CN117460879A - 利用冷凝蒸汽运行的反动式涡轮机 - Google Patents

Abstract

反动式涡轮机利用从蒸汽冷凝释放的热量结合固有的蒸汽压强和温度差来操作。一系列转子，每个转子包含多个弯曲的内部通道，在连续级之间提供压缩增压，同时避免过度的自压缩。在这些通道内产生的压缩效应和冲击波提供高水平的冷凝，从而释放大量的热量。然后，所得到的热蒸汽和冷凝液滴在转子的周边切向喷射以产生推力。来自最后一级的排出蒸汽然后被压缩并返回到发动机入口以与进入的新鲜蒸汽混合，从而有效地完成系统循环，而不需要用于冷凝的大型冷却塔。

Description

利用冷凝蒸汽运行的反动式涡轮机

相关申请的交叉引用

本申请要求于2021年6月3日提交的临时申请63/196,375的权益，其内容并入本文。

技术领域

本发明涉及一种反动式涡轮机，其在蒸汽物质冷凝形成液体时利用蒸汽物质操作。

背景技术

传统的蒸汽涡轮机利用水的蒸发和冷凝运行，如兰金循环(Rankine cycle)所述。首先，将来自化石燃料燃烧、核反应、太阳辐射或其他来源的热量添加到锅炉中的水中，从而升高水的温度直到形成蒸汽(steam)。然后在过热器中施加额外的热量，从而产生极热的高压蒸汽物(vapor)，没有残留的水滴。然后，该过热蒸汽通过涡轮机，使一系列桨叶旋转以产生轴功率。当从系统中提取功率时，蒸汽冷却并失去压强。最终蒸汽开始冷凝，产生大量的大水滴。为了防止这些液滴损坏精密的涡轮桨叶，然后停止发电过程并将残余蒸汽排出到冷却塔。冷却塔将剩余的蒸汽热排出到环境中，从而完成冷凝过程。然后将所得冷凝物返回到锅炉，从而完成循环。

在该配置中，系统仅在涡轮机入口处的热过热蒸汽与冷涡轮机出口处的冷凝开始之间的温度范围内产生功率。该范围内的系统效率由卡诺基本关系式计算：热极限和冷极限之间的温度差除以热极限的温度。基本的蒸汽发电站具有仅约36％的卡诺效率，从而浪费了几乎2/3的进入燃料。

改善这种低效率的最常见方法是提高高温极限。不幸的是，虽然先进的超超临界电站最终可能达到约50％的效率，但是这种系统将非常昂贵并且难以操作。或者，卡诺关系表明降低出口温度也可以提高电站的效率。不幸的是，整个电站热力学将任何这样的降低限制到不显著的水平。因此，有必要将电站的操作模式扩展到卡诺限制之外以实现更高的效率。具体地，必须利用目前在常规卡诺发电站中冷凝损失的至少一些热量。

该过程背后的基本原理是，出口区域附近的高速蒸汽由于压缩效应和冲击波尾侧上的稀疏而经历大的温度和压降。立即发生大量的冷凝，从而将大量的热量释放到剩余的蒸汽物中。这种释放的热量提高了剩余蒸汽物的温度和压强，从而在后续阶段中产生额外的功率。

在这种方法下，总功率输出是常规卡诺循环中产生的功率加上冷凝期间释放的热量产生的功率的总和。因此，总效率总是大于单独的常规卡诺过程的效率。在实践中，许多操作者已经在某种程度上通过简单地不在冷凝开始时精确地停止发电来使用该过程。相反，允许发电过程继续直到约10％的蒸汽冷凝，从而容忍所产生的桨叶损坏以改善燃料经济性。

该技术中的限制因素是，即使使用最先进的合金具有最佳桨叶曲率的涡轮机也只能容忍相对温和的冷凝水平。因此，充分利用冷凝热捕获需要能够承受极端侵蚀水平的新涡轮设计。

这种新涡轮机的市场是巨大的。就规模而言，新系统的市场范围从几kW到几百MW，从而包括家用、汽车、工业和船舶电力应用。然而，因为蒸汽涡轮机目前提供世界89％的电力，所以最重要的市场是发电。为了服务该市场，该系统可以首先被配置为传统蒸汽涡轮机的扩展，代替冷却塔。这种配置为相同量的燃料提供了大量更多的电力，同时还消除了对大量日益稀缺的昂贵冷却水的需要。对现有基础设施的这种改造可以容易地应用于至少部分地满足建议的2030CO₂排放限制。更长远地，在冷凝点附近工作的能力将消除对高水平过热的需要，从而使得能够使用太阳能、地热和其他不足以驱动常规蒸汽涡轮机的绿色源。因此，这样的系统可以用于零排放功率以满足2050CO₂标准。

