涡轮机内壳体
技术领域
本发明涉及一种用于径向涡轮机的涡轮机内壳体，其中涡轮机内壳体具有沿着纵轴线的接合部、特别是沿着转子纵轴线的接合部，使得涡轮机内壳体能够分成下部件和上部件，其中涡轮机内壳体被设计为用于包括至少两个级的径向涡轮机，其中涡轮机内壳体在两个级之间分别具有回引级，其中下部件和/或上部件至少部分地以跨越至少两个级的方式一体式形成。
背景技术
从公开文献WO2016026825-A1、WO2010034602-Al、WO2007137959-Al和EP1860326-A1中，已经获知具有这种类型的涡轮机内壳体的上述类型的径向涡轮机。
涡轮机内壳体或涡轮机的内壳体、特别是径向涡轮机的内壳体始终被外壳体包围。在这里，外壳体基本上是密封的，使得不会有大量的过程流体可以从外壳体中逸出。如果在外壳体中设置有轴孔，则借助于轴密封件密封该轴孔。在这些位置处可能会发生由技术原因引起的泄漏，但这是不期望的。原则上，还可以将用于例如压缩机或泵的驱动装置设置在外壳体内，从而不需要轴孔。在这种情况下，外壳体的相应密封件是真正密封的。
在本发明的意义上，相应的涡轮机用于借助于转子将技术功从过程流体中传递出来或者将技术功传递到过程流体上，该转子沿着转子轴线延伸。沿着涡轮机内壳体的轴向延伸增大或者减小过程流体的压力，使得在涡轮机内壳体的轴向端部之间在涡轮机中或者在涡轮机上产生显著的压力差。在最简单的情况下，过程流体从流入部流过涡轮机直至流出部。原则上，还可以在流入部和流出部之间供给部分流或分支出部分流。在径向涡轮机的情况下，在每个单独的叶轮中，发生流动从轴向向径向的偏转，或者相反地偏转。
在本申请的术语解释的意义上，多级设计意味着具有多个叶轮的实施方式(在本申请的术语解释中，一个叶轮对应于一级)，叶轮必须实现从径向向外的流动方向到径向向内的流动方向的偏转。在压缩机的情况下，以径向向外流动的方式离开叶轮的过程流体必须关于流动方向径向向内反转180度，并且再次基本上轴向地被供给至下游的叶轮。为此，径向涡轮机具有所谓的回引级。这种回引级通常是装有叶片的环形通道，这些环形通道包括具有径向向外的流动方向的扩散器，并且这些环行通道通过一个相应实施的环形通道实现流动方向的180度反转。随后，径向向内地引导过程流体。扩散器和/或径向向内的回引部通常具有导向静叶，这些导向静叶将已经相对复杂地成形的环形通道在周向上划分成各个流动通道。为了最优的空气动力学性能，还期望的是，三维地构造相应的导向静叶，而这使得这些构件或回引级的几何构造极其复杂。目前，在常规技术上，借助于切削加工无法或者几乎无法实现回引叶片的三维成形。特别地，为了装配的目的，这种回引级或者主要由这些回引级构成的涡轮机内壳体通常沿着平行于纵轴线的接合部被分成上部件和下部件。此外，这种高度复杂的几何结构的常规制造需要将每个单独的回引级轴向地分成至少两个轴向部段，这些轴向部段在组合状态下形成所描述的环形通道。通过这种方式，常规的涡轮机内壳体由单独的回引级构件的两个轴向堆叠构成，这些回引级构件一起形成上部件和下部件，从而形成完整的涡轮机内壳体。由于有大量的零件，从而需要许多固定措施和密封要求，因此这种模块化结构非常复杂。此外，各种零件不仅需要彼此密封，而且需要相应地彼此对准。除了环形的回引级流动通道制造复杂之外，密封面以及所需的大量中心孔和固定部的制造也非常复杂且昂贵。
发明内容
基于上面所描述的缺点，本发明的目的是至少部分地解决这些问题。为了实现根据本发明的目的，提出了一种具有独立权利要求特征部分的附加特征的上述类型的涡轮机内壳体。还提出了一种具有这种涡轮机内壳体的设备。
除非另有说明，否则相对于涡轮机内壳体的纵轴线来使用诸如“轴向”、“径向”、“周向”的术语，该纵轴线至少平行于相应的径向涡轮机的转子纵轴线。
除非另有说明，否则本申请中的描述涉及将根据本发明配备的涡轮机作为压缩机的设计。备选地，根据本发明配备的涡轮机还可以被设计为膨胀机，而无需明确提及。本领域技术人员能够根据其专业知识将对本发明的当前说明加以必要的修正以应用在膨胀机上。
