CN1739229A - 流体机械和运行流体机械的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种流体机械(1)，其包括转子(3)和定子(5)，其中构成一个用于一工作流体(A)的流动通道(7)，所述转子(3)可被该工作流体(A)驱动。此流体机械(1)有一块用于在流动通道(7)内产生可预定的磁场(B)的磁铁(9)。本发明还涉及一种运行一流体机械(1)的方法，该流体机械包括一转子(3)和一定子(5)以及一流动通道(7)，在此方法中，该流动通道(7)被一种含离子的工作流体(A)流过以及在该流动通道(7)内产生一规定的磁场(B)，其中，离子(27)在磁场(B)内偏转。

Description

流体机械和运行流体机械的方法

本发明涉及一种流体机械，包括转子和定子，其中构成一个用于工作流体的流动通道，转子可被工作流体驱动。本发明还涉及一种用于运行具有转子、定子和流动通道的流体机械的方法。

已知一些流体机械，例如传统的汽轮机或燃气轮机，按它们的结构形式通常能量转换借助所谓的叶栅或叶轮完成，在工作流体，例如蒸汽或热燃气流过流体机械时，叶栅或叶轮驱动流体机械的转子。在这里所使用的叶栅的功能是，将流动的工作流体内的压力能转换为动能以及将动能转换为机械能。这些叶栅通常设计为固定在转子上的工作叶栅或设计为机匣内的导向叶栅。

为了设计此类叶栅，尤其在流过流动通道的工作流体为高温的情况下，除了优化流动外还尤其应注意例如叶片和叶片固定装置的强度。在这方面有特别重要意义的是，所使用的高温材料的强度特征值随温度升高明显减小。但是，一般力求有更高的过程温度，因为流体机械热力学效率的提高与之相关联。高的运行温度对于所采用的材料的强度特征值的这种影响，同样适用于热涡轮机械的转子。在那里除叶片外转子是承受负荷最大的构件之一，尤其是因为当存在高的材料温度的同时它还承受很大的离心力。转子离心力不仅作用在转子轴上，也作用在装在转子轴圆周面上的工作叶片上。除此之外在叶片或转子上还可能发生其他的高温作用。例如在这里可以指出高温腐蚀或氧化。因此，对于极高使用温度的叶片，例如燃气轮机叶片，有时用单晶体工件制成，以及基于工作流体例如热燃气高的温度需要加强冷却。为此提供一种冷却剂质量流，在燃气轮机的情况下它作为压缩空气例如取自一连接在燃气轮机上游的压缩机，该压缩空气通过一复杂的通道和管路系统导入空心叶片内部供冷却叶片之用(涡流冷却、冲击式冷却或气膜冷却)。此外，这种高温叶片为了在热的腐蚀性介质中使用，还需要用于隔热的隔热层和防腐蚀层。在燃气轮机中，热燃气的涡轮工作温度可以是1200℃和更高。对于汽轮机典型的过程参数是，在供给传统的高压汽轮机段的蒸汽的新蒸汽压力约为250至300bar时，新蒸汽温度例如在540℃至600℃之间。

因此通过使用装有传统叶片的导向叶栅和工作叶栅将压力能转换为动能以及将动能转换为机械能是有某些缺点的。叶片受制造技术的限制当然具有一定壁厚或厚度，而该壁厚减小了流动通道的有效流动截面。这一效果也称堵塞效应。此外，由于叶片数量是有限的，不可能实现工作流体最佳的均匀转向。还有，叶栅具有流动阻力，亦即在叶片上形成边界层，这些边界层导致在后续的叶栅中的二次损失，以及例如在压缩机内再加上附加的误入流，在极端的情况下甚至会造成堵塞。如上面早已讨论的那样，基于使用高质量的高温材料，由于提高了材料和加工成本，使得在高温领域使用的叶片非常昂贵并限制了它们的强度。从强度的观点出发，由于工作叶片承受高的离心力负荷，叶片的高度，亦即最大叶身长度受到限制。在叶片损坏的情况下，例如由于超过最大允许的离心力负荷而导致从转子上脱离时，会在流体机械内产生严重的后继损坏。例如在轴流式流体机械中尤其可能破坏沿工作流体流动方向设在下游的叶栅。已知叶片组的另一个缺点归诸于始终会产生的间隙损失。在叶片与一个形成间隙地与此叶片对置的构件之间流过的工作流体的间隙质量流，导致效率损失(间隙损失)。为了使所述的损失能保持得尽可能低，间隙质量流必须通过狭窄的要在加工技术上非常麻烦地加以保证的间隙来限制。出自于流体机械工作可靠性的原因不允许小于一个最小间隙。这种间隙损失例如在Helmut Pollak的论文“在特别考虑径向间隙流及其影响因素的情况下通过实验对轴流式冷却空气透平进行的研究(Experimentelle Untersuchungen der Strmungsvorgnge inaxialen Kaltluftturbine unter besonderer Berücksichtigung der Radialspaltstrmeund ihre Einflussparameter)”(Rheinisch/Westflische高校，德国亚琛市)中进行了研究。

