CN109751586A - 一种基于流体空化效应的蒸汽发生涡轮机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于流体空化效应的蒸汽发生涡轮机，包括具有注水口和水蒸汽出口的蜗壳、设于蜗壳内的涡轮和位于蜗壳外的动力驱动设备，涡轮轴穿出蜗壳与动力驱动设备相连，涡轮为盘状体，蜗壳内部是与涡轮相适应的盘状密闭腔，注水口和水蒸汽出口与该密闭腔相通，蜗壳内壁与涡轮之间有间隙，在涡轮外沿侧面圆周上分布有空泡空化效应发生结构，空泡空化效应发生结构至少是由沿涡轮圆周排布的若干凹陷部组成。本发明利用水‑气‑水空泡空化转化蒸汽原理，产生高温高压蒸汽的同时，无其它任何排放，环保，且产生能量超过通常加热过程物理定义的能量，热转化效率高。可实现小型化、重量轻，适用于市政、工业生产、农业生产、医药生产需要蒸汽场合。

Description

一种基于流体空化效应的蒸汽发生涡轮机

技术领域

本发明涉及一种基于流体空化效应的蒸汽发生涡轮机。

背景技术

空化是流体在特定环境、速度背景下于相关流体机械内和固体之间发生的一种物理效应。具体而言，在流体机械内部的特定位置流动的流体受到低到一定程度的负压(与流速有关)时就会由水相转化为气相，在流体中形成一系列气泡，随着流体流动，这些气泡在运动过程中会再次遇到强压而出现溃灭，气泡的产生与溃灭过程就是空化现象。

气泡溃灭时产生巨大的冲击力和高温，因此，空化现象通常会对流体机械的结构、金属部件造成破坏，极端情况下可使其断裂，这种产生破坏和生成高温的现象叫做空化效应。空化气泡在被压缩直至崩溃的一瞬间产生巨大的瞬时压力，一般可高达几十兆帕至上百兆帕。根据空化研究实验测得：空化可使气相反应区的温度达到约5200K(5200-273.15＝4926摄氏度)，水相反应区的有效温度达到约1900K(1900-273.15＝1626摄氏度)，并伴有强烈的冲击波和时速超过111米/秒的微射流。

而另一方面，现有的加热装置，例如燃煤、燃气蒸汽锅炉，不仅燃烧和热转换效率难以超过50％，而且燃烧排放物CO₂、CO、NO、NO₂等已经极大地影响着地球的生态环境。电蒸汽锅炉虽然无排放，但是，其也存在着能耗高和热转换效率低的缺点。

若空化效应所产生的巨大能量能被有效利用，将会完全取代燃煤、燃气、乃至电磁感应涡流加热方法。然而，目前还尚未出现可有效利用空化效应的装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种环保、热转化效率高、可小型化的基于流体空化效应的蒸汽发生涡轮机。

本发明的目的通过如下的技术方案来实现：一种基于流体空化效应的蒸汽发生涡轮机，其特征在于：它包括具有注水口和水蒸汽出口的蜗壳、设于蜗壳内可高速旋转的涡轮和位于蜗壳外的动力驱动设备，涡轮中心的涡轮轴穿出蜗壳与所述动力驱动设备相连，所述涡轮为盘状体，所述蜗壳内部为与涡轮相适应的盘状密闭腔，所述注水口和水蒸汽出口与该密闭腔相通，所述蜗壳内壁与所述涡轮之间具有可供涡轮自由转动的间隙，在所述涡轮的外沿侧面圆周上分布有空泡空化效应发生结构，所述空泡空化效应发生结构至少是由沿涡轮圆周排布的若干凹陷部组成，流体从注水口进入蜗壳内，动力驱动设备驱动涡轮高速旋转，流体在凹陷部因连续的高压、负压，由水体液相转化为气相，并再次受压而致气泡溃灭发生空化效应，产生高温蒸汽，进而从水蒸汽出口生产出连续的高温蒸汽。

