CN109219699A - 具有限速的管道用涡轮 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及管道用涡轮(1)，其具有包括转子(3)的涡轮组合件(13)，其特征在于，涡轮(1)具有用于所述涡轮组合件(13)的限速装置，限速装置具有与涡轮组合件(13)连接的至少一个弹性件(4)，使得限制通过转子(3)的流体流量，以便限制涡轮组合件(13)的转子(3)的转速。

Description

具有限速的管道用涡轮
技术领域
本发明涉及管道用发电涡轮，其具有涡轮组合件，涡轮组合件包括转子和限速系统。本发明还涉及一个系统，其具有由这种管道用涡轮供电的传感器。
背景技术
当涡轮布置在输送液压流体或者气动流体的管道内、以使一部分流体流动能量转变成电能时，具有管道中流动的流体具有很大速度变化的情况。尤其是，管道必须能够接纳符合火灾时安全标准的很大流量，接纳消防龙头相应的流量。不过，当涡轮经受很大速度变化时，存在多种问题。如果涡轮用于小速度范围，则其可能受到以过高速度流动的液流或气流的损坏。相反，如果涡轮加大尺寸，以便耐受流体可能的高速，这会使涡轮成本过高。另一方面，这种加大尺寸没有理由，因为涡轮大部分时间以具有正常速度或者低速度的流体流量进行工作，在这些非常速度下不管怎样都达不到非常有利的效率。这些相互矛盾的限制条件之间的折衷方案，在现有技术中没有给出令人满意的解决方案。
因此，本发明的总目的是提出管道用涡轮的一种应对上述限制条件的解决方案，克服现有技术中解决方案的缺陷。
更准确地说，本发明旨在提供一种管道用涡轮，其简单，成本低，适于使用在流体可按照具有很大速度变化的流量流动的管道中，可选地，在短时间间隔期间，尤其是在消防龙头工作的情况下。
发明内容
为此，本发明涉及管道用发电涡轮，具有包括转子的涡轮组合件，其特征在于，管道用发电涡轮具有用于所述涡轮组合件的限速装置，限速装置具有与涡轮组合件连接的至少一个弹性件，使得限制通过转子的流体流量，以便限制涡轮组合件的转子的转速。为此，所述至少一个弹性件可以允许或不允许涡轮组合件移动，以便限制或者不限制通过转子的流体流量。
所述至少一个弹性件与涡轮组合件的连接使得，如果流体对涡轮组合件产生的推力超过一预定阈值，流体对涡轮组合件产生的推力适于引起涡轮组合件抵抗所述至少一个弹性件进行移动，尤其是沿着流体流动轴线进行移动。
涡轮组合件与所述至少一个弹性件之间的连接可以是这样的，如果涡轮组合件的转子的转速低于一预定速度阈值，所述至少一个弹性件使涡轮组合件保持在正常工作的初始位置。
所述至少一个弹性件在其与涡轮组合件装配时可被预加应力，以便保持涡轮组合件稳定地正常工作，期间涡轮组合件的转子的转速低于一预定速度阈值。
转子的预定速度阈值可以包括在每分钟1000转至每分钟4000转之间，包含每分钟1000转和每分钟4000转。
涡轮组合件可适于定位在输送流体的管道或者涡轮机壳体内，并且所述至少一个弹性件的一个部分可连接于涡轮组合件，另一个部分可与管道或者涡轮机壳体进行连接，以致涡轮组合件相对于管道或者涡轮机壳体能弹性活动。
涡轮组合件可具有流体的输入端和流体的输出端，并且涡轮组合件可配有用于至少一个弹性件的至少一个后止动件，弹性件尤其是线性弹簧，弹性件的第一端部固定在所述至少一个后止动件上以及第二端部固定于管道或者涡轮机壳体。
管道用发电涡轮可具有涡轮机壳体，在涡轮机壳体中布置涡轮组合件，并且该涡轮组合件可具有非旋转部分，非旋转部分的外表面与涡轮机壳体的内表面进行配合。
涡轮机壳体的内部容积沿纵向方向可具有可变截面，以便当涡轮组合件在流体推力的作用下抵抗所述至少一个弹性件而超速工作移动时，涡轮组合件的前部位于涡轮机壳体的、比当涡轮组合件在正常工作中不移动时更大的截面区域，以允许涡轮机壳体中流动的较大部分的流体流到涡轮组合件的转子的外部。
当涡轮组合件超速工作时，在涡轮机壳体的内表面与涡轮组合件的非旋转部分的外表面之间流动的流体流量增加。
