專利名稱：磨損小的渦輪機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用來(lái)輸送帶有固體粒子的介質(zhì)的渦輪機(jī)，這種渦輪機(jī)的機(jī)殼內(nèi)裝有一個(gè)或多個(gè)葉輪。
這種可以是泵、透平、水泵-水輪機(jī)或類似機(jī)器的渦輪機(jī)在不同的技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用。為了提高機(jī)器的壽命，設(shè)計(jì)人員長(zhǎng)期以來(lái)致力于提高其材料遭受磨蝕性粒子磨損的渦輪機(jī)的使用壽命。
為此，采取的第一類措施是，使用特別硬的耐磨材料。例如在葉輪泵中，對(duì)磨損特別敏感的范圍已證明是葉輪側(cè)空間和位于此范圍內(nèi)的密封。如果由于材料磨損使密封的間隙增大，則會(huì)增加液壓損耗，從而降低效率。此外，在多級(jí)渦輪機(jī)中，還可能由此而產(chǎn)生導(dǎo)致直至使機(jī)組停機(jī)的巨烈振動(dòng)。
EP-B-0346677公開的一個(gè)措施是，防止有軸密封的空間和軸密封本身產(chǎn)生磨損。該空間位于葉輪后面并通過一個(gè)間隙密封與高壓的葉輪側(cè)空間隔開。
DE-A-2210556公開的一種葉輪泵用特別耐磨的殼體部分(例如限定螺旋通道和葉輪側(cè)空間的耐磨板)而提高了機(jī)器的壽命。此外，這種機(jī)器由于給水不含固體物質(zhì)，因而葉輪側(cè)空間和密封可不受磨蝕性粒子的影響。
DE-A-2344576描述的另一個(gè)措施是，在間隙密封范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)考慮了附加的輸送通道，其入口前聯(lián)一個(gè)循環(huán)環(huán)形室。借助這一措施可消除流入間隙密封的輸送介質(zhì)中的磨蝕性粒子，即磨蝕性粒子在環(huán)形室內(nèi)被分離后通過輸送通道輸入葉輪側(cè)空間，沒有了磨蝕性粒子的水則以準(zhǔn)無(wú)固體的狀態(tài)流向間隙密封。這個(gè)措施雖然有一定的初始效果，但經(jīng)短期運(yùn)行后便減弱了輸送通道的作用。因?yàn)樵陂g隙入口區(qū)內(nèi)，不斷流入的介質(zhì)的粒子的富集度有所增加并從而加速了磨損。
EP-B-0288500公開的另一個(gè)措施是，在葉輪蓋盤的外側(cè)設(shè)置輔助葉片，而這些輔助葉片被環(huán)形隔板間斷，從而使葉輪側(cè)空間內(nèi)的液流減小。但正如實(shí)際試驗(yàn)證明的那樣，這一措施也沒有防止磨損。
DE-A-3808598試圖借助于一個(gè)葉輪后接空間的環(huán)壁面的一定傾斜度來(lái)提高使用壽命。
本發(fā)明的任務(wù)是，從根本上減少或消除上述磨損問題。解決以上任務(wù)的技術(shù)方案在于，介于葉輪出口和間隙密封之間限定葉輪側(cè)空間的壁面具有這樣的結(jié)構(gòu)，即其形狀把近壁處的介質(zhì)流輸導(dǎo)到較高的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)范圍。已經(jīng)證實(shí)，磨蝕性粒子總是在固定的，即不旋轉(zhuǎn)的壁面附近徑向向內(nèi)移動(dòng)。由于通過葉輪的葉輪側(cè)摩擦產(chǎn)生徑向向外的輸送作用，而且在公知的葉輪中通過外部的輔助葉片還會(huì)加強(qiáng)這種輸送作用，所以，靜止的壁面處的含有粒子的介質(zhì)同樣是徑向向內(nèi)流動(dòng)并流向密封。