本发明利用水-气-水空泡空化转化蒸汽的原理，涡轮具有在高速旋转时使所接触外圆周处水体不断受压、压力释放、承受负压的空泡空化效应发生结构，在产生高温高压蒸汽的同时，无其它任何的排放，环保，而且，本发明产生的能量超过通常加热过程物理定义的能量，热转化效率高，按照传统热力转化方式计算，转化能效接近100％。另外，本发明可实现小型化、重量轻，实用性强，可适用于市政、工业生产、农业生产、医药生产需要蒸汽场合。

所述动力驱动设备可以是电动机、发动机、水力驱动等任何能够驱动涡轮做高速旋转的设备，动力源可以是电能、各类汽油、柴油、水力但不限于此的任何动力源。

本发明所述涡轮外沿处的线速度大于10米/秒，或根据直径、涡轮结构不同，涡轮转动线速度使得水体在其空化发生结构持续产生空化效应。

为了增强空化效应，增大空化发生的范围，作为本发明的一种改进，所述涡轮两侧盘面均内凹成槽，沿槽壁圆周上分布有空泡空化效应发生结构。

作为本发明的一种优选实施方式，所述空泡空化效应发生结构还包括凸起部，所述凸起部与凹陷部相邻设置并沿涡轮圆周排布。

本发明所述凸起部是按照涡轮转动方向设置的前小后大的锥体，相邻锥体之间形成所述的凹陷部。

本发明所述凹陷部为孔洞，所述孔洞沿涡轮轴向成排设置，且若干排孔洞沿涡轮圆周分布。

本发明所述凹陷部为沿涡轮轴向方向开设的凹槽，若干凹槽沿涡轮圆周分布。

作为本发明的进一步改进，所述基于空化效应的高温高压涡轮机还包括可使流体均匀分布于涡轮两侧的水体均压环，所述水体均压环与蜗壳上的注水口相通。

作为本发明的一种实施方式，所述水体均压环主要由引入流体的主管路、一对分支管路与一对环形管路组成，该对分支管路与主管路相连，且该对分支管路和环形管路分设于密闭腔外部的两侧，每侧的分支管路与环形管路连接，环形管路通过均布于其上的连接管路与位于蜗壳两侧壁上的注水口连接。

作为本发明的另一种实施方式，所述水体均压环主要由引入流体的主管路和环形管路组成，所述环形管路沿蜗壳环形侧面的外围圆周设置，所述主管路与环形管路相连，所述环形管路通过均布于其上的连接管路与位于蜗壳环形侧面上的注水口连接。

本发明在所述密闭腔的侧面中心部位或者靠近侧面中心部位设有蒸汽集中腔，所述蒸汽集中腔接通有蒸汽输出管，在所述蒸汽输出管上安装有可使蒸汽单向输出的单向阀，在所述单向阀与蒸汽出口之间设有确保供气压力安全的旁路减压安全阀。

为了产生更大流量的高温高压蒸汽，作为本发明的进一步改进，所述涡轮为一个或两个以上，当涡轮为两个以上时，各涡轮同轴安装于同一蜗壳内并由同一动力驱动设备驱动同步旋转；数个所述基于流体空化效应的蒸汽产生涡轮机的蒸汽输出管在单向阀之后汇聚以便提供更大流量的高温蒸汽。

与现有技术相比，本发明具有如下显著的效果：

⑴本发明根据空泡空化效应原理，涡轮具有在高速旋转时可使所接触外圆周处水体不断受压、压力释放、承受负压的空泡空化效应发生结构，空泡空化过程由于其空化泡溃灭的超能现象，可获得高达6000Mpa冲击压强，产生的能量超过通常加热过程物理定义的转化能量，热转化效率高，按照传统热力转化方式计算，转化能效接近100％。

⑵本发明利用水-气-水空泡空化转化蒸汽的原理，在产生高温高压蒸汽的同时，无其它任何的排放，环保，无污染，不影响地球的生态环境。

⑶本发明可以采用任何能够驱动涡轮机的动力驱动设备，且动力源可为如各类汽油、柴油、水力等但不限于此，因此，动力驱动设备设置灵活，易于实现。

⑷本发明能够实现小型化，体积小、重量轻，实用性强，可应用于市政、工业生产、农业生产、医药生产需要蒸汽场合，适于广泛推广和使用。

⑸本发明能够实现节能减排，可有效取代燃煤、燃气、乃至电磁感应涡流加热方法。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明实施例1的侧剖图；

