專利名稱：自調(diào)節(jié)的渦輪機的制作方法
DE 4200507A1公開了一種具有非常多的幾何調(diào)整可能性的渦輪機。通過工作輪調(diào)整裝置3a改變流通縫隙或流量，同時改變渦輪葉片長度2或葉片板長度，而螺線14并不通過板簧9自動改變。
文獻US 3149820和US 4540337公開了自動的幾何改變(系統(tǒng))。
這些文獻僅僅表示許多已知技術(shù)方案中的一些選擇。
本發(fā)明的目的是，特別是對于渦輪機使渦輪機的幾何參數(shù)與變化的晝夜負荷和一年四季負荷及可能的尖峰運行(脈動運行)相匹配，以達到最佳的工作效率。
也就是說，所述目的對于一種在入口端壓力為0.2MPa和出口壓力為0.1MPa之間流量為0.5至20.01/s的情況發(fā)明一種具有可變扭矩而轉(zhuǎn)速幾乎保持不變的自適應(yīng)渦輪機，其中鑒于所要求的堅固性和小的結(jié)構(gòu)尺寸必須不考慮角度可調(diào)的導(dǎo)向葉片和工作葉片。
很久以來一些已知的解決方案試驗特別是采用可變的導(dǎo)向葉片，以改變迎流角和迎流速度。
但是渦輪機的已知實施形式對于所提出的在最佳的效率方面的目的呈現(xiàn)出負面效應(yīng)，即，對于所提出的目的，由于渦輪機轉(zhuǎn)子、特別是渦輪機葉片基本上剛性的幾何形狀，在應(yīng)用一前置太陽能吸收器作為蒸汽或熱氣發(fā)生器的情況下一天只有兩次達到最佳效率，而在其余時間渦輪機要不在明顯的低負荷區(qū)或過載區(qū)不經(jīng)濟地工作(見插

圖1)。
插圖1 基本上完全幾何剛性的渦輪機的效率 此外在采用一在太陽能吸收器后面的渦輪機時應(yīng)該注意，設(shè)計對于平均最佳工作區(qū)的渦輪機參數(shù)，它應(yīng)該最佳地利用晝夜和四季變化。因此在普通渦輪機幾何參數(shù)時最佳工作點安排得比較低。結(jié)果是普通渦輪機的至少90％的可利用時間遠離最佳運行狀態(tài)在低負荷區(qū)或過載區(qū)內(nèi)工作，亦即也許只能達到平均效率的25％，而不是可以達到的70％。
也就是說，現(xiàn)在只有在渦輪機與具有大的偏差的交變運行狀態(tài)匹配方面采取除可以采用可調(diào)導(dǎo)向葉片以外的其他合適的措施，才能實現(xiàn)所提出的目的。
本發(fā)明的措施特別是涉及，-迎流通道與渦輪機的匹配，-在徑流式渦輪機時可變的渦輪機葉片長度，-電子控制在發(fā)電機內(nèi)產(chǎn)生的電流，以便在達到額定轉(zhuǎn)速和額定電壓后限制轉(zhuǎn)速，-在渦輪機出口通道內(nèi)的塞貝克熱電交換器(Seebeck-Wrme-Strom-Tauscher)。
具體來說所提目的通過以下方式實現(xiàn)1.力求使迎流通道在不同大小的蒸汽量或氣量的范圍內(nèi)其橫截面可以這樣地改變，使得垂直于渦輪機葉片的入口棱邊流入的蒸汽量或氣量可以近似地保持在不變的優(yōu)化的速度范圍內(nèi)。
按照本發(fā)明這通過這樣的方式達到，即，在一第一種方案中，迎流通道不僅像在例如廢氣渦輪增壓器中一樣具有一連續(xù)減小的始終為圓形的橫截面，而且具有一矩形橫截面，在該橫截面內(nèi)有一覆蓋通道高度的、處在預(yù)緊力作用下的彈性密封帶。在小的蒸汽量或氣量和低的輸入壓力時密封帶的規(guī)定預(yù)緊力提供一非常小的入流間隙，在大的蒸汽量或氣量和較高的壓力時通道自動打開，直至達到最大縫隙寬度，這時在最大開口時密封帶貼合在外入流通道表面上。
本發(fā)明的第二種方案建議，通過用一高度可調(diào)的、合適地成形并通過彈簧處于預(yù)緊力作用下的蓋板封閉入流通道的方法，使通道橫截面同樣可以和當時的負荷狀況相匹配。
本發(fā)明的第三種方案建議，通過采用一彈性的、適合于溫度和壓力范圍的、構(gòu)成入流通道壁的材料，該通道壁在壓力增大時是加寬的，這時在任何時刻形成一最佳的連續(xù)縮小的圓形橫截面。