因此，本發(fā)明采取的措施是，在靜止的隔壁范圍內(nèi)避免徑向向內(nèi)的粒子輸送，而且假如這一目的不能完全實(shí)現(xiàn)，則在間隙密封前把近壁處的粒子或含有粒子的近壁處的介質(zhì)流導(dǎo)入輸送介質(zhì)的較高旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的范圍中，然后粒子便可不成問題地從這個(gè)范圍向外輸送和離開受危及的壁面。根據(jù)渦輪機(jī)的功率數(shù)據(jù)，相對(duì)于葉輪的外半徑，該結(jié)構(gòu)可設(shè)在不同的，即相應(yīng)的對(duì)用目的最適宜的半徑上。例如在葉輪出口范圍內(nèi)、在緊靠間隙密封或軸密封之前或其之間的范圍內(nèi)，還有軸和間隙密封之間的一個(gè)葉輪側(cè)空間內(nèi)均可這樣設(shè)置。為此，本發(fā)明的各項(xiàng)從屬權(quán)利要求描述了本發(fā)明的其他實(shí)施形式，結(jié)合附圖描述來(lái)詳細(xì)說(shuō)明這些實(shí)施形式。
在附圖中示出了本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例并在下面對(duì)其詳細(xì)說(shuō)明。附圖所示為

圖1帶有渦殼的一級(jí)葉輪泵的截面圖作為渦輪機(jī)的一個(gè)實(shí)施例，圖2帶有設(shè)在葉輪之后的導(dǎo)向葉輪的多級(jí)葉輪泵作為渦輪機(jī)，圖3至圖25靜止和旋轉(zhuǎn)壁面之間的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。
在圖1所示的渦輪機(jī)外殼1中裝有一個(gè)外半徑為r2的葉輪2，它的葉片3裝在壓出側(cè)的葉輪蓋盤4和吸入側(cè)葉輪蓋盤5之間；其對(duì)面為靜止的外殼壁面，一個(gè)壓出側(cè)的外殼壁面6和吸入側(cè)的外殼壁面7。葉輪2周圍是與壓力接管9連通的螺旋通道8。由于葉輪側(cè)空間內(nèi)的壓差，外殼1內(nèi)的介質(zhì)的一部分流往葉輪入口范圍內(nèi)的間隙密封10或流往軸密封范圍內(nèi)的壓出側(cè)間隙密封11。葉輪蓋盤4、5上的葉輪側(cè)摩擦在壓出側(cè)的葉輪側(cè)空間12內(nèi)和在吸入側(cè)的葉輪側(cè)空間13產(chǎn)生介質(zhì)流動(dòng)。
不同空間內(nèi)的流動(dòng)條件，下面以葉輪側(cè)空間12、13為例來(lái)進(jìn)行說(shuō)明和進(jìn)行不同的觀察。在吸入側(cè)的葉輪側(cè)空間13或一個(gè)相應(yīng)的空間中由于存在壓差產(chǎn)生通流。即介質(zhì)由較高壓力的范圍流往較低壓力的范圍，例如在一個(gè)泵中，從葉輪出口流往葉輪入口。該介質(zhì)流與由于旋轉(zhuǎn)面和潤(rùn)濕該旋轉(zhuǎn)面的介質(zhì)之間的葉輪側(cè)摩擦產(chǎn)生的介質(zhì)流相疊加。在壓出側(cè)的葉輪側(cè)空間12內(nèi)或相應(yīng)的空間內(nèi)可產(chǎn)生介質(zhì)通流的條件下，壓出側(cè)的葉輪側(cè)空間12或一個(gè)與其相應(yīng)的空間的情況也是如此。這可能是軸向推力溢洪孔或一個(gè)別的可促成通流的開口。但在不存在通流流過空間的情況下，則仍然在靜止的壁面上產(chǎn)生一個(gè)徑向向內(nèi)的介質(zhì)流。造成該介質(zhì)流的原因是葉輪側(cè)的摩擦。由于這種葉輪側(cè)摩擦在旋轉(zhuǎn)的面上產(chǎn)生一個(gè)帶徑向向外分流的介質(zhì)流，這種介質(zhì)流在靜止壁面上產(chǎn)生回流即環(huán)流。在上述所有通流或環(huán)流情況下，含有磨蝕性粒子的介質(zhì)在經(jīng)過靜止的壁面之后均徑向向內(nèi)流。
