徑向氣體膨脹的製造方法
2023-09-14 00:52:50
徑向氣體膨脹的製造方法
【專利摘要】本徑向氣體膨脹機(1)具備：旋轉軸(3)；葉輪(4)，其固定在旋轉軸(3)；殼體(2)，其將旋轉軸(3)支承為能夠旋轉，並且形成有向葉輪(4)導入流體的導入流路(20a)，在該導入流路(20a)設有噴嘴翼(24)和支承構件(25)，噴嘴翼(24)引導流入葉輪(4)的流體，支承構件(25)設置在噴嘴翼(24)的上遊側，並對導入流路(20a)的相互對置的壁面之間進行支承，支承構件(25)在剖視觀察時形成為翼狀。
【專利說明】徑向氣體膨脹機
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種在單一軸上以多級方式排列葉輪而形成的徑向氣體膨脹機(徑流式氣體膨脹機)。本申請基於2011年09月01日向日本申請的特原2011-190525號而主張優先權，並在此援引其內容。
【背景技術】
[0002]氣體膨脹機基於如下的目的而進行使用，S卩，通過吸入從設備側排出的高壓的氣體，並使其膨脹而使氣體的壓力能量轉換成速度能(機械能)來回收動力，從而使驅動馬達等的動力降低。
[0003]近年以來，要求一種可應對更高壓力能量的氣體膨脹機。作為這種氣體膨脹機，已知以多級方式設置多個葉輪的形式的徑向氣體膨脹機。作為徑向氣體膨脹機的一例，已知由包括驅動齒輪和與驅動齒輪嚙合的小齒輪構成的增速機、配置在小齒輪軸上的多個葉輪構成的齒輪式(增速齒輪式)的徑向氣體膨脹機(例如，參照專利文獻I)。
[0004]而且，也已知在單一軸上的軸承間排列多個葉輪並使這些葉輪內置於單一的殼體中的徑向氣體膨脹機。在該單一軸上排列有多個葉輪的徑向氣體膨脹機無論是否具備多級葉輪，只要軸為單一軸即可。因此，與齒輪式的徑向氣體膨脹機等相比能夠使高壓密封件、高壓殼體實現最少個數，從而即使在更高壓的條件下也能夠實現可靠性高的徑向氣體膨脹機(例如，參照專利文獻2)。
[0005]如圖5及圖6所示，以往的徑向氣體膨脹機101具備殼體2、旋轉自如地設置在殼體2的旋轉軸3、固定在旋轉軸3的多個葉輪4。
[0006]徑向氣體膨脹機101在其內部具有用於使氣體膨脹的兩個氣體膨脹區間105a、105b。殼體2包括殼體主體6、內置於殼體主體6且由一體連結而成的多個隔膜構成的隔膜組7。氣體膨脹區間105a、105b在軸向上將形成有將級間連結的迴轉彎管的多個隔膜8、9a、9b、10a、10b、11a、lib、12a、12b、13a、13b 連接。
[0007]氣體膨脹區間105a、105b具有:按照各區間與殼體2的吸入口 18a、18b連通的氣體導入流路120a、120b ;按照各區間與殼體2的噴出口 19a、19b連通的氣體流出流路21a、21b。
[0008]其中，氣體導入流路120a、120b劃定在設置在兩個氣體膨脹區間105a、105b的中央的中央的隔膜8和除該中央的隔膜8以外的多個隔膜中的最靠近中央的隔膜9a、9b之間。
[0009]而且，在該氣體導入流路120上的、葉輪4的上遊側設置有生成與葉輪4的輪廓對應的氣流的噴嘴翼24。
[0010]在上述結構的徑向氣體膨脹機101中，從未圖示的設備經由吸入口 18a導入的氣體在一方的氣體膨脹區間105a膨脹後，經由氣體配管22及吸入口 18b而導入另一方的氣體膨脹區間105b，從而進一步地膨脹。
[0011]然而，在以往的徑向氣體膨脹機101中，為了確保氣體導入流路120a和氣體導入流路120b的流路寬度，在氣體導入流路120a、120b的噴嘴翼24的上遊側設置有間隔件125。
[0012] 【在先技術文獻】
[0013]【專利文獻】
[0014]專利文獻1:日本專利第3457828號公報
[0015]專利文獻2:日本特開2011-43070號公報