2.鑒于可變氣量或蒸汽量-其通過可匹配的入流通道橫截面保持幾乎不變的速度，渦輪機葉片長度設(shè)計成可變的證明是有利的，其中一部分渦輪機葉片可以沉入一以相同的速度旋轉(zhuǎn)的帶有用來裝入渦輪機葉片的陰模的圓柱形物體內(nèi)，其中跟隨旋轉(zhuǎn)的物體可以封閉或部分以及完全打開渦輪機葉片的入口區(qū)。
同樣可以通過一圓柱形物體的跟隨旋轉(zhuǎn)在渦輪機出口采取類似的措施，其中渦輪機葉片的出口端可以這樣地下降，使得出口區(qū)可以幾乎關(guān)閉或完全打開。
跟隨旋轉(zhuǎn)的圓柱形物體在兩端可以具有用來裝入相應(yīng)渦輪機葉片的陰模，在中央具有一用來流通流體的中央孔。此跟隨旋轉(zhuǎn)的圓柱體可以做得像葉輪一樣，其中環(huán)形通道配備葉片。
3.所述措施1和2導(dǎo)致，對不同負荷狀況自適應(yīng)的渦輪機即使在小的蒸汽或氣體流量時也迅速達到以其額定轉(zhuǎn)速，和渦輪機連接的發(fā)電機同樣也迅速地達到其額定電壓。通過用一適當?shù)挠呻妷嚎刂频目刂蒲b置來控制流過發(fā)電機的電流并且越來越大的電流以一適當大小的電磁力矩抵消渦輪機扭矩的方法，達到渦輪機的轉(zhuǎn)速限制。
4.渦輪機出口通道的外壁允許通過一帕耳帖元件將熱量流通到一冷卻通道內(nèi)，二次循環(huán)回路的工作介質(zhì)在進入熱交換器之前先流過此冷卻通道。由此在150℃至30℃的優(yōu)選溫差時可以進一步獲取電流。
這種自適應(yīng)的渦輪機特別適用于具有太陽能吸收器的發(fā)電系統(tǒng)，但是也可以用于具有交變載荷的其他應(yīng)用場合。在合適地選擇材料的情況下也可以設(shè)想利用來自燃燒過程的熱氣體工作。
在采用太陽能吸收器時為了根據(jù)太陽能的入射(強度)進行太陽能吸收器的最佳運行，設(shè)置其他必要的完善本發(fā)明的裝置。例如，給裝在屋頂上的太陽能吸收器配備一帕耳帖熱電交換元件(Peltier-Wrme-Stromtauscherelement)，其受熱側(cè)在內(nèi)部封閉太陽能吸收器殼體，其外側(cè)遮蔭并強制熱力通風(fēng)，從而被冷卻。
如在渦輪機和發(fā)電機組后面還設(shè)置一換熱器，它將各自選擇的工作介質(zhì)重新冷卻到吸收器輸入溫度，并將獲取的交換熱能提供給例如加熱回路或儲熱器。
這里工作介質(zhì)可以是氣體或液體，液體在吸收器內(nèi)蒸發(fā)，并在設(shè)置在渦輪機后面的換熱器中重新冷凝。通過一在太陽能吸收器的工作介質(zhì)下入口上的止回閥確保工作介質(zhì)希望的流動方向，工作介質(zhì)只允許從下面流入吸收器。
為了促使熱量從吸熱面通過吸熱管壁表面更好地傳輸?shù)酱訜峁ぷ鹘橘|(zhì)上，放置在吸收器表面上或內(nèi)部的吸熱管可以填充透氣的或透蒸汽的和良好地導(dǎo)熱的填充材料，例如銅絲棉。吸熱管也可以是具有星形分區(qū)的擠壓空心型材，以便能夠提供盡可能大的熱傳導(dǎo)表面。
在采用需蒸發(fā)的工作介質(zhì)時，把吸熱管內(nèi)的裝置內(nèi)壓力構(gòu)造成可變化的證明是有利的，以便能夠根據(jù)按太陽照射能夠達到的過程溫度產(chǎn)生最佳的蒸汽量，例如水在正常壓力下100℃時才蒸發(fā)，而已知的冷卻劑在約50℃時便已經(jīng)蒸發(fā)了。因此初級回路內(nèi)的內(nèi)壓力應(yīng)該和次級回路的始流溫度匹配，使得初級回路內(nèi)的工作介質(zhì)經(jīng)受這樣的壓力，使其所屬的沸點高于次級回路始流溫度5℃以上。
這通過一自動裝置達到，其中吸熱管內(nèi)部與一壓力調(diào)節(jié)體連接，它通過一不透氣體或蒸汽的膜片與次級回路的工作介質(zhì)連通。在預(yù)熱溫度低時膜片通過一雙金屬彈簧張緊，從而使蒸發(fā)裝置內(nèi)部的壓力下降。
