气体和蒸汽涡轮装置

摘要

本发明涉及用于将气体流和蒸汽流装换成轴(26)的旋转运动的涡轮装置(10)，该涡轮装置包括：气体涡轮部分(20)；与气体涡轮部分(20)同心排布的蒸汽涡轮部分(30)；以及包围气体涡轮部分(20)和蒸汽涡轮部分(30)的外部定子(11)；包括设置于外部定子(11)的中心的转子毂(13)的转子(12)。根据本发明的涡轮装置特征在于气体涡轮部分(20)或蒸汽涡轮部分(30)在转子毂(13)内延伸。

权利要求

1.一种用于将气体流和蒸汽流转换成轴(26)的旋转运动的涡轮装置(10)，所述装置包括：气体涡轮部分(20)；

与所述气体涡轮部分(20)同心排布的蒸汽涡轮部分(30)；以及

包围所述气体涡轮部分(20)和所述蒸汽涡轮部分(30)的外部定子(11)；

包括设置于所述外部定子(11)的中心的转子毂(13)的转子(12)，

其特征在于，所述气体涡轮部分(20)或所述蒸汽涡轮部分(30)在所述转子毂(13)内延伸；

所述外部定子(11)包括定子盘(15)，所述定子盘(15)从所述外部定子(11)的内表面，横向于所述转子(12)的旋转轴、向所述转子毂(13)延伸。

2.根据权利要求1所述的涡轮装置，其特征在于，所述转子(12)包括转子轮(14)，所述转子轮(14)在径向上从所述转子毂(13)向所述外部定子(11)延伸。

3.根据权利要求1所述的涡轮装置，其特征在于，所述涡轮装置(10)还包括设置于所述转子毂(13)的中心的内部定子(19)，所述内部定子(19)具有小于所述转子毂(13)的内径的外径，以便在所述内部定子(19)和所述转子毂(13)的内表面之间、为在所述转子毂(13)内部延伸的所述涡轮部分(30)产生空间。

4.根据权利要求3所述的涡轮装置，其特征在于，所述转子(12)包括在径向从所述转子毂(13)的内表面向所述内部定子(19)延伸的内部转子轮(22)，所述内部定子(19)包括从所述内部定子(19)向邻近的内部转子轮(22)之间的所述转子毂(13)的内表面延伸的内部定子盘(23)。

5.根据权利要求3所述的涡轮装置，其特征在于，通过所述内部定子(19)中的一条或多条通道(24)，将所述气体或蒸汽流引向所述转子毂(13)内的空间。

6.根据权利3所述的涡轮装置，其特征在于，通过所述转子毂(13)的下游端中的至少一个开口(25)，所述气体或蒸汽流流出所述转子毂(13)内的空间。

7.根据权利要求4所述的涡轮装置，其特征在于，所述内部转子轮(22)包括大量的内部转子叶片，并且所述转子轮(14)包括大量的转子叶片，其中，至少一条通道排布在所述转子叶片，所述转子毂(13)和所述内部转子叶片内，以便在所述通道中流动的流体从所述气体涡轮部分(20)向所述蒸汽涡轮部分(30)传送热量。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的涡轮装置，其特征在于，所述蒸汽涡轮部分(30)排布在所述转子毂(13)内。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的涡轮装置，其特征在于，所述外部定子(11)的内径向所述涡轮装置(10)的下游增大。

10.根据权利要求1至7中任一项所述的涡轮装置，其特征在于，所述转子毂(13)具有恒定的外径。

11.根据权利要求3至7中任一项所述的涡轮装置，其特征在于，所述内部定子(19)的外径向所述涡轮装置(10)的下游减小。

说明书

气体和蒸汽涡轮装置

技术领域

[0001] 本发明涉及用于将气体流和蒸汽流转换成轴的旋转运动的涡轮装置。

背景技术

[0002] 气体涡轮经常在不同的应用中用于化学能向机械能的转换。通过产生用于旋转气体涡轮中的转子的气体流实现该能量的转换。通过来例如天然气或油基产品燃烧的燃烧气体产生所述气体流。燃烧发生在设置于转子上游的燃烧室中。不断地向该室提供空气，以提高涡轮的效率，空气优选在压缩机产生的压力下向燃烧室提供。