图2是本发明实施例1的立体结构示意图；

图3是本发明实施例1的侧视图；

图4是本发明实施例1的俯视图；

图5是本发明实施例1涡轮的立体结构示意图；

图6是本发明实施例2涡轮的立体结构示意图；

图7是本发明实施例3涡轮的立体结构示意图；

图8是本发明实施例4涡轮的立体结构示意图；

图9是本发明实施例5的立体结构示意图；

具体实施方式

实施例1

如图1～5所示，是本发明一种基于流体空化效应的蒸汽发生涡轮机，它包括具有注水口和水蒸汽出口的蜗壳1、设于蜗壳1内可高速旋转的涡轮2和位于蜗壳1外的动力驱动设备，涡轮2中心的涡轮轴5穿出蜗壳1与动力驱动设备相连，在本实施例中，动力驱动设备采用电动机3，电动机3的功率根据热力蒸汽需求量可选择100W～10MW，在其它实施例中，动力驱动设备也可以采用发动机、水力等任何驱动涡轮可以做高速旋转的设备，动力源可以是各类汽油、柴油、水力但不限于此的任何动力源。电动机3的动力输出轴通过联轴器4与涡轮2的涡轮轴5连接，或通过变速箱变速，电动机将动力传给涡轮2，使电力转化为涡轮2的机械旋转能，涡轮2为盘状体，蜗壳1内部为与涡轮2相适应的盘状密闭腔，注水口和水蒸汽出口与该密闭腔相通，密闭腔的腔壁中部(与动力驱动设备同侧)设有与盘状密闭腔连为一体的筒形轮盘稳定轴6，轮盘稳定轴6的两端与涡轮轴5之间安装有轴承7并设有密封环8，在涡轮轴5穿出轮盘稳定轴6的部位设有加强轴承转接及密封轴19，涡轮轴5变径部位10与电动机3的动力输出轴相连，构成单边悬臂固定结构。蜗壳1内壁与涡轮2之间具有可供涡轮1自由转动的间隙，转动间隙为1～5cm。

如图5所示，在涡轮2的外沿侧面圆周上分布有空泡空化效应发生结构，涡轮2两侧盘面均内凹成槽，其槽壁圆周上也设有空泡空化效应发生结构，涡轮2这两处位置的空泡空化效应发生结构可以相同，也可以不同。在本实施例中，这两处位置的空泡空化效应发生结构是相同的，空泡空化效应发生结构均由凸起部和凹陷部组成，凸起部与凹陷部相邻设置并沿涡轮2圆周排布，具体是，凸起部是按照涡轮2转动方向设置的前小后大的锥体11(不限于该形式，也可以是其它形状)，相邻锥体之间形成凹陷部12，锥体11的大端沿涡轮外沿侧面宽度通长设置。水受压力驱动从注水口进入蜗壳1内，电动机3驱动涡轮2高速旋转，涡轮外沿处的线速度大于或等于10米/秒，在其它实施例中，可根据直径不同，涡轮旋转速度是能够在其外沿处持续产生空化效应为准，水在凹陷部因连续的高压、负压由水体液相转化为气相，并再次受压气泡溃灭发生空化效应，产生高温蒸汽，进而从水蒸汽出口生产出连续的高温蒸汽。

实现稳定空泡空化效应的主要条件：⑴驱动水流高速运动，并设计涡轮边沿空泡空化效应发生结构的线速度超过空化边界条件，稳定产生空化，例如，设计线速度大于10米/秒。⑵让高速水流在运动过程中遭遇由特殊流体机械结构而产生空化效应所需要的充足负压区，水由水相转化为气相；⑶持续不断的转化为气相的水再次在边界旋转运动驱动下遭遇压力，产生规模化的气空泡的溃灭，保障持续不断的空化效应的发生，空化效应在涡轮表面和腔体内水体中产生的高温加热空化水体成为蒸汽。