发明内容

本发明是一种反动式涡轮机，其利用从蒸汽冷凝释放的热量结合固有的蒸汽压强和温度差(temperature head)来操作。一系列转子，每个转子包含多个弯曲的内部通道，一系列转子在连续级之间提供压缩增压，同时避免过度的自压缩。在这些通道内产生的压缩效应和冲击波提供高水平的冷凝，从而释放大量的热量。然后，所得到的热蒸汽物和冷凝液滴在转子的周边切向喷射以产生推力。来自最后一级的排出蒸汽然后被压缩并返回到发动机入口以与进入的新鲜蒸汽混合，从而有效地完成系统循环，而不需要用于冷凝的大型冷却塔。

附图说明

图1是具有一系列转子的系统的水平截面图；

图2是在单个系统循环上的温度和压强的曲线图；

图3是转子沿着轴的中心轴线的竖直截面图；以及

图4是垂直于轴的轴线的转子的竖直截面图。

具体实施方式

图1描绘了在壳体30内具有三个转子的反动式涡轮机，每个级具有转子。可以使用任何合适数量的级，包括单个级。该系统使用蒸汽源10，蒸汽源10可以来自任何合适的源，包括来自常规蒸汽涡轮机的冷凝排气，从而允许将该系统添加到现有的蒸汽发电站中。另一种选择是将高压蒸汽从锅炉直接传递到系统，以消除对过热器和常规蒸汽涡轮机部件的需要。

来自进入源10的蒸汽流入混合室12。新蒸汽与来自导管16的蒸汽混合，该蒸汽已经从系统的排气再循环。如稍后所讨论的，再循环过程产生基本上处于饱和状态的蒸汽，其包含水滴和蒸汽物的混合物。因此，再循环蒸汽质量小于100％，很像进入源蒸汽。因为新蒸汽和再循环蒸汽的压强、温度和质量非常相似，所以两个流可以容易地在混合室12中组合。因此，混合室的所得输出由蒸汽流质量略小于100％的水滴和蒸汽物的均匀混合物组成。

与常规涡轮机的输入蒸汽相比，混合室输出处于相对低的压强。因此，混合室输出的体积相对较大，从而需要比常规涡轮机中发现的更大的横截面流动面积。实心轴22在壳体30的入口侧和出口侧处具有密封件24、26。来自混合室12的输出行进通过导管14并通过壳体中的端口18进入壳体30。蒸汽物和液滴混合物填充中心轴22周围的体积，延伸到转子主体。水平分隔件28将蒸汽物和液滴混合物限制在壳体和转子的第一表面之间，其中在水平分隔件28和旋转的转子的第一表面之间形成密封。因此，进入的流被引导到转子的入口。然后，蒸汽通过转子中的终止于出口喷嘴64处的通道。如下面更全面地解释的，所产生的喷射的用过蒸汽和液滴的推力然后使转子转动。

然后，排气进入由密封件80限制的转子的下游侧和下一个竖直分隔件84之间的空间。排气然后进入中间冷却压缩机82，其在竖直分隔件84的下游侧离开。然后，部分压缩的排气遵循上述用于第一转子的过程步骤。然后，来自第二级的排气进入第三级等。图1示出了壳体30内的三个代表性级32、34和36，但是可以使用不同数量的级。每个级具有转子50。

根据传统的涡轮机实践，入口压强与出口压强的相应比率在所有级上大致相同。例如，在压缩以再循环回到入口之前，以大气压计的压强的起始设计比在第一级中为3:1，在第二级中为1:0.3，并且在最后一级中为0.3:0.01。每个阶段的排放出口42、44、46去除冷凝水，冷凝水可以返回到锅炉以转换成蒸汽并在系统中重新使用。快速旋转的转子壳体夹带排气中的液滴，从而用作旋风分离器以将冷凝物供给到相应的排放口。

当压强降低到进一步膨胀不实用的水平时，例如小于0.1atm，剩余的排出蒸汽可以通过导管16再循环。总体再循环配置如图1所示。该过程开始于位于最后一个动力转子级36之后的再循环压缩机88。蒸汽被压缩然后通过返回管线16并进入混合室12。