[0003] 为了提高气体涡轮的效率，燃烧期间在气体涡轮中产生的热量用于产生蒸汽流，该蒸汽流与燃烧气体流结合，可用于转动转子。从而进一步提高效率，该效率是提供的能量的量和从气体涡轮中输出的机械能的量的比率。

[0004] 在WO2008/111905中公开了一种设计用于使用燃烧气体流和蒸汽流的气体涡轮装置。该公开的气体涡轮装置包括围绕转子的定子，该转子设置于定子内的空间的中心。定子设置有沿着定子的内侧设置的并且从定子的内侧向转子毂延伸的定子盘。在定子盘之间的空间，设置有从转子毂延伸的转子翼。在定子内侧和转子毂之间的空间，同心排布两条通道，并且该两条通道相互之间隔开。该两条通道由设置于每一个定子盘和转子翼之间的密封元件隔开。

[0005] 然而，以上公开的结构确实存在一些严重的缺陷。第一，气体涡轮转子在高速下转动，这使在定子盘和转子翼之间提供需要的密封变得很困难，该密封是保持两个通道相互之间隔开必不可少的。此外，该密封被暴露在高温下，使提供所要求的长期性能的密封变得更加复杂和昂贵。第二，公开的气体涡轮装置是复杂的，这使制造变得昂贵。

[0006] 本发明提供解决以上确定的问题的气体涡轮装置。

发明内容

[0007] 由所附权利要求定义的本发明提供一种用于将气体流和蒸汽流转换成轴的旋转运动的气体涡轮装置，该气体涡轮装置减少以上描述的问题。

[0008] 用于将气体流和蒸汽流转换成轴的旋转运动的要求保护的涡轮装置包括：

[0009] -气体涡轮部分，

[0010] -与气体涡轮部分同心排布的蒸汽涡轮部分，以及

[0011] -包围气体涡轮部分和蒸汽涡轮部分的外部定子，

[0012] -包括设置于定子的中心的转子毂的转子。

[0013] 该涡轮装置特征在于气体涡轮部分或蒸汽涡轮部分在转子毂内延伸。

[0014] 要求保护的涡轮装置通过让气体涡轮部分或蒸汽涡轮部分在转子毂内延伸，解决涉及先前已知的涡轮装置的问题。转子毂隔开气体部分和蒸汽部分，由此消除转子轮和定子盘之间复杂的且昂贵的密封的需要。

[0015] 要求保护的涡轮装置的更进一步地优点是由转子毂来隔开热气体涡轮部分和相对小的热蒸汽涡轮部分，而不是如在WO2008/111905 A1中公开的涡轮装置中的，由设置于转子叶片和定子盘之间的密封来隔开。该差别提高了涡轮装置的可靠性，因为在WO2008/111905 A1中公开的涡轮装置中的每一个转子叶片和密封将暴露在大的温度差下，该温度差引起叶片和密封内的热膨胀和应力，这可以破坏密封和叶片，然而在根据本发明的涡轮装置中的每一个叶片仅暴露在气体流或蒸汽流中。

[0016] 更进一步，根据本发明的涡轮装置在结构上相对不复杂，这使制造花费变少，并且减少涡轮装置失效的风险。

[0017] 在该涡轮装置的一个实施例中，外部定子包括从定子的内表面，大体上横向于转子的旋转轴、向转子毂延伸的定子盘。定子盘用于在希望的方向上引导涡轮部分内的气体或蒸汽流，并且从而提高该气体涡轮装置的效率。

[0018] 在该涡轮装置的一个实施例中，转子包括在大体径向上从转子毂向外部定子的内部延伸的转子轮。每一个转子轮包括若干倾斜的转子叶片。当气体或蒸汽流到达倾斜的转子叶片时，使转子围绕它的旋转轴旋转。