在本发明中，术语“一体式的”应当理解为一种被设计为不能以无损的方式被分开的构件，因此该构件由一块均匀的材料形成，或者该构件至少以材料配合的方式或至少以形状配合的方式被设计为一个单元，使得该构件不再能够以无损的方式被分开。
在涡轮机内壳体的至少一个跨越两个级的部段上一体式地形成上部件和/或下部件使得该结构得到显著的加固，这特别地是因为涡轮机内壳体的回引级的环形腔中或流动通道中的导向静叶提供了能够承受高负荷的复合构造。因此，特别优选地规定，回引级是被实施为装有叶片的回引级或者是具有导向静叶的回引级。
特别优选地，至少在径向向内引导的部段(流动方向)中和/或在径向向外引导的部段(流动方向)中，一体式形成的每个回引级具有导向静叶。因此，不仅确保了在空气动力学上特别有利且有效的构造，而且确保了该一体式部段的特别高的刚性。
有利地，本发明的另一方面规定，涡轮机内壳体由至多50wt％的金属构成。特别优选地，涡轮机内壳体由至多30wt％的金属构成。本发明的一个特别优选的改进方案规定，涡轮机内壳体由至少50wt％的塑料构成，优选地，涡轮机内壳体由30wt％的塑料构成(除非另有说明，否则在本申请中，所有百分比数据都相对于质量)。与涡轮机内壳体的常规设计相比，根据本发明的设计使得涡轮机内壳体的构件主要由塑料制成，因为一体式设计确保了机械刚性，否则只能通过利用金属实现该构件来确保这样的机械刚性。
为了涡轮机内壳体还足够耐磨损，有利的是，在运行中暴露于过程流体的表面至少局部地设置有涂层，该涂层比利用该涂层涂覆的基础材料耐磨。特别有利地，这种涂层可以至少部分地由金属构成，或者由相应的金属件制成，或者借助于金属嵌体被提供。
本发明的一个特别有利的改进方案规定，涡轮机内壳体具有至少两个回引级，其中涡轮机内壳体具有外表面和限定涡轮机内壳体的内部的内表面，其中轴向地在两个回引级之间，外表面具有径向向内延伸的至少一个凹部。在径向涡轮机的情况下，叶轮的如下部分通常轴向地位于回引级的在纵截面中呈U形的环形流动通道之间，这样的部分以轴向地吸入过程流体并使过程流体朝径向偏转的方式延伸。特别地，在该区域中，径向上位于较外部的轴向区域在空气动力学上基本上是无功能的，因为回引级的环形通道在轴向上从叶轮的流出部延伸到下游的叶轮的轴向流入部(对流动方向的该陈述适用于压缩机，对于膨胀机而言，流动方向相反；在下文中，在没有其它说明的情况下，对流动方向的这种陈述始终使用压缩机的示例)。因此，有益的是，在两个回引级之间的轴向区域设置有径向向内延伸的凹部或凹槽。根据凹部的尺寸，这种凹部显著减小了涡轮机内壳体的自重，并且例如可以径向向内继续延伸至叶轮的外径。特别优选地，相应的凹部的径向内底部位于邻接的级的叶轮外径加/减该叶轮外径的20％的区域中。特别优选地，一个或多个这种凹部在涡轮机内壳体的横截面的至少35％的份额上延伸。在这里，100％意味着一个如下的假想横截面，这样的假想横截面形成了实际上存在于涡轮机内壳体的轴向相邻的叶轮区域中的两个横截面之间的平均值(横截面被布置为垂直于纵轴线)。在圆柱形涡轮机内壳体的情况下，100％的横截面份额是恒定的横截面。这种凹部的重要优点在于，至少在凹部区域中，外部施加的压力以不改变轴向长度的方式作用。实际上，在没有该凹部的情况下，根据涡轮机内壳体的刚性并且根据内壳体和外壳体之间的压力，涡轮机内壳体的上部件和下部件可能会出现明显变形。因此，这种凹部降低了对涡轮机内壳体的刚性的要求。
根据本发明的优点在如下的设备中特别明显，这样的设备包括根据本发明的类型的涡轮机内壳体或相应的改进方案以及涡轮机外壳体，其中该设备具有轴向的低压侧和轴向的高压侧，其中该设备具有密封件，该密封件在周向上延伸并且被布置在高压侧与低压侧之间的间隙中，使得该间隙被分成高压部分和低压部分。有利地，该设备被设计为使得高压部分在运行中处于涡轮机的排气压力下，并且低压部分在运行中处于进气压力下。在这里，特别有利的是，将相邻的两个回引级之间的多个凹部布置在高压部分的区域中，使得一方面，在轴向上至少部分地补偿高压，并且另一方面，在涡轮机内壳体的外表面上得到的力分布确保了在运行中涡轮机内壳体的下部件对上部件的特别均匀的接触压力，并且因此为了固定和密封的目的，在两个构件之间只需要较少的措施。