参见图1～4，还包括可使流体均匀分布于涡轮两侧的水体均压环13，水体均压环13与蜗壳1上的注水口相通。在本实施例中，水体均压环13主要由引入流体的主管路14、一对分支管路15与一对环形管路16组成，在主管路14上安装有通过水泵加压的有压注水单向阀21，涡轮机工作时，打开单向阀21，水由此进入涡轮机，保障水流单一方向进入蜗壳，空化产生的蒸汽不会出现倒送现象。该对分支管路15与主管路14相连，且该对分支管路15和环形管路16分设于密闭腔外部的两侧，每侧的分支管路15与环形管路16相连，环形管路16通过均布于其上的连接管路17与位于蜗壳1两侧壁上的注水口连通。水流可以通过水体均压环分路进入蜗壳1。连接管路17的数量主要根据涡轮机的容量和大小来决定，蜗壳的直径越大，连接管路17越多，一般有2～4个，水体均压环可以保障注入蜗壳内的水量和压力均衡，使得空泡空化能够均匀发生并产生稳定的高温高压蒸汽。

在蜗壳1密闭腔的侧面中心部位(与动力驱动设备相对的一侧)设有锥形的蒸汽集中腔18，在其它实施例中，蒸汽集中腔18也可以设于靠近蜗壳1密闭腔侧面的中心部位(当涡轮需要较大轴承固定时，蜗壳密闭腔的侧面中心部位会被占用，因此蒸汽集中腔可设置在靠近中心部位的位置上)，且蒸汽集中腔的形状也可以设计成其它形状。水蒸汽出口即为蒸汽集中腔18的小端出口，该出口连接有蒸汽输出管9，被空化效应加热的水转化为蒸汽，受压力驱使，在蒸汽集中腔18中汇集，在蒸汽输出管9上安装有可使蒸汽单向输出的单向阀21，允许高温高压蒸汽向外单向排出，当空化蒸汽产生并输出压力达到需求的蒸汽供应压力时，单向阀21导通，蒸汽即可输出到需求侧。在单向阀21与水蒸汽出口之间设有确保供气压力安全的旁路减压安全阀20，当单向阀21或高温高压蒸汽负荷侧出现异常时，可确保涡轮机运转安全，当涡轮机内部气压高于设定的安全压力时，旁路减压安全阀20会导通并泄压。还包括用于储存高温高压蒸汽的储热罐(图中未画出)，储热罐与水蒸汽输出管9连接并位于单向阀21的后方，可保持输出气压的稳定性。

本发明的工作机理：利用水体在特定流体机械结构中，主动驱动特殊结构流体机械与其内水流产生高速相对运动，完成充分空化，实现规模化的空泡空化效应。本发明的涡轮上设有空泡空化效应发生结构，当涡轮高速旋转时，出现水体的空泡和空化效应，空化气泡溃灭过程产生高热加热已经由水相转化为气相的水蒸气，获得高温、高压蒸汽。

本实施例是一台涡轮机由一台动力驱动设备驱动。为了产生更大流量的高压高温蒸汽，可以有以下方案，第一，增加旋转驱动的输入功率同时增加涡轮外沿面宽度并排更多的空泡空化效应发生结构。第二，在增加驱动力的同时，增大涡轮直径，提升空化效应的强度。第三，若干上述涡轮机的蒸汽输出管，通过汇流管集中并列排布，级数提升输出蒸汽的流量。

实施例2

如图6所示，本实施例与实施例1的不同之处在于涡轮2外沿设计的空泡空化效应发生结构不同，本实施例的空泡空化效应发生结构是由沿涡轮2圆周排布的若干凹陷部组成，凹陷部为沿涡轮2轴向方向开设的凹槽22。当涡轮2在高速旋转过程中，水在凹槽22处由水相转化为气相空泡群，后续遇结构压缩高压，产生空化效应持续生产蒸汽。

