液環式旋轉殼體汽輪機及其使用方法

2023-05-19 19:58:46

專利名稱：液環式旋轉殼體汽輪機及其使用方法
技術領域：
本發明涉及熱力發動機，更具體地，涉及液環式旋轉殼體壓縮機(LRRCC)熱力發動機。
背景技術：
在液環式膨脹機中，葉輪偏心地安裝在膨脹機主體內，其中葉輪上安裝有葉片。維護液體存在於膨脹機主體內，並且由於葉輪旋轉產生的離心力而衝向膨脹機主體的壁。維護液體的體積小於膨脹機主體的體積。這樣，膨脹機主體內的維護液體形成周向液環，該周向液環在每種情況下形成由液環和兩個葉片限定邊界的室。由於膨脹機主體內的葉輪的偏心定位，室的尺寸在葉輪旋轉方向上增大，由此允許氣體在高壓下被引入到膨脹機的窄室內以膨脹並因此轉動葉輪。液環式壓縮機以相似方式操作，只有在這種情況下氣體被引入到膨脹機的最寬室內，使得室的尺寸在葉輪旋轉方向上減小。由於葉輪旋轉和室的尺寸減小，已經被吸入的氣體受到壓縮並且在高壓側從液環式膨脹機噴出。以本發明人的名義的US 2008/0314041(對應於IL 163263)公開了一種熱力發動機，該熱力發動機包括具有流體入口和流體出口的至少一個液環式旋轉殼體壓縮機(LRRCC)、與LRRCC的輸出流體連通的燃燒室、以及具有流體入口和流體出口的至少一個膨脹機。流體入口與燃燒室連通。從EP 804687還已知高效的LRRCC壓縮機/汽輪機。US 2008/0314041和EP 804687的內容通過引用結合在此。在US 2008/0314041中描述的熱力發動機中，LRRCC同膨脹機合作使用，膨脹機可以是傳統汽輪機或上述類型的液環式膨脹機。在汽輪機是具有旋轉殼體的液環式膨脹機的情況中，處於高壓和高溫的空氣噴射到殼體中以便轉動葉輪。液環式汽輪機只有在殼體與葉輪一起旋轉時是可行的，因為葉輪和固定的殼體之間的摩擦被抑制以獲得合理的效率。在文獻中已知旋轉殼體旋轉液環式汽輪機，但迄今為止僅僅是在理論上基於膨脹機是對壓縮機的補充的物理原理。當然，儘管這在原理上是真實的，但實際的旋轉殼體液環式汽輪機似乎沒有被實現，並且當前使用的大多數汽輪機採用超高壓蒸汽以使汽輪機在高速下轉動。如所熟知的，若干個汽輪機通常串聯使用，從一個汽輪機噴出的蒸汽用於轉動下一個汽輪機並且諸如此類，直到蒸汽的壓力過低以至於無法有效使用。隨後，使用可以來自河流、大海或冷卻塔的冷水來冷卻蒸汽。將蒸汽用在旋轉殼體旋轉液環式汽輪機中已經由美國專利N0.4112688 (Shaw)提出，該美國專利描述了由膨脹氣體驅動且具有旋轉殼體的旋轉液環式汽輪機。Shaw要求在能量傳輸介質中不出現相變，相變例如在蘭金汽輪機循環的情況下會出現，在蘭金汽輪機循環中，水轉化成蒸汽並且再轉化回來，造成不可避免的能量損耗以及降低的運行效率。但是，為了滿足這種要求，在膨脹階段的過程中必須不斷地提供能量，以使工作介質保持為蒸汽並且由此阻止其凝結。這通過在葉輪中提供熱交換器來實現。如所描述的，例如，在Wikipedia⑧中，蘭金循環的使用很好地建立於蒸汽汽輪機中，在該處，使用泵來將從冷凝器接收的工作流體加壓為液體，代替加壓為氣體。泵送工作流體通過完整循環的所有能量被損耗，正如在鍋爐中工作流體的所有蒸發能量。在前者中，該能量損耗以循環，在汽輪機中不會發生凝結；所有蒸發能量通過冷凝器從循環中遺棄。但是，與在壓縮機中將工作流體壓縮為氣體(如在卡諾循環中)相比，將工作流體作為液體泵送通過循環要求非常小部分的能量就能輸送液體。蘭金循環中的工作流體遵循閉環，並且不斷地再利用。來自動力站的通常所見為波狀的具有夾帶液滴的水蒸氣由冷卻系統產生(不是來自閉環蘭金動力循環)，並且代表不能轉換成汽輪機中的有用功的廢能熱量(泵送和蒸發)。