根據(jù)壓力原理操作的螺旋渦輪的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本申請(qǐng)?zhí)岢隽艘环N使用壓力原理的新穎渦輪設(shè)計(jì)，其迫使高壓氣體通過許多匝較 長(zhǎng)并且較淺的螺旋。氣體對(duì)具有中等寬度和很淺深度的長(zhǎng)螺旋做功。當(dāng)螺旋以中等角速度 轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，沿著螺旋的長(zhǎng)度發(fā)生壓力的逐漸并且接近線性的降低。當(dāng)氣體在螺旋中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)逐 漸發(fā)生氣體的絕熱膨脹，使得這個(gè)過程大致是等熵的。
【背景技術(shù)】
[0002] 緩慢膨脹不同于沖擊或反動(dòng)式渦輪的快速膨脹，沖擊或反動(dòng)式渦輪的快速膨脹在 氣體通過發(fā)散噴嘴膨脹期間瞬間將所有壓力能量轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能。這種快速膨脹將氣體的大部 分壓力和熱能轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚贇怏w流動(dòng)，其可能有時(shí)達(dá)到超音速。氣體流動(dòng)的動(dòng)量通過沖擊于 渦輪葉片上而賦予給渦輪。沖擊使得葉片圍繞輪軸旋轉(zhuǎn)。許多這樣的葉片一起造成渦輪轉(zhuǎn) 子以高速轉(zhuǎn)動(dòng)。反動(dòng)或沖擊式渦輪的缺點(diǎn)在于高速氣體的動(dòng)能常常再轉(zhuǎn)變回?zé)?，造成熱機(jī) 的熵?fù)p失。本公開通過使氣體在沿著中等寬度和很淺深度的長(zhǎng)螺旋做功時(shí)保留其壓力而避 免了熵低效。
[0003] 本申請(qǐng)的渦輪具有許多優(yōu)點(diǎn)。首先，本申請(qǐng)已改進(jìn)了熱轉(zhuǎn)變成動(dòng)能的轉(zhuǎn)換效率。其 次，渦輪的功率可以通過加寬螺旋或者通過增加在圓盤堆疊中的螺旋數(shù)量而縮放。多個(gè)平 坦圓盤可以螺接/栓接在一起以增加渦輪的功率容量。第三，簡(jiǎn)化了制造。螺旋通過現(xiàn)代 高精度技術(shù)諸如線放電加工(線EDM)而機(jī)械地切割。第四，大幅減小了渦輪旋轉(zhuǎn)速度，大約 每分鐘1000轉(zhuǎn)（rpm)，而不是現(xiàn)代渦輪典型的數(shù)萬rpm。
[0004] 這種較低的速度允許渦輪輪軸直接聯(lián)接到感應(yīng)或同步發(fā)電機(jī)，而無需使用齒輪 來降低rpm。降低的rpm允許潤(rùn)輪以60赫茲交流同步以使同步多相發(fā)電機(jī)的電輸出與電 網(wǎng).電力網(wǎng)格容易地進(jìn)行相位聯(lián)結(jié)（phase tying)。將描述渦輪能夠如何/以什么方式直 接聯(lián)接到同步多相永磁體發(fā)電機(jī)中。替代地，可以使用多相感應(yīng)發(fā)電機(jī)。
[0005] 這種較小、簡(jiǎn)便和經(jīng)濟(jì)型渦輪適合于將聚光太陽(yáng)能作為熱源的功率轉(zhuǎn)變。高度聚 焦的陽(yáng)光產(chǎn)生高溫和高壓蒸汽來驅(qū)動(dòng)渦輪。也描述如何將化石燃料諸如天然氣用于生成高 溫和高壓蒸汽的方式。蒸汽被噴射到轉(zhuǎn)子中心而不是轉(zhuǎn)子外圍。這種中心噴射需要特殊的 聯(lián)接器以用于使蒸汽流入到渦輪內(nèi)。
[0006] 存在比沖擊或反動(dòng)式渦輪更高效的其它燃?xì)鉁u輪或蒸汽機(jī)，諸如使用活塞的正排 量的瓦特蒸汽機(jī)，或者使用類似翼片/機(jī)翼的渦輪葉片升力的工業(yè)燃?xì)鉁u輪。這些發(fā)動(dòng)機(jī) 通常具有較大大小、有噪音，包括大量零件并且可能以高速旋轉(zhuǎn)。但本公開，通過在金屬實(shí) 心圓盤中切割螺旋，得到一種具有很少零件、制造成本較低并且故障保險(xiǎn)的小型并且簡(jiǎn)單 的渦輪，其與大型燃?xì)鉁u輪一樣有效率。這種渦輪適合于小型的太陽(yáng)能或熱能源。
[0007] 在這個(gè)背景調(diào)查的其余部分中給出渦輪和蒸汽機(jī)更詳細(xì)的歷史發(fā)展。