[0019] 该涡轮装置的一个实施例还包括设置于转子毂的中心的内部定子。该内部定子具有小于转子毂的内径的外径，以便在内部定子和转子毂的内表面之间为在转子毂内延伸的涡轮部分产生空间。该实施例提供有效的且可靠的涡轮装置以及在转子毂内部延伸的涡轮部分。

[0020] 在该涡轮装置的一个实施例中，转子包括在大体径向上从转子毂的内表面向内部定子延伸的内部转子轮。每一个转子轮包括若干倾斜的转子叶片。当气体或蒸汽流到达倾斜的转子叶片时，使转子围绕它的旋转轴旋转。更进一步，内部定子包括从内部定子向邻近的内部转子轮之间的转子毂的内表面延伸的内部定子盘。该内部定子盘设置在两个邻近的盘之间的空间，以便在希望的方向引导流体，而更进一步提高涡轮装置的效率。

[0021] 在该涡轮装置的一个实施例中，通过在内部定子中的通道引导气体或蒸汽流向转子毂内的涡轮部分。该实施例提供可靠的涡轮装置，通过合理的花费制造该涡轮装置是可能的。

[0022] 在该涡轮装置的一个实施例中，通过至少一个在转子毂的下游端的开口，气体或蒸汽流流出转子毂内的涡轮部分。该实施例提供可靠的涡轮装置，通过合理的花费制造该涡轮装置是可能的。

[0023] 在该涡轮装置的一个实施例中，内部转子轮包括若干内部转子叶片，并且转子轮包括若干转子叶片，其中通道排布在转子叶片，转子毂以及内部转子叶片内，以便在该通道中流动的流体从气体涡轮部分向蒸汽涡轮部分传送热量。包括用于流体的通道的本发明的这个实施例，更进一步增加涡轮装置的效率，因为热的燃烧气体将加热气体涡轮部分中的转子叶片，并且从而也加热在通道中流动的流体，以便通过流体向在蒸汽涡轮部分中的叶片传送热量，这些热量将协助更进一步增加气体涡轮部分的效率。

[0024] 在该涡轮装置的一个实施例中，蒸汽涡轮部分在转子毂内延伸。为了优化该涡轮装置的效率，蒸汽涡轮部分优选地排布在转子毂内部，因为由来自气体生成器的热量产生的蒸汽流小于燃烧气体流，并且在转子毂内部的涡轮部分的截面积小于在转子毂的相对侧上的涡轮部分的横截面积。

[0025] 在该涡轮装置的一个实施例中，外部定子的内径向涡轮装置的下游增大。该外部定子设计提高气体涡轮装置的效率。

[0026] 在该涡轮装置的一个实施例中，转子毂具有基本恒定的外径。

[0027] 在该涡轮装置的一个实施例中，内部定子的外径向涡轮装置的下游减小。该内部定子设计提高该气体涡轮装置的效率。

[0028] 通过以下具体的说明和所附权利要求，将说明更多的方面和实施例。

附图说明

[0029] 在以下附图中示出要求保护的发明的一个实施例，其中：

[0030] 图1示出通过气体涡轮装置的示意性的横断面视图；

[0031] 图2示出在图1中加上一些附加特征的涡轮装置。

具体实施方式

[0032] 现在将结合图1和图2更具体地解释本发明。

[0033] 根据本发明的气体涡轮装置10可以结合用于产生希望的燃烧气体流的若干不同结构来使用，也可以结合用于为气体涡轮装置10产生和输送希望的蒸汽流的若干不同结构来使用。

[0034] 用于产生燃烧气体流的结构可能涉及一个或多个压缩机，以便燃料，诸如天然气或油基燃料在燃烧室内燃烧，并且在燃烧室内达到希望的压力升高之前，增大燃烧室内的压力。生成的燃烧气体流将从燃烧室引向涡轮装置10。

[0035] 在用于产生燃烧气体流的结构中，在燃烧期间产生相当多的热量。该热量优选地用于流体向蒸汽的汽化，该蒸汽可应用于涡轮装置10中，以增加涡轮装置10的效率。

