CN110382869A - 用于流体回路、具体是用于特别是朗肯循环型的闭合回路的涡轮泵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种涡轮泵(10)，该涡轮泵包括固定壳体(12)，该固定壳体包括泵(16)和涡轮机(20)，泵具有包括泵叶片(28)的泵转子(14)，涡轮机容纳有涡轮机转子(18)，该涡轮机转子设有涡轮机叶片(44)。根据本发明，涡轮泵包括在垂直于泵(16)的转子的平面内围绕所述泵的转子同轴地设置的涡轮机转子(18)。

Description

用于流体回路、具体是用于特别是朗肯循环型的闭合回路的 涡轮泵

本发明涉及一种用于流体回路的涡轮泵，尤其涉及用于具体是朗肯循环型的闭合回路的涡轮泵。

通常，涡轮泵是包括涡轮机和泵(或压缩机)的机器，使得由涡轮机回收的一些能量驱动泵(或压缩机)。为了做到这一点，涡轮机和泵(或压缩机)安装在单个旋转轴的各端部处。

该机器装配有通常定位在旋转轴中心部分上的润滑轴承。涡轮机和泵(或压缩机)安装在该旋转轴的各端部处，这一方面需要相对长的轴，另一方面需要允许润滑***与排出物分离的密封***。

为了简化，在说明书的其余部分中，术语“涡轮泵”将用于以下机器：该机器可以包括涡轮机和泵，也可以涡轮机和压缩机，并且术语“泵”也将涵盖泵以及压缩机。

如在专利US 7 044 718中更好地描述的那样，减小轴的长度并因此减小涡轮泵的轴向尺寸是已知的。

在该文献中，涡轮机和泵一个在另一个内部交叠(彼此覆盖)，使得涡轮机的管道和泵的管道也围绕旋转轴彼此交叠(彼此覆盖)，这允许机器的轴向长度明显减小。

本发明提出进一步减小旋转轴的长度，并因此减小涡轮泵的尺寸。

还可以减少轴承数量并简化润滑回路。

为此，本发明涉及一种涡轮泵，该涡轮泵包括固定壳体，该固定壳体包括泵和涡轮机，泵具有包括泵叶片的泵转子，涡轮机容纳支承涡轮机叶片的涡轮机转子，其特征在于，该涡轮泵包括在垂直于泵的转子的轴线的同一个平面内围绕所述转子同轴地定位的涡轮机转子。

泵转子可包括径向叶片，这些径向叶片在其末端处支承周向护罩。

周向护罩可支承径向涡轮机转子叶片，这些径向涡轮机转子叶片与泵转子的叶片同轴地设置并且设置在泵转子的叶片上方。

涡轮机转子叶片的径向末端可支承基本上与护罩同轴的闭合周向带。

护罩可包括与固定壳体密封(相对于固定壳体密封)的密封装置。

密封装置可包括在护罩的每个端部处的一组迷宫式密封件。

通过阅读仅作为非限制性说明给出的以下描述，本发明的其它特征和优点将变得显而易见，并且其中附加了示出根据本发明的涡轮泵及其相关联的回路的单个附图。

在该附图中，涡轮泵具有包括涡轮机的特征，涡轮机定位在泵的周界处。涡轮机和泵以及因此涡轮机和泵转子都是共面的，因为它们定位在垂直于机器的旋转轴的平面中，并且涡轮机和泵以及因此涡轮机和泵转子是同轴的，因为它们都绕相同的旋转轴线旋转。具体地，图中的正交参考系(X，Y，Z)的轴线X同时是涡轮机转子的轴线和泵转子的轴线。涡轮机和泵转子处于同一平面，平行于正交参考系(X，Y，Z)的平面YZ，该参考系的平面YZ垂直于轴线X。

涡轮泵10包括固定壳体12，该固定壳体12容纳泵16(或泵转子)的旋转部分14和涡轮机20(或涡轮机转子)的旋转部分18。

泵转子包括圆柱形轴22，该圆柱形轴22的一端连接于基本上截锥形(截头圆锥形)的毂24，该毂24具有凹入的周向壁26。该壁支承多个叶片28，这些叶片28从壁径向突出并围绕该壁的外周均匀地间隔开。叶片包括距离毂24的自由端一定距离的前缘30、距截锥形(截头圆锥形)毂24的基部一定距离的后缘32以及径向外部末端34，该径向外部末端34的曲率基本上等于凹入壁26的曲率。

从图中可以最佳地看出，弯曲的周向护罩36有利地通过收缩配合而装在叶片的径向末端34上，特别是以便减少流动损失。

该泵转子放置在固定壳体12中，该固定壳体12包括用于接纳泵转子的轴22的轴向轴承38、与轴承38相关联的密封***39、用于面向毂24的流体并且与轴承同轴的轴向入口40、以及径向流体出口42，轴向入口40定位在叶片的上游，径向流体出口42与这些叶片的下游部分连通。

该出口42有利地是蜗形(螺旋形)的，以便将流体朝向其要供给的设备引导。

因此，泵包括轴22、具有凹入壁26的毂24、叶片28、护罩36以及具有轴承38、流体入口40和流体出口42的固定壳体的一部分。

护罩36在与支承泵的叶片28的护罩相对的面上支承多个叶片44，这些叶片44在该护罩的外周上径向地突出且均匀地间隔开。这些叶片构成涡轮机的叶片，并且与泵的叶片同轴且基本上与泵的叶片在相同的径向平面中。涡轮机的叶片包括前缘46、后缘48和径向外部末端50，该径向外部末端50的曲率与护罩的曲率基本上相同。