[0008] 渦輪是旋轉(zhuǎn)機(jī)械，其從移動(dòng)流體吸收能量或者向移動(dòng)流體賦予能量。渦輪自從古 代以來就是發(fā)明主題。例如赫諾發(fā)明了一種旋轉(zhuǎn)式鍋爐，其從兩個(gè)噴嘴在直徑兩端處在相 反方向出射蒸汽。這種鍋爐響應(yīng)于出射的蒸汽而自旋。赫諾渦輪以機(jī)械反作用的原理工作。
[0009] 阿基米德發(fā)明了著名的阿基米德螺桿，其使用在缸內(nèi)的螺旋拔塞器的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來 提升水。阿基米德螺桿根據(jù)機(jī)械沖擊原理工作，由渦輪葉片向水賦予升力。目前許多水電 站將相同的沖擊或沖動(dòng)原理用于移動(dòng)所述渦輪的反過程。下落的水沖擊于渦輪上，使渦輪 轉(zhuǎn)動(dòng)，渦輪繼而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。
[0010] 自從工業(yè)革命起已發(fā)明了許多渦輪用于轉(zhuǎn)變熱、壓力或氣 體的運(yùn)動(dòng)動(dòng)力來進(jìn)行工業(yè)運(yùn)作或者發(fā)電。這里引用基于特別的動(dòng) 力原理的幾個(gè)值得注意的發(fā)明。首先，提到納維爾斯托克斯方程，
其使氣體密度p、氣體速度向量H、氣體壓力P、對(duì)于氣體的應(yīng)力張量 _以及通過不同操作者的氣體的體力向量I相關(guān)。納維爾斯托克斯方程是牛頓第二運(yùn)動(dòng)定 律麵1滅·的氣體模擬，牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律Hiif表述了作用于質(zhì)量匿上的力F將會(huì)產(chǎn)生 加速皮a r f/lf。在納維爾斯托克斯方程左邊的材料導(dǎo)數(shù)
類似于牛頓第二定律中的項(xiàng) Μδ,而方程右邊的三項(xiàng)表示作用于氣體上，造成氣體動(dòng)能變化的內(nèi)力和外力。第一項(xiàng)…雙夢(mèng) 與氣體壓力的空間梯度變化有關(guān)。在本發(fā)明的公開中，在壓力沿著螺旋長(zhǎng)度持續(xù)地并且緩 慢地降低時(shí)，希望梯度較小。第二項(xiàng)__與對(duì)于氣體的應(yīng)力張量T (諸如由粘度造成的應(yīng)力 張量）有關(guān)。這一項(xiàng)在特斯拉渦輪中較為重要，但在本發(fā)明的螺旋渦輪內(nèi)并不太重要，因?yàn)?氣體流動(dòng)并非層流。最后一項(xiàng)f是渦輪對(duì)于氣體的反作用。氣體對(duì)于渦輪的作用造成渦輪 自旋，并且在這個(gè)過程中，氣體的熱和壓力能量變化為動(dòng)能。
[0011] 當(dāng)迫使過熱和高壓氣體通過拉伐爾噴嘴時(shí)，反動(dòng)式渦輪做功。氣體的大部分熱和 壓力能量在短噴嘴頸部?jī)?nèi)轉(zhuǎn)變成高速和常常超音速的低壓和低溫射流。換言之，僅在 噴嘴內(nèi)快速變化。出射氣體激起噴嘴的相等并且相反的反作用。不幸的是，反動(dòng)式渦輪常 常以超過每分鐘10000轉(zhuǎn)（rpm)的危險(xiǎn)速度自旋，而同時(shí)提供很小扭矩。
[0012] 沖擊或沖動(dòng)式/脈動(dòng)式渦輪具有固定噴嘴，來自噴嘴的高速氣體被推迫以沖擊旋 轉(zhuǎn)的渦輪葉片。沖擊式渦輪也傾向于以很高的速度很小的扭矩轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)高速氣體撞擊葉片 時(shí)，沖擊式渦輪常常有噪音。更糟的是，沖擊式渦輪常常具有較低效率，因?yàn)樵谂c周圍空氣 或渦輪葉片進(jìn)行湍流沖擊時(shí)，高速射流快速失去動(dòng)能。
[0013] 世界上的大部分電力是通過根據(jù)朗肯發(fā)動(dòng)機(jī)原理工作的蒸汽渦輪生成?，F(xiàn)代蒸汽 渦輪具有旋轉(zhuǎn)葉片和靜態(tài)導(dǎo)流器的交替級(jí)。高壓和高溫蒸汽進(jìn)入旋轉(zhuǎn)渦輪。蒸汽渦輪和風(fēng) 力渦輪通過與飛機(jī)翼的升力原理類似的升力原理操作。當(dāng)氣體在翼形件的上表面上加速 時(shí)，下表面由于由更緩慢流動(dòng)的氣體所施加的更高壓力而經(jīng)歷升力。因此，由于空氣動(dòng)力升 力迫使渦輪葉片發(fā)生旋轉(zhuǎn)。離開渦輪葉片的流動(dòng)由靜態(tài)通道重導(dǎo)向。然后重導(dǎo)向的氣體流 動(dòng)以正確角度撞擊渦輪葉片的第二級(jí)。對(duì)于渦輪葉片的隨后級(jí)而言，重復(fù)了重導(dǎo)向和提升 的過程。