圖2所示多級(jí)渦輪機(jī)的情況與上述情況相似。在作為泵工作時(shí)，含有粒子的介質(zhì)會(huì)通過吸入接管14.1、14.2流向葉輪2.1、2.2。與圖1所示實(shí)施例不同的是，第一級(jí)的葉輪2.1、2.2只在各級(jí)之間的軸通孔范圍內(nèi)有一個(gè)壓出側(cè)的間隙密封。
介質(zhì)離開第一級(jí)的葉輪后流經(jīng)導(dǎo)向裝置15.1、15.2并流向第二級(jí)的一個(gè)雙流葉輪16，再?gòu)哪抢锪魅肼菪ǖ?，并從該處經(jīng)壓力接管9流出。以圖1為例詳細(xì)述及的葉輪周圍情況也適用于圖2所示的實(shí)施例。
除了圖13、14、16、17、21、24和25外，圖3至圖23的視圖從結(jié)構(gòu)上看是一致的。這里指的是左側(cè)靜止壁面和右側(cè)旋轉(zhuǎn)壁面之間的結(jié)構(gòu)。按照?qǐng)D1，這些結(jié)構(gòu)可用于吸入側(cè)的葉輪側(cè)空間13的范圍內(nèi)。旋轉(zhuǎn)壁面部分的旋轉(zhuǎn)軸總是位于相應(yīng)視圖的下方。當(dāng)然，這里的視圖也適用于壓出側(cè)的葉輪側(cè)空間12，但要將視圖倒過來(lái)看。為簡(jiǎn)化起見，這里只限于對(duì)上述規(guī)定進(jìn)行描述。
在圖3至圖8中可以看到一個(gè)設(shè)在固定的殼壁7上的凸出的環(huán)17，此環(huán)對(duì)面設(shè)有旋轉(zhuǎn)的葉輪蓋盤5，其間有一個(gè)間隙18。沿固定殼壁7徑向向內(nèi)流動(dòng)的、含磨蝕性粒子的介質(zhì)流通過環(huán)17朝葉輪方向并據(jù)此轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)的葉輪蓋盤5，然后從該處和葉輪側(cè)摩擦引起的介質(zhì)流一起向外流出。
環(huán)17的寬度t1應(yīng)大于葉輪側(cè)空間寬度6的一半，即t1/b≥0.5。實(shí)驗(yàn)證明，將環(huán)17設(shè)置在相對(duì)半徑r1上是特別有利的，相對(duì)于葉輪的或它的葉輪蓋盤5的外半徑r2而言相對(duì)半徑r1相當(dāng)于r1/r2的比值約為0.8。設(shè)在別的半徑r1亦有效。葉輪側(cè)空間寬度b減去環(huán)17的寬度t1之差即為間隙s，此間隙不得小于2mm，在任何情況下都不具有密封間隙的功能；一個(gè)這樣的密封間隙會(huì)被流過的粒子破壞。通過2mm或更大的最小間隙寬度，在間隙范圍內(nèi)防止磨損增加。這點(diǎn)也適用于下面的其他附圖中的視圖。
在圖4所示的、旋轉(zhuǎn)的葉輪蓋盤5上，在與突出的環(huán)17的相同高度設(shè)有多個(gè)葉片19，葉片19與環(huán)17之間有小的間距。這些葉片19的徑向延伸等于或不等于環(huán)17的徑向延伸。按照?qǐng)D5，相鄰葉片19在較大的直徑上相鄰地并以較長(zhǎng)的徑向延伸固定在旋轉(zhuǎn)的葉輪蓋盤5上。
