CN112253266A - 一种无叶涡轮机及其盘体间距自动调整方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无叶涡轮机，包括壳体，所述壳体用于承载无叶发电机；无叶发电机，其由所述外壳承载，所述无叶发电机包括安装于轴体上的至少一个盘体，所述轴体上设置有多个微动装置，所述微动装置固定所述盘体并实现盘体沿轴体方向移动，通过控制盘体间隙来实现对涡轮机的控制，并且，涡轮机可以根据采集的输入端流体参数，判断流体的种类是层流还是湍流或者其他类型，并控制加热加压装置等控制流体的黏性作用和惯性作用，结合无叶电机调节盘体间隙的功能，实现多重无叶涡轮机控制功能。

Description

一种无叶涡轮机及其盘体间距自动调整方法
技术领域
本发明涉及涡轮机控制技术领域，尤其涉及一种无叶涡轮机及其盘体间距自动调整方法。
背景技术
燃气轮机是一种以连续流动的气体为工质，把热能转化为机械功的旋转式动力机械。作为一种先进的热能动力装置，燃气轮机已经在航空、舰船，机车、电力、石油等各个工业领域得到了十分广泛的应用。传统的重型、大功率燃气轮机，主要用作航空动力装置和发电机组装置。随着分布式供电系统的发展，以及对于高功率密度和低燃料消耗率的新型动力的需求，微型和超微型燃气轮机受到了世界各国的极大重视。
燃气轮机的简单循环系统主要由压气机、燃烧室和透平等三大部件组成，再配以进气、排气、控制、传动及其他辅助系统，即可实现连续对外做功。空气被压气机从大气中吸入，经旋转的压气机叶轮压缩后进入燃烧室，与喷入的燃料燃烧后成为高温燃气，随即流入燃气涡轮中膨胀做功，推动涡轮带着压气机叶轮一起旋转。叶片是燃气轮机的关键部件，工作条件复杂，故障率高，特别是涡轮叶片，一般都在高温、高压和腐蚀的工质中工作，同时以很高的转速旋转，工作条件十分恶劣。传统燃气轮机对叶片的强度，韧性，高温稳定性，耐蚀性及冷热加工性等性能提出了很高的要求。叶轮叶片数量多，形状复杂，加工要求高，维修十分不便。尤其在微型和超微型燃气轮机中，叶片在材料，加工和装配技术上面临着巨大的困难。因此，叶片的质量不仅影响燃气轮机的整体性能，还直接决定着燃气轮机的生产和维护成本。
无叶片式涡轮机的转子是由一组平行排列的圆周转动光盘安置在轴上组成，流入流体通过安置在定子上的喷嘴进入涡轮机，由于流体边界层效应，流体吸附在光盘表面，伴随着流体表面层粘性和粘附力的作用，涡轮机中的流体将会带动圆盘做旋转作用，在圆盘的旋转的旋转运动带动下，输出轴也随之一起运动，最终得到转速功率输出。
然而，现有的无叶涡轮机的边界层效应为固定值，得到的扭矩也为固定值，当流体的流动速率为常数时，由于机构的几何结构，盘间距与输入流体的压力成反比。因为输入端流体速率与输入流体密度有直接的关系且流体的密度与压强成正比，此结论仅仅决定盘间距与输入压力之间的关系，但是为了确保圆盘的转动，需要将圆盘间距设置的足够的小。
在实际使用需求时，有时做功的流体并不能由人自由控制，例如水流等，而对涡轮机而言，也并不需要太过高的扭矩和马力。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，如图2所示，本发明公开了一种无叶涡轮机，包括壳体，所述壳体用于承载无叶发电机；无叶发电机，其由所述外壳承载，所述无叶发电机包括安装于轴体上的至少一个盘体。
更进一步地，本发明公开了一种基于边界效应的无叶涡轮机盘体间距自动调整方法，所述无叶涡轮机包含有N个盘体安装于轴体上，其中的盘体空隙为N-1个，轴体上固定有N个微动装置，每个所述圆盘通过微动装置与轴体固定连接，中央控制器对所述微动装置进行控制以使得所述微动装置可以控制盘体沿轴体方向移动，当流体容积固定时，计算任一盘体空隙的流体流动速率为：
Q＝2πRb·v
其中，所述Q为流体流动速率，R为盘体半径，b为盘体空隙，v为圆盘内径速度；以此，得出盘体空隙对流体流动速率与盘体转动的影响，使输出功率固定，构建盘体间隙与流体输入压强的对应曲线，当需要减少涡轮机的扭矩时，用户输入希望得到的扭矩大小，中央控制器根据所述对应曲线及流体的参数通过所述微动装置调整盘体空隙的距离。
