专利名称：集流室及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种流体机械的集流室，此集流室在周向方向上扩宽并在机器轴线的 周边的至少一部分上延伸，此集流室由至少一个外部的外壳件和轮廓插入件构成，此轮廓 插入件包括具有槽底的凹槽，此凹槽由实体铣削出来并在周向方向上延伸并至少单侧从侧 面限定，此集流室具有在周向方向上延伸的第一流动开口(其基本构造成用于轴向的流动) 和至少一个第二流动开口(其基本构造成用于径向的流动)，其中此凹槽具有在周向方向上 的第一端部和在周向方向上的第二端部，其中集流室的在周向方向上的第二端部通到第二 流动开口中。
背景技术：
在流体机械(例如涡轮机、膨胀机或压缩机)中，上述类型的周边腔通常设置在流 入和流出区域中。旋转的流动导引轮廓(例如转子叶片或叶轮)的区域在流动技术方面得以 最深入地优化，而在周围的区域中还经常会出现较大的流动损失。为了对付这一点，通常所 需的90°偏转在流入和流出区域中已经不再构成为简单的进入周边腔中的径向流入，而是 构成为进入在周向方向上逐渐缩小的集流室中的优选切向的流入，其被称为螺旋流入或螺 旋流出。一方面受集流室大小的制约，另一方面受集流室的非旋转对称的形状的制约，对 此构件的切削加工的前提条件是不利的，因而此构件通常构造成铸造结构。但对于这样的 构造尺寸(其中实心材料可提供给这种集流室)，设置用于切削加工的结构，因为强烈的依 赖铸件供应商在经济上是很不利的。这种结构通常构造成两部分，以便在切割加工时时避 免底切。相应地，具有外部的外壳件和内部的轮廓插入件，此轮廓插入件装在外部的外壳件 中，以并这种方式构成由这两个构件包围的集流室。此集流室通常具有在周向方向上延伸 的轴向第一流动开口和第二流动开口，此第二流动开口构造成用于径向流动。在离心压缩机中，压缩的气体例如从叶轮进入径向的周边腔，并紧接着通常在 90°偏转之后进入集流室中。为了避免紊流，此集流室这样来构造其沿着周向方向扩宽的 横截面，即此最大的横截面位于径向流出或第二流动开口的区域内，在此处整个流出或流 入的流体最后聚集成通穿流。在几乎所有情况下，在此第二流动开口上都接有扩散器，此扩 散器例如在压缩机中将过程气体传导到另一压缩机级、中间冷却器或其它工艺中。在从集 流室中排到扩散器中时，在铣削的结构中会出现非常不利的流动损失。从DE 1 291 943 B、FR 1300622 A,、DE 3040747 Al、EP 1586745 Al 和 DE 19640647 Al中分别已知具有集流室的流体机械。DE 3040747 Al示出了一种由硬的白口 铸铁构成的集流室，其具有在周向方向上扩宽的圆形横截面。此铸造构件非常繁杂并且费 用巨大，并且机器制造商会不利地依赖铸件供应商。
发明内容
从前面定义的集流室结构中，得出本发明的目的，即创造一种集流室，它尤其在第二流动开口区域内只具有很小的流动损失，但不是铸造结构。按本发明，此目的通过具有权利要求1特征的集流室得以实现。此外，本发明借助 按权利要求7所述的方法来实现此目的，此方法是指在轮廓插入件中制造凹槽。各个从属 权利要求包括本发明的有利的改进方案。如果没有其它说明，几何方面的指标(径向、轴向、周边和切向)总是相对于机器轴 线。在流出的情况下，在周向方向上封闭凹槽的棱边的弯曲轮廓有利于流动分配，并 把在周向方向上运动的流体从集流室中偏转到径向的流动方向上，例如相接的管子。这加 以必要的改变，也适用于流入的情况。适宜的是，此棱边可这样弯曲，即它在后续构件(例如管子)的流动轮廓上尽量无 过渡地接合。