[发明专利]轴流式外转涡轮机及用于制造该涡轮机的转子部分的方法

说明书

本发明涉及一种具有旋转外壳(4)和固定轴(8)的轴流式涡轮机以及一种用于制造用于该涡轮机的转子部分(10)的方法。该涡轮机包括一系列轴向布置的转子部分(10)。每个转子部分(10)包括外环(14)和转子叶片(2)，并且这些转子部分(10)的外环(14)相连接以形成旋转外壳(4)。这些转子部分(10)由碳化硅或氮化硅制成。

背景技术

轴流式涡轮机是旋转机器，该旋转机器从原动流体中提取有用的轴功，该原动流体典型地在高压和高温下被供应到涡轮机并且通常沿设备轴向地流动。典型的轴流式涡轮机使用固定式空气动力学叶片(定子)和旋转式空气动力学叶片(转子)；定子将所供应的压力转换为漩涡速度，并且转子由于空气动力学叶片力通过旋转运动起作用而提取该速度。通常，这种涡轮机由许多级交替的定子部分和转子部分组成，并且转子在其径向最内点固定到旋转的中心轴，而定子在其径向最外点固定到固定壳体。这种常规布局可以被称为“内转”，以表示在内部转子部分旋转的同时外壳是静止的。

替代性布置是PCT申请WO 2013/113324，其描绘了一种具有旋转壳体的无定子气体涡轮机，其中转子安装到该壳体而不是安装到中心轴。(在该申请中的一些实施例中，中心轴可以被设置为静态固定构件。)这使得在转子叶片中使用陶瓷材料更加可行，因为这意味着，尽管安装有轮毂的转子叶片由于离心力而处于高拉伸应力之下，但是安装有壳体的转子叶片却替代地处于压缩应力之下。在这种布置中，拉伸力替代地显现在旋转壳体中而不是显现在叶片中。这种布局可以被称为“外转”，其与上述“内转”涡轮机设计是不同的。

多年来已知的是，工程陶瓷可以允许非常高温的涡轮机入口流，从而提高发电周期的效率和功率密度。众所周知，与涡轮机中更常规使用的金属合金相比，陶瓷在这种高温下提供良好的机械性质，但是相比之下，在轴流式涡轮机中使用陶瓷仍然非常少见，这主要是因为发动机的设计要求非常不同，因此很难将陶瓷集成到发动机设计的前线中。

PCT/GB 2017/052850描绘了一种全陶瓷涡轮机，该全陶瓷涡轮机包括由比转子部分和定子部分更致密、更坚固的陶瓷材料制成的结构护套。(用于本文目的的术语致密的定义是根据PCT/GB 2017/052850来限定的)。致密的陶瓷护套为涡轮机组件提供改善的结构支撑，从而为旋转部件提供更快的叶端速度。然而，这种更致密的陶瓷制造起来更困难且更昂贵，并且不如密度较小的陶瓷那样适合于定子部分和转子部分中所需的复杂几何形状。这些困难和复杂的制造工艺导致涡轮机组件的制造成本很高。

为了在高温下工作，使用金属部件的常规内转涡轮机和外转涡轮机都需要用昂贵的稀有金属合金来构造，并且都要么具有有限的运行温度(低于大约1100℃，这限制了发电效率)，要么需要复杂的毛细管通道来吹动冷却用空气通过叶片，以保持叶片的机械强度。冷却通道大大增加了涡轮机叶片的设计和制造的复杂性，为给气流提供动力增加了寄生压缩机负荷，并且无法容易地装配到微型涡轮机(即，净功率输出低于大约1MW的气体涡轮机)中典型的非常薄而小的叶片。

全陶瓷涡轮机(诸如PCT/GB 2017/052850)允许1100℃以上的操作而无需稀有金属合金或冷却通道，从而极大地降低了叶片的成本和复杂性，同时即使对于具有薄而小的叶片的微型涡轮机也可以实现高性能。PCT/GB 2017/052850利用了使用由更致密的、坚固的陶瓷材料制成的结构护套与这样的转子部分和定子部分组合：这些转子部分和定子部分由更适合于制造成复杂几何形状的较低密度的陶瓷材料制成。尽管有这种益处，但是PCT/GB 2017/052850中的涡轮机需要比具有相同功率的典型金属设计更低的旋转速度，因此其旋转速度典型地低于大约20,000rpm，而不是通常在100,000rpm左右。为了保持相同的功率和效率，这样增加了涡轮机的级数，使得涡轮机在轴向上更长并且需要更多零件。

发明内容