更进一步地，所述盘体为圆盘，所述轴体为空心轴，中央处理器与微动装置及电路设置于空心轴内部，并对空心轴的重心进行调平，调整后的所述重心为空心轴的中心。
更进一步地，所述中央控制器进一步与无线通信模块连接，中央控制器通过无线通信模块与用户的客户端进行连接，用户通过客户端输入流体参数和预期的涡轮机扭矩，中央控制器计算每一个盘体空隙需要的边界层效应和对应的盘体间距，并控制微动装置均匀调整盘体空隙距离。
更进一步地，当需要停止涡轮机工作时，控制盘体间隙变大达到第一预设值，通过控制边界效应的消失来停止涡轮机的转动。
更进一步地，在壳体内设置有加热加压装置，通过对流体加热和/或加压实现对流体参数的控制，壳体内还包括有流速感测器、温度和压强感测器，涡轮机可以根据需要自动调整流体的温度、压强和流速。
本发明进一步地公开了一种无叶涡轮机，通过上述控制方法进行控制，包括壳体，所述壳体具有外部表面且进一步界定流体流路径，无叶发电机，其由所述外壳承载，所述无叶发电机包括安装于轴体上的至少一个盘体，所述轴体上设置有多个微动装置，所述微动装置固定所述盘体并实现盘体沿轴体方向移动。
更进一步地，所述盘体为圆盘，所述轴体为空心轴，中央处理器与微动装置及电路设置于空心轴内部，并对空心轴的重心进行调平，调整后的所述重心为空心轴的中心。
更进一步地，中央控制器通过无线通信模块与用户的客户端进行连接，用户通过客户端输入流体参数和预期的涡轮机扭矩，中央控制器计算每一个盘体空隙需要的边界层效应和对应的盘体间距，并控制微动装置均匀调整盘体空隙距离。
更进一步地，当需要停止涡轮机工作时，控制盘体间隙变大达到第一预设值，通过控制边界效应的消失来停止涡轮机的转动；在壳体内设置有加热加压装置，通过对流体加热和/或加压实现对流体参数的控制，壳体内还包括有流速感测器、温度和压强感测器，涡轮机可以根据需要自动调整流体的温度、压强和流速。
更进一步地，涡轮机可以根据采集到的输入流体的参数，自行反馈至中央处理器，中央处理器根据设定的马力或者扭矩需求，自动控制盘体间隙距离。
本发明与现有技术相比，有益效果为：通过控制盘体间隙来实现对涡轮机的控制，并且，涡轮机可以根据采集的输入端流体参数，判断流体的种类是层流还是湍流或者其他类型，并控制加热加压装置等控制流体的黏性作用和惯性作用，结合无叶电机调节盘体间隙的功能，实现多重无叶涡轮机控制功能。
附图说明
从以下结合附图的描述可以进一步理解本发明。图中的部件不一定按比例绘制，而是将重点放在示出实施例的原理上。在图中，在不同的视图中，相同的附图标记指定对应的部分。
图1是本发明的无叶电机控制方法的流程图；
图2是本发明一实施例中的无叶电机结构图；
图3是本发明一实施例中的轴体和盘体与微动电机的位置关系图；
图4是本发明一实施例中的控制电路模块框图。
其中，发明附图中的1表示轴体，2表示壳体，3表示盘体，4为流体输出口，5为喷嘴，6为微动电机模块。
具体实施方式
实施例一
无叶片式涡轮机的转子是由一组平行排列的圆周转动光盘安置在轴上组成，流入流体通过安置在定子上的喷嘴进入涡轮机，由于流体边界层效应，流体吸附在光盘表面，伴随着流体表面层粘性和粘附力的作用，涡轮机中的流体将会带动圆盘做旋转作用，在圆盘的旋转的旋转运动带动下，输出轴也随之一起运动，最终得到转速功率输出。
本申请所涉及的涡轮机内部的圆盘之间保持一定的空隙使得流体介质在空隙间做螺旋向心运动，完成螺旋向心运动的路径后，流体介质将会流经圆盘上的排出孔。
如图1所示，本实施例公开了一种基于边界效应的无叶涡轮机盘体间距自动调整方法，所述无叶涡轮机包含有N个盘体安装于轴体上，其中的盘体空隙为N-1个，轴体上固定有N个微动装置，每个所述圆盘通过微动装置与轴体固定连接，中央控制器对所述微动装置进行控制以使得所述微动装置可以控制盘体沿轴体方向移动，当流体容积固定时，计算任一盘体空隙的流体流动速率为：
Q＝2πRb·v