特别有利地，该设备的涡轮机内壳体被设计为桶状结构，使得以横向于纵轴线的方式设置接合部。在这里，有益的是，接合部将盖部与涡轮机外壳体的桶部分离。在这里，本领域技术人员可以将“盖部”理解为桶部的轴向端部，该轴向端部不具有外壳功能。
特别有利地，借助于增材制造方法(生成式制造方法或增材生产)来制造涡轮机内壳体的至少一个如下的部段，这样的部段以跨越至少两个级的方式一体式形成。已经从WO2016/198210、WO2017/060036、WO2017/102286、WO2017/121539、WO2017/137376、WO2017/37262、WO2017/167615、WO2017/182220、WO2017/182221、WO2017/194274、WO2017/194451、WO2015/144401、WO2017/045823、WO2017/063861、WO2017/093461、WO2017/133812、WO2017/174234、WO2017/174233、WO2017/194387、WO2016/078800、WO2016/113107、WO2016/188696和WO2017/157620中获知相应的增材制造方法。原则上，所有增材制造方法均可以用于根据本发明的构造，这些增材制造方法例如：选择性激光熔化(SLM)、选择性激光烧结(SLS)、选择性热烧结(SHS)、喷射粘结(借助于粘合剂使粉末材料固化)、电子束熔化(Electron BeamMelting＝EBM)、熔融沉积成型(FDM或者熔丝制造(FFF))、堆焊或镀层、蜡沉积成型(WDM)、轮廓雕刻、金属粉末施加方法(MPA)、冷注射以及电子束焊接(Electron Beam Welding＝EBW)、立体光刻(SLA)+微SLA、使用数字光处理(DLP)进行曝光的方法、以及复合材料液态成型(LCM)、分层实体成型(LOM)、金属的3D筛网印刷、以及光控的电泳分离。
本发明的一个有利的改进方案规定，除了低压侧上的吸气嵌件之外，将涡轮机内壳体划分成优选是一体式的下部件和优选是一体式的上部件，该吸气嵌件优选地在周向上是未分开的，并且该吸气嵌件以在接合部SPL中基本上轴向地分开的方式与下部件LPC和上部件UPC一起组合成涡轮机内壳体TMI。优选地，涡轮机内壳体和涡轮机外壳体之间的密封件贴靠在吸气嵌件上，该密封件将高压侧与低压侧分离。在这里，吸气嵌件有利地由金属构成，以便能够承受由压力差引起的机械负荷。
在这里，选择性激光熔化、电子束熔化是特别有利的。在这里，特别有益的是，不仅至少所提及的部段、而且至少整个上部件或整个下部件，或者上部件和下部件全都一体式形成。因此，可以有利地将上述类型的增材制造方法应用于整个涡轮机内壳体。
附图说明
在下文中参考附图根据具体实施例详细解释本发明。其中：
图1示出了穿过具有根据本发明的涡轮机内壳体的设备或径向涡轮机的示意性纵截面。
具体实施方式
图1示出了具有根据本发明的涡轮机内壳体TMI的设备ARG或径向涡轮机RTM。涡轮机内壳体TMI被涡轮机外壳体TMO包围，过程气体PFL从流入部IMF流过该涡轮机外壳体TMO直至流出部EXT。在径向涡轮压缩机的具体实施例中，在流过涡轮机内壳体TMI时，借助于叶轮IMP向过程流体PFL施加较高的压力，这些叶轮IMP是绕纵轴线X或转子轴线RX旋转的转子ROT的组成部分。在这里，涡轮机内壳体TMI是静态的、特别是以空气动力学方式起作用的结构元件，并且具有叶轮IMP的转子ROT将技术功从未详细示出的外部驱动装置引入过程流体PFL中。为了联接驱动装置的目的，转子的左侧轴端部以及右侧轴端部在通孔处轴向地从外壳体TMO中被引出。借助于未详细解释的轴密封件，相对于在外壳体TMO的内部中的过程流体和环境之间的压力差密封相应的轴孔。