在涡轮组合件正常工作中，涡轮组合件的非旋转部分抵靠涡轮机壳体或者抵靠管道的表面，使得来自上游管道的全部流体穿过涡轮组合件的转子。
涡轮机壳体可由前半壳体和后半壳体两个半壳体组成；所述至少一个弹性件一方面可连接于涡轮组合件，另一方面可连接于涡轮机壳体的后半壳体；并且，涡轮机壳体的内表面与涡轮组合件的成型外表面可进行接触，以便当涡轮组合件在流体推力的作用下从正常工作进入超速工作、或者从超速工作进入正常工作时，对涡轮组合件的移动进行导向。
涡轮机壳体可具有两个盘，其中第一前盘形成用于上游管道的连接装置以及第二后盘形成用于下游管道的连接装置。
本发明也涉及测定管道中流动的流体的至少一个特征的测定系统，其特征在于，测定系统具有至少一个传感器，所述至少一个传感器适于测定通过管道的流体的至少一个特征量；并且，至少一个传感器电连接于根据前述权利要求中任一项所述的管道用发电涡轮，以向所述至少一个传感器供电。
附图说明
本发明的这些目的、特征和优越性将在下面参照附图对作为非限制性实施例给出的一种具体实施方式予以详述，附图如下：
图1是根据本发明的一种实施方式的处于正常工作中的一个涡轮的部分开放的立体图。
图2是根据本发明的实施方式的处于正常工作中的涡轮的纵剖视图。
图3是根据本发明的实施方式的处于正常工作中的涡轮的输入端的正视图。
图4是根据本发明的实施方式的处于正常工作中的涡轮的输出端的后视图。
图5是根据本发明的实施方式的处于超速工作中的一个涡轮的部分敞开立体图。
图6是根据本发明的实施方式的处于超速工作中的涡轮的纵剖视图。
图7是根据本发明的实施方式的处于正常工作中的涡轮的以纵剖视图示出的工作原理示意图。
图8是根据本发明的实施方式的处于超速工作中的涡轮的以纵剖视图示出的工作原理示意图。
图9示出根据本发明的实施方式的涡轮的发电随管道中流动的流体流量而变化的情况，因而示出本发明的效果。
具体实施方式
为便于说明，我们通常使用纵向方向作为涡轮轴线的方向，形容词“前”和“后”视为流体穿过涡轮的流动方向。
图1至4示出根据本发明的一种实施方式的涡轮1处于正常工作中。该涡轮1具有涡轮组合件13，涡轮组合件配有至少一个弹性件4。
涡轮组合件13包括非旋转部分2，非旋转部分包括发电机6的布置成环形构形的定子。涡轮组合件还具有布置在中央的转子，转子具有感应转子，其中，永久磁铁布置在涡轮的叶片9的周边。最后，涡轮组合件13具有电连接装置19，其使发电机6的定子的电接线端子在涡轮机壳体11的外部进行电连接，这在后面予以说明。
非旋转部分2具有在周边上成型的外表面10。非旋转部分2配有至少一个后止动件14，其上支承或者连接弹性件4的一个端部。根据所述实施方式，外表面10具有差不多在其整个长度上由前向后延伸的加强肋18。加强肋18的后端形成上述后止动件14。这些加强肋18之间形成流体通道，如后所详述。为此，外表面10的形状成型成便于这种流动。
根据所述实施方式，涡轮1还具有涡轮机壳体11，涡轮机壳体围绕涡轮组合件13进行布置。涡轮机壳体由前后两个半壳体形成，所述前后两个半壳体由螺钉和螺栓彼此固定在中央周边，以便安装涡轮。该涡轮机壳体11具有圆柱形对称性，其轴线与转子3的旋转轴线重合。涡轮机壳体11的内部容积沿纵向具有可变截面。
在该实施方式中，多个弹性件4，纵向定向的线性弹簧，围绕涡轮组合件进行匀称布置。这些弹簧中每个的第一端部都固定在由加强肋18形成的一个后止动件14上，第二端部向涡轮机壳体的后部固定于涡轮机壳体11。这些弹性件4在涡轮组合件13与涡轮机壳体11装配时进行预应力安装。在其他实施例中，弹性件可呈不同的形状，和/或具有不同的数量和布置。因此，弹性件可以是布置在圆形固定座中的波状弹簧，或者是气动工作筒等等。
涡轮1用于布置在管道管中，如图7和8所示。根据该实施方式，涡轮机壳体11在其端部处具有前盘7和后盘8两个盘，形成连接装置，用于将端部分别固定在上游管道27和下游管道28上。这些连接装置尤其具有孔，用于通过螺母和螺栓进行固定。在这种安装中，涡轮组合件13的轴线与流体流动管道的中央轴线重合。因此，涡轮1布置在流体流动管道部分中，尤其是布置在用于流体远距离输送或流体分配的管道中，例如配水管中。涡轮机壳体11可保持密封的完整性，尤其是穿过涡轮组合件13的流体的压力、密封性和最小通过截面。