其中，所述Q为流体流动速率，R为盘体半径，b为盘体空隙，v为圆盘内径速度；以此，得出盘体空隙对流体流动速率与盘体转动的影响，使输出功率固定，构建盘体间隙与流体输入压强的对应曲线，当需要减少涡轮机的扭矩时，用户输入希望得到的扭矩大小，中央控制器根据所述对应曲线及流体的参数通过所述微动装置调整盘体空隙的距离。
更进一步地，所述盘体为圆盘，所述轴体为空心轴，中央处理器与微动装置及电路设置于空心轴内部，并对空心轴的重心进行调平，调整后的所述重心为空心轴的中心。
更进一步地，所述中央控制器进一步与无线通信模块连接，中央控制器通过无线通信模块与用户的客户端进行连接，用户通过客户端输入流体参数和预期的涡轮机扭矩，中央控制器计算每一个盘体空隙需要的边界层效应和对应的盘体间距，并控制微动装置均匀调整盘体空隙距离。
更进一步地，当需要停止涡轮机工作时，控制盘体间隙变大达到第一预设值，通过控制边界效应的消失来停止涡轮机的转动。
更进一步地，在壳体内设置有加热加压装置，通过对流体加热和/或加压实现对流体参数的控制，壳体内还包括有流速感测器、温度和压强感测器，涡轮机可以根据需要自动调整流体的温度、压强和流速。
流动流体可以分为三个种类:层流是一种流动状态，当流速很小时，流体分层流动，互不混合，称之为层流，也成为稳流或者片流；逐渐增加流速，流体的流线开始出现波浪状的摆动，摆动的频率及振幅随流速的增加而增加，此种流况称为过渡流；当流速增加到很大时，流线不再清楚可辨，流场中有许多小漩涡，层流被破坏，相邻流层间不但有滑动，还有混合，这时的流体作不规则运动，有垂直于流管轴线方向的分速度产生，这种运动称为湍流，也称为乱流、扰流或紊流。流体的类型与雷诺系数有一定的关系。雷诺系数是流体运动中惯性力对黏滞力比值的无量纲数，也表征流体运动中黏性作用和惯性作用相对大小的无因次数，即：
雷诺系数＝流场中流体速度·流场中流体长度/运动学黏性系数；
流场中的流体是层流还是湍流取决于该流体的雷诺系数值，雷诺系数小于2000时，流体状态为层流；当雷诺系数在2000和4000范围内时，流体状态为过渡层；当雷诺系数大于4000时，流体状态为湍流。
本实施例更多的控制流体处于层流阶段，即在控制流体参数以实现涡轮机的功率改变时，若流体的状态为层流，则不控制流体参数而通过控制盘体间距改变涡轮机的功率。
进一步地，如图3所示，本实施例还公开了一种无叶涡轮机，通过上述控制方法进行控制，包括壳体，所述壳体具有外部表面且进一步界定流体流路径，无叶发电机，其由所述外壳承载，所述无叶发电机包括安装于轴体上的至少一个盘体，所述轴体上设置有多个微动装置，所述微动装置固定所述盘体并实现盘体沿轴体方向移动。
更进一步地，所述盘体为圆盘，所述轴体为空心轴，中央处理器与微动装置及电路设置于空心轴内部，并对空心轴的重心进行调平，调整后的所述重心为空心轴的中心。
更进一步地，如图4所示，中央控制器通过无线通信模块与用户的客户端进行连接，用户通过客户端输入流体参数和预期的涡轮机扭矩，中央控制器计算每一个盘体空隙需要的边界层效应和对应的盘体间距，并控制微动装置均匀调整盘体空隙距离。
更进一步地，当需要停止涡轮机工作时，控制盘体间隙变大达到第一预设值，通过控制边界效应的消失来停止涡轮机的转动；在壳体内设置有加热加压装置，通过对流体加热和/或加压实现对流体参数的控制，壳体内还包括有流速感测器、温度和压强感测器，涡轮机可以根据需要自动调整流体的温度、压强和流速。
更进一步地，涡轮机可以根据采集到的输入流体的参数，自行反馈至中央处理器，中央处理器根据设定的马力或者扭矩需求，自动控制盘体间隙距离。
可选地，在圆盘之中的流体可以是压缩空气，蒸汽，液体流体等。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
本领域技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
