其中包括密封轮圈。这个特征使得安装程序更为简易并降低制造成本。此特征还提高了涡轮机的可靠性且远离叶片的固有模式以及由此导致的振动。
[0065]轮及分配器以块体直接加工制造而成，其中包括密封轮圈，