涡轮机内壳体TMI在间隙RBT的区域中接收涡轮机外壳体TMO中的过程流体PFL。借助于在涡轮机内壳体TMI和涡轮机外壳体TMO之间的密封件STS将间隙RBT分成高压侧HPS和低压侧LPS。密封件STS在(相对于纵轴线X或转子轴线RX的)周向上延伸，并且将间隙RBT的轴向高压部分HPC与轴向低压部分LPC分离。涡轮机外壳体TMO的流入部IMF通入低压部分LPC中，并且流出部EXT以引导流体的方式与高压部分HPC相连接。密封件STS被设计用于轴向紧贴，使得在运行中，高压部分HPC中的较高的压力将涡轮机内壳体TMI朝低压部分LPC的方向推动，并且因此，整个周缘的接触确保了密封件STS的密封性。
所示出的径向涡轮机RTM具有六个叶轮，因此在根据本发明的术语解释中，径向涡轮机RTM具有六个级STG或六个压缩级。在两个级之间分别形成涡轮机内壳体TMI中的所谓的回引级BFC。回引级从位于上游的叶轮IMP接收径向向外流动的过程流体PFL。在回引级BFC的首先用作扩散器的部段中，使过程流体减速并且利用在该处设置的导向静叶尽可能除去不期望有的旋流分量。在回引级BFC的环形通道的位于下游的部段中，过程流体径向向内偏转180°，并且随后继续径向向内地被引导穿过装有导向静叶的部段。在下游处，在轴向上相对于位于上游的下一个叶轮IMP发生90度偏转。在具体实施例中，涡轮机内壳体TMI被设计为由一体式的下部件LPC和一体式的上部件UPC构成的组合，该组合具有沿着纵轴线X的接合部。类似地，涡轮机内壳体的上部件UPC和下部件LPC还可仅部分地以跨越至少两个级的方式一体式形成，并且这也可以只适用于下部件LPC或上部件UPC。对此不需要进一步解释。
在具体实施例中，除了吸气嵌件SES之外，涡轮机内壳体TMI被分成下部件LPC和上部件UPC，该吸气嵌件SES在周向上是未分开的，并且该吸气嵌件SES借助于在接合部SPL中基本上轴向的分开的方式、与下部件LPC和上部件UPC一起组合成涡轮机内壳体TMI。将高压侧HPS与低压侧STS分离的密封件STS贴靠在吸气嵌件SES上。在这里，为了能承受来自压力差的机械负载，吸气嵌件SES有利地由金属制成。
在该实施例中，涡轮机内壳体TMI由至多50wt％的金属构成，优选地由至多30wt％的金属构成。特别优选地，涡轮机内壳体由50wt％或更大质量分数的塑料构成。涡轮机内壳体在运行中暴露于过程流体PFL的表面局部地设置有涂层SCC。该涂层至少部分地由金属构成。
涡轮机内壳体限定内表面ISC和外表面OSC。轴向地在两个回引级BFC之间，外表面OSC分别设置有径向向内延伸的凹部RRZ。该凹部RRZ占涡轮机内壳体TMI的横截面的至少35％的份额。因此，在运行中，高压侧HPS的排气压力也作用在该凹部RRZ的区域中，并且一方面，确保了在涡轮机内壳体TMI上的轴向压缩力较小，并且另一方面，确保了由此只产生很小的变形，并且确保了上部件UPC和下部件LPC之间的密封面的均匀接触。借助于凹部RRZ中的肋实现上部件UPC和下部件LPC的轴向加强，这些肋基本上在轴向-径向方向上以平面方式延伸。
在运行中在外表面OSC的区域中的各个凹部中的压力通常小于高压侧HPS上的排气压力。由于在外表面OSC的区域中精细的轮廓，该运行压力起作用，使得上部件UPC和下部件LPC之间的接合部TF被压缩，从而防止内部泄漏。在常规的金属壳体中，接合区域是厚壁的并且具有由制造引起的残留的缝隙，这导致内部泄漏。
涡轮机外壳体TMO被设计为桶状结构，使得在两侧上分别以横向于纵轴线X的方式设置接合部OCS。轴向地在两侧上，盖部COV形成涡轮机外壳体TMO的桶部BRL的轴向封闭部。盖部不具有外壳功能并且仅形成轴向封闭部。
借助于增材制造方法至少在如下的区域中制造涡轮机内壳体TMI，这样的区域以跨越至少两个级的方式一体式形成。
