[0001] 本发明的目标是用于产生电能和/或机械能的膨胀式涡轮，也简称为膨胀机。优选但非排他地，本发明涉及用于通过有机朗肯循环(ORC)产生能量的装置中的膨胀式涡轮。在本质上公知的这类装置中，使用有机类型的工作流体代替传统的水/蒸汽系统，原因在于有机流体能在相对低的温度下(通常在100℃至300℃之间)、也还在更高温度下更有效地转换热源。ORC转换装置因此广泛地应用于各个行业，例如应用于地热领域、应用于工业能量回收、应用于由生物量和聚光太阳能产生能量的方案、应用于再气化器等等。

[0002] 已知不同类型的膨胀机/涡轮用于通过有机郎肯循环(ORC)将热能转换成电能和/或机械能。在大多数熟知类型的膨胀机中，可想到轴向膨胀机和径向膨胀机具有一个或多个串联级。

[0003] 通常，已知类型的涡轮由固定主体(称之为定子)和可移动部分(称之为“转子”)组成。涡轮的转子部分由轴构成，一个或多个工作流体膨胀级固定到所述轴上。转子部分和定子部分的组装通过机械组件执行，所述机械组件确保转子部分和定子部分除了围绕与机器的轴重合的旋转轴线旋转以外，它们之间几乎没有相对运动。

[0004] 专利公开文献WO 2012/093299号(其申请人与本申请人相同)示出了一种膨胀式涡轮，该膨胀式涡轮包括：外壳，外壳具有用于工作流体的入口和出口；定子，定子安装在外壳中；转子，转子安装在外壳中并围绕相应的旋转轴线旋转；限制到外壳上的短管；安装在短管中的机械组件。机械组件包括轴套和可旋转地安装在轴套中的轴。轴可移除地连接到转子上，包括轴的整个机械组件能从与转子相对的侧部从短管上整块取下来。转子可沿轴向方向在第一构造和第二构造之间移动，在第一构造中，机械组件安装在短管中并且转子与短管分开，从而转子能在工作流体的作用下旋转；在第二构造中，机械组件可从短管上取下来，转子在静密封件处抵靠短管。涡轮还包括连接杆，连接杆允许将转子拧在轴上，从而使它们成一体。轴具有轴向通道，连接杆容纳在轴向通道中。连接杆具有头部，头部从轴的第一端伸出并且连接到转子上。连接杆插入转子的中央孔中，头部的球形表面靠在转子的球形表面上，转子的球形表面相对于机械组件指向相对侧部。连接杆具有与头部相对并且从轴的第二端伸出的末端。被旋拧在末端上的螺母将转子拧在轴上，使得转子和轴一体旋转。

[0005] 专利文献公开WO 2012/004821示出了一种用于旋转机器的流体密封装置，该旋转机器具有转子部分，转子部分包括至少一个由旋转轴支撑的盘，在存在流体的情况下转子部分可相对于定子部分旋转。旋转轴设置有至少一个密封系统，密封系统在第一压力下限定了第一配置。定子部分具有位于盘前方处的壁，在盘和壁之间限定了容纳处于第二压力下的流体的第二配置。该装置包括可移动环，可移动环布置在定子部分的壁和转子部分的盘之间并且设置有至少一个朝向所述盘的前侧密封垫圈。可移动环可在待用位置和活动位置之间轴向运动，在停用位置中，前侧密封垫圈远离所述盘，在活动位置中，所述前侧密封垫圈抵接所述盘。可移动环在旋转机器停止时移动至活动位置中，以阻止流体从所述配置之一流入另一配置中。

[0104] 参照上述附图，附图标记1整体指代根据本发明的膨胀式涡轮。

[0105] 所示的膨胀式涡轮1是径向离心(外流)式的，其用在通过有机朗肯循环(ORC)产生机械能和/或电能的装置中。涡轮1还具有布置在径向外侧位置处以限定径向/轴向涡轮的至少一个其它的轴向涡轮级(未示出)。