在此意义上有利的改进方案规定，棱边的径向投影是圆形的。适宜的是，此棱边构成为凹下的，以避免流动损失。棱边的椭圆形轮廓也可使得流动损失较小，尤其依赖于相连的、引导流体的构件， 或还有利的是，棱边的至少一个投影具有椭圆形的轮廓。同时或排他地，与槽底切向的棱边投影可构成为圆/椭圆形或圆形，以便将流动 损失降至最低。为将流动损失降至最低，尤其适宜的是，此棱边尤其在凹槽的中间区域中弯曲。棱边的弯曲绝对不仅仅是指制造技术上的倒圆(其只表达出制造半径)，而是指优 选借助铣刀有针对性地加工倒圆。如果构成集流室的凹槽的至少一个轴向边界轮廓或在凹槽的至少一个周向方向 上延伸的棱边构成蜗形，则可尤其有利地形成流动走向。以这种方式，可利用凹槽的轴向 扩大，作为在周向方向上扩宽的措施，因此既使体积流增大了，至少不会提高集流室中的速 度，即在压缩机中的流出，或相反在涡轮机或膨胀机中的流入。蜗形结构也可这样利用，即 在超过360°的周边上构成凹槽，并以这种方式将径向流出(在压缩机中)或流入与第一流 动开口的流动影响分开，这通过以下方式得以实现，即此区域轴向地设置在集流室的最窄 区域旁，即在周向方向上看与其交叠。另一可能性是，在周向方向上延伸的凹槽的横截面在周向方向上扩宽，凹槽的槽 底构成为螺旋形。适宜的是，蜗形(Helix)构造和螺旋(Spirale)构造可组合成螺旋蜗形 (Spiralhelix)，因此可利用这两种结构的优点。有利的是，本发明类型的集流室按本发明的方法制成，在此方法中在抵达凹槽的 具有比另一端部增大的横截面的端部时，铣刀轴线(铣刀围绕着此轴线旋转)从径向位置移 动到切向的位置。以这种方式，铣刀的回转周边以自然圆形形状这样在轮廓插入件的实心 材料上加工，因此在周向方向上达到凹槽边界的期望的弯曲棱边。在把流动损失降到最低 点这一方面，如果在达到凹槽的第二端部时，铣刀以与此处的槽底相切的铣刀轴线从轮廓 插入件中引导出来，则可实现突出的效果。此外为了进一步将流动损失降至最低，本发明的有利的改进方案还规定，在集流 室的开端和从集流室出来进入在后续的压力接管中的出口之间没有直接的连接。这种在集 流室的常规构造中通常的连接产生压力走向中的不对称，此不对称在叶轮出口上产生力，并以这种方式以径向力的形式加载在转子轴上，因此支承此轴的径向轴承也会负载增大。为了使在周向方向上延伸的从叶轮出来进入集流室中的入口的角度区域不会出 现影响不利的缩小，其还可能对叶轮出口上的压力分配的对称性产生负面影响，适宜的是， 从集流室出来的进入后续的压力接管中的出口区域在周向方向上构造得尤其短，这通过另 一按本发明的构造形式得以实现，此构造形式规定，集流室的出口不是切向地构成，而是在 径向方向上偏转。从集流室出来在径向方向上进入压力接管中的这种结构，在集流室的周 向方向上尤其节省空间，因此集流室的蜗形的升程可变得更小，因此轴向的空间需求也更 小。此外，由于压力接管从周围壳体中径向地输出来或径向地伸出来，所以尤其还在强度和 材料要求方面具有更多的优点。集流室的径向出口的这些优点尤其对于高压应用(出口压力在700至1200 bar 之间)具有决定性的优势，这些特征在它自身也是非常适宜的(没有本发明的其它特征)，其 中
-将叶轮或轴与反馈流动/压力不对称分离，此反馈流动/压力不对称是从压力接管 或它的进入区域中反馈而来，