在K.Straus所著的书“利用化石能源、再生能源及核能源的电站技术Kraftwerkstechnik zur Nutzung fossiler，regenerativer und nuklearerEnergiequellen”(第4版，Berlin，Heidelberg，Springer出版社，1998年，363-370页)中，介绍了以磁流体力学的能量转换为基础的磁流体力学的能量转换器和电站设计。这种磁流体力学原理长期以来是已知的，并在上述书籍中已引入电站的设计方案中，即所谓的“MHD电站”。磁流体力学能量转换(MHD)的基础是电磁感应原理，这种原理也利用在传统的发电机中。按此原理，当导电的材料相对于磁场运动时，在此材料内感应出一个电压。在MHD发电机中，导电的流体流动通过磁场。基于磁场的作用，在流体内导致不同极性电荷的分离，并由此导致等离子气体的势能直接转换为电流。在这里电导率是在MHD发电机中工质的一特别重要的特性。若人们打算利用来自燃烧矿物燃料的烟气作为工质，则它们必须以等离子体状态存在，以便能导电。在此状态电子与原子核的原子键破碎，因此气体主要由游离的电子和正电荷的离子组成。气体的部分电离通过加热到很高的大于2000℃的温度达到。实际上电导率应至少为10S/m。在燃烧气体内按此数量级的值只有在温度为2000至2500℃时通过添加易于电离的材料如铯或钾达到。基于规定用于MHD电站的工作原理，这些电站设计方案显然还没有发展到能成熟运用的程度。

按此方案的MHD发电机原理，通过在一控制压力的燃烧室内与强烈加热的燃烧空气一起燃烧，造成这种等离子体状态，这是一种在气体内存在正离子和电子的状态。热的等离子体在从燃烧室排出后进入到一所谓的扩散器内。在该扩散器中，正离子和电子通过磁场朝不同的电极方向偏转，在那里电子被吸收以及离子通过承接电子失去其电荷。以此方式直接促使电荷流动，亦即产生电流。在从MHD发电机排出后，气体仍始终很热，例如约为2300K。为了进一步利用这些可以在热气体内提供的热能，借助换热器将流入的燃烧空气预热到约2100K。余留的热能通过传统的废热锅炉供给连接在下游的蒸汽循环。这种设计方案存在一些严重的问题，这些问题迄今阻碍该设计方案的大型工业应用和转化：

例如，为了如上所述在2500K时获得等离子体，气体必须接种能易于电离的物质(钾、铯)。这些碱金属既昂贵又只能困难地操作。此外，它们导致污染和腐蚀换热器表面，如在空气加热器内和在废热锅炉内所设有的那些表面。还有，用于达到等离子体状态的极高的温度对于MHD发电机在适用的高温材料方面提出了严重的挑战。与此涉及的还有扩散器和换热器的部件。此外，必须肯定，当前已知和使用的燃气和蒸汽轮机(GUD)电站在此期间能达到的效率已如此之高，以致通过MHD发电机技术来大量提高效率很难做到。

就这方面来说，是通过在蒸汽动力循环前串接一台技术上难以实现的MHD发电机与串接一台大尺寸的已证明可靠的和被接受的燃气轮机竞争。但是在通向商业化的MHD设备的道路上，除了本来的MHD发电机外还要解决一些疑难的问题。其中大部分问题是在等离子体通道内的高温值引起的，对于此等离子体通道的结构所有迄今已知的金属材料均被排除在外。电极还受冲蚀、腐蚀和热应力影响，使工作时间限制为少于1000小时。因此，尽管开展了大量研究工作，当前仍未能预见到商业化地实现MHD设备。