实施例3

如图7所示，本实施例与实施例1的不同之处在于空泡空化效应发生结构不同，本实施例的空泡空化效应发生结构是由沿涡轮2圆周排布的若干凹陷部组成，凹陷部为孔洞23，孔洞23沿涡轮2轴向成排设置，且若干排孔洞23沿涡轮2圆周分布。当涡轮在高速旋转过程中，水在孔洞23处由水相转化为气相空泡群，后续遇到高压，产生空化效应持续生产蒸汽。

实施例4

如图8所示，本实施例与实施例1的凸起部均是锥体，但本实施例的凸起部是流线形空心锥体24，也使得凹陷部25与实施例1的凹陷部12形状不同，在涡轮的高速旋转下，水被加速受到高压，在凹陷部处由于负压产生空化，水由水相转化为气相的气泡群，再次遇到下一个锥体前沿时受到高压，气泡溃灭发生空化效应，产生高温高压蒸汽。

实施例5

如图9所示，本实施例与实施例1的不同之处在于水体均压环的具体结构不同，在本实施例中，水体均压环主要由引入流体的主管路14和环形管路16组成，环形管路16沿蜗壳1环形侧面的外围圆周设置，主管路14与环形管路16相连，环形管路16通过均布于其上的连接管路17与位于蜗壳1环形侧面上的注水口连接。

在其它实施例中，空泡空化效应发生结构至少是由沿涡轮圆周排布的若干凹陷部组成，流体从注水口进入蜗壳内，动力驱动设备驱动涡轮高速旋转，流体在凹陷部因负压产生空化，由水相转化为气相空泡群，后续遇到高压，气泡溃灭发生空化效应，产生高温高压蒸汽，从蒸汽出口排出。

在其它实施例中，涡轮机的安装方式还可以是涡轮的涡轮轴穿过蜗壳并被支撑，为双边固定结构，此时，蒸汽输出管根据实际情况连接到蜗壳上，其位置与涡轮轴的设置位置错开。当然，还可以采用其它能够支撑涡轮机的固定结构和形式。

在其它实施例中，为了产生更大流量的高温高压蒸汽，涡轮为两个以上，各涡轮同轴安装于同一蜗壳内并由同一动力驱动设备驱动同步旋转；数个基于流体空化效应的蒸汽产生涡轮机的蒸汽输出管在单向阀之后汇聚以便提供更大流量的高温蒸汽。比如多个蒸汽输出管输出的蒸汽汇入汇流管或者均压蒸汽罐中。

为了保障整体空化效应蒸汽发生涡轮机的热效率，通过工艺以喷涂式绝热材料(或不限于此)或包装式绝热材料，形成对空化热发生器的绝热密封与外部环境空气形成绝热层，绝热层不限于空化发生器本身，全部涉足蒸汽输送的管路、阀门、接口等均应实施绝热结构，确保产生的热量尽可能不被冷却，提升蒸汽发生与传输的效率。

对于整个蒸汽发生涡轮机，安装数字传感器，通过构建物联网结构，对于整个系统的输入功率、输入水体流量、输入水体温度、输入水体压力、输出蒸汽温度、输出蒸汽压力、输出蒸汽流量(由于是密闭腔体，因此，全部输入的水体流量全部转化为高温蒸汽)进行在线测量，并进行动态闭环控制。因此，整个蒸汽发生涡轮机的效率测试可以按照空化蒸汽发生器将1吨水，在输入水温为T1加热为温度为T2的水蒸汽，所需要消耗的电量P进行计算，转化效率：

η＝1.1667(T2-T1)/P

其中：1.1667kw.h是1000kg水升高温度1摄氏度所需的电量，水的比热容是4.2×10*3J/kg，升高1摄氏度所需的热量＝1000kg×1×比热容，假设电能完全转化为热能，一度电能能产生＝3.6×10×6W的热能，1000kg水升温1摄氏度用电度数＝所需的热量/一度电能产生的热能＝1.1667kw.h。