-由于从有角度的集流室到圆形压力接管出口横截面之间的优选的铣削过渡，其已经 出现在集流室自身当中，所以简化了压力接管，此压力接管可不仅以铸造件的形式制成，而 且还以车削件的形式(在成本和供货时间上有优势)制成，其中压力接管的焊缝制备也可通 过车削加工来实现。为在从扩散器中排出时不会出现不期望的喷嘴效应，以这种方式扩大有效的铣削 直径是适宜的，即铣刀在从径向取向摆动到切向取向的过程中导引到围绕中心轴线的轨 迹，此中心轴线与铣刀轴线平行相距偏心半径。这一点可这样实现，即铣刀轴线借助圆形运 动的回转描绘出圆柱形。此圆柱形可以是指直圆柱形。如果随着逐渐接近第二端部偏心半 径增加，则会产生对流动有利的过渡。在此，例如依照摆动角度或其它的参数(其表示接近 第二端部)单调地上升，则可实现连续增加。
下面借助专门的实施例并参照附图详细地描述了本发明。其中
图1在纵向剖视图中示出了单级压缩机的一部分，其具有按本发明的集流室； 图2在侧视图中示出了按本发明的轮廓插入件；
图3在侧视图中示出了按本发明的轮廓插入件，其相对图2旋转了 90° ； 图4在透视图中示出了按本发明的轮廓插入件；
图5 在正视图中示出了按本发明的轮廓插入件，并示出了立铣刀在按本发明的制造 过程中在不同的步骤中的取向；
图6在透视图中示出了按本发明的轮廓插入件，其中集流室具有径向的出口 ； 图7在按图6的切线VII的剖视图中示出了轮廓插入件在径向出口区域中的细节。
具体实施例方式图1在纵向剖视图中示出了压缩机1的一部分，其具有按本发明的集流室2，此集 流室2在周向方向上围绕着机器轴线3延伸。此压缩机1具有转子4，叶轮5 (离心压缩机的压缩级)设置在其示出的端部上，此叶轮5构成了转子4的轴的自由端部。此叶轮5通过 流入机构6被流体7轴向流过，并把压缩的流体径向朝外地输送到周边腔8中。在进一步 90°偏转9之后，流体7从周边腔8中流入集流室2中，并在此处聚集，并以未单独示出的 方式进入接下来的扩散器10 (在周向方向上偏置地示出)。集流室2由外部的外壳件21和轮廓插入件22形成。外壳件21中的槽口(轮廓插 入件22插入此槽口中)是圆柱形的孔。此轮廓插入件22这样压入外壳件21中，即在轮廓 插入件11的轴向端面上留下包围的空间，其形成周边腔8。图1所示方案中的轮廓插入件22与图2至5所示的轮廓插入件22相比，其不同 之处在于，它不是构造成一体的，而是最后在端面上还设置有扩散器盘11，其借助固定螺钉 固定在轮廓插入件22上。图2所示的轮廓插入件22呈圆柱形地在基体23中构造，其中台阶24与外壳件21 上的槽口 25这样对应，即轴向贴靠能实现精确的轴向取向，并围成用于周边腔8的空间。轮 廓插入件22设置有环绕的凹槽26。在端侧视线上(即在机器轴线的方向上观察)，槽底27 构成为螺旋形，此槽底27径向朝内限定了凹槽26，因此凹槽26的深度从第一端部28开始 到第二端部29在横截面中加大。如图1所示，集流室2具有在周向方向上延伸的第一流动开口 30，流体在90°偏 转9之后基本轴向地流入此流动开口 30中。用于径向流动方向的第二流动开口 31是扩散 器10中的入流口。第二流动开口 31位于集流室2或凹槽26的第二端部29上。还如同图4和图3明显所示的一样，凹槽26的轴向边界轮廓32构造成蜗形，此边 界轮廓32在轮廓插入件22的始端构成为在周向方向上延伸的台阶，因此凹槽26或槽底27 构成蜗形螺旋。如图3和4明显可看到的一样，凹槽26在第二端部29上被弯曲的棱边33 在周向方向上限定。在径向投影中，弯曲的棱边33具有圆形形状。从图5可看到，凹槽26或槽底27具有第一周边部段61 (它包括凹槽26的第一端 部)和邻接的第二周边部段(它包括凹槽26的第二端部)，槽底27随着接近第二流动开口 31 具有增大的在轴向方向上凹下的曲率。