通过综合评估迄今已知的设计方案，可以说在传统的燃气轮机和汽轮机中，除了燃烧室构件和锅炉构件外，叶片和转子算是此类流体机械承受负荷最大的构件。在这里尤其基于热工作流体高的温度特别涉及进口处叶片组。叶片材料的耐高温强度限制了可能的工作温度，以及需要采取有些在技术上复杂的冷却措施。但对于燃气轮机和汽轮机的制造商而言，提高最高的过程温度是提高效率最重要的出发点。不仅在燃气轮机的技术领域，而且在汽轮机的技术领域内，为了提升最高的过程温度均应作出一些巨大的努力。与之相对，在上述MHD电站中使用磁流体力学效应，由于没有充分的可实现性，尤其由于不利的作用原理和一些技术难点，所以至今没有看到大规模的工业应用。

本发明所要解决的技术问题是提供一种能克服上述已知设计方案缺点的流体机械。本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种运行流体机械的方法。

第一个所要解决的技术问题按本发明通过一种包括转子和定子的流体机械得以解决，其中构成一个用于工作流体的流动通道，通过工作流体可以驱动转子，在这里设一块磁铁，它用于在流动通道内产生一可预定的磁场。

通过本发明介绍了一种全新的流体机械设计方案，其中，取代叶栅作用地使用磁流体力学效应来实现流动介质在流体机械内部的偏转。由此可以实现一种“MHD涡轮”或“MHD压缩机”。磁流体力学效应促使流动介质的荷电粒子在流体机械的流动通道内偏转。为了产生规定的磁场设置所述磁铁，它使工作流体中的荷电粒子按洛伦兹力致偏作用偏转。若人们使电荷以规定的速度在一个预定的通过磁感应描述的磁场内运动，则电荷受到一个力。这个力始终垂直于速度。因此，在流过流动通道的工作流体内的荷电粒子，通过由磁铁产生的规定磁场而获得偏转，只要该磁场有至少一个垂直于荷电粒子运动方向，亦即工作流体流动方向的分量。在无限扩展的均匀磁场的理想情况下，促使荷电粒子到一个圆形轨迹上。当迅速走过一个有限的亦即空间有边界的磁场时，粒子因而遵循一个圆弧。这种效应按本发明被充分利用于在流体机械的流动通道内偏转工作流体本身。通过磁铁可以在流动通道内产生一个不仅随时间而且在空间上确定的磁场，从而导致工作流体内荷电粒子发生规定的偏转，并通过基于动量传输的引动效应导致工作流体本身偏转。在这里，所述偏转有利地以通过磁场形成的预定致偏平面的形式在转子与定子之间进行，这些致偏平面沿工作流体的主流动方向，例如在轴流式机械的情况下沿轴向，有一个有限的尺寸(磁场的局部化)。通过该磁场提供一个用于荷电粒子或工作流体的磁致偏平面，在其效果上非常类似于传统的叶栅：在轴流式流体机械的情况下，实施例如从基本上工作流体的轴向流动偏转为一种既有轴向分量也有切向分量的流动，这乃基于下述事实，即，在洛伦兹力作用下使荷电粒子垂直于流动方向通过与磁场的交互作用而获得一个切向分量。这样的磁致偏转类似于传统涡轮的导向叶栅地相应地将工作流体的压力能转换为动能。按相同的方式，可以从工作流体的一种具有轴向分量和切向分量的流动，达到转换为一种基本上沿轴向的流动，在此过程中类似于传统涡轮的工作叶栅将动能转换为机械功。因此在流动通道内具有在空间上和必要时随着时间通过磁铁产生的磁场的一种适用的磁场构型，与传统的涡轮类似，允许工作流体连续膨胀以获得可按旋转能的形式传给转子的机械功。