[0036] 在图中示出的涡轮装置10包括成管状的外部定子11。在外部定子11内的空间的中心，排布转子12，从而创建在涡轮装置10内的外部定子11和位于转子12的中心的转子毂13之间延伸的气体流部分20。气体流部分20设置有用于来自涡轮装置10上游端的气体生成器的气体的进口27，以及涡轮装置10下游端的气体出口16。进口27和出口16围绕外部定子11的内侧周边布置。进口27连接以上描述的气体流生成器。气体流生成器可以设置在涡轮装置10的轴向上游的方向。

[0037] 转子12能够围绕与外部定子10的纵向轴同轴的旋转轴旋转。转子12包括设置于转子12的中心的大体上柱形的转子毂13和若干沿着柱形转子毂13排布而和转子毂13一起转动的转子轮14。每一个转子轮14包括若干倾斜的转子叶片，当暴露于气体流时，所述转子叶片将旋转转子12。根据希望的涡轮特征和涡轮装置10的具体应用，叶片的数量和每一个叶片的精确形状可以不同。沿着柱形转子毂13，转子轮14相互之间以一定的轴向距离排布。根据涡轮装置10的尺寸和涡轮装置10的具体应用选择转子轮14的数量。

[0038] 在邻近的转子轮14之间的每一个空间中，设置有定子盘15。定子盘15刚性连接于外部定子11并且沿着大体径向上从外部定子11的内表面向转子毂13延伸，以填充邻近的转子轮14之间的空间。每一个定子盘15包括若干没有图示的定子翼，所述定子翼影响通过气体涡轮部分20的气体流，以便增加涡轮装置10的效率。优选地，定子翼尽可能填充邻近转子轮14之间的空间，但是优选地应不与转子毂13接触以避免在涡轮装置10内产生附加的摩擦。

[0039] 在已描述的涡轮装置10的实施例中，外部定子11的内径沿着涡轮装置10的轴向是变化的。在转子轮14和定子盘15的上游的区域内，外部定子11的内径向下游减小，在第一个定子盘15附近的区域内达到它的最小值。然后该直径向涡轮装置10的下游增加。因为外部定子11的内表面和柱形转子毂13之间的距离向涡轮装置10的下游增加，所以转子轮14和定子盘15的径向长度相应地增加。

[0040] 通过箭头A示出进入涡轮装置进口27的燃烧气体流。该气体流流经气体涡轮部分20并且通过涡轮装置10的下游的出口16流出涡轮装置10。由箭头B示出从涡轮装置10流出的气体流。

[0041] 转子12通过设置于转子12的上游端和下游端的轴承18，相对于设置在涡轮装置10中心的支撑结构17旋转地支撑。在涡轮装置10的上游端以及转子毂13的上游，支撑结构17具有基本等同于柱形转子毂13外径的直径。转子毂13的上游端附近，支撑结构17的直径显著地减小，并且支撑结构17在转子毂13内部向下游延伸。转子毂13内的支撑结构构成在柱形转子毂13内部向转子毂13的下游端延伸的内部定子19，以通过轴承18同样支撑转子12的下游端。轴承可以是不同的类型但是应该确保转子相对于支撑结构17能够尽可能容易地旋转，以避免附加的摩擦损失。

[0042] 内部定子19的外径小于柱形转子毂13的内径，从而产生蒸汽涡轮部分30，该蒸汽涡轮部分30在转子毂13内与转子毂13外部的气体涡轮部分20同心地延伸。支撑结构17机械地连接于外部定子11，并且从而避免与转子12一起旋转。