此外图5还示出了，如何按照本发明的制造方法，借助围绕着铣刀轴线35旋转的 铣刀36将弯曲的棱边33制造出来。在周向方向上延伸的凹槽26的始端或区域内，铣刀36 以径向对准机器轴线3的铣刀轴线35进入轮廓插入件22 (例如铣刀位置40)中。在环绕 待制造的凹槽26之后，铣刀36继续留在铣刀轴线35的径向取向中，直到凹槽26的第二端 部29附近的确定的周边位置。在此位置上，在轮廓插入件22和铣刀36之间在周向方向上 继续进行相对运动的情况下，铣刀轴线35从径向取向倾斜至切向取向，直到铣刀轴线35与 此处的槽底27平行，其中铣刀36不再继续朝轮廓插入件22的机器轴线3的方向上深入待 铣削的材料中，而是笔直地或与此处切线平行地，以与此切线平行的铣刀轴线从工件中引 导出来，因此圆形的铣削轮廓作为弯曲的棱边33在凹槽26的第二端部29上形成。在图5 中，铣刀位置40、41、42、43示出了铣刀轴线35的变化，其在周向方向上具有连续的相对运 动。图6透视地示出了轮廓插入件22的尤其有利的构造方案，其中集流室2的第二端 部29 (即在压缩机1中是指集流室2的出口 50)相对机器轴线3在径向方向上构成。在出 口 50的上游延伸的集流室2在其径向朝内的边界轮廓方面描述了 90 °偏转，在上游在周向方向上开始，在下游在径向方向上结束。在此如图7所示，至少在集流室2的轴向中心的剖 面中，此偏转基本描述了具有恒定半径的形状(即圆弓形)。图7示出了壳体52的出口接管 51，过程流体通过此出口接管51在从周向方向偏转到径向方向之后从集流室2中流出来。 与常规的切向的排出方向相比，出口接管51的从壳体52的径向排出方向具有不同的优点， 即强度更高，空间需求更小，并且作用在壳体52上的力的对称度更高。
参考标记清单
1压缩级2集流室3机器轴线4转子5叶轮6流入机构7流体8周边腔990°偏转10扩散器11扩散器盘21外壳件22轮廓插入件23基体24台阶25槽口26凹槽27槽底28第一端部29第二端部30第一流动开口31第二流动开口32轴向的边界轮廓33弯曲的棱边35铣刀轴线36铣刀40--43 铣刀位置51压力接管52壳体61第一区域62第二区域
权利要求
1.一种流体机械(压缩机1)的集流室(2)，此集流室在周向方向上扩宽并在机器轴线 (3)的周边的至少一部分上延伸，此集流室(2)由至少一个外部的外壳件(21)和轮廓插入 件(22 )构成，此轮廓插入件(22 )包括具有槽底(27 )的凹槽(26 )，此凹槽(26 )由实体铣削 出来并在周向方向上延伸并至少单侧从侧面限定，此集流室(2)具有在周向方向上延伸的 第一流动开口(30)和至少一个第二流动开口(31)，此第一流动开口(30)基本构造成用于 轴向的流动，此第二流动开口(31)基本构造成用于径向的流动，其中此凹槽(26)具有在周 向方向上的第一端部(28)和在周向方向上的第二端部(29)，其中集流室(2)的在周向方向 上的第二端部(29)通到第二流动开口(31)中，其特征在于，槽底(27)具有第一周边部段 (61)和邻接的第二周边部段(62)，此第一周边部段(61)包括第一端部(28)，此第二周边部 段(62 )包括第二端部(29 )，此槽底(27 )随着接近第二端部(29 )具有增大的在轴向方向上 凹下的曲率。
2.按权利要求1所述的集流腔(2)，其特征在于，槽底(27)至少在第一周边部段(61) 上至少局部地在轴向方向上构成为直的。
3.按权利要求2所述的集流腔，其特征在于，槽底(27)在轴向方向上至少局部地或全 部地在第二周边部段上构成为椭圆形或圆形。