采用本发明以有利的方式保证流动的工作流体的偏转功能，这一功能在高温的条件下借助于传统的叶片只能付出高昂代价地实现或根本不能实现，但在这里与传统的涡轮技术相比通过一个磁场或通过一些磁场便可以达到。本发明以有利的方式将已知的传统流体机械的工作原理与磁场对荷电粒子的偏转效果组合起来。与此同时可以避免MHD电站设计方案中的一些突出的缺点，因为为了运行流体机械并不强行地需要在极高温的情况下加热产生等离子气体。与MHD发电机不同，并不通过在电极上的电荷偏转利用于直接发电，而是在流体机械内当工作流体膨胀时产生形式上为转子的旋转能量的机械能。由此有可能在发展新的燃气轮机和汽轮机技术的情况下通过该流体机械的设计方案达到明显更高的过程温度，其结果是导致提高涡轮的热效率。因此可以将一种新的有利的工作方式用于流体机械制造中，在这种情况下可望得到根本性的改进。

在所述流体机械的一项优选的扩展设计中，定子具有磁铁。在这里可以将磁铁集成组合在定子内，所以通过磁铁产生的磁场作用到流动通道内。定子也可以有多块磁铁，所以磁场在空间中可以沿流动通道根据需要非常准确地调整。在轴流式机械的情况下，其中定子通常同时构成流动通道的外边界以及同时可以起流体机械外机匣的作用，磁铁有利地能特别便于接近够到，以为了可能的维护或检查工作，或为了安装用于检测流体机械的传感器(例如磁场传感器)。此外，定子材料在选择铁磁性材料时，同时用于增大磁通密度并因而增强在流体通道内的磁场。

在所述流体机械的一项特别优选的扩展设计中，磁场沿径向定向以及沿转子的旋转轴线相对于径向的方向有至少一次符号变换。

一径向磁场可以例如通过一块装在定子上的磁铁产生，其中，该磁场沿径向向内通过流动通道延伸到转子内。通过沿旋转轴线径向磁场分量的符号变换，在流动通道内至少形成一个区域，在此区域内磁场的磁力线例如从定子沿径向向内朝转子延伸，以及在流动通道内至少形成第二个区域，在此区域内磁力线从转子引出沿径向向外通过流动通道延伸以及进入到定子中。因此，与在前一个区域中的情况相比，在该第二个区域内有关径向方向存在所述磁场的一个相反的符号。由于磁场的符号变换，荷电粒子在流动通道内可以沿彼此相反的方向垂直于荷电粒子、亦即工作流体的运动方向地偏转。在轴向式流体机械的情况下，有利地规定至少一次磁场符号变换，所以沿转子的旋转轴线存在至少两个具有不同符号磁场的不同空间的区域。因此，在荷电的粒子沿流体机械的轴向运动时，在第一个区域内实施例如沿顺时针方向的切向偏转，而在第二个区域内荷电的粒子受到一个沿反方向的例如逆时针方向的力。

借助以下简单的观察方法，可用模型说明流体机械的工作原理：在这里，偏转磁场的磁力线只考虑沿其主作用方向，亦即沿径向在转子与定子之间，换句话说对基本上平行的或沿径向向内或沿径向向外定向的磁力线进行理想化的观察。通过这种简化略去散射影响及其作用，这样做在说明基本原理的范畴内应该是允许的。此外，与气体动力学方面的研究(其观察粒子沿所有的空间方向均匀分配的热力运动)相比，离子的运动只考虑从工作流体的入流中产生的离子的那部分运动。所述工作流体的入流运动与该假定基本上均匀分配的热运动相叠加。就此而言，在观察偏转效果时按统计方法考虑流动的工作流体叠加了此均匀分布的热力运动后的速度。

当工作流体进入到一个沿径向在转子与定子之间通过磁铁在流动通道内产生的规定磁场时，在流动的工作流体内存在的荷电粒子通过磁场偏转。在这里的前提条件是工作流体的主流动方向是轴向，例如在轴流式流体机械中的情况。其中在荷电的粒子上作用一个取决于在流动通道内的磁通量、粒子的速度和电荷的力，此力垂直于运动方向定向。此偏转力还称为洛伦兹力。作为荷电的粒子，或可能是具有较小质量和一个负的元电荷的电子，或可能是有明显更大质量的单一或多重荷电的正离子。由于荷电的粒子具有不同的符号，电子沿与正荷电离子的方向相反的方向偏转。基于明显的质量差(例如倍数因子10⁴)，电子还被迫处于一个比离子小许多的圆形轨迹上。若将径向磁场调整为使离子在通过磁场时遭受一次偏转，这种偏转相应于通过传统叶栅对它们的偏转作用，因此电子被吸引到一个小许多的圆形轨迹上，其半径通常小于所述径向致偏场的轴向尺寸。也就是说，电子如离子那样通过相宜地可能规定的偏转不离开磁场，而是到达一个有明显更小半径的圆形轨迹上或一个螺旋线状轨迹上，这取决于在进入磁场时原始的方向和速度。此外，通过在工作流体的电子与其他粒子之间的碰撞，产生电子飞行轨迹和可能速度的改变，所以电子最终同样可能离开磁场。由于一方面通过流动通道的一个充斥磁场尤其径向磁场的区域时具有较大质量的离子绕一确定的圆周角相宜地偏转，以及另一方面由于轻得多的电子通过碰撞过程造成的基本上散乱地排出，而将一角动量传输到带有荷电粒子的工作流体上。因此，根据在流动通道中由磁铁产生的磁场的空间分布、强度和符号情况可以调整形成不同的偏转效果，亦即使传输到工作流体上的角动量可以有不同的数值大小和不同的方向。