蘭金循環相對於其它所持有的主要優點之一是在壓縮階段過程中，驅動泵所需的功相對小，工作流體在此時處於其液體相。通過冷凝流體，泵所需的功僅消耗汽輪機動力的1%至3%，並且有助於用於實際循環的更高的效率。與氣輪機、例如具有接近1500°C的汽輪機進口溫度的氣輪機相比，上述優勢由於較低的加熱溫度而在某種程度上消失。圖1是用於傳統蘭金循環(基於Wikipedia 中的開源數據)的溫度(T)-熵(S)圖表，顯示了具有如下所列的四個過程:過程1-2:工作流體從低壓被泵送到高壓；由於在此階段流體是液體，泵需要很少的輸入能量。過程2-3:高壓液體進入鍋爐，在此處，高壓液體通過外部熱源以恆定壓力加熱以變為幹飽和蒸汽。過程3-4:幹飽和蒸汽膨脹通過汽輪機，產生動力。這減小了蒸汽的溫度和壓力，並且會出現一些凝結。過程4-1:溼蒸汽隨後進入在汽輪機外部的冷凝器，在此處，溼蒸汽以恆定壓力凝結以變成飽和液體。在理想的蘭金循環中，泵和汽輪機是等熵的，即，泵和汽輪機不產生熵，由此使淨功輸出最大。過程1-2和3-4在T-S圖表上以豎直線表示，並且更接近地類似卡諾循環的過程1-2和3-4。圖1中所示的蘭金循環防止蒸汽在汽輪機中膨脹之後終止在過熱區域，這減少了由冷凝器去除的熱量。點3位於T-S曲線的繪製蒸汽和氣體之間的邊界的包絡線上。因此，如果工作流體是水，在點3的右邊，而如果工作流體是純蒸汽則在左邊，即，在T-S曲線的包絡線內工作流體是溼蒸汽並且在點I的左邊，工作流體是水。由於蒸汽是溼的並且當水滴以高壓撞擊在汽輪機葉片上時，水滴容易導致諸如葉片的點蝕和腐蝕等損壞，在實際的汽輪機中將工作流體的溫度從3降到4被認為是不希望的。這毀損汽輪機的性能並且有時導致不可逆的損壞，致使葉片不能再利用。這個問題通過使用耐腐蝕的特殊材料已經被解決，但這些特殊材料非常昂貴。為了避免在使用傳統材料的同時由溼蒸汽造成的點蝕，通常採用蒸汽在點3處過熱，以便在被引導至汽輪機葉片上之前將溫度提升至接近1000°c。由點劃線示出的過熱使蒸汽乾燥，由此避免汽輪機葉片點蝕的問題。通常，允許蒸汽凝結到由T-S曲線上的5表示的點，在該處，其溫度大大降低並且隨後再加熱且再次作為幹蒸汽被引導至汽輪機葉片，在汽輪機葉片處，其損耗熱量並且衝擊T-S曲線的點6，在該處，其熵(S)明顯高於傳統蘭金循環的熵，且沒有過熱。
總之，蘭金循環要麼需要特殊材料用於汽輪機葉片，在這種情況下，等熵的熱能轉換是可行的，但以非常昂貴的汽輪機葉片為代價；要麼需要過熱以確保在熱能轉換階段過程中，蒸汽保持乾燥。這降低了發動機的總體效率。本發明試圖提供近似蘭金循環的優勢，其基本上是等熵的，且不需要蒸汽在熱能轉換階段過程中被乾燥。

發明內容
本發明的一個目的是在旋轉殼體旋轉液環式汽輪機中採用蒸汽，同時避免蒸汽凝結至少直到其已經做了充分的功，由此使其作為推進劑有效。另一個目的是提供一種使用部分蘭金循環的氣輪機，其基本上是等熵的，但不需要蒸汽在熱能轉換階段過程中被乾燥。根據本發明的一方面，提供一種旋轉液環式旋轉殼體氣輪機，包括:至少一個液環式旋轉殼體，其具有偏心安裝的葉輪，所述葉輪能夠在周圍液環內旋轉以便形成在葉輪的相鄰葉片之間體積相繼增加的室，流體入口，其在葉輪的靜態軸向孔內，用於將作為氣體的流體在高壓下噴射到葉輪內，在葉輪處，室是窄的以便轉動葉輪並且如此以基本上等熵地膨脹，以及流體出口，其在葉輪的靜態軸向孔內，並且與流體入口流體分隔，用於允許流體在低壓和低溫下尚開。根據本發明的另一方面，提供一種包括這種汽輪機的熱力發動機。這種方案的主要優勢在於不需要壓縮機，由此節約能量且提高熱力學效率。這又意味著採用旋轉液環式旋轉殼體氣輪機的熱力發動機較小且適用於在低溫和低速運行的相對低動力的應用。例如，與在超過130°C運行且具有大約12%效率的傳統汽輪機不同，根據本發明的汽輪機能夠在低至100°C運行且還具有16%的效率。又一個優勢在於根據本發明的汽輪機可以採用開放水循環，其中冷水在凝結之後不需要被再加熱來形成蒸汽，如在蒸汽汽輪機中通常要完成的。因此，雖然本發明也可以採用閉式循環(如果希望的話)，但通過使用地熱加熱水的恆定源獲得了較好的熱力學性能，其中離開汽輪機的溼蒸汽凝結並返回到大氣。