[0106] 涡轮1包括设置有多个转子叶片2a的转子2或转盘，所述多个转子叶片在转子2的相应前部面上呈系列同心环地布置。涡轮1包括设置有多个定子叶片3a的定子3，所述多个定子叶片在定子2的相应面上呈系列同心环地布置。具有叶片2a，3a的面相互放置在对方前面，以界定用于工作流体的膨胀空间“V”。该系列定子叶片3a沿径向方向与该系列转子叶片2a交替布置。在未示出的变形实施例中，涡轮1具有系列固定叶片，所述固定叶片围绕转盘布置，并且适于使从周边流出的径向流转变为轴向流，所述轴向流随后进入一个或多个轴向涡轮级。

[0107] 转子2位于外壳中，该外壳包括部分地限定定子3的前壁4a，外壳还包括后壁4b，所述后壁放置在转子2的相对于定子3的相对侧部处。后壁4b连接到与该外壳成一体的短管5上。

[0108] 机械组件6以可逆的方式安装在短管5内，所述机械组件支撑沿旋转轴线“X-X”延伸并且可与转子2一起绕所述轴线“X-X”自由地旋转的轴7，轴的第一端7'连接到转子2上。更详细而言，机械组件6包括与短管5同轴的轴套8。轴套8和/或短管5还具有阻止轴套8和短管5绕旋转轴线“X-X”相对旋转的槽或键(未示出)。

[0109] 球轴承9安装在轴套8中，所述球轴承支撑轴7，从而使得轴可在轴套8自身内围绕旋转轴线“X-X”自由地旋转。

[0110] 在所示的非限制性实施例中，机械组件6包括并排布置并且位于轴套8的轴向中间位置处的两个轴承9以及位于轴承8的靠近轴7的第二端7"的端部处的另一轴承9。

[0111] 机械组件5还包括密封装置10和油封11，密封装置在轴7的第一端7'处布置在轴套8和轴7之间，油封在轴7的第二端7"处布置在轴套8和轴7之间。

[0112] 在轴7的第一端7'上具有齿(未示出)，当涡轮1被安装以准备进行工作时，所述齿与转子2上的齿(未示出)啮合。这两个齿限定了Hirth类型或等同类型的自定中心结合部。

[0113] 轴7具有带螺纹的前座12，所述前座形成在第一端7'上并且沿着旋转轴线“X-X”延伸。所述前座12在轴7的有限部分内延伸。

[0114] 转子2具有中央通孔13，螺栓14可移除地接合在中央通孔13和带螺纹的前座12中，以将转子2一体地限制到轴7上。螺栓14具有头部15，所述头部抵接被界定在中央通孔13中的抵接表面16。螺栓14一旦被拧紧则将转子2拉到轴7上并且保持自定中心结合部的齿接合，从而阻止转子2和轴7之间的任何相互轴向和旋转运动。螺栓14、中央通孔13和带螺纹的前座12限定了用于将转子2可移除地连接到轴7上的装置。螺栓14的头部15限定了用于该可移除的连接装置14、13、12的操纵部分，所述头部具有例如用于接合合适工具的腔17。

[0115] 在短管5和/或后壁4b的朝向转子2的面上，具有后侧静密封件的元件18(以示意性的方式示出)，所述元件面向所述后侧静密封件的位于转子2上的相应元件(未示出)。在所示的示意图中，所述元件18是环形凸起，后侧静密封件通过所述环形凸起18抵接转子2的后表面19而限定，如下文将进一步详述的。在涡轮1的正常操作期间，这种环形凸起18保持与转子2的后表面19隔开。

[0116] 外壳包括大致管状壁20，所述大致管状壁相对于膨胀空间“V”在径向内侧中央位置处放置在转子2的前方。大致管状壁20与轴2同轴，并且在内部界定了面向螺栓14的头部15的接近空间(access space)21。所述接近空间21由通管限定，所述通管由大致管状壁20限定。大致管状壁20与外壳的其余部件以及与定子3成一体。大致管状壁20的第一轴向端部具有第一端部边缘，第一端部边缘设置有朝向转子2并且与转子隔开一定间隙的第一表面
22。大致管状壁20的与第一轴向端部相对的第二轴向端部具有第二端部边缘，第二端部边缘设置有第二表面23。第一轴向端部还带有一种凸缘24。