因此，涡轮组合件整个布置在管道内。因此，在该实施方式中，涡轮组合件由涡轮机壳体11整个布置在管道内，其延续管道的连续性，最终形成一个管道部分。
在图1至4所示的涡轮1的正常工作中，涡轮组合件13的非旋转部分2的前部部分抵靠在涡轮机壳体11的前部部分尤其是前盘7上。该抵靠位置由弹性件4施加的力保持平稳。在涡轮组合件的后部，在其壳体与涡轮机壳体11之间，存在自由容积17，允许涡轮组合件13向后移动，现在予以详述。
实际上，现在来说明根据所述实施方式的涡轮1的工作情况。
本发明的涡轮1的设计是，当涡轮组合件在流体异常快速流动时经受的流体的推力高于预定阈值时，可允许涡轮组合件移动，以允许较大部分的流体流到在转子外部，用于避免涡轮组合件经受过高的应力。通过这种偏流，涡轮组合件始终保持经受选定最大速度的有限流量，其相应于所需最大发电电能、涡轮组合件的力求获得的简单化和成本要求。因此，至少一个弹性件与涡轮组合件的结合，形成涡轮的一个限速装置。
因此，涡轮组合件13可根据两种所需的工作方式，相对于涡轮机壳体11采用两个特征位置。正常工作如图1至4和7所示，超速工作如图5、6和8所示。当来自上游管道27的流体的流速处于正常速度范围、即低于一定阈值时，涡轮组合件13处于正常工作中。超过时，涡轮组合件13在流体对其前表面施加的超过弹性件施加的相反的保持作用力的推力作用下，在超速工作中移动。因此，弹性件的选择允许确定涡轮的从正常工作进入超速工作的阈值，从而间接地固定涡轮组合件中流体的最大速度阈值或者最大流量阈值以及涡轮的转子的最大速度。在所述实施方式中，如果流体流动引起的推力的轴向作用力压缩弹簧超出其预应力值，那么，涡轮组合件13相对于涡轮机壳体11从上游向下游平移移动。这种移动沿着与涡轮的纵向轴线重合的流体流动轴线进行。
尤其是，根据所述实施方式的涡轮适于插入在其直径包括在50毫米至2000毫米之间、最好在50毫米至500毫米之间的管道中。在这些应用中，有利的是固定涡轮从其正常工作向其超速工作变换的阈值，流体的流速包括在1米/秒至3米/秒之间，包含1米/秒和3米/秒。该阈值相关于涡轮组合件13的转子3可接受的最大速度进行选择，根据管道直径，可接受的最大速度优选保持低于约每分钟1千转至每分钟4千转的数值。
在本发明的实施方式中，涡轮组合件从一个特征位置进入另一个特征位置，从正常工作向超速工作或者从超速工作向正常工作变化，通过布置在涡轮组合件13的外表面上的加强肋18与涡轮机壳体11的内表面的配合，沿流体流动轴线进行导向。实际上，这些加强肋18保持支承在该内表面上，且在涡轮组合件移动时，在该内表面上滑动。这种配合允许径向保持涡轮组合件，有助于在其移动时进行其导向。图5和6示出涡轮组合件的最大超速工作情况。该位置通过涡轮组合件13的后外表面止挡在涡轮机壳体11上保持平稳。为此，涡轮组合件13的后外表面的形状和涡轮机壳体11的内表面的形状相对应，以允许形成止挡的支承在涡轮组合件的整个周边上，在径向和轴向上保持该稳定位置。因此，所述弹簧最大限度地进行压缩。只要流体流量保持大流量，该移动位置就保持稳定。一旦该流量恢复正常数值，涡轮组合件就在施加恢复力的弹簧的作用下，自动恢复其正常工作，重新定位向前支承的正常工作状态。