[0016]【發明要解決的課題】
[0017]但是，由於間隔件125設置在噴嘴翼24的上遊側，因此存在紊亂流入噴嘴翼24的氣體的流動的課題。如圖6所示，在導入的氣體的流線L因間隔件125而紊亂的情況下，在流入噴嘴翼24時產生損失。而且，由於間隔件設置在氣體導入流路120a、120b的入口附近，因此利用差壓的導入流路寬度變化的降低效果小。因此，因流路寬度的變化造成氣體流速變化，在流入噴嘴翼24時達不到所期望的氣體流速，從而產生損失。這樣，間隔件125阻礙了葉輪4的膨脹性能，進而造成徑向氣體膨脹機101的性能下降。
【發明內容】
[0018]本發明為鑑於這種情況而完成的，其目的在於提供一種能夠得到所期望的性能的徑向氣體膨脹機。而且，本發明的目的在於提供一種能夠確保氣體導入流路120a、120b的流路寬度以及能夠防止構成殼體的隔膜的壁的變形的徑向氣體膨脹機。
[0019]【用於解決課題的方式】
[0020]為了實現上述的目的，本發明提供以下的方式。
[0021]本發明的第一方式所涉及的徑向氣體膨脹機具備:旋轉軸；葉輪，其固定在所述旋轉軸；殼體，其將所述旋轉軸支承為能夠旋轉，並且形成有向所述葉輪導入流體的導入流路。而且，在所述導入流路設置有噴嘴翼和支承構件，所述噴嘴翼引導流入所述葉輪的流體，所述支承構件設置在所述噴嘴翼的上遊側，並對所述導入流路的相互對置的壁面之間進行支承。此外，所述支承構件在剖視觀察時形成為翼狀。
[0022]根據該結構，通過支承構件使從設置在殼體內的導入流路的相互對置的壁面的下端至支承點的距離變短，從而能夠降低對置的壁面的變形量，並且能夠確保所期望的流路寬度。而且，由於支承構件在剖視觀察時形成為翼狀，因此能夠防止使流入噴嘴翼的流體的流動紊亂的情況。
[0023]而且，本發明的第二方式所涉及的徑向氣體膨脹機具備:旋轉軸；兩組葉輪組，其分別由固定在所述旋轉軸的葉輪構成，並在軸向上對稱設置；殼體，其將所述旋轉軸支承為能夠旋轉，並且形成有第一導入流路以及第二導入流路，所述第一導入流路向第一組葉輪組導入流體，所述第二導入流路與所述第一導入流路相鄰設置，並向第二組葉輪組導入從所述第一組葉輪組噴出的流體。而且，在所述第二導入流路設置有噴嘴翼和支承構件，所述噴嘴翼引導流入所述葉輪的流體，所述支承構件設置在所述噴嘴翼的上遊側，並對所述第二導入流路的相互對置的壁面之間進行支承，所述支承構件在剖視觀察時形成為翼狀。
[0024]根據該結構，能夠在第一導入流路及第二導入流路中確保所期望的流路寬度。而且，在流入第一導入流路的流體和流入第二導入流路的流體的壓力差大的情況下，也能夠通過支承構件降低與中央壁及第二導入流路的相互對置的壁面的變形量，並且由於支承構件在剖視觀察時形成為翼狀，因此能夠防止使流入噴嘴翼的流體的流動紊亂的情況。
[0025]而且，在本發明的第三方式中，所述支承構件圍繞所述旋轉軸設置多個，並形成為以使所述支承構件彼此之間的寬度沿著徑向相等的方式隨著從徑向外周側朝向內周側而使寬度逐漸變窄。
[0026]根據該結構，能夠使通過支承構件的周圍的流體不增速而順暢地導入噴嘴翼。
[0027]而且，在本發明的第四方式中，所述殼體具有:殼體主體、內置於所述殼體主體且一體連結而成的多個隔膜，所述導入流路形成於所述多個隔膜。
[0028]根據該結構，能夠更容易對裝入有噴嘴翼及形成為翼狀的支承構件的殼體進行組裝。而且，能夠容易進行內部的維護。
[0029]【發明效果】
[0030]根據本發明，可以提供能夠得到所期望的性能並且能夠降低構成殼體的隔膜的壁的變形量的徑向氣體膨脹機。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0031]圖1為本發明的實施方式所涉及的徑向氣體膨脹機的剖視圖。
[0032]圖2為圖1的A部放大圖。