负载紧接在再循环压缩机88之后跨过轴密封件26放置。轴的旋转可以用于多种应用中的任何一种。一种这样的应用是使转子22驱动发电机23以产生电力。

系统启动和增强操作需要额外的部件。第一个这样的部件是真空源，以在启动时提取空气和污染的蒸汽物。由于存在大体积蒸汽，常规喷射器90是一种可能的真空源；机械活塞泵、涡轮泵和小型冷却塔是可能的替代方案。在已经获得足够的真空之后，必须足够快地旋转转子以产生足够的压缩。遵循传统的布雷顿循环方法，一种方便的起动技术是使用外部电压源使发电机反向，从而将发电机暂时转换为起动电动机。最后，为了有助于启动和在线效率增益，可以将小型热交换器添加到系统中。在再循环排气流中使用一个这样的交换器48以捕获余热，同时还可能改善真空。这种交换器比传统发电站的冷却塔小得多，因此即使在干旱环境中也可以用少量的水或空气操作。

图2总结了图1所示系统的独特热力循环。循环在进入的蒸汽源10的压强和温度下开始。因为蒸汽在该点饱和，所以图2的“饱和曲线”提供了任何给定压强下的温度。在高于该曲线的温度下的水处于汽相，而在低于该曲线的温度下的水处于液相。虽然公开了蒸汽作为工作流体，但是其他低沸点流体如低级烃(丙烷、丁烷、戊烷、己烷)、硅油和碳氟化合物也可以用作工作流体。

因为本发明的一个应用是作为常规公用蒸汽涡轮机的附加模块，所以可以从现有商业设备的相应排气测量获得压强和温度的代表性起始值。因此，点A的排气压强为约3.0atm，并且根据图2中的饱和曲线，因此起始温度为约407K。

然后，中间冷却压缩机82和转子50的自压缩段升高压强，同时温度沿着图2的“冷绝热线”从点A增加到点B。下面描述的转子50的膨胀部分中的冲击诱导的冷凝然后释放热量，从而将温度等压地升高到点C。该过程类似于常规布雷顿燃气涡轮循环的压缩机和燃烧器部件。然后，热的高压蒸汽沿着图2的“热绝热线”膨胀，在点D处终止。如下所述，该处理步骤发生在转子50的后膨胀部分中。该步骤类似于在常规兰金蒸汽循环中发生的绝热膨胀。因此，到这一点的新循环由布雷顿气体和兰金蒸汽涡轮机循环的部分的独特组合组成。

循环中的接下来三个步骤对于本发明是独特的。首先，因为来自转子50的排气在离开出口喷嘴64时基本上是静止的，如下所述，所以转子中的超音速蒸汽的静态温度立即变为包含在壳体30中的所产生的基本上静止的排气的停滞温度。来自固定床测试台喷嘴的停滞温度与从移动转子喷出的排气的停滞温度之间的差示为从点D到点E的等压下降，其中点E略低于“饱和”曲线，以说明威尔逊线上方的成核效应。如图2所示，当转子50抵抗负载23转动轴22时，与该温差相关联的热量被转换为输出功。

当然，上述分析在实际实践中并不严格适用。相反，流动在任何点都不完全均匀，从而产生局部液滴和蒸汽物混合物的变化。此外，多个过程同时发生，例如在冷凝期间的热释放，同时转子提取热量以做功。然而，最终结果是上述分析足以预测任何一个步骤所需的平均量。

在这些考虑下，点E处的状态足够接近饱和和冷绝热曲线，以开始另一个循环，其中点E基本上充当新的点A。然后可以根据需要频繁地重复上述循环，从而在阶段32、34和36上顺序地降低起始压强。最终结果是独特的分级能力，如针对上述3：1示例中描述的相应顺序压强比所示。

最后，在最后阶段之后，剩余的蒸汽物被再循环压缩机88压缩，以通过再循环导管16返回到混合室12。利用前面提到的小型热交换器48，最终点E处的温度可以被冷却到冷绝热曲线上的大约点F。然后，简单的绝热压缩将蒸汽物压强和温度从点F升高回到起始点A处的原始状态，其再次是混合室12的状态。