圖3至圖5所示環(huán)17周圍的點(diǎn)劃線表示環(huán)表面不同傾斜度的范圍。
在圖6中，在旋轉(zhuǎn)蓋盤5上設(shè)置了一個(gè)環(huán)20，該環(huán)位于比固定的外殼環(huán)17所處直徑更大的直徑上。旋轉(zhuǎn)環(huán)20的面向固定環(huán)17的下側(cè)設(shè)有葉片19，它們產(chǎn)生一個(gè)較高旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的范圍，從而把近壁處含粒子的介質(zhì)流偏轉(zhuǎn)到葉輪外直徑。在不用葉片19的情況下亦可設(shè)置產(chǎn)生輸送作用的槽，例如可在葉輪的材料中設(shè)置這種槽。在環(huán)和葉片或槽配對(duì)時(shí)，兩者之間的間隙傾斜是有利的，該傾斜引起粒子徑向向外的強(qiáng)制運(yùn)動(dòng)。葉片或槽既可沿軸向和垂直于旋轉(zhuǎn)的方向設(shè)置，亦可設(shè)置成與軸向有一定的角度，如圖16和圖17所示。
圖7所示的旋轉(zhuǎn)環(huán)20設(shè)置在比固定環(huán)17所處直徑更小的直徑上并為了近壁處的含粒子的介質(zhì)流的偏轉(zhuǎn)而具有產(chǎn)生較高旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的槽或葉片19。槽或葉片19的輸送能力是這樣設(shè)計(jì)的，即其輸送能量對(duì)近壁處介質(zhì)流的影響很小。輸送能量小，以至它們?cè)谌~輪側(cè)空間13以內(nèi)不產(chǎn)生由迄今眾所周知的外部輔助葉片所產(chǎn)生的加強(qiáng)環(huán)流。
在圖8中，在靜止的和凸出的環(huán)17的上下方，在旋轉(zhuǎn)的葉輪部分5上設(shè)置有短的葉片19.1、19.2。環(huán)17和葉片之間的間隙21、22沿傾斜方向伸展。
在圖5至圖8以及以后的圖中所示的葉片亦可全部和部分地被蓋板狀的構(gòu)件按封閉葉輪的方式覆蓋。
圖9至圖12中的外殼環(huán)17帶有一個(gè)徑向向外的圓盤23，此圓盤加強(qiáng)近壁處帶粒子的介質(zhì)流的偏轉(zhuǎn)過程。此外，旋轉(zhuǎn)的葉輪蓋盤5配有或沒有短的葉片19。圓盤23可設(shè)在環(huán)17的前端，亦可設(shè)在它的中間部位。
圖11所示圓盤23周圍的點(diǎn)劃線也表示圓盤表面的不同傾斜度的范圍。
圖13和圖14表示固定在外殼上的環(huán)17的俯視圖，此環(huán)17按圖13做成密封的環(huán)，但亦可按圖14做成分割的環(huán)，分割的準(zhǔn)則在于，幾個(gè)環(huán)形扇段17.2相對(duì)于殼壁7呈葉片形走向。環(huán)形扇段17.2的中心位于旋轉(zhuǎn)軸的中心以外，但在相應(yīng)的垂直和/或水平的截面平面內(nèi)移動(dòng)。各環(huán)形扇段沿圖中沒有示出的葉輪旋轉(zhuǎn)方向向外敞開。所以，可對(duì)介質(zhì)流進(jìn)行不同的定位和影響。箭頭表示葉輪的旋轉(zhuǎn)方向。