為了理解本發明並了解本發明在實踐中是如何執行的，現在將參照附圖僅通過非限制性例子來描述實施方式，其中:圖1是傳統蘭金循環的溫度-熵圖表，其用於解釋本發明與傳統蒸汽汽輪機的不同之處；圖2示意性地顯示根據本發明的第一實施方式的具有外部蒸汽冷凝器的LRRC蒸汽汽輪機的截面；圖3示意性地顯示根據本發明的第一實施方式的具有內部蒸汽冷凝器的LRRC蒸汽汽輪機的截面；圖4是採用圖1的LRRC蒸汽汽輪機的熱力發動機的框圖；圖5是採用圖3的LRRC蒸汽汽輪機的熱力發動機的框圖；和
圖6是根據本發明的熱力發動機的圖解式立體圖。
具體實施例方式在以下一些實施方式的描述中，在多幅圖中出現或者共有類似功能的相同部件將通過相同的附圖標記表示。參照圖2，以示意性截面顯示旋轉液環式汽輪機10，其中，具有徑向葉片12的葉輪11圍繞靜態管逆時針旋轉。葉輪由旋轉殼體13包圍，旋轉殼體13包含液環14且圍繞與葉輪的軸線平行但偏心的軸線旋轉，以便形成在每種情況下由液環和兩個葉片16限定邊界的室15。諸如部分地嚙合的環形齒輪系17和18的機械聯接件可以設置在葉輪和殼體之間，以便以相似速率轉動葉輪和殼體。由於葉輪在旋轉殼體內的偏心定位，室的尺寸在葉輪的旋轉方向上增大。流體入口 19設置在葉輪葉片最靠近殼體內壁的位置附近，在殼體內壁處，室是窄的以便完全浸沒在旋轉液環中，而在葉輪葉片距離殼體內壁最遠的相對端部(顯示朝向圖2的底部)處，設置有流體出口 20。在使用中，蒸汽在高壓下被噴射到流體入口 19中，流體入口 19連接到窄的室中的多個入口埠以便衝擊葉輪葉片由此轉動葉輪，並且在低壓下從流體出口 20射出。如此，蒸汽與液環中的液體接觸，其中的一些可以與凝結的蒸汽從流體出口 20噴出。更顯著地，允許油經由液體出口 21離開，液體出口 21位於葉輪附近，以便確保葉輪葉片完全填充有液體，在該處，葉輪最靠近殼體內壁。液體出口 21確保液環的深度不增加，由此佔據室15中必須是空的空間，以允許蒸汽進入。為了確保液環中液體的體積被適當地調節，同樣地設置有用於將液體泵送到汽輪機殼體13內的液體入口 22。液體入口 22和液體出口 21允許油位和油溫被動態地控制。流體入口 19和流體出口 20都形成在葉輪11的靜態軸向孔23內並且彼此流體分隔。在圖2右側的壓縮區處，旋轉液體徑向流指向葉輪的靜態軸向孔23，在該處，液體用作活塞式壓縮機。在圖2的左側，徑向液體流是從中心至旋轉殼體的並且構成膨脹區。在諸如US 2009/0290993中描述的LRRC壓縮機中，氣體從在接近壓縮區的較低端處的中心管進入葉輪。與此相反，在圖2所示的LRRC汽輪機10中，氣體經由流體入口 19進入葉輪的窄的室，並且之後在葉輪內側朝向汽輪機葉片膨脹，在該處，室是大的。在此過程中，氣體膨脹並且經歷氣體至液體的相改變，並且由此能夠作為蘭金循環熱力發動機的工作流體運行，由此避免對壓縮機的需求，在上述US 2009/0290993中壓縮機是必須的。這需要工作流體諸如改變相，優選地在完成其有用功之後，於是其凝結並且排放。適當的工作流體是蒸汽。圖2和4描繪了根據第一實施方式的LRRC蒸汽汽輪機30，其中，蒸汽由諸如閃蒸蒸發器的蒸汽源31產生並且經由圖2中顯示為19的蒸汽入口供給到上述類型的具有由油形成的旋轉液環的汽輪機10。