虽然上面已经参考各种实施例描述了本发明，但是应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行许多改变和修改。因此，其旨在上述详细描述被认为是例示性的而非限制性的，并且应当理解，以下权利要求(包括所有等同物)旨在限定本发明的精神和范围。以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (10)

1.一种无叶涡轮机，其特征在于，包括壳体，所述壳体用于承载无叶发电机；无叶发电机，其由所述外壳承载，所述无叶发电机包括安装于轴体上的至少一个盘体。
2.一种基于边界效应的无叶涡轮机盘体间距自动调整方法，其特征在于，所述无叶涡轮机包含有N个盘体安装于轴体上，其中的盘体空隙为N-1个，轴体上固定有N个微动装置，每个所述圆盘通过微动装置与轴体固定连接，中央控制器对所述微动装置进行控制以使得所述微动装置可以控制盘体沿轴体方向移动，当流体容积固定时，计算任一盘体空隙的流体流动速率为：
Q＝2πRb·v
其中，所述Q为流体流动速率，R为盘体半径，b为盘体空隙，v为圆盘内径速度；
以此，得出盘体空隙对流体流动速率与盘体转动的影响，使输出功率固定，构建盘体间隙与流体输入压强的对应曲线，当需要减少涡轮机的扭矩时，用户输入希望得到的扭矩大小，中央控制器根据所述对应曲线及流体的参数通过所述微动装置调整盘体空隙的距离。
3.如权利要求2所述的一种基于边界效应的无叶涡轮机盘体间距自动调整方法，其特征在于，所述盘体为圆盘，所述轴体为空心轴，中央处理器与微动装置及电路设置于空心轴内部，并对空心轴的重心进行调平，调整后的所述重心为空心轴的中心。
4.如权利要求3所述的一种基于边界效应的无叶涡轮机盘体间距自动调整方法，其特征在于，所述中央控制器进一步与无线通信模块连接，中央控制器通过无线通信模块与用户的客户端进行连接，用户通过客户端输入流体参数和预期的涡轮机扭矩，中央控制器计算每一个盘体空隙需要的边界层效应和对应的盘体间距，并控制微动装置均匀调整盘体空隙距离。
5.如权利要求3所述的一种基于边界效应的无叶涡轮机盘体间距自动调整方法，其特征在于，当需要停止涡轮机工作时，控制盘体间隙变大达到第一预设值，通过控制边界效应的消失来停止涡轮机的转动。
6.如权利要求2所述的一种基于边界效应的无叶涡轮机盘体间距自动调整方法，其特征在于，在壳体内设置有加热加压装置，通过对流体加热和/或加压实现对流体参数的控制，壳体内还包括有流速感测器、温度和压强感测器，涡轮机可以根据需要自动调整流体的温度、压强和流速。
7.一种无叶涡轮机，应用权利要求2-6所述的方法，其特征在于，包括壳体，所述壳体具有外部表面且进一步界定流体流路径，无叶发电机，其由所述外壳承载，所述无叶发电机包括安装于轴体上的至少一个盘体，所述轴体上设置有多个微动装置，所述微动装置固定所述盘体并实现盘体沿轴体方向移动。
8.如权利要求7所述的一种无叶涡轮机，其特征在于，所述盘体为圆盘，所述轴体为空心轴，中央处理器与微动装置及电路设置于空心轴内部，并对空心轴的重心进行调平，调整后的所述重心为空心轴的中心。
9.如权利要求7所述的一种无叶涡轮机，所述中央控制器进一步与无线通信模块连接，中央控制器通过无线通信模块与用户的客户端进行连接，用户通过客户端输入流体参数和预期的涡轮机扭矩，中央控制器计算每一个盘体空隙需要的边界层效应和对应的盘体间距，并控制微动装置均匀调整盘体空隙距离。
10.如权利要求7所述的一种无叶涡轮机，当需要停止涡轮机工作时，控制盘体间隙变大达到第一预设值，通过控制边界效应的消失来停止涡轮机的转动；在壳体内设置有加热加压装置，通过对流体加热和/或加压实现对流体参数的控制，壳体内还包括有流速感测器、温度和压强感测器，涡轮机可以根据需要自动调整流体的温度、压强和流速。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113882904A (zh) * 2021-10-26 2022-01-04 范家铭 一种非定常附面层流道复合叶片式透平

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