CN100458105C - 自调节的涡轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种能量利用级联机组，它尤其是由太阳能供能。该能量利用级联机组包括普通的太阳能吸收器，它们在上端具有塞贝克元件，本发明还涉及一种自调节的涡轮机，它带有一后接发电机和一在涡轮机出口处的塞贝克元件、一用于次级循环回路的换热器以及用来控制初级循环回路的内压的调节装置。

Description

自调节的涡轮机
DE 4200507A1公开了一种具有非常多的几何调整可能性的涡轮机。通过工作轮调整装置3a改变流通缝隙或流量，同时改变涡轮叶片长度2或叶片板长度，而螺线14并不通过板簧9自动改变。
文献US 3 149 820和US 4 540 337公开了自动的几何改变(系统)。
这些文献仅仅表示许多已知技术方案中的一些选择。
本发明的目的是，特别是对于涡轮机使涡轮机的几何参数与变化的昼夜负荷和一年四季负荷及可能的尖峰运行(脉动运行)相匹配，以达到最佳的工作效率。
也就是说，所述目的对于一种在入口端压力为0.2MPa和出口压力为0.1MPa之间流量为0.5至20.0l/s的情况发明一种具有可变扭矩而转速几乎保持不变的自适应涡轮机，其中鉴于所要求的坚固性和小的结构尺寸必须不考虑角度可调的导向叶片和工作叶片。
很久以来一些已知的解决方案试验特别是采用可变的导向叶片，以改变迎流角和迎流速度。
但是涡轮机的已知实施形式对于所提出的在最佳的效率方面的目的呈现出负面效应，即，对于所提出的目的，由于涡轮机转子、特别是涡轮机叶片基本上刚性的几何形状，在应用一前置太阳能吸收器作为蒸汽或热气发生器的情况下一天只有两次达到最佳效率，而在其余时间涡轮机要不在明显的低负荷区或过载区不经济地工作(见插图1)。
此外在采用一在太阳能吸收器后面的涡轮机时应该注意，设计对于平均最佳工作区的涡轮机参数，它应该最佳地利用昼夜和四季变化。因此在普通涡轮机几何参数时最佳工作点安排得比较低。结果是普通涡轮机的至少90％的可利用时间远离最佳运行状态在低负荷区或过载区内工作，亦即也许只能达到平均效率的25％，而不是可以达到的70％。
也就是说，现在只有在涡轮机与具有大的偏差的交变运行状态匹配方面采取除可以采用可调导向叶片以外的其他合适的措施，才能实现所提出的目的。
本发明的措施特别是涉及，
-迎流通道与涡轮机的匹配，
-在径流式涡轮机时可变的涡轮机叶片长度，
-电子控制在发电机内产生的电流，以便在达到额定转速和额定电压后限制转速，
-在涡轮机出口通道内的塞贝克热电交换器(Seebeck-
Figure C20038010255600042
-Strom-Tauscher)。
具体来说所提目的通过以下方式实现：
1.力求使迎流通道在不同大小的蒸汽量或气量的范围内其横截面可以这样地改变，使得垂直于涡轮机叶片的入口棱边流入的蒸汽量或气量可以近似地保持在不变的优化的速度范围内。
按照本发明这通过这样的方式达到，即，在一第一种方案中，迎流通道不是仅仅像在例如废气涡轮增压器中一样具有一连续减小的始终为圆形的横截面，而且是具有一矩形横截面，在该横截面内有一覆盖通道高度的、处在预紧力作用下的弹性密封带。在小的蒸汽量或气量和低的输入压力时密封带的规定预紧力提供一非常小的入流间隙，在大的蒸汽量或气量和较高的压力时通道自动打开，直至达到最大缝隙宽度，这时在最大开口时密封带贴合在外入流通道表面上。