根据所述实施方式，在正常工作中，来自上游管道27的全部流体通过涡轮1，从而有助于转子3的叶片9旋转，如图7上箭头R所示。涡轮组合件13的前部抵靠在前盘7上，除了转子所处的中央空间之外，不释放任何流体通道空间。在超速工作中，涡轮组合件13的前部移动，并定位在涡轮机壳体的较大截面处，从而在涡轮组合件13的外表面与涡轮机壳体11之间释放一个空间，一部分流体经该空间流动，如图8上箭头B所示。更准确地说，该流体围绕涡轮组合件13通过加强肋18限定的形成通道的空间进行流动。因此，该工作原理示意地示于图7和8。这些空间(和通道)的几何形状确定成万一流体流速过大，允许流体的足够的流量流到转子外。在另一个实施方式中，在流量过大的情况下，来自上游管道27的一部分流体可通过任何旁路，而不是通过围绕涡轮组合件的通道，穿过涡轮11，而不穿过其转子3。例如，旁路可以布置在涡轮组合件中，由阀门封闭，只有超过流体施加的一定推力，所述阀门方能开启。每个阀门的开启和至少一个弹性件有关。在这种情况下，涡轮组合件不移动，其是固定的。
有利地，涡轮1可发少量电，适于向要求不很高的装置供电，例如测定通过管道的流体的至少一个特征量的一个或多个传感器，特征量例如ph值、温度、流量、化学成分、和/或流体质量。根据这里所述的实施方式，供电装置由两根电线形成，所述两根电线在涡轮机壳体11的外部连接发电机6的接线端子。这两根电线布置成电线的处于涡轮机壳体11的外部的部分不受涡轮组合件13的运动的影响。因此，本发明也涉及测定管道中流动的流体的至少一个特征的测定系统，测定系统具有至少一个传感器，其适于测定通过管道的流体的至少一个特征量，所述至少一个传感器电连接于前述一个管道用涡轮，尤其是具有一个限速装置。
如前述的涡轮的限速装置允许弥补现有技术中的上述缺陷，从而实施管道用涡轮，无需特别加大涡轮尺寸，以应对管道中通过的流体可能存在的很大速度变化，在使用消防龙头时尤其如此。提出的解决方案也可避免高成本，获得的涡轮适于从小流体流发少量电，始终在小流速范围运行，使之保持在围绕其额定条件的运行条件下，确保高效发电。
作为实施例，图9示出根据本发明的一种实施方式的涡轮的随着涡轮安装在其中的管道中流动的流体流量而变化的发电曲线31。比较而言，附图示出具有相同尺寸但是未配有例如本发明的旁路装置的涡轮的发电曲线32。流体流量小时，两条曲线叠置，两个涡轮发相同的电。当流量超过阈值时，在所示的该实施例上约为3升/秒，曲线32继续增大，相应的涡轮尤其有快速损坏的危险，因为其经受的流量超过其允许阈值。相反，根据本发明的实施方式的涡轮发电稳定，略有增大，其数值相应于涡轮可接受的最大流量：这种稳定相应于一部分流体流量到涡轮之外的旁路阶段。
显然，本发明不局限于所述实施方式。尤其是，涡轮组合件可具有任何其他几何形状。此外，其与至少一个弹性件的配合可以不同，其移动可具有不同的性质，不一定是平移。涡轮机壳体11的优越性在于，其可与活动的涡轮组合件形成一个整体，随时可以与现有的管道进行连接。但是，在其他实施例中，涡轮组合件和/或其弹性件可以直接布置在现存的管道中，无需涡轮机壳体。此外，在正常工作中，一部分流体也可以在涡轮之外流动，但是，在超速工作中，一大部分流体在涡轮之外流动。

Claims (15)

1.管道用发电涡轮(1)，具有包括转子(3)的涡轮组合件(13)，其特征在于，管道用发电涡轮(1)具有用于所述涡轮组合件(13)的限速装置，限速装置具有与涡轮组合件(13)连接的至少一个弹性件(4)，使得限制通过转子(3)的流体流量，以便限制涡轮组合件(13)的转子(3)的转速。
2.根据权利要求1所述的管道用发电涡轮(1)，其特征在于，管道用发电涡轮(1)具有涡轮组合件(13)，涡轮组合件具有非旋转部分(2)，非旋转部分包括发电机(6)的布置成环形构形的定子，所述至少一个弹性件(4)连接于所述非旋转部分(2)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的管道用发电涡轮(1)，其特征在于，所述至少一个弹性件(4)与涡轮组合件(13)的连接使得，如果流体对涡轮组合件产生的推力超过一预定阈值，流体对涡轮组合件(13)产生的推力适于引起涡轮组合件(13)抵抗所述至少一个弹性件(4)进行移动，尤其是沿着流体流动轴线进行移动。
4.根据前述权利要求中任一项所述的管道用发电涡轮(1)，其特征在于，涡轮组合件(13)与所述至少一个弹性件(4)之间的连接是这样的，如果涡轮组合件(13)的转子的转速低于一预定速度阈值，所述至少一个弹性件使涡轮组合件(13)保持在正常工作的初始位置。