[0033]圖3為圖2的B向視圖。
[0034]圖4為表示在支承翼周邊流動的氣體的流線的圖。
[0035]圖5為以往的徑向氣體膨脹機的剖視圖。
[0036]圖6為圖5的C向視圖，且為表示在間隔件周邊流動的氣體的流線的圖。
【具體實施方式】
[0037]參照附圖對本發明的實施方式進行詳細的說明。
[0038]如圖1及圖2所示，本發明的實施方式所涉及的徑向氣體膨脹機I具備:筒狀的殼體2 ;能夠旋轉地支承在殼體2且在殼體2的軸向上延伸的旋轉軸3 ;固定在旋轉軸3上的多個葉輪4。
[0039]另外，在以下的說明中，以殼體2的軸向與旋轉軸3的軸向一致來進行說明。而且，僅將殼體2的軸向和旋轉軸3的軸向稱為軸向。
[0040]徑向氣體膨脹機I在其內部具備用於膨脹氣體的兩個區間。即，徑向氣體膨脹機I具備由配置在軸向的第一側的氣體膨脹區間5a和配置在軸向的第二側的氣體膨脹區間5b構成的兩個氣體膨脹區間5a、5b。
[0041]本實施方式的徑向氣體膨脹機I具備如下的結構，即，通過導入第一氣體膨脹區間5a的氣體獲取旋轉驅動力，並且將從第一氣體膨脹區間5a排出而膨脹後的氣體導入第二氣體膨脹區間5b，進一步獲取旋轉驅動力。
[0042]殼體2具有殼體主體6、設置於殼體主體6的內部的隔膜組7。隔膜組7由以能夠沿著軸向拔出的方式連接的11片隔膜8、9a、9b、10a、10b、11a、lib、12a、12b、13a、13b構成。
[0043]第一氣體膨脹區間5a具有配置於中央的隔膜8以及與隔膜8的第一側連接的隔膜9a、10a、lla、12a、13a。而且，第二氣體膨脹區間5b具有配置於中央的隔膜8以及與隔膜8的第二側連接的隔膜9b、10b、lib、12b、13b。[0044]S卩，兩個氣體膨脹區間5a、5b具有作為共用的結構要素的、中央的隔膜8。
[0045]在殼體主體6形成有用於向第一氣體膨脹區間5a導入氣體的吸入口 18a、用於向第二氣體膨脹區間5b導入氣體的吸入口 18b。
[0046]而且，在殼體主體6形成有用於從第一氣體膨脹區間5a噴出氣體的噴出口 19a、用於從第二氣體膨脹區間5b噴出氣體的噴出口 19b。
[0047]另外，由氣體配管22連接第一氣體膨脹區間5a側的噴出口 19a和第二氣體膨脹區間5b側的吸入口 18b。
[0048]旋轉軸3貫通隔膜組7的中央地配置。該旋轉軸3的兩端部經由軸承15以能夠旋轉的方式支承在兩個氣體膨脹區間5a、5b中的、也作為各自的端板的隔膜13a、13b。而且，在位於各軸承15的內側的隔膜13a、13b的內周部設置有幹氣密封件16。
[0049]多個葉輪4固定在旋轉軸3上，構成第一氣體膨脹區間5a的四級葉輪4和構成第二氣體膨脹區間5b的四級葉輪4互為反向地排列。
[0050]此處，對於各個葉輪4，當將朝向徑向外周側的開口設為吸入口 41、將朝向軸向的開口設置為噴出口 42時，構成第一氣體膨脹區間5a的四級葉輪4及構成第二氣體膨脹區間5b的四級葉輪4以具有吸入口 41的一側面向中央的隔膜8的方式配置。S卩，構成第一氣體膨脹區間5a的葉輪4以噴出口 42朝向軸向的第一側的方式配置，構成第二氣體膨脹區間5b的葉輪4以噴出口 42朝向軸向的第二側的方式配置。
[0051 ] 另外，對多個葉輪4標註相同的符號，然而多個葉輪4的大小各不相同。具體而言，多個葉輪4以適應氣體的膨脹行程的方式來改變大小。
[0052]在中央的隔膜8和位於其兩側的隔膜9a、9b之間形成有分別與吸入口 18a、18b連通的第一導入流路20a及第二導入流路20b。即，第一氣體膨脹區間5a的第一導入流路20a形成於中央的隔膜8的第一側的壁面81和隔膜9a的第二側的壁面91之間。而且，第二氣體膨脹區間5b的第二導入流路20b形成於中央的隔膜8的第二側的壁面82和隔膜9b的第一側的壁面92之間。