[0014] 升力渦輪的高效率是由于提升渦輪葉片的氣體的非湍流流動(dòng)，而沒有對(duì)渦輪葉片 的直接熵沖擊。氣體流動(dòng)緩慢地經(jīng)過葉片，緩慢膨脹，同時(shí)產(chǎn)生其壓力的較小部分來提升葉 片。具有降低溫度的略微減壓的氣體可以對(duì)渦輪葉片的下一級(jí)做另外的功。對(duì)于現(xiàn)代組合 循環(huán)燃?xì)鉁u輪而言，來自燃燒的天然氣的超過60%的熱能可以轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功或電力。
[0015] 現(xiàn)代蒸汽或燃?xì)鉁u輪是強(qiáng)力的、較大的并且高效的。不幸的是，它們較為復(fù)雜，包 括以高速旋轉(zhuǎn)的許多移動(dòng)零件。這些渦輪因此制造起來較為昂貴并且難以維護(hù)。
[0016] 用于較大集中式發(fā)電的化石燃料燃燒每年生成數(shù)十億噸的二氧化碳，造成全球變 暖和燃料資源耗竭。分布式可再生的發(fā)電，諸如由型小太陽(yáng)能集熱器或者家用熱源所提供 的可再生發(fā)電需要較小、簡(jiǎn)單、高效、廉價(jià)并且可靠的渦輪。這些渦輪尚未大規(guī)模提供以可 用。
[0017] 本公開使用基于壓力和溫度原理的獨(dú)特新穎的螺旋渦輪實(shí)現(xiàn)了這些目的。存在著 基于壓力原理做功的發(fā)動(dòng)機(jī)，諸如用于詹姆斯·瓦特的經(jīng)典蒸汽機(jī)的活塞的正排量。旋轉(zhuǎn) 蒸汽機(jī)使用旋轉(zhuǎn)槳葉來旋轉(zhuǎn)，不同于使用曲柄和飛輪來將活塞的線性運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 的瓦特蒸汽機(jī)。
[0018] 這些正排量發(fā)動(dòng)機(jī)并不像現(xiàn)代燃?xì)夂驼羝麥u輪那樣高效，因?yàn)闅怏w流動(dòng)并不順 暢。閥、曲軸、密封件和飛輪偶發(fā)地操作。它們難以建置并維持在高溫、高壓和運(yùn)動(dòng)頻率。
[0019] 本公開與這些正排量發(fā)動(dòng)機(jī)截然不同，正排量發(fā)動(dòng)機(jī)通過將固定體積的高壓氣體 噴射到閉合腔室內(nèi)并且然后允許氣體膨脹并且推動(dòng)活塞或槳葉而操作。本申請(qǐng)的氣體流動(dòng) 是連續(xù)的并且是開放的，無閥、活塞或閉合外殼。由于連續(xù)并且順暢的氣體流動(dòng)，本發(fā)明具 有順暢的動(dòng)力遞送和平衡運(yùn)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。
[0020] -世紀(jì)前發(fā)明的特斯拉渦輪作為用于可再生發(fā)電的小型渦輪再次出現(xiàn)。特斯拉渦 輪通過由于流動(dòng)氣體粘度所致的空氣動(dòng)力阻力做功。氣體被噴射到圓形盤堆疊的外圍內(nèi)。 氣體在圓盤之間持續(xù)流動(dòng)，朝向堆疊中心盤旋，堆疊中心用作氣體排出口。阻力V T對(duì)應(yīng)于 納維爾斯托克斯方程
'的右邊的第二項(xiàng)。氣體粘度拖曳圓盤，使得堆疊 在與氣體旋轉(zhuǎn)相同方向上旋轉(zhuǎn)。氣體流動(dòng)為在相鄰圓盤之間的層流，在圓盤之間的中途具 備的粘度比圓盤表面的粘度更高。這種層流在圓盤上造成粘性阻力，如由納維爾斯托克斯 方程所描述。
[0021 ] 尼古拉斯·特斯拉最初面對(duì)其特斯拉渦輪超過10, 000 rpm的高自旋速度的問題。 氣體流動(dòng)的高自旋速度，結(jié)合不太先進(jìn)的機(jī)械加工和材料技術(shù)，然后使得特斯拉渦輪更加 低效和難以制造。因此，然后具有旋轉(zhuǎn)葉片的燃?xì)夂驼羝麥u輪已變成了用于工業(yè)發(fā)電的主 要發(fā)動(dòng)機(jī)。
[0022] 本公開與特斯拉渦輪明顯不同。除了使用壓力原理而不是粘性阻力之外，機(jī)械結(jié) 構(gòu)也不同。對(duì)于本發(fā)明的渦輪而言，氣體從圓盤中心在引導(dǎo)螺旋中流到同一圓盤的外圍，而 特斯拉渦輪在圓盤之間從外圍向中心流動(dòng)。就本發(fā)明的渦輪而言，氣體在渦輪自旋的反方 向流動(dòng)，因?yàn)樽孕怯捎跍u輪