本发明的第二种方案建议，通过用一高度可调的、合适地成形并通过弹簧处于预紧力作用下的盖板封闭入流通道的方法，使通道横截面同样可以和当时的负荷状况相匹配。
本发明的第三种方案建议，通过采用一弹性的、适合于温度和压力范围的、构成入流通道壁的材料，该通道壁在压力增大时是加宽的，这时在任何时刻形成一最佳的连续缩小的圆形横截面。
2.鉴于可变气量或蒸汽量-其通过可匹配的入流通道横截面保持几乎不变的速度，涡轮机叶片长度设计成可变的证明是有利的，其中一部分涡轮机叶片可以沉入一以相同的速度旋转的带有用来装入涡轮机叶片的阴模的圆柱形物体内，其中跟随旋转的物体可以封闭或部分以及完全打开涡轮机叶片的入口区。
同样可以通过一圆柱形物体的跟随旋转在涡轮机出口采取类似的措施，其中涡轮机叶片的出口端可以这样地下降，使得出口区可以几乎关闭或完全打开。
跟随旋转的圆柱形物体在两端可以具有用来装入相应涡轮机叶片的阴模，在中央具有一用来流通流体的中央孔。此跟随旋转的圆柱体可以做得像叶轮一样，其中环形通道配备叶片。
3.所述措施1和2导致，对不同负荷状况自适应的涡轮机即使在小的蒸汽或气体流量时也迅速达到以其额定转速，和涡轮机连接的发电机同样也迅速地达到其额定电压。用一适当的由电压控制的控制装置来控制流过发电机的电流，并且随着增大的电流得到一适当大小的电磁力矩来抵消涡轮机扭矩，以此方法，达到涡轮机的转速限制。
4.涡轮机出口通道的外壁允许通过一帕耳帖元件将热量流通到一冷却通道内，二次循环回路的工作介质在进入热交换器之前先流过此冷却通道。由此在150℃至30℃的优选温差时可以进一步获取电流。
这种自适应的涡轮机特别适用于具有太阳能吸收器的发电系统，但是也可以用于具有交变载荷的其他应用场合。在合适地选择材料的情况下也可以设想利用来自燃烧过程的热气体工作。
在采用太阳能吸收器时为了根据太阳能的入射(强度)进行太阳能吸收器的最佳运行，设置其他必要的完善本发明的装置。例如，给装在屋顶上的太阳能吸收器配备一帕耳帖热电交换元件(Peltier-
Figure C20038010255600061
-Stromtauscherelement)，其受热侧在内部封闭太阳能吸收器壳体，其外侧遮荫并强制热力通风，从而被冷却。
如在涡轮机和发电机组后面还设置一换热器，它将各自选择的工作介质重新冷却到吸收器输入温度，并将获取的交换热能提供给例如加热回路或储热器。
这里工作介质可以是气体或液体，液体在吸收器内蒸发，并在设置在涡轮机后面的换热器中重新冷凝。通过一在太阳能吸收器的工作介质下入口上的止回阀确保工作介质希望的流动方向，工作介质只允许从下面流入吸收器。
为了促使热量从吸热面通过吸热管壁表面更好地传输到待加热工作介质上，放置在吸收器表面上或内部的吸热管可以填充透气的或透蒸汽的和良好地导热的填充材料，例如铜丝棉。吸热管也可以是具有星形分区的挤压空心型材，以便能够提供尽可能大的热传导表面。
在采用需蒸发的工作介质时，把吸热管内的装置内压力构造成可变化的证明是有利的，以便能够根据按太阳照射能够达到的过程温度产生最佳的蒸汽量，例如水在正常压力下100℃时才蒸发，而已知的冷却剂在约50℃时便已经蒸发了。因此初级回路内的内压力应该和次级回路的始流温度匹配，使得初级回路内的工作介质经受这样的压力，使其所属的沸点高于次级回路始流温度5℃以上。
这通过一自动装置达到，其中吸热管内部与一压力调节体连接，它通过一不透气体或蒸汽的膜片与次级回路的工作介质连通。在预热温度低时膜片通过一双金属弹簧张紧，从而使蒸发装置内部的压力下降。