以与泵的叶片的护罩类似的方式，弯曲的周向闭合带52可有利地通过收缩配合而定位在涡轮机叶片44的径向外部末端50之上，且与泵的叶片的护罩同轴。

因此，涡轮机转子由护罩36、涡轮机叶片44以及可能的涡轮机叶片的带52形成，涡轮机转子安装在泵的转子的周缘部分上，从而形成该泵转子的整体部分(一体部分)。

该涡轮机转子定位在固定壳体12内，该固定壳体12包括有利地呈蜗壳形状(螺旋形)的面向前缘46的流体入口54、涡轮机叶片44以及面向这些涡轮机叶片的后缘48的流体出口56。

这种构造允许压缩机经由涡轮机的叶片和护罩直接由涡轮机驱动。

与围绕泵的转子的大半径相结合的、由流体施加在涡轮机的叶片上的力有助于提供比驱动压缩机所需更多的功。

根据一实施例，涡轮机可以在没有电源、尤其是没有电动机的情况下运行。

因此该涡轮机仅由流体驱动。

同样地，对于该实施例，泵可以不由电源驱动。因此，泵不需要电动机并且仅由涡轮机驱动。

因此，在机器的轴上可以有剩余的功，以驱动诸如交流发电机/发电机之类的任何机械或电气装置。因此，该***不使用电源来使它运行，而是允许将一定量的能量以电能的形式回收。

还必须保证护罩与壳体之间的密封，并且这通过使用定位在该护罩的自由端上的密封装置来完成，该护罩将涡轮机与泵分开。

为此，如图中的示例所示，这些密封装置可以是一组迷宫式密封件58、60，这些迷宫式密封件具有形成在护罩的每个端部处的叶片62和穿透凹槽64、66。这些凹槽中的一个凹槽66定位在涡轮机的入口54与泵的出口42之间，并且另外一个凹槽64定位在泵的入口40与涡轮机的出口56之间。

通过一方面确保(在高压侧)泵42的出口与涡轮机54的入口之间的压力相等，另一方面确保(在低压侧)泵40的入口与涡轮机56的出口之间的压力相等来改善密封。

如上所述的涡轮泵可用于许多领域，比如石油、航空、汽车等领域。

该涡轮泵更具体地适用于涉及闭合回路、特别是朗肯循环型的回路68的应用，如唯一附图所示。

该闭合朗肯循环回路为ORC(有机朗肯循环)类型并且使用诸如丁烷、乙醇、氢氟烃之类的有机工作流体或有机流体的混合物。

当然，闭合回路也可利用诸如氨、水、二氧化碳等流体运行。

因此，泵的出口42连接于称为蒸发器的热交换器70，由泵压缩的工作流体通过该热交换器70，由此工作流体以压缩蒸气的形式从该蒸发器重新出现。

该蒸发器还使工作流体以液体或气体形式通过热源72，使得热源可以将热量释放至工作流体。该热源使得可以蒸发流体，并且可来自不同的热源，比如：来自内燃机、来自工业过程、来自熔炉的冷却剂；来自燃烧产生的热气体(工业过程的、来自锅炉的烟道气、来自涡轮机的废气等)；来自热太阳能集热器的热流等。

蒸发器的出口连接于涡轮机20的入口54，从而允许工作流体以高压压缩蒸气的形式进入涡轮机20中，该流体经由该涡轮机的出口56以低压膨胀蒸气的形式重新出现。

涡轮机的出口56连接于冷却交换器74或冷凝器，该冷却交换器74允许其所接纳的膨胀低压蒸气转换成低压液体流体。该冷凝器被冷源扫掠，从而冷却膨胀的蒸气，使得该蒸气冷凝并转换成液体，冷源通常是环境空气流或冷却水流。

当然，回路的各种元件通过允许它们相继连接的流体循环管而连接在一起。

Claims (7)

1.一种涡轮泵(10)，所述涡轮泵包括固定壳体(12)，所述固定壳体包含泵(16)和涡轮机(20)，所述泵具有包括泵叶片(28)的泵转子(14)，所述涡轮机容纳有支承涡轮机叶片(44)的涡轮机转子(18)，其特征在于，所述涡轮泵包括在垂直于所述泵(16)的转子的轴线的同一平面内围绕所述泵的转子同轴地定位的涡轮机转子(18)。

2.如权利要求1所述的涡轮泵(10)，其特征在于，所述泵转子(14)包括径向叶片(28)，所述径向叶片在其径向末端处支承周向护罩(36)。

3.如权利要求2所述的涡轮泵(10)，其特征在于，所述周向护罩(36)支承径向涡轮机转子(18)的叶片(44)，所述叶片与所述泵转子(16)的叶片(28)同轴地设置并且布置于其上方。

4.如权利要求2或3所述的涡轮泵(10)，其特征在于，所述涡轮机转子(18)的叶片(44)的所述径向末端支承与所述护罩(36)基本上同轴的闭合周向带(52)。

5.如权利要求1至4中任一项所述的涡轮泵(10)，其特征在于，所述护罩(36)包括与所述固定壳体密封的密封装置(58、60)。

6.如权利要求5所述的涡轮泵(10)，其特征在于，所述密封装置包括定位在所述护罩的每一端处的一组迷宫式密封件(58、60)。

7.一种如前述权利要求之一所述的涡轮泵在闭合回路中、尤其是朗肯类型或ORC(有机朗肯循环)类型的闭合回路中的应用。