[0053]由此，第一導入流路20a和第二導入流路20b隔著中央的隔膜8而相鄰地配置。
[0054]同樣，在也作為端板的隔膜13a、13b和與它們鄰接的隔膜12a、12b之間形成有分別與上述的噴出口 19a、19b連通的導出流路21a、21b。
[0055]其中第一氣體膨脹區間5a的導出流路21a與殼體主體6的噴出口 19a連通，第二氣體膨脹區間5b的導出流路21b與殼體主體6的噴出口 19b連通。
[0056]在各個第一導入流路20a及第二導入流路20b中的葉輪4上遊側設置有對氣體的向葉輪4的流入進行引導的多個噴嘴翼24。在本實施方式中，設置有17片噴嘴翼24。
[0057]如圖3所示，噴嘴翼24在周方向等間隔地配設。各個噴嘴翼24的從軸向觀察時的剖面形狀形成為前緣圓後緣尖的所謂的翼狀。而且，噴嘴翼24的前緣配置在周方向外周偵牝後緣配置在周方向內周側，並且後緣以沿著旋轉軸3的旋轉方向R的方式相對於前緣向旋轉方向R行進方向側傾斜地配置。即，在氣體的流動方向上遊側配置前端而在下遊側配置後端。
[0058]而且，噴嘴翼24的剖面形狀例如利用數值流體力學(CFD)解析來確定。因此，本實施方式的噴嘴翼24的剖面形狀形成為相對於沿著氣體的流動方向(以下，稱為流線方向)的中心線呈非對稱形。即，噴嘴翼24具有如將氣體的流動順暢地導入葉輪4的形狀，以在葉輪4中促進使氣體膨脹?增速的作用。[0059]在噴嘴翼24的更外周側設置有作為支承構件的多個(17片)支承翼25。支承翼25與噴嘴翼24同樣，在周方向等間隔地配設。各個支承翼25的從軸向觀察的剖面形狀形成為前緣圓後緣尖的所謂的翼型。而且，支承翼25的前緣配置在周方向外周側，後緣配置在周方向內周側，並且後緣以沿著旋轉方向R的方式相對於前緣而向旋轉方向R行進方向側傾斜地配置。即，對於支承翼25，在流線方向上遊側配置前端，在下遊側配置後端。
[0060]而且，支承翼25的形狀形成為以使支承翼25彼此之間的寬度W在流線方向即徑向大致相等的方式，隨著從徑向外周側朝向內周側而使寬度逐漸變窄。
[0061]另外，支承翼25的剖面形狀與噴嘴翼24不同，相對於沿著流線方向的中心線形成對稱形。對於支承翼25的形狀、周向的位置以及徑向的位置，為了儘量不影響導入噴嘴翼24的氣體，仍然利用CFD等進行確定，特別優選設置為沿著流線的形狀。而且，為了將對流線的影響控制在較小的(使流線不紊亂)範圍內，優選儘量縮短流線方向的長度。而且，由於氣體的流量造成流線變化，因此優選根據使用條件適當確定。
[0062]在各氣體膨脹區間5a、5b的中間的隔膜9a、10a、11a、12a及9b、10b、lib、12b形成有將前級的葉輪4的噴出口 42和後級的葉輪4的吸入口 41連接的剖面呈U字狀的迴轉彎管(中間流路)27。在這些迴轉彎管27設置有配置在葉輪4的上遊側的噴嘴翼24和用於將向後級的葉輪4的吸入口 41的氣流設為效率良好的氣流的17片回流葉片28。
[0063]對上述結構的徑向氣體膨脹機I的動作進行說明。首先，高溫?高壓的氣體從規定的設備經由吸入口 18a而被導入第一氣體膨脹區間5a。氣體在第一氣體膨脹區間5a內通過四級葉輪4分四個階段反覆進行氣體的吸入、膨脹，並從噴出口 19a噴出。接下來，氣體經由氣體配管22及吸入口 18b而導入第二氣體膨脹區間5b，在第二氣體膨脹區間5b膨脹，並從噴出口 19b噴出。
[0064]在兩個氣體膨脹區間5a、5b的內部，流入的氣體在軸向上流動。其中，根據上述結構，氣體向相互相反方向流動。即，氣體在氣體膨脹區間5a從軸向的第二側向第一側流動。而且，氣體在氣體膨脹區間5b從軸向的第一側向第二側流動。