注意，上述循环分析不包括在排水管42、44和46处去除冷凝物：在控制蒸汽(蒸汽物)行为的理想气体定律计算中不需要去除的液体。然而，考虑到整个循环，液体的逐渐去除减少了在每个连续级中待处理的蒸汽物的体积。由于小的最终排出蒸汽质量的压缩因此需要比从大得多的初始质量的膨胀获得的功少得多的功，因此整个系统的整体能量平衡是非常有利的。

图3示出了一个级内的单个转子50的细节。该转子的总体设计遵循德拉瓦尔(deLaval)的最佳效率的一般规则：将流体缓慢且稳定地带入涡轮机，以最小损失提取功，然后尽可能缓慢且稳定地释放排气。

使用德拉瓦尔方法，图3中的第一部件是入口勺组件60。该组件由安装在中心轴22上的一组桨叶组成，非常像摩托艇叶轮，其有助于将流体汇集到转子的入口中。勺状件在与轴22相切的方向上打开。勺状件的上游侧浸入容纳在壳体30内的相对停滞的高压蒸汽和液滴混合物中。勺状件的下游侧平行于轴22。当轴22旋转时，勺状件60吸入环境混合物，然后平行于轴22的轴线引导流动。勺状件60靠近中心轴22定位，从而使勺状件的速度最小化，这又使由于与可能夹带在工作流体中的任何水滴的冲击而导致的勺状件的侵蚀最小化。直接的结果是系统因此满足德拉瓦尔的理想入口条件。

德拉瓦尔的整体技术的下一步是以最小的损失提取功。在本发明中，该步骤涉及引导工作流体通过一组螺旋形内部通道，如下面针对图4所述。剩余的德拉瓦尔条件是以最小损失排出排气。本发明的基本原理是转子周边处的出口喷嘴的行为类似于火箭的喷嘴。具体地，当喷嘴的排气速度与火箭速度相等且相反时，发生最大效率，从而使排气在空间中静止悬浮。相反的情况包括在固定的测试框架上点燃喷嘴，从而不产生功率，同时在高速排气中浪费最大动能。

因此，将这种简单的方法应用于本发明需要外围排气喷嘴处的转子速度与用过的蒸汽排气速度相匹配。以上关于热力学循环的静态与停滞温度的讨论在图2中示出。然而，在上述条件下使用蒸汽的标准可压缩流动关系产生超音速排气速度。尽管这样的速度对于下面描述的冲击诱导的冷凝是必需的，但是它们也在转子上产生严重的离心力。

因此，转子的设计减少到实现极高的旋转速度，而不超过用于构建转子的材料的机械限制。图3和图4示出了主要关注点：轴22附近的区域。在转子的下游侧(与上述入口相对)，转子主体基本上是实心的，从中心轴线22延伸到周边，其中在轴线方向上的壁厚在轴线附近更大，而朝向周边变薄。这种几何形状遵循商业上用于功率存储的高速飞轮的公知设计。

在转子的上游侧使用类似的方法，但是在这种情况下，转子还包括沿着轴线22的通道60，以将工作流体接收到转子主体中。直接关注的是，通道不能支撑从周边径向向下延伸到通道位置的转子质量。

解决该问题的常规方法是通过中空的中心轴线将工作流体带入，然后使流体径向向外转向。不幸的是，本发明所需的低压下的高质量流将使中空中心轴线太大而不实用；此外，将存在向下游级供应来自上游级的输出的问题。

为了避免这些问题，在本发明中，入口通道的长度沿上游方向延伸。使用杨氏模量的定义，该延伸区段52因此提供了支撑入口壁所需的附加材料，尽管存在入口通道。

在由上游壁和下游壁界定的空间中，通道从中心气室(plenum)54向外转向。然后，来自该气室54的多个通道朝向周边处的出口喷嘴延伸。首先，从气室到周边的路径基本上是径向向外的，通常称为橙子截面几何形状。在该区域中，在路径壁上仅存在最小的无支撑离心载荷。

然而，在更大的距离处，路径在垂直于旋转轴线22的平面中变成螺旋形，如图4所示。此时，螺旋通道进入平行于旋转轴线22的平面，如图3所示。过渡可以发生在喉部68附近，但这不是限制性要求。在这一点上的关注点是离心力可能变得足够大以使通道壁塌陷。具体地，该力可以使垂直于半径矢量的壁部件塌缩，使平行部件未损坏，但仍然导致灾难性故障。这种效果在周边最严重，其中力最高并且外壁基本上完全在角度方向上。