[0043] 若干内部转子轮22沿着转子毂13的内表面排布，以和转子毂一起旋转。内部转子轮22在大体径向上从转子毂13的内表面向内部定子19延伸。每一个内部转子轮22包括若干倾斜的转子叶片，当暴露于蒸汽流时，所述转子叶片将协助旋转转子12。沿着柱形转子毂13的内侧，内部转子轮22相互之间以大致恒定的轴向距离排布。在邻近的内部转子轮22之间的每一个空间中，以像气体涡轮部分20内部相似的方式设置有内部定子盘23。内部定子盘23刚性连接于内部定子19，并且在大体径向上从内部定子19的表面向转子毂
13的内表面延伸，以填充邻近内部转子轮22之间的空间。每一个内部定子盘23包括若干没有示出的内部定子翼，所述内部定子翼影响通过蒸汽涡轮部分30的蒸汽流，以便增加涡轮装置10的效率。内部定子19的直径向涡轮装置10的下游端减小。因为转子毂13的内表面和内部定子19之间的距离向涡轮装置10的下游增加，所以内部转子轮22和内部定子盘23的长度相应地增加。

[0044] 来自蒸汽生成结构的蒸汽流通过排布在支撑结构17内的通道24进入蒸汽涡轮部分30。通道24的端部靠近内部转子轮22和内部定子盘23上游的柱形转子毂13的内表面。

[0045] 通过箭头C示出进入蒸汽涡轮部分30的蒸汽流。蒸汽流流经蒸汽涡轮部分30并且通过转子毂13下游端的开口25流出。通过箭头D示出从涡轮装置10流出的蒸汽流。

[0046] 在没有在附图中示出的该涡轮装置的一个实施例中，通道排布在转子叶片，转子毂和内部转子叶片内，以便流经该通道的流体从气体涡轮部分20向蒸汽涡轮部分30传送热量。涡轮装置10的这个实施例更进一步增加涡轮装置的效率，因为热的燃烧气体将加热气体涡轮部分的转子叶片，并且从而也加热在通道中流动的流体，以便使流体蒸发，并且热量由流体传送给蒸汽涡轮部分30将更进一步协助增加气体涡轮部分的效率。在转子叶片中的通道中流动的流体也将冷却气体涡轮部分中的叶片，这是更进一步的优势。也可以将蒸发的流体引入蒸汽涡轮部分30中的主蒸汽流。定子叶片和内部定子叶片优选地沿着转子毂13排布在相同的轴向位置，以便容易在叶片和转子毂13内制造通道。

[0047] 引导结构27排布在转子12的下游。在该涡轮装置的这个实施例中，引导结构27大体上是柱形并且具有基本等于转子毂13的直径。引导结构27用于向希望的方向引导流出的气体和流出的蒸汽，并且在本发明的其他的实施例中，该结构可以具有完全不同的形状而向希望的方向引导热的流出气体和流出蒸汽。该引导结构刚性连接于外部定子11。

[0048] 在转子12的下游端，转子毂13的直径减小，以构成用于传送由涡轮装置10产生的旋转运动的输出轴26。例如，轴26连接至用于将旋转运动转换成电能的发电机，或者螺旋桨等，以便为飞行器，运输工具，船或游艇提供动力。

[0049] 轴26直接连接至使用旋转运动的结构，或者首先导向齿轮装置，以便能适配具体应用的旋转速度和动力。

[0050] 在图2中，增加附加轴28。轴28结构上刚性地连接于输出轴26，并且在相反的方向从输出轴24向涡轮装置的上游延伸。向涡轮装置10的上游延伸的轴28可以用于驱动一个或多个与气体生成器结合使用的压缩机，该气体生成器产生流向涡轮装置的燃烧气体流。在这种情况下，轴28一直延伸至气体生成器，以使压缩机直接由轴28驱动。

[0051] 以上结合本发明的一个实施例描述了本发明。然而，在不脱离本发明的情况下，可以改变该涡轮装置的一些特征。可能的改变为：

[0052] -可以改变外部定子，内部定子，转子和输出轴的尺寸和具体的设计，以便使该装置适应不同的应用。

[0053] -可以改变转子轮，内部转子轮，外部和内部定子盘的数量。

[0054] -可以改变轴承的数量和位置，也可以改变轴承的类型。

[0055] 虽然这里已经描述本发明的当前的一种优选实施例，但是应该理解本发明并不限于此，而是可以覆盖和包括由所附权利要求限定的任一和全部改变和变型。