其在向下朝向汽輪機的膨脹區段的進程中在葉輪內側膨脹。膨脹的蒸汽進入中心管22，中心管22由此構成流體出口(在圖2中的中心管的右側由箭頭描繪)。儲存在容器32內的油通過泵33泵送到油加熱器34，並且加熱的油噴射到圖2中以21顯示的液環流體入口內。從汽輪機的液體出口 21離開的任何油都被允許補充容器32內的油。從汽輪機的流體出口 20離開的蒸汽進入外部蒸汽冷凝器35，其中，蒸汽在高壓下被引入其流體入口中。諸如冷卻塔36的冷水源藉助於泵37將冷水噴灑到冷凝器35內，由此使從汽輪機的流體出口 20離開的蒸汽凝結。冷凝器中的水由於蒸汽的凝結而被加熱，並且通過泵38泵送回冷卻塔36，在該處，熱被散發到大氣。冷凝器35必須在非常低的壓力以下操作，以便確保有效凝結。為了保持低空氣壓力，任何進入冷凝器35且不能被冷凝的氣體都被真空泵39移除。在一種優選實施方式中，液環由比水密度大且與水不融合的一種油形成，並且與蒸汽相比可以被保持在較高的溫度下，以避免在液環上的蒸汽凝結。由於工作流體與液環內的油完全不融合，所以僅工作流體(例如，凝結的蒸汽)從流體出口 20離開進入圖1中的中央靜態管21內。圖3和5顯示熱力發動機40的另一實施方式，其中，以圖4中顯示的相同的附圖標記表示共同特徵並且以相似方式操作。來自冷卻塔36的冷水通過泵41泵送，並且經由噴灑噴嘴42(圖3中顯示)噴灑在汽輪機10內，並且用作蒸汽冷凝器，由此消除對圖4中顯示的外部冷凝器的需要。熱水在油容器32處收集為水和稠密油的混合物，並且流至圖5中顯示的液體分離器43，油從液體分離器43通過泵44泵送回到汽輪機並且熱水通過泵45泵送回到冷卻塔36，在該冷卻塔36處，熱水被冷卻並且作為冷水返回到圖3中的冷水噴灑噴嘴42。由諸如閃蒸器的蒸汽源31產生的蒸汽經由圖3中以19顯示的蒸汽入口供給到汽輪機10。在該實施方式中，有三個到汽輪機的輸入，因為附加入口 30對於冷水噴灑是必需的，並且如應注意的，由此不需要外部冷凝器。同樣不需要無論如何將通過蒸汽加熱的油加熱器。在液環中的液體比進來的工作流體冷的程度上，工作流體可能凝結在液環上。這明顯是不希望的，因為處於其氣體狀態的工作流體用來驅動葉輪。另一方面，將理解的是，作為工作流體凝結的結果，液環中的液體被加熱並且形成阻止進一步凝結的平衡狀態。由此，相信水也可以用作液環。在上述的實施方式中，提出一種加熱的液環以避免蒸汽的凝結，蒸汽的凝結會引起形成油-水乳狀液的不希望的混合，這是不希望的。此外，轉向圖2，蒸汽在汽輪機的向上左側進入流體入口 19並且加熱與其接觸的液環。加熱的液環在當其接近汽輪機的較低端區段時開始旋轉通過2-3弧度(接近180° )的幾毫秒過程中冷卻。因此，蒸汽中的一部分被液環吸收並且不會產生軸功。基於這些原因，使用諸如濃鹽水的乾燥劑液環是更有效的，這避免了這些缺陷。如以前，蒸汽進入流體入口 19並且，在遇到膨脹區中的乾燥劑液環時，蒸汽凝結在液體界面上。水在液體濃鹽水內的擴散是極其微小的(接近10_9m2/s)並且濃鹽水蒸汽界面處的水深度僅為幾微米。在僅幾毫秒的短時間間隔內，液環界面將面對低壓蒸汽(在圖3的較低端處)並且濃鹽水液體界面處的水將蒸發成離開的蒸汽。因此，僅一小部分的蒸汽將與液環行進，並且大部分蒸汽將膨脹且產生有效功。本發明還設想一種使用上述汽輪機產生軸功的方法。
權利要求
1.一種旋轉液環式旋轉殼體汽輪機(10)，包括: 至少一個液環式旋轉殼體(13)，其具有偏心地安裝的葉輪(11)，所述葉輪(11)能夠在周圍液環(14)內旋轉以便形成在葉輪的相鄰葉片之間體積相繼增加的室(15)， 流體入口(19)，其在葉輪的靜態軸向孔(23)內，用於將作為氣體的流體在高壓下噴射到葉輪內，在葉輪處，室是窄的以便轉動葉輪並且如此以基本上等熵地膨脹，以及 流體出口(20)，其在葉輪的靜態軸向孔內，並且與流體入口流體分隔，用於允許流體在低壓和低溫下尚開。