为了使本系统中的这种损坏最小化，在法线方向上的壁部件形成为悬链拱段58。由于已知悬链线拱非常坚固，因此改进的壁可以承受不匹配的离心力。图3示出了当一个通道开始螺旋出参考平面时的代表性悬链曲线，而第二通道在出口喷嘴处从该平面出现。

转子可以由两个单独的盘形成，铣出中心通道，然后将盘连接在一起以产生所需的通道。替代方案是使用增材制造技术在一个步骤中形成整个转子，并且随着3D打印技术的进步，最终在一个操作中形成甚至整个涡轮。这种方法的主要优点是(1)快速且廉价地制造原型的能力，(2)具有固有质量控制的常规制造，(3)即使对于复杂形状也具有高精度，以及(4)由于单件构造和打印的机械加工部件的固有更大强度而导致的强度提高。

图4示出了垂直于转子50的轴22的竖直横截面视图。图4中示出了从中心轴22延伸到转子周边的两个通道。(在仅有两个通道的情况下，不需要气室，并且螺旋臂过渡到通向转子的上游边缘的轴向延伸区段，具有用于每个通道的入口)。如上所述，根据可压缩流动流体力学的标准定律，工作流体的压强和温度沿着这些流动路径降低。然后，所得到的蒸汽物和冷凝液体的混合物在由密封分隔件容纳的壳体30内的局部环境压强下离开喷嘴，从而在转子50上产生推力。在图1中，该配置可以用于第一级32。使用上述3：1级与级压强比，初始3.0atm输入因此减小到约1.0atm。

然后，该较低的输出压强变成第二级34的输入压强。然而，即使在调节冷凝、功输出等之后，这种降低的压强也大大增加了工作流体的体积。这种在逐渐降低的压强下增加的体积需要越来越大的通道直径以保持稳定的流动，类似于传统的桨叶式蒸汽涡轮机中使用的连续级的越来越大的直径。

为了补偿本系统中增加的级到级体积，首先在连续转子中增加通道的数量。例如，第二级34可以具有六个通道，而不是在第一级中使用的两个通道。同样，第三级36可以具有十二个或更多个通道，每个通道大于第一级32的通道。通道数量的这种增加可以继续直到通道彼此接触，使得一个通道的外壁也是相邻通道的内壁。在这种布置下，图3中所示的悬链拱的壁彼此略微重叠，以解决任何特定半径处的邻接通道的不同尺寸。

增加连续级的转子尺寸可能导致任何给定级的出口速度与该特定级中的转子的外周速度不匹配。因为出口速度取决于压强比，所以如果级之间的压强比相等，则出口速度必须近似相等。不幸的是，在级之间具有不同半径的转子的相等的出口速度将导致跨中心轴的严重不稳定性。例如，1m直径转子中300m/sec出口速度的RPM对于2m转子下降一半。由此产生的RPM失配将导致极端振动、效率损失和其他问题。替代方法是改变相应转子的操作条件，特别是压强比。

如上面针对图3所述，从旋转中心轴22朝向周边的路径的第一部分基本上是简单的径向流出区段。如果这种径向流出继续直接到达周边，则转子的运动将由于科里奥利效应(Coriolis effect)而强烈地压缩工作流体。因为所产生的压缩不能在喷嘴中完全恢复，所以只有当压缩最小化时才能实现上述所需的高德拉瓦尔效率。因此，图4中所示的紧接在相对直的初始区段之外的路径在扫掠弧上朝向周边略微弯曲。可以通过常规实验和已知技术计算弧曲率的适当值。

图4示出了喉部68的附加细节，喉部68大致位于径向延伸部分的中间。喉部具有减小的横截面，随后是增加的横截面。在轴线22处开始的流动以低速开始。当壁会聚时，流动加速，在最窄的会聚点处达到马赫数1。然后当通道壁发散时，流动继续加速，从而变成超音速。

在常规的理想膨胀系统中，流将继续加速，直到出口压强与环境压强匹配，并且流从喷嘴喷射。静压和温度都将沿着该路径降低。在蒸汽流中，温度下降直到静压低于饱和点，从而产生过冷(或过度冷却)状态。在没有粉尘或其它成核位点的情况下，温度继续下降到威尔逊(Wilson)线，其中发生均匀成核。然后发生快速液滴生长，释放热量，其将蒸汽物温热回到略低于饱和曲线。