4.按权利要求2或3所述的集流腔，其特征在于，凹槽(26)在第二端部(29)上在周向 方向上被弯曲的棱边(33)限定，此棱边(33)构成为椭圆形。
5.按上述权利要求中至少一项所述的集流腔(2)，其特征在于，构成集流室(2)的凹槽 (26)的至少一个轴向边界轮廓(32)或凹槽(26)的在周向方向上延伸的棱边(33)构成为 蜗形。
6.按上述权利要求中至少一项所述的集流腔(2)，其特征在于，凹槽(26)的槽底(27) 构成为螺旋形。
7.按上述权利要求中至少一项所述的集流腔(2)，其特征在于，集流室(2)在集流室(2)的第二端部(29)上这样构成，即穿流集流室(2)的过程流体从首先在机器轴线(3)的周 向方向上延伸的流动方向偏转到在径向方向上延伸的流动方向，因此可通过压力接管(51) 从壳体(52)中实现径向排出，而无需显著的其它偏转。
8.按上述权利要求中至少一项所述的集流腔(2)，其特征在于，凹槽(26)的横截面在 第一区域中是矩形的。
9.一种用来在轮廓插入件(22)中制造凹槽(26)的方法，此轮廓插入件(22)与外部 的外壳件(21) —起形成用于流体机械(压缩机1)的集流室(2)，此集流室(2)在机器轴线(3)的周边的至少一部分上延伸，在此方法中凹槽(26)借助围绕铣刀轴线(35)旋转的铣刀 (36 )铣削到轮廓插入件(22 )中，其中铣刀(36 )从集流室(2 )的第一端部(28 ) —直到集流 室(2)的第二端部(29)将凹槽(26)铣削出来，其特征在于，铣刀轴线(35)随着逐渐接近第 二端部(29)从径向取向朝切向取向倾斜。
10.按权利要求9所述的方法，其特征在于，铣刀(36)在达到凹槽(26)的第二端部 (29)时，以切向地指向此处的槽底(27)的铣刀轴线(35)从轮廓插入件(22)中引导出来。
11.按权利要求9或10所述的方法，其特征在于，铣刀(36)在从径向取向摆动到切向 取向的过程中导引到围绕中心轴线的轨迹上，此中心轴线与铣刀轴线(35)平行相距偏心半 径。
12.按权利要求11所述的方法，其特征在于，铣刀(36)在从径向取向摆动到切向取向 的过程中在圆形轨迹上这样进行引导，即铣刀轴线(35)借助圆形运动的回转描绘出圆柱 形。
13.按权利要求12所述的方法，其特征在于，描述出来的圆柱形是直圆柱形。
14.按权利要求11所述的方法，其特征在于，随着逐渐接近第二端部(29)偏心半径增加。
15.按权利要求9至14之任一项所述的方法，其特征在于，铣刀构造成在只垂直于铣刀 轴线(35)运动的情况下至少在围绕端面的铣刀轴线的第一区域中用于铣削平面。
16.按权利要求9至15之任一项所述的方法，其特征在于，铣刀在接近第二端部(29) 时，以到机器轴线(3 )增大的间距进行引导。
17.按权利要求9至16之任一项所述的方法，其特征在于，铣刀是锥形或圆柱形的立铣刀。
全文摘要
本发明涉及一种流体机械(压缩机1)的集流室(2)，此集流室在周向方向上扩宽，此集流室(2)由至少一个外部的外壳件(21)和至少一个轮廓插入件(22)构成，此轮廓插入件(22)设置有在周向方向上延伸的凹槽(26)，此凹槽(26)优选构成为蜗形的螺旋形。按本发明，轮廓插入件(22)由实体铣削出来并在一个端部上在周向方向上被弯曲的棱边(33)限定，因此在从集流室过渡到后续的扩散器(10)将流动损失降至最低。
文档编号F04D29/42GK102105698SQ200980129420
公开日2011年6月22日 申请日期2009年5月8日 优先权日2008年5月27日
发明者D.温策尔, H.阿尔布雷赫特, J.维勒, M.杰斯克, W.约嫩 申请人:西门子公司