2.根據權利要求1所述的汽輪機，包括位於所述葉輪和殼體之間的機械聯接件(17，18)，以便以相似速率轉動葉輪和殼體。
3.根據權利要求1或2所述的汽輪機，其中，所述氣體能夠在與位於汽輪機外側的冷液體冷凝器(35)直接接觸時凝結。
4.根據權利要求1或2所述的汽輪機，其中，所述氣體能夠在汽輪機內側進行冷液體噴灑時凝結。
5.根據權利要求3或4所述的汽輪機，其中，所述液環比氣體更熱以防止氣體凝結。
6.根據權利要求3至5中任意一項所述的汽輪機，其中，在使用中，流體在不需要壓縮的情況下從氣體相改變為液體相。
7.根據權利要求3至6中任意一項所述的汽輪機，其中，所述液環與水不融合。
8.根據權利要求7所述的汽輪機，其中，所述液環由比水密度大的液體形成。
9.根據權利要求5所述的汽輪機，其中，所述液環是水。
10.根據權利要求7或8所述的汽輪機，其中，所述液環是油。
11.根據權利要求7或8所述的汽輪機，其中，所述液環是濃鹽水。
12.一種熱力發動機(40)，包括根據權利要求1至11中任意一項所述的旋轉液環式旋轉殼體汽輪機(10)。
13.一種使用汽輪機產生軸功的方法，包括: 提供至少一個液環式旋轉殼體(13)，其具有偏心地安裝的葉輪(11)，所述葉輪(11)能夠在周圍液環(14)內旋轉以便形成在葉輪的相鄰葉片之間體積相繼增加的室(15)， 將作為氣體的流體在高壓下噴射到葉輪內，在葉輪處，所述室經由葉輪的靜態軸向孔(23)內的流體入口(19)是窄的以便轉動葉輪並且如此以基本上等熵地膨脹，以及 允許流體在低壓和低溫下經由葉輪的靜態軸向孔內的流體出口(20)逸出，流體出口(20)與流體入口流體分隔。
14.根據權利要求13所述的方法，包括以相似速率轉動葉輪和殼體。
15.根據權利要求13或14所述的方法，包括通過與位於汽輪機外側的冷液體冷凝器(35)直接接觸來凝結所述氣體。
16.根據權利要求13或14所述的方法，包括在汽輪機內側進行冷液體噴灑時凝結氣體。
17.根據權利要求15或16所述的方法，包括加熱所述液環，以防止氣體在與其接觸時凝結。
18.根據權利要求15至17中任意一項所述的方法，其中，流體在不需要壓縮的情況下從氣體相改變為液體相。
19.根據權利要求15至18中任意一項所述的方法，其中，所述液環與水不融合。
20.根據權利要求19所述的方法，其中，所述液環由比水密度大的液體形成。
21.根據權利要求17所述的方法，其中，所述液環是水。
22.根據權利要求19或20所述的方法，其中，所述液環是油。
23.根據權利要求19或20所述的方法，其中，所述液環是濃鹽水。
24.根據權利要求13 至23中任意一項所述的方法，其中，所述流體取自熱水的地熱源。
全文摘要
一種旋轉液環式旋轉殼體汽輪機(10)，具有至少一個液環式旋轉殼體(13)，至少一個液環式旋轉殼體具有偏心地安裝的葉輪(11)，葉輪能夠在周圍液環(14)內旋轉以便形成在葉輪的相鄰葉片之間體積相繼增加的室(15)。由高壓氣體形成的工作流體噴射到葉輪中，在葉輪處，室經由葉輪的靜態軸向孔(23)內的流體入口(19)是窄的，以便轉動葉輪並且如此氣體基本上等熵地膨脹。流體出口(20)在葉輪的靜態軸向孔內，並且與流體入口流體分隔，用於允許流體在低壓和低溫下逸出。
文檔編號F01C7/00GK103097662SQ201180013110
公開日2013年5月8日 申請日期2011年3月9日 優先權日2010年3月9日
發明者G·阿薩夫 申請人:阿加姆能源系統有限公司