[0117] 圆筒体25围绕大致管状壁20布置、与轴2同轴并且与外壳的壁4a、4b和定子3成一体。在圆筒体25和大致管状壁20之间界定了用于膨胀空间“V”中的工作流体的入口管26。入口管26的正交于旋转轴线“X-X”的截面呈环形。入口管26的靠近转子2的第一轴向端部与膨胀空间“V”流体连通。特别地，入口管26的所述第一轴向端部由圆筒体25和凸缘24界定。凸缘24具有弯曲表面27，所述弯曲表面确定了工作流体从(进入入口管的)轴向方向至(进入膨胀空间“V”的)径向方向的通道。凸缘24还支撑在径向上更靠近内侧的第一系列定子叶片3a，从而形成了所述定子3的一部分。

[0118] 可移除盖28通过抵接大致管状壁20的第二表面而密封地封闭接近空间21。所述盖28例如通过未示出的可移除螺栓而固定到大致管状壁20上。而环形凸缘28a稳定地封闭入口管26的与第一轴向端部相对的第二轴向端部。圆筒体25还具有径向开口29，以用于引入来自布置在涡轮1上游处的回路中的工作流体。

[0119] 几何形状可变的前侧静密封件30位于大致管状壁20的第一表面22上并且指向转子2。在所示的实施例中，几何形状可变的前侧静密封件30是附接至第一表面22的可充气垫圈并且呈整个绕接近空间21延伸的环形(从图中看不出来)，接近空间朝转子2和螺栓13的头部15敞开。可充气垫圈30通过大致管状壁20上的一个或多个通路31而连接至加压空气/气体(例如，氮气)源32。可充气垫圈30可根据指令而被充气和放气。

[0120] 可充气垫圈30由利用绳索加强的弹性体材料制成并且具有基部部分33a和活动部分33b，所述基部部分稳定地容纳在形成于第一表面22中的座内；所述活动部分用于在被充气时膨胀，从而接触并且压靠转子2的表面34以保证密封，以用于阻止工作流体通过(图2和3)。

[0121] 在未示出的变形实施例中，可充气垫圈30安装在转子2上，活动部分33b用于在被充气时膨胀，以接触并且压靠第一表面22。

[0122] 在图4和5示意性地示出的不同实施例中，可充气垫圈30在径向上起作用。转子2包括由与旋转轴线和与轴7同轴的圆筒体限定的附体35，所述附体以悬臂方式从转子2自身伸出并且部分地进入接近空间21中。可充气垫圈30的基部部分33a容纳在形成于大致管状壁20的径向内表面36上的座中，而活动部分33b面向附体35的径向外表面37。活动部分33b用于在被充气时膨胀，以接触并且压靠附体35的径向外表面37以保证密封，从而阻止工作流体通过。

[0123] 在未示出的不同实施例的变形实施例中，可充气垫圈30安装在附体35上，活动部分33b用于在被充气时膨胀，以接触和压靠大致管状壁20的径向内表面36。

[0124] 当正确安装涡轮1以运行时(图1)，轴套8被插入短管5中，并且通过插入至轴套8的凸缘39和短管5自身中的螺栓38(仅示出了所述螺栓的轴线)而锁定在短管5中。轴7(通过螺栓14以及齿结合部)与转子2成一体，转子2与壁4(和环形元件18)以及可充气垫圈30隔开。轴7和转子2可自由旋转，但在轴向上是固定的。可充气垫圈30被放气，进而腾空介于大致管状壁20的第一轴向端部和转子2之间的通道40(其中几何形状可变的前侧静密封件30位于第一位置中，图2和4)，工作流体可穿过所述通道。可移除盖28密封地封闭接近空间21。

[0125] 在操作期间，工作流体流经径向开口29流入进口管26中、朝膨胀空间“V”轴向地流动并且在膨胀空间中膨胀，从而使得涡轮1旋转。当涡轮1旋转时，工作流体也填充接近空间21，从而工作流体可自由地穿过通道40。

[0126] 在前侧静密封件30的不同实施例中，使用可移除的托盘垫圈代替可充气垫圈，该托盘垫圈具有定位在托盘42上的固定垫圈41；通过一个或多个通路31供给的一个或多个液压活塞43使得可移动的托盘垫圈移动。