圖15以一個(gè)吸入側(cè)間隙密封10為例子表示本發(fā)明的結(jié)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)的環(huán)20在面向靜止環(huán)17的一側(cè)上帶有葉片19。不用葉片19，亦可用槽來(lái)產(chǎn)生相應(yīng)的作用。此處密封間隙的旋轉(zhuǎn)部分位于比固定部分處直徑更大的直徑上并其間有一個(gè)窄的間隙。葉片19或槽既可沿軸向和與旋轉(zhuǎn)方向垂直地設(shè)置，也可設(shè)置在與軸向有一定角度的位置上。
在圖16和圖17中，圖15所示的剖面線A-A示出了葉片19或槽沿葉輪圓周方向的展開狀況。葉輪的旋轉(zhuǎn)方向如箭頭所示。
圖18至圖20表示的壁面外形結(jié)構(gòu)沒有凸出的環(huán)，壁本身有空穴25，其結(jié)構(gòu)為流出邊26的出口朝向設(shè)在對(duì)面的、旋轉(zhuǎn)的葉輪蓋盤5。根據(jù)觀察方式，這種壁面形狀亦可被看成是使葉輪側(cè)空間13或14變窄的造形。其后則是一個(gè)使近壁處帶粒子的介質(zhì)流轉(zhuǎn)向的空穴25。近壁處帶粒子的介質(zhì)流沿靜止的殼壁面7被導(dǎo)向具有較高旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的葉輪側(cè)空間13。此處亦可在旋轉(zhuǎn)的葉輪蓋盤5上設(shè)置帶有很小的徑向伸展的葉片19，以便加強(qiáng)把粒子導(dǎo)向一個(gè)較高的旋轉(zhuǎn)能的范圍的導(dǎo)向效果。
以圖18為例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明其中的比例關(guān)系。在圖18中給出的角度α不應(yīng)超過30°，空穴25的長(zhǎng)度1與深度t2之比值不應(yīng)小于3。深度t2應(yīng)這樣設(shè)計(jì)，即它至少等于該處邊界層厚度的3倍。邊界層厚度由一般的計(jì)算過程求出(例如按Schlichting《邊界層理論》G.Braun Karlsruhe 1982年出版)。邊界層厚度在很大程度取決于介質(zhì)、葉輪轉(zhuǎn)數(shù)、半徑r1或r1′以及葉輪側(cè)空間13的寬度b。
影響近壁處的介質(zhì)流的另一種結(jié)構(gòu)形式如圖21至25所示，這既可是伸入靜止壁面7內(nèi)的槽27又可是凸出的葉片28，它們沿葉輪的旋轉(zhuǎn)方向或?qū)γ娴男D(zhuǎn)圓盤面的旋轉(zhuǎn)方向徑向向外伸展，同時(shí)，它們把由近壁處的介質(zhì)流帶來(lái)的粒子沿槽27或葉片28的徑向向外的輪廓向外導(dǎo)走。為了從葉輪側(cè)空間的內(nèi)部范圍向外輸送粒子，在葉輪側(cè)空間內(nèi)需要多次循環(huán)，直至在一個(gè)螺旋內(nèi)或在一個(gè)導(dǎo)向裝置內(nèi)把粒子輸出為止。
圖24所示靜止外殼壁面7為鋸齒形，其中，輪廓的緩平上升面29沿旋轉(zhuǎn)壁面5的旋轉(zhuǎn)方向伸展。采取這個(gè)措施使粒子一再被推離靜止的壁并到達(dá)具有較高的介質(zhì)局部旋轉(zhuǎn)速度的范圍，以便使粒子在經(jīng)過多次循環(huán)后重新能離開葉輪側(cè)空間13或14。圖25表示這種形狀的壁面7的俯視圖。
權(quán)利要求
1.供給含粒子的介質(zhì)的渦輪機(jī)，特別適用于輸送含固體粒子的介質(zhì)，這種渦輪機(jī)的機(jī)殼內(nèi)設(shè)置有一或多個(gè)葉輪和位于葉輪和機(jī)殼之間的葉輪側(cè)空間，其特征是，壁面(6、7)在一個(gè)密封(10、11、11.1、11.2)前和/或后隔開葉輪側(cè)空間(12、13)并具有這樣的外形結(jié)構(gòu)，其形狀能夠全部或部分地把近壁處的介質(zhì)流導(dǎo)入輸送介質(zhì)的較高旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的范圍。