在本系统中，这种液滴生长可以在下游膨胀区70中以喉部直径的几倍的长度发生。下游膨胀区70的横截面积在流体流动方向上增加。冷凝程度随着腔室膨胀速率而变化，通常至多仅达到约5％。然而，在高膨胀速率下，热释放可能如此之大，使得系统经历“冷凝冲击”，其中流动流经历热阻塞。冷凝冲击不是真正的冲击波，因为在以高速移动穿过流场的区域上没有实际的压强不连续性。然而，使用术语“冲击”，因为系统模拟了实际冲击行为的一些特征。

虽然冷凝冲击产生一些液滴，但是该方法的低产率和可能的热阻塞限制了其使用。相反，本系统使用其他技术来产生冲击波。常见的技术包括膨胀不足和膨胀过度的喷嘴、粗糙的通道壁表面、横截面的变化(圆形到矩形)、壁中的条带(间隙)、沿着凸普朗特-迈耶(Prandtl-Meyer)曲率的流动、以及流动路径中的障碍物(楔形、锥形、斜接引导件等)。这些过程中的每一个的基本原理是诱导冲击波的低压区足以产生冷凝，即使在否则不足以形成和生长液滴的条件下也是如此。在蒸汽涡轮机工业中，这种现象被称为非平衡冷凝。这种情况通常发生在涡轮机出口附近的旋转桨叶的下游，其中速度高并且蒸汽接近饱和。

在图4中，诱导冲击波冷凝发生在初始径向通道的端部处的尖锐弯曲部72中。这种尖锐的凸曲线引起普朗特-迈耶膨胀，当超音速飞机穿过声屏障时，产生沿着驾驶舱和后机身通常观察到的冷凝。为了稳定通过通道的流动，斜接导向叶片76穿过曲线的最尖锐部分定位。这些叶片延伸穿过通道的高度，以在增材制造过程期间还提供通道的顶表面的支撑。此外，这些叶片还提高了组装的转子的刚性，该第一诱导冷凝的直接益处是一些热量产生和回收，以及形成至少一些冷凝核以促进任何随后的冷凝过程。

一种这样的过程是紧邻下游的“过度膨胀”喷嘴79。过度膨胀是指喷嘴壁77扩张以产生比上述理想膨胀情况更快的横截面积增加。在这种喷嘴中，膨胀流首先与壁分离，留下由相对停滞的护套包围的穿透射流。然后，穿透射流和周围护套之间的边界中的冲击波产生大量的冷凝。

所得冷凝区的有效长度通常为穿透射流直径的至少八倍。对于本发明，500MW涡轮机的有效长度因此将是几米长，这将需要这样的转子直径，该转子直径对于甚至最大的当前可用的3D打印设备也将太大。

为了减小这种过大的长度，将较小的管78放置在过膨胀喷嘴79中。这些较小的管78具有成比例地较小的有效长度，从而缩短了冷凝区域，从而在可以容易地制造和实际使用的转子尺寸内完成冷凝过程。

为了最大限度地利用空间，这些管78的排可以在过度伸展模块79中彼此堆叠，从而即使在悬链拱内也完全利用可用空间。因此，这种布置提供了均匀的喷射流，避免了单个大穿透射流周围的空间浪费。

为了便于制造，每个单独管的入口具有狭窄的端口收缩部，从而小规模地启动过度膨胀过程。这些管的组件可以作为增材制造过程的一部分并入，或者单独构建在可以插入转子主体的周边的模块中。在任一种情况下，围绕管的支撑材料密封组件，从而限制工作流体通过管而不会围绕管周边泄漏。最后，组件内的邻接管可以在制造期间纵向交错，以提供互补的间隔开的冷凝节点，从而改善整体流动均匀性。

因为管组件的输出可以包括大量水滴，所以过滤器75放置在管78的下游。过滤器也可以根据需要放置在整个冷凝区域中，但是所指示的位置是特别有效的，因为它刚好超过高冷凝过度膨胀区的有效长度。