在工作溫度低、單位時間內(nèi)氣體或蒸汽流量小的臨界效率時系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到脈動運行，這被證明是特別有利的，這時吸熱管合并成一共同的吸熱管，這個共同的吸熱管用一彈簧控制的止回閥在預(yù)先調(diào)整好的壓力下才打開，通過能量輸入產(chǎn)生的氣體或蒸汽量脈沖式輸入渦輪機。通過交替地打開兩個或幾個共同的吸熱管給渦輪機供氣的方法，可以使這種脈沖式運行變得平滑。
本發(fā)明用六個附圖表示圖1按權(quán)利要求2的、軸向流入和徑向流出的渦輪機，圖2按權(quán)利要求2的、具有可下沉的渦輪機葉片的渦輪機，圖3徑向流入和流出的渦輪機，圖4徑向流入通道的結(jié)構(gòu)，圖5渦輪機入口部分、中心部分和出口部分的葉片配置，圖6太陽能吸收器和本發(fā)明渦輪機連接的系統(tǒng)圖。
附圖標記表1 渦輪機組2 氣體或蒸汽進入孔3 控制缸4 渦輪機定子5 渦輪機轉(zhuǎn)子6 帶渦輪機葉片座的葉輪7 帶葉片的渦輪機入口旋轉(zhuǎn)體8 帶葉片的渦輪機出口旋轉(zhuǎn)體9 將旋轉(zhuǎn)體預(yù)緊在葉輪上的彈簧10 可變截型高度的入口通道11 可變截型深度的入口通道12 高度或深度截型的張緊彈簧13 壓力敏感的彈性壁入口通道14 渦輪機出口通道上的帕耳帖熱電交換器15 塞貝克交換器的冷卻通道16 用于次級循環(huán)回路的換熱器17 吸熱器入口處的排廢管18 止回閥19 吸熱管20 壓力調(diào)節(jié)容器21 雙金屬控制膜片22 氣體或蒸汽穿透的填充物23 公共吸熱管24 用于脈動運行的連接的止回閥25 吸收器上的塞貝克熱電交換元件26 溫度和壓力彈性的簧片
權(quán)利要求
1.在不同的溫度和壓力下用不同氣體或蒸汽量工作的渦輪機，其特征為根據(jù)可供使用的加熱氣體或蒸汽量，在到達額定轉(zhuǎn)速后關(guān)閉流通縫隙，或依據(jù)壓力和/或溫度自動地調(diào)整渦輪機葉片之間流通縫隙的大小和/或渦輪機葉片傾角和/或渦輪機葉片長度，并且，為了限制渦輪機的轉(zhuǎn)速，采用連接在渦輪機后面的發(fā)電機內(nèi)的電流變化作為輔助調(diào)節(jié)量。
2.按權(quán)利要求1的渦輪機，其特征為具有一軸向氣體或蒸汽進入孔(2)的多個渦輪機組(1)分別在一分開的密封盤上相互軸向配置，在中央氣體或蒸汽進入孔內(nèi)，一用溫度和壓力控制的彈簧力預(yù)緊的控制缸(3)根據(jù)氣體或蒸汽量自動地打開一個、多個或全部渦輪機組。
3.按權(quán)利要求1的渦輪機，其特征為一個渦輪機組的一個或多個定子(4)和轉(zhuǎn)子(5)相互嵌合地設(shè)置在一個平面內(nèi)，并根據(jù)氣體或蒸汽量通過溫度和壓力控制的彈簧力自動地調(diào)節(jié)在旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)提供的開口縫隙。
4.按權(quán)利要求1的渦輪機，其特征為渦輪機葉片由一種彈性材料這樣地制成，使得在氣體或蒸汽量很小時渦輪機葉片的尖端切向靠在下一個渦輪機葉片上，只留一個非常小的流出縫隙，并且，在氣體或蒸汽量加大時渦輪機葉片自動地這樣變形，使得在渦輪機葉片較小的迎角的情況下打開一較大的縫隙。
5.按權(quán)利要求1的渦輪機，其特征為渦輪機出口通道允許通過一溫度和/或壓力彈性的簧片這樣地改變，即，在氣體或蒸汽量小時只打開一小的出口縫隙，在氣體或蒸汽量較大時簧片這樣地自動變形，使得在渦輪機出口通道內(nèi)打開一較大的出口縫隙。
6.按權(quán)利要求1的渦輪機，其特征為在渦輪機徑向入流時，在渦輪機葉片之間的通道的第一段內(nèi)從外向內(nèi)運轉(zhuǎn)的渦輪機葉片段可以沉入一作為葉輪(6)跟隨旋轉(zhuǎn)的軸向陰模內(nèi)，通過葉輪的一個做得有利于流動的中央流動通道過渡到最后一段，在這一段內(nèi)從內(nèi)向外運轉(zhuǎn)的渦輪機葉片同樣設(shè)計得可沉入所述陰模。