[0127] 为了拆卸机械组件6和轴7，在已经停止转子2之后，首先取下螺栓38以消除轴套8和短管5之间的轴向成块，以及整个机械组件6(轴2、密封装置10、轴承9、轴套8、油封11)和与机械组件成一体的转子2(连同螺栓14和齿结合部)向后轴向运动(朝图1右侧)，直到转子2的后表面19靠着环形凸起18并且到达后侧静密封件为止。由于这种平移稍微增大了通道
40(通过比较图2和3可看出)，使得转子2的表面34远离可充气垫圈30。此时，通过合适的装置(未示出)而将转子抵靠在后壁4b上。

[0128] 随后，气体通过通路31而被添入至可充气垫圈30中，使得垫圈被充气，直到活动部分33b抵在转子2的表面34上、密封地封闭通道40(几何形状可变的前侧静密封件30位于第二位置中，图3)为止。当垫圈30被充气时，活动部分33b在抵接且推压在转子2上之前沿其与转子2隔开的整个距离轴向平移。在这个第二位置中，可充气垫圈30密封接近空间21并且使接近空间与膨胀空间“V”和回路的其余部分隔开。

[0129] 此时，可以在已经(通过未示出的合适装置)从接近空间21中取出其中存在的有限数量的工作流体之后，拆卸可移除盖28，使所述可移除盖与大致管状壁20的第二表面23分离开。

[0130] 操作者然后可自由地接近螺栓14的头部15，旋松和取出所述头部，从而从转子2上释放轴7。

[0131] 在使转子2自身保持在合适位置处的同时，通过将整个机械组件6(其由轴套8、轴7、轴承9、密封件10和油封11组成)从短管5上取下并且移动所述机械组件远离转子2(从图1的左侧向右侧移动)，从而取出整个机械组件。后侧静密封件18、19阻止工作流体流入短管5内部而进入由机械组件6腾出的空间中。几何形状可变的已被充气的前侧静密封件30阻止工作流体流入没有可移除盖28的操纵空间21内。

[0132] 在已经针对机械组件6执行了必须的操作(例如，测试、维护、修理)之后，在仍然将转子2抵靠在后壁4b上的同时，将机械组件再次插入短管5中(从图1的右侧向左侧)，直到轴7的第一端7'(在自定中心结合部处)抵在转子2上为止。螺栓14被再次插入穿过转子2而进入轴7中并且被拧紧。接近空间21通过可移除盖28而被再次封闭。

[0133] 此时，可充气垫圈30被放气，使其返回至第一位置并且释放通道40。

[0134] 从后壁4b上释放转子2，整个机械组件6(轴2、密封装置10、轴承9、轴套8、油封11)以及与机械组件成一体的转子(连同螺栓14和齿结合部)被轴向推进(向图1的左侧)，直到轴套8的凸缘39抵在短管5上为止。最后，螺栓38被插入并且拧在其位于凸缘39和轴套8上的壳体中。

[0135] 在图4和5中所示的不同实施例中，拆卸/重组装操作与上述操作相同，除了在垫圈30被充气时，在所述活动部分抵接且推压在附体35的径向外表面37上之前，活动部分33b在径向方向上沿使其与附体的径向外表面隔开的整个距离移动以外。

[0136] 在不同的实施例(其整体未示出)中，前侧静密封件30被固定，而后侧静密封件18的几何形状可变。在图7和8中，示出了几何形状可变的后侧静密封件18的相应实施例：一个是可充气垫圈，而另一个是托盘式垫圈。为了拆卸机械组件6和轴7，转子2被推进(而不是向后移动)以密封地抵接前侧静密封件30，以及后侧静密封件18被移动(被充气或移动)以抵接转子2。

[0137] 在其它的不同实施例(其整体未示出)中，前侧静密封件30和后侧静密封件18的几何形状可变(类似于图7中的可充气垫圈或类似于图8中的托盘式垫圈)。为了拆卸机械组件6和轴7，转子2保持轴向被固定。这两个静密封件30、18被移动，以密封地抵接转子2的两个相对侧部。