总之，通过每个转子的通道的流动的结果通过以下方式产生功率：(1)将处于近似饱和条件的流体引入转子，(2)如果进入压强与指定的出口压强相比较低，则压缩流体，(3)将流体(绝热地)膨胀到过冷状态，(4)诱导冷凝，优选地通过产生冲击波，(5)利用冷凝步骤释放的热量升高工作流体的压强和温度，(6)使加热和加压的流体膨胀以产生功，从而冷却流体并降低压强，(7)除去冷凝物，(8)重复步骤2至7，直到流体处于所需的最终状态，以及(9)将高液滴含量的排出流体返回到入口，以与步骤1中的新鲜进入流体混合，并重复该过程。

已经参考优选实施例描述了本发明。变化和修改对于本领域普通技术人员将是显而易见的，并且本发明涵盖这样的变化和修改。

Claims (18)

1.一种转子，所述转子包括：

第一表面和与所述第一表面间隔开的第二表面；

端壁，所述端壁在所述第一表面和所述第二表面之间延伸；

至少一个入口和与所述至少一个入口径向向外间隔开的至少一个出口；

至少一个通道，所述至少一个通道在所述至少一个入口和所述至少一个出口之间延伸，所述至少一个通道具有第一横截面积；以及

膨胀室，所述膨胀室在所述至少一个入口和所述至少一个出口之间的所述至少一个通道中，所述膨胀室具有大于所述第一横截面积的第二横截面积。

2.根据权利要求1所述的转子，还包括在所述第一表面上的勺状部，所述勺状部紧邻所述至少一个入口。

3.根据权利要求1所述的转子，还包括在所述第二表面上的叶片。

4.根据权利要求1所述的转子，还包括在所述至少一个通道的表面上的障碍物。

5.根据权利要求1所述的转子，其中，所述至少一个通道是弯曲的。

6.根据权利要求1所述的转子，其中，所述至少一个通道具有第一部分和第二螺旋延伸部分。

7.根据权利要求6所述的转子，其中，所述第一部分具有喉部区段，所述喉部区段具有横截面面积减小的第一区段和横截面面积增大的第二区段，所述第二区段在所述第一区段的下游。

8.根据权利要求1所述的转子，还包括延伸穿过所述通道的管。

9.一种涡轮机，包括：

壳体，所述壳体具有第一端壁、第二端壁和在所述第一端壁与所述第二端壁之间延伸的至少一个侧壁；

轴，所述轴延伸通过所述壳体；

第一分隔件，所述第一分隔件将所述壳体分成第一腔室和第二腔室，所述第一分隔件具有开口；

蒸汽源，所述蒸汽源连接到所述第一端壁中的第一入口；

转子，所述转子在每个腔室中连接到所述轴，每个转子具有第一表面和第二表面、入口、出口和在所述入口与所述出口之间延伸的通道；

第一导管，所述第一导管在所述第一腔室中、所述第一入口与所述转子的所述第一表面之间；

所述第一腔室中的所述转子的所述入口在所述第一导管中；

第二导管，所述第二导管在所述第二腔室中、所述第一分隔件中的所述开口与所述转子的所述第一表面之间；以及

排气装置，在所述壳体中。

10.根据权利要求9所述的涡轮机，还包括连接到每个腔室的排放导管。

11.根据权利要求9所述的涡轮，还包括第二分隔件，所述第二分隔件在所述壳体中形成第三腔室，所述第二分隔件具有开口；

在所述第三腔室中的转子，所述转子具有第一表面和第二表面、入口、出口和在所述入口与所述出口之间延伸的通道；以及

第三导管，所述第三导管在所述第三腔室中、所述第二分隔件中的所述开口与所述转子的所述第一表面之间。

12.根据权利要求9所述的涡轮机，导管，其从所述壳体中的所述排气装置延伸到所述蒸汽源。

13.根据权利要求9所述的涡轮，其中，所述转子的所述通道具有在所述入口与所述出口之间的膨胀室。

14.根据权利要求13所述的涡轮，其中，所述转子的所述通道具有在所述入口与所述出口之间的螺旋延伸区段。

15.一种驱动转子的方法，包括：

将处于饱和状态的流体引入转子中的通道；

使所述流体膨胀至过冷状态；

诱导冷凝；

利用由冷凝步骤释放的热量升高工作流体的压强和温度；

使加热和加压的流体膨胀以产生功；以及

移除冷凝液。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括在步骤1中将高液滴含量排出流体移回到所述入口以与新鲜的进入流体混合，并重复过程。

17.根据权利要求15所述的方法，还包括在使所述流体膨胀之前压缩所述流体。

18.根据权利要求15所述的方法，其中，诱导冷凝包括产生冲击波。