7.按權(quán)利要求1或5的渦輪機，其特征為兩個攜帶渦輪機葉片的旋轉(zhuǎn)體(7、8)與容納渦輪機葉片的葉輪形式的陰模一起構(gòu)成一個組件，它們分別通過一個或多個彈簧(9)這樣地預(yù)緊，使得在氣體或蒸汽量加大時渦輪機葉片部分或完全張開。
8.按權(quán)利要求1、5或6之任一項的渦輪機，其特征為具有越來越小的截面的入流通道可以根據(jù)載荷通過可變的截型高度(10)或可變的截型深度(11)與使用條件相匹配，這種匹配通過待張緊的彈簧(12)實現(xiàn)。
9.按權(quán)利要求1、5或6之任一項的渦輪機，其特征為具有越來越小的截面的入流通道根據(jù)載荷不同具有可以改變的橫截面輪廓，其通道壁(13)由一種壓力敏感的彈性材料組成。
10.按權(quán)利要求1至8之任一項的渦輪機，其特征為渦輪機出口通道的外壁具有塞貝克元件(14)，其外側(cè)由一通道(15)構(gòu)成，次級循環(huán)回路的工作介質(zhì)在進入換熱器(16)之前流過此通道。
11.按權(quán)利要求1至9之任一項的渦輪機，其特征為渦輪機和發(fā)電機后面連接一換熱器(16)，它冷卻第一循環(huán)回路的工作介質(zhì)，并將這樣獲得的熱量提供給第二循環(huán)回路。
12.按權(quán)利要求1至10之任一項的渦輪機，其特征為在一帶有封閉的止回閥(18)的排廢管(17)后面的第一循環(huán)回路內(nèi)的渦輪機連同發(fā)電機和換熱器后面跟隨一個或多個在一聳立的、用于射入的熱能包括太陽能的吸收器內(nèi)的吸熱管(19)，它們將熱氣體或蒸汽送入渦輪機。
13.按權(quán)利要求1至11之任一項的渦輪機，其特征為采用可蒸發(fā)的液體或氣體作為第一循環(huán)回路內(nèi)的工作介質(zhì)。
14.按權(quán)利要求1至12之任一項的渦輪機，其特征為采用在低溫時沸騰的工作介質(zhì)，為此第一循環(huán)回路內(nèi)的壓力可通過一帶有雙金屬控制膜片(21)的自調(diào)節(jié)壓力調(diào)節(jié)容器(20)下降到換熱器(16)始流溫度以上超過5K的合適的、低的沸騰溫度。
15.按權(quán)利要求1至13之任一項的渦輪機，其特征為為了將熱量更好地傳遞到工作介質(zhì)上，加熱管附加地配備良好導(dǎo)熱的和透氣或透蒸氣的填充體(22)，或者作為擠壓型材的加熱管具有單個的、通過筋隔開的流動通道。
16.按權(quán)利要求1至14之任一項的渦輪機，其特征為在脈動運行或平滑的脈動運行中一個、兩個或多個吸熱器分別通過一公共的吸熱管(23)交替地給渦輪機供氣，脈動運行通過在共同的吸熱管上所連接的預(yù)緊的止回閥(24)進行調(diào)節(jié)。
17.按權(quán)利要求1至15之任一項的渦輪機，其特征為或者是在背向渦輪機葉片一側(cè)上的旋轉(zhuǎn)的渦輪機底板或者是在永久磁鐵外側(cè)上的旋轉(zhuǎn)的葉輪具有交變的極性，并面對旋轉(zhuǎn)間隙安置發(fā)電機的激磁繞組。
18.按權(quán)利要求1至16之任一項的渦輪機，其特征為在外殼上邊緣上的吸熱器與塞貝克元件端接，它們在外側(cè)直接遮蔭強制地通過空氣冷卻。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種能量利用級聯(lián)機組，它尤其是由太陽能供能。該能量利用級聯(lián)機組包括普通的太陽能吸收器，它們在上端具有塞貝克元件，本發(fā)明還涉及一種自調(diào)節(jié)的渦輪機，它帶有一后接發(fā)電機和一在渦輪機出口處的塞貝克元件、一用于次級循環(huán)回路的換熱器以及用來控制初級循環(huán)回路的內(nèi)壓的調(diào)節(jié)裝置。
文檔編號F01D17/14GK1708634SQ200380102556
公開日2005年12月14日 申請日期2003年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月5日
發(fā)明者克勞斯-彼得·普里貝 申請人:克勞斯-彼得·普里貝