在工作温度低、单位时间内气体或蒸汽流量小的临界效率时系统转移到脉动运行，这被证明是特别有利的，这时吸热管合并成一共同的吸热管，这个共同的吸热管用一弹簧控制的止回阀在预先调整好的压力下才打开，通过能量输入产生的气体或蒸汽量脉冲式输入涡轮机。通过交替地打开两个或几个共同的吸热管给涡轮机供气的方法，可以使这种脉冲式运行变得平滑。
本发明用六个附图表示：
图1按权利要求2的、轴向流入和径向流出的涡轮机，
图2按权利要求2的、具有可下沉的涡轮机叶片的涡轮机，
图3径向流入和流出的涡轮机，
图4径向流入通道的结构，
图5涡轮机入口部分、中心部分和出口部分的叶片配置，
图6太阳能吸收器和本发明涡轮机连接的系统图。
                     附图标记表
1  涡轮机组
2  气体或蒸汽进入孔
3  控制缸
4  涡轮机定子
5  涡轮机转子
6  带涡轮机叶片座的叶轮
7  带叶片的涡轮机入口旋转体
8  带叶片的涡轮机出口旋转体
9  将旋转体预紧在叶轮上的弹簧
10  可变截型高度的入口通道
11  可变截型深度的入口通道
12  高度或深度截型的张紧弹簧
13  压力敏感的弹性壁入口通道
14  涡轮机出口通道上的帕耳帖热电交换器
15  塞贝克交换器的冷却通道
16  用于次级循环回路的换热器
17  吸热器入口处的排废管
18  止回阀
19  吸热管
20  压力调节容器
21  双金属控制膜片
22  气体或蒸汽穿透的填充物
23  公共吸热管
24  用于脉动运行的连接的止回阀
25  吸收器上的塞贝克热电交换元件
26  温度和压力弹性的簧片

Claims (6)

1.在不同的温度和压力下用不同气体量工作的涡轮机，其中，根据可供使用的加热气体量，在到达额定转速后依据压力和/或温度自动地调整涡轮机叶片之间流通缝隙的大小或者涡轮机叶片倾角，其特征为：为了限制涡轮机的转速，采用连接在涡轮机后面的发电机内的电流变化作为一调节量，并且，在涡轮机径向入流时，在涡轮机叶片之间的通道的第一段内从外向内运转的涡轮机叶片段构造为可以沉入一作为叶轮(6)跟随旋转的轴向阴模内，通过叶轮的一个做得有利于流动的中央流动通道过渡到最后一段，在这一段内，从内向外运转的涡轮机叶片同样设计得可沉入所述阴模。
2.按权利要求1的涡轮机，其特征为：两个携带涡轮机叶片的旋转体(7、8)与容纳涡轮机叶片的叶轮形式的阴模一起构成一个组件，它们分别通过一个或多个弹簧(9)这样地预紧，使得在气体量加大时涡轮机叶片部分或完全张开。
3.按权利要求1的涡轮机，其特征为：一个涡轮机组的一个或多个定子(4)和转子(5)相互嵌合地设置在一个平面内，并根据气体量通过温度和压力控制的弹簧力自动地调节在旋转平面内提供的开口缝隙。
4.按权利要求1至3之任一项的涡轮机，其特征为：涡轮机出口通道的外壁具有塞贝克元件(14)，其外侧由一通道(15)构成，次级循环回路的工作介质在进入换热器(16)之前流过此通道。
5.按权利要求1至3之任一项的涡轮机，其特征为：或者是旋转的涡轮机底板在背向涡轮机叶片一侧上或者是旋转的叶轮在外侧上具有交变极性的永久磁铁，并且面对旋转间隙安置发电机的激磁绕组。
6.按权利要求1至3之任一项的涡轮机，其特征为：在外壳上边缘上的吸热器与塞贝克元件端接，它们在外侧直接遮荫强制地通过空气冷却。
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