2.按權(quán)利要求1的渦輪機(jī)，其特征在于，在靜止的外殼壁面(6、7)上設(shè)置有一個(gè)沿軸向凸出的環(huán)形面或環(huán)(17)。
3.按權(quán)利要求2的渦輪機(jī)，其特征是，在環(huán)形面或環(huán)(17)端部范圍的對(duì)面，在旋轉(zhuǎn)的壁面(4、5)上設(shè)置有多個(gè)短的葉片或槽(19)。
4.按權(quán)利要求2的渦輪機(jī)，其特征是，環(huán)形面或環(huán)(17)與一個(gè)在旋轉(zhuǎn)的壁面(4、5)的較大或較小直徑上設(shè)置的、裝葉片或設(shè)槽的環(huán)形面(1)或環(huán)(20)共同作用。
5.按權(quán)利要求1至4的渦輪機(jī)，其特征是，環(huán)形面或環(huán)(17)帶有一個(gè)徑向伸展的、凸出的圓盤(23)。
6.按權(quán)利要求5的渦輪機(jī)，其特征是，在圓盤(23)范圍的對(duì)面，在旋轉(zhuǎn)的壁面(4、5)上設(shè)置有多個(gè)短的葉片(19)或槽。
7.按權(quán)利要求2的渦輪機(jī)，其特征是，環(huán)形面或環(huán)(17)由多個(gè)扇形段(17.2)組成，其中，每個(gè)扇形段(17.2)的中點(diǎn)都設(shè)置在旋轉(zhuǎn)軸以外。
8.按權(quán)利要求1或2的渦輪機(jī)，其特征是，在旋轉(zhuǎn)環(huán)(20)上設(shè)置的槽或葉片(19)傾斜于旋轉(zhuǎn)軸伸展。
9.按權(quán)利要求1的渦輪機(jī)，其特征是，在靜止的壁(6、7)內(nèi)構(gòu)成一個(gè)環(huán)形空穴(25)，其中，環(huán)形空穴(25)和靜止壁面(6、7)之間的過渡區(qū)帶有一個(gè)流出邊(26)。
10.按權(quán)利要求9的渦輪機(jī)，其特征是，在流出邊(26)對(duì)面，在旋轉(zhuǎn)壁面(4、5)上設(shè)有多個(gè)短的葉片(19)或槽。
11.按權(quán)利要求1至10之一或多項(xiàng)所述的渦輪機(jī)，其特征是，在靜止壁面(6、7)上設(shè)置有多個(gè)槽(27)和/或葉片(28)，它們沿對(duì)面的、旋轉(zhuǎn)的壁面的旋轉(zhuǎn)方向徑向向外延伸。
12.按權(quán)利要求1至11之一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的渦輪機(jī)，其特征是，靜止壁面(6、7)本身帶有向外延伸的、具有一個(gè)平緩上升面(29)的槽。
全文摘要
本發(fā)明提出減少由于含有粒子的介質(zhì)所引起的渦輪機(jī)磨損的措施，為了減少磨損，把限定葉輪側(cè)空間(13、12)的壁面(6、7)形狀設(shè)計(jì)成可以影響固定壁面(6、7)近壁處的介質(zhì)流。
文檔編號(hào)F04D29/22GK1131978SQ94193527
公開日1996年9月25日 申請(qǐng)日期1994年9月16日 優(yōu)先權(quán)日1993年9月25日
發(fā)明者S·布羅達(dá)森, P·赫特 申請(qǐng)人:Ksb股份公司