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?zhí)岢隽艘环N使用壓力原理的新穎渦輪設(shè)計，其迫使高壓氣體通過許多匝較 長并且較淺的螺旋。氣體對具有中等寬度和很淺深度的長螺旋做功。當螺旋以中等角速度 轉(zhuǎn)動時，沿著螺旋的長度發(fā)生壓力的逐漸并且接近線性的降低。當氣體在螺旋中轉(zhuǎn)動時逐 漸發(fā)生氣體的絕熱膨脹，使得這個過程大致是等熵的。
【背景技術(shù)】
[0002] 緩慢膨脹不同于沖擊或反動式渦輪的快速膨脹，沖擊或反動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)閯幽?。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，其可能有時達到超音速。氣體流動的動量通過沖擊于 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。反動或沖擊式渦輪的缺點在于高速氣體的動能常常再轉(zhuǎn)變回熱，造成熱機 的熵損失。本公開通過使氣體在沿著中等寬度和很淺深度的長螺旋做功時保留其壓力而避 免了熵低效。
[0003] 本申請的渦輪具有許多優(yōu)點。首先，本申請已改進了熱轉(zhuǎn)變成動能的轉(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)接到感應或同步發(fā)電機，而無需使用齒輪 來降低rpm。降低的rpm允許潤輪以60赫茲交流同步以使同步多相發(fā)電機的電輸出與電 網(wǎng).電力網(wǎng)格容易地進行相位聯(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)電機中。替代地，可以使用多相感應發(fā)電機。
[0005] 這種較小、簡便和經(jīng)濟型渦輪適合于將聚光太陽能作為熱源的功率轉(zhuǎn)變。高度聚 焦的陽光產(chǎn)生高溫和高壓蒸汽來驅(qū)動渦輪。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] 存在比沖擊或反動式渦輪更高效的其它燃氣渦輪或蒸汽機，諸如使用活塞的正排 量的瓦特蒸汽機，或者使用類似翼片/機翼的渦輪葉片升力的工業(yè)燃氣渦輪。這些發(fā)動機 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 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的小型并且簡單 的渦輪，其與大型燃氣渦輪一樣有效率。這種渦輪適合于小型的太陽能或熱能源。
[0007] 在這個背景調(diào)查的其余部分中給出渦輪和蒸汽機更詳細的歷史發(fā)展。
[0008] 渦輪是旋轉(zhuǎn)機械，其從移動流體吸收能量或者向移動流體賦予能量。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，其從兩個噴嘴在直徑兩端處在相 反方向出射蒸汽。這種鍋爐響應于出射的蒸汽而自旋。赫諾渦輪以機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)運動來 提升水。阿基米德螺桿根據(jù)機械沖擊原理工作，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原理用于移動所述渦輪的反過程。下落的水沖擊于渦輪上，使渦輪 轉(zhuǎn)動，渦輪繼而驅(qū)動發(fā)電機。
[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 體的運動動力來進行工業(yè)運作或者發(fā)電。這里引用基于特別的動 力原理的幾個值得注意的發(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、對于氣體的應力張量 _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動定 律麵1滅·的氣體模擬，牛頓第二運動定律Hiif表述了作用于質(zhì)量匿上的力F將會產(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數(shù)
類似于牛頓第二定律中的項 Μδ,而方程右邊的三項表示作用于氣體上，造成氣體動能變化的內(nèi)力和外力。第一項…雙夢 與氣體壓力的空間梯度變化有關(guān)。在本發(fā)明的公開中，在壓力沿著螺旋長度持續(xù)地并且緩 慢地降低時，希望梯度較小。第二項__與對于氣體的應力張量T (諸如由粘度造成的應力 張量）有關(guān)。這一項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，因為 氣體流動并非層流。最后一項f是渦輪對于氣體的反作用。氣體對于渦輪的作用造成渦輪 自旋，并且在這個過程中，氣體的熱和壓力能量變化為動能。
[0011] 當迫使過熱和高壓氣體通過拉伐爾噴嘴時，反動式渦輪做功。氣體的大部分熱和 壓力能量在短噴嘴頸部內(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，反動式渦輪常 常以超過每分鐘10000轉(zhuǎn)（rpm)的危險速度自旋，而同時提供很小扭矩。
[0012] 沖擊或沖動式/脈動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。當高速氣體撞擊葉片 時，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，因為在與周圍空氣 或渦輪葉片進行湍流沖擊時，高速射流快速失去動能。
[0013] 世界上的大部分電力是通過根據(jù)朗肯發(fā)動機原理工作的蒸汽渦輪生成。現(xiàn)代蒸汽 渦輪具有旋轉(zhuǎn)葉片和靜態(tài)導流器的交替級。高壓和高溫蒸汽進入旋轉(zhuǎn)渦輪。蒸汽渦輪和風 力渦輪通過與飛機翼的升力原理類似的升力原理操作。當氣體在翼形件的上表面上加速 時，下表面由于由更緩慢流動的氣體所施加的更高壓力而經(jīng)歷升力。因此，由于空氣動力升 力迫使渦輪葉片發(fā)生旋轉(zhuǎn)。離開渦輪葉片的流動由靜態(tài)通道重導向。然后重導向的氣體流 動以正確角度撞擊渦輪葉片的第二級。對于渦輪葉片的隨后級而言，重復了重導向和提升 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，而沒有對渦輪葉片 的直接熵沖擊。氣體流動緩慢地經(jīng)過葉片，緩慢膨脹，同時產(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渦輪葉片的下一級做另外的功。對于現(xiàn)代組合 循環(huán)燃氣渦輪而言，來自燃燒的天然氣的超過60%的熱能可以轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功或電力。
[0015] 現(xiàn)代蒸汽或燃氣渦輪是強力的、較大的并且高效的。不幸的是，它們較為復雜，包 括以高速旋轉(zhuǎn)的許多移動零件。這些渦輪因此制造起來較為昂貴并且難以維護。
[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、簡單、高效、廉價并且可靠的渦輪。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特新穎的螺旋渦輪實現(xiàn)了這些目的。存在著 基于壓力原理做功的發(fā)動機，諸如用于詹姆斯·瓦特的經(jīng)典蒸汽機的活塞的正排量。旋轉(zhuǎn) 蒸汽機使用旋轉(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動轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運動 的瓦特蒸汽機。
[0018] 這些正排量發(fā)動機并不像現(xiàn)代燃氣和蒸汽渦輪那樣高效，因為氣體流動并不順 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、高壓和運動頻率。
[0019] 本公開與這些正排量發(fā)動機截然不同，正排量發(fā)動機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活塞或槳葉而操作。本申請的氣體流動 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，本發(fā)明具 有順暢的動力遞送和平衡運動的優(yōu)點。
[0020] -世紀前發(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 輪通過由于流動氣體粘度所致的空氣動力阻力做功。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，朝向堆疊中心盤旋，堆疊中心用作氣體排出口。阻力V T對應于 納維爾斯托克斯方程
'的右邊的第二項。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·特斯拉最初面對其特斯拉渦輪超過10, 000 rpm的高自旋速度的問題。 氣體流動的高自旋速度，結(jié)合不太先進的機械加工和材料技術(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)葉片的燃氣和蒸汽渦輪已變成了用于工業(yè)發(fā)電的主 要發(fā)動機。
[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，機械結(jié) 構(gòu)也不同。對于本發(fā)明的渦輪而言，氣體從圓盤中心在引導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。就本發(fā)明的渦輪而言，氣體在渦輪自旋的反方 向流動，因為自旋是由于渦輪