5.根据前述权利要求中任一项所述的管道用发电涡轮(1)，其特征在于，所述至少一个弹性件(4)在其与涡轮组合件(13)装配时被预加应力，以便保持涡轮组合件(13)稳定地正常工作，期间涡轮组合件(13)的转子的转速低于一预定速度阈值。
6.根据权利要求4或5所述的管道用发电涡轮(1)，其特征在于，转子的预定速度阈值包括在每分钟1000转至每分钟4000转之间，包含每分钟1000转和每分钟4000转。
7.根据前述权利要求中任一项所述的管道用发电涡轮(1)，其特征在于，涡轮组合件(13)适于定位在输送流体的管道或者涡轮机壳体(11)内；并且，所述至少一个弹性件(4)的一个部分连接于涡轮组合件(13)，另一个部分适于与管道或者涡轮机壳体(11)进行连接，以致涡轮组合件(13)相对于管道或者涡轮机壳体(11)能弹性活动。
8.根据权利要求7所述的管道用发电涡轮(1)，其特征在于，涡轮组合件(13)具有流体的输入端和流体的输出端；并且，涡轮组合件(13)配有用于至少一个弹性件(4)的至少一个后止动件(14)，弹性件尤其是线性弹簧，弹性件的第一端部固定在所述至少一个后止动件(14)上以及第二端部固定于管道或者涡轮机壳体(11)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的管道用发电涡轮(1)，其特征在于，管道用发电涡轮具有涡轮机壳体(11)，在涡轮机壳体中布置涡轮组合件(13)；并且，该涡轮组合件(13)具有非旋转部分(2)，非旋转部分的外表面(10)与涡轮机壳体(11)的内表面进行配合。
10.根据权利要求9所述的管道用发电涡轮(1)，其特征在于，涡轮机壳体(11)的内部容积沿纵向方向具有可变截面，以便当涡轮组合件(13)在流体推力的作用下抵抗所述至少一个弹性件(4)而超速工作移动时，涡轮组合件的前部位于涡轮机壳体(11)的、比当涡轮组合件在正常工作中不移动时更大的截面区域，以允许涡轮机壳体中流动的较大部分的流体流到涡轮组合件(13)的转子(3)的外部。
11.根据权利要求10所述的管道用发电涡轮(1)，其特征在于，当涡轮组合件(13)超速工作时，在涡轮机壳体(11)的内表面与涡轮组合件(13)的非旋转部分(2)的外表面(10)之间流动的流体流量增加。
12.根据权利要求7至11中任一项所述的管道用发电涡轮(1)，其特征在于，在涡轮组合件(13)正常工作中，涡轮组合件的非旋转部分(2)抵靠涡轮机壳体(11)或者抵靠管道的表面，使得来自上游管道(7)的全部流体穿过涡轮组合件(13)的转子(3)。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的管道用发电涡轮(1)，其特征在于，涡轮机壳体(11)由前半壳体和后半壳体两个半壳体组成；所述至少一个弹性件(4)一方面连接于涡轮组合件(13)，另一方面连接于涡轮机壳体(11)的后半壳体；并且，涡轮机壳体(11)的内表面与涡轮组合件(13)的成型外表面进行接触，以便当涡轮组合件在流体推力的作用下从正常工作进入超速工作、或者从超速工作进入正常工作时，对涡轮组合件(13)的移动进行导向。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的管道用发电涡轮(1)，其特征在于，涡轮机壳体(11)具有两个盘，其中第一前盘(7)形成用于上游管道(27)的连接装置以及第二后盘(8)形成用于下游管道(28)的连接装置。
15.测定管道中流动的流体的至少一个特征的测定系统，其特征在于，测定系统具有至少一个传感器，所述至少一个传感器适于测定通过管道的流体的至少一个特征量；并且，至少一个传感器电连接于根据前述权利要求中任一项所述的管道用发电涡轮(1)，以向所述至少一个传感器供电。
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