[0065]此處，與經由吸入口 18a而導入第一導入流路20a的氣體的壓力相比較，經由吸入口 18b而導入第二導入流路20b的氣體的壓力較低。即，隔著隔膜8而相鄰的第一導入流路20a內的壓力和第二導入流路20b內的壓力的壓力差變大。
[0066]根據上述實施方式，即使在第一導入流路20a內的壓力和第二導入流路20b內的壓力的壓力差大，且對形成於第一導入流路20a和第二導入流路20b之間的中央的隔膜8施加有使該隔膜8變形那樣的力的情況下，通過設置有支承翼25能夠降低變形量。而且，支承翼25在剖視觀察時形成為翼狀，如圖4所示，能夠降低在支承翼25的周邊流動的氣體的流線L的紊亂。
[0067]而且，支承翼25以使支承翼25彼此之間的寬度W沿著徑向相等的方式隨著從徑向外周側向內周側而使寬度逐漸變窄地形成，由此能夠使通過支承翼25的周圍的氣體不增速而順暢地導入噴嘴翼24。
[0068]而且，由於支承翼25相對於流線方向呈對稱形狀，因此能夠更容易製造。
[0069]而且，由於構成殼體2的多個隔膜組7能夠在軸向上分割，因此能夠容易進行內部的維護。[0070]另外，本發明的技術範圍並不限定於上述的實施方式，在不脫離本發明的主旨的範圍內，可以施加各種變更。例如，也可以將支承翼25設置為相對於流線方向呈非對稱的形狀。
[0071]工業上的可利用性
[0072]根據本發明的徑向氣體膨脹機，能夠得到所期望的性能，並能夠降低構成殼體的隔膜的壁的變形量。
[0073]附圖符號說明
[0074]I 一徑向氣體膨脹機
[0075]2—殼體
[0076]3—旋轉軸
[0077]4 一葉輪
[0078]5—氣體膨脹區間
[0079]6—殼體主體
[0080]7—隔膜組
[0081]8、9a、9b、10a、10b、11a、lib、12a、12b、13a、13b—隔膜
[0082]20a—第一導入流路(導入流路)
[0083]20b—第二導入流路(導入流路)
[0084]24—噴嘴翼
[0085]25—支承翼(支承構件)
[0086]27—迴轉彎管
[0087]28—回流葉片
【權利要求】
1.一種徑向氣體膨脹機,其中,具備: 旋轉軸； 葉輪，其固定在所述旋轉軸； 殼體，其將所述旋轉軸支承為能夠旋轉，並且形成有向所述葉輪導入流體的導入流路，在所述導入流路設置有噴嘴翼和支承構件，所述噴嘴翼對向所述葉輪流入的流體進行引導，所述支承構件設置在所述噴嘴翼的上遊側，並對所述導入流路的相互對置的壁面之間進行支承， 所述支承構件在剖視觀察時形成為翼狀。
2.—種徑向氣體膨脹機,其中,具備: 旋轉軸； 兩組葉輪組，其分別由固定在所述旋轉軸的葉輪構成，並在軸向上對稱設置； 殼體，其將所述旋轉軸支承為能夠旋轉，並且形成有第一導入流路以及第二導入流路，所述第一導入流路向第一組葉輪組導入流體，所述第二導入流路與所述第一導入流路相鄰設置，並向第二組葉輪組導入從所述第一組葉輪組噴出的流體， 在所述第二導入流路設置有噴嘴翼和支承構件，所述噴嘴翼對向所述葉輪流入的流體進行引導，所述支承構件設置在所述噴嘴翼的上遊側，並對所述第二導入流路的相互對置的壁面之間進行支承， 所述支承構件在剖視觀察時形成為翼狀。
3.如權利要求1或2所述的徑向氣體膨脹機，其中， 所述支承構件圍繞所述旋轉軸設置多個，並形成為以使所述支承構件彼此之間的寬度沿著徑向相等的方式隨著從徑向外周側朝向內周側而使寬度逐漸變窄。
4.如權利要求1?3中任一項所述的徑向氣體膨脹機，其中， 所述殼體具有:殼體主體；內置於所述殼體主體且一體連結而成的多個隔膜， 所述導入流路形成於所述隔膜彼此之間。
【文檔編號】F01D1/06GK103649465SQ201280033725
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2012年1月6日 優先權日:2011年9月1日
【發明者】石川博巳, 永尾英樹 申請人:三菱重工壓縮機有限公司