经以上公式计算，本发明蒸汽发生涡轮机的转化效率接近100％。

本发明的实施方式不限于此，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明的空泡空化效应发生结构还具有其它具体形式，只要是能够实现在涡轮高速旋转时使所接触外圆周处水体不断受压、压力释放、承受负压的结构即可。因此，本发明还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于流体空化效应的蒸汽发生涡轮机，其特征在于：它包括具有注水口和水蒸汽出口的蜗壳、设于蜗壳内可高速旋转的涡轮和位于蜗壳外的动力驱动设备，涡轮中心的涡轮轴穿出蜗壳与所述动力驱动设备相连，所述涡轮为盘状体，所述蜗壳内部是与涡轮相适应的盘状密闭腔，所述注水口和水蒸汽出口与该密闭腔相通，所述蜗壳内壁与所述涡轮之间具有可供涡轮自由转动的间隙，在所述涡轮的外沿侧面圆周上分布有空泡空化效应发生结构，所述空泡空化效应发生结构至少是由沿涡轮圆周排布的若干凹陷部组成，流体从注水口进入蜗壳内，动力驱动设备驱动涡轮高速旋转，流体在凹陷部因连续的高压、负压由水体液相转化为气相，并再次受压气泡溃灭发生空化效应，产生高温蒸汽，进而从水蒸汽出口生产出连续的高温蒸汽。

2.根据权利要求1所述的基于流体空化效应蒸汽发生涡轮机，其特征在于：所述涡轮外沿处的线速度大于10米/秒。

3.根据权利要求2所述的基于流体空化效应的蒸汽发生涡轮机，其特征在于：所述涡轮两侧盘面均内凹成槽，沿槽壁圆周分布有空泡空化效应发生结构。

4.根据权利要求3所述的基于流体空化效应的蒸汽发生涡轮机，其特征在于：所述空泡空化效应发生结构还包括凸起部，所述凸起部与凹陷部相邻设置并沿涡轮圆周排布。

5.根据权利要求4所述的基于流体空化效应的蒸汽发生涡轮机，其特征在于：所述凸起部是按照涡轮转动方向设置的前小后大的锥体，相邻锥体之间形成所述的凹陷部。

6.根据权利要求1所述的基于流体空化效应的蒸汽发生涡轮机，其特征在于：所述凹陷部为孔洞，所述孔洞沿涡轮轴向成排设置，且若干排孔洞沿涡轮圆周分布。

7.根据权利要求1所述的基于流体空化效应的蒸汽发生涡轮机，其特征在于：所述凹陷部为沿涡轮轴向方向开设的凹槽，若干凹槽沿涡轮圆周分布。

8.根据权利要求1～7任一项所述的基于流体空化效应的蒸汽发生涡轮机，其特征在于：所述基于空化效应的高温高压涡轮机还包括可使流体均匀分布于涡轮两侧的水体均压环，所述水体均压环与蜗壳上的注水口相通。

9.根据权利要求8所述的基于流体空化效应的蒸汽发生涡轮机，其特征在于：所述水体均压环主要由引入流体的主管路、一对分支管路与一对环形管路组成，该对分支管路与主管路相连，且该对分支管路和环形管路分设于密闭腔外部的两侧，每侧的分支管路与环形管路连接，环形管路通过均布于其上的连接管路与位于蜗壳两侧壁上的注水口连接；或所述水体均压环主要由引入流体的主管路和环形管路组成，所述环形管路沿蜗壳环形侧面的外围圆周设置，所述主管路与环形管路相连，所述环形管路通过均布于其上的连接管路与位于蜗壳环形侧面上的注水口连接。

10.根据权利要求9所述的基于流体空化效应的蒸汽发生涡轮机，其特征在于：在所述密闭腔的侧面中心部位或者靠近侧面中心部位设有蒸汽集中腔，所述蒸汽集中腔接通有蒸汽输出管，在所述蒸汽输出管上安装有可使蒸汽单向输出的单向阀，在所述单向阀与蒸汽出口之间设有确保供气压力安全的旁路减压安全阀；所述涡轮为一个或两个以上，当涡轮为两个以上时，各涡轮同轴安装于同一蜗壳内并由同一动力驱动设备驱动同步旋转；数个所述基于流体空化效应的蒸汽发生涡轮机的蒸汽输出管在单向阀之后汇聚以便提供更大流量的高温蒸汽。