优选地，一沿轴向延伸的磁性导向叶片区的所述磁场具有恒定的符号，以及一沿轴向延伸的磁性工作叶片区的所述磁场具有与所述磁性导向叶片区磁场相反的符号。

在磁性导向叶片区内，通过沿轴向流动的工作流体的偏转，类似于传统的涡轮导向叶栅地导致提高流速。此时在轴向的主流方向上叠加一个切向分量，与此同时实施压力能转换为动能。磁性导向叶片区具有一规定符号的磁场，亦即在整个导向叶片区内沿径向向内或沿径向向外。此磁性导向叶片区在空间上是流动通道的一个分区。但磁场的强度在磁性导向叶片区内部完全可以改变，不过优选地几乎恒定。因此可以说磁性导向叶片区确定了一个起导向叶栅作用的致偏平面，或确定了一个沿轴向延伸的致偏盘，抽象地观察它在工作流体上施加了一个等效于传统涡轮导向叶栅的作用。

按类似的方式，在磁性工作叶片区内实施基本上沿轴向定向的流动的工作流体的偏转，使得将从介质获取的角动量传输给流体机械的转子。在磁性导向叶片区和在磁性工作叶片区内，磁场基本上沿径向定向。在这里，磁性导向叶片区和磁性工作叶片区例如形成流动通道在空间上不同的分区。在此扩展设计中，在流体机械内工作流体的偏转通过一个沿径向定向的偏转磁场以例如沿轴向在空间上构成边界的致偏平面的形式或致偏盘的形式进行，所述的偏转磁场在定子与转子之间通过工作流体延伸。通过沿工作流体的流动方向在空间构成边界的范围(致偏盘或致偏平面)，使磁性导向叶片区和磁性工作叶片区的作用非常类似于在传统的流体机械例如燃气轮机、汽轮机、压缩机中的叶栅的作用。在这里实施将基本上沿轴向的流动偏转为有轴向分量和切向分量的流动，在此过程中压力能被转换为动能。就此而言，磁性导向叶片区可以认为在基本作用方式方面类似于传统涡轮的导向叶栅。在磁性工作叶片区内实施将具有轴向分量和切向分量的流动偏转为基本上沿轴向的流动，在此过程中动能被转换为机械功。这种效果就其本质而言类似于传统涡轮的工作叶栅的作用。有利地，可以通过恰当地布置彼此相继的磁性导向叶片区和工作叶片区，达到工作流体类似于传统涡轮的连续膨胀，以获得形式上为转子旋转能量的机械能。

因此，磁性工作叶片区优选地沿工作流体的流动方向沿轴向设在磁性导向叶片区之后。因此，类似于一个传统的包括一个导向叶轮和一个工作叶轮的涡轮机械地实现一个磁性级。在这里，流体机械的磁性级有一个磁性导向叶片区和一个沿轴与之邻接的磁性工作叶片区。磁性工作叶片区不必沿流动方向直接与磁性导向叶片区连接。在磁性导向叶片区与沿轴向设在其后的磁性工作叶片区之间，流动通道可以无磁场，或基本上没有值得一提的磁场。在这样一个中间区域内实际上不发生荷电粒子的进一步偏转，并因此没有其他的角动量传输给带有荷电粒子的流动的工作流体。

优选地，沿所述旋转轴线交替布设一定数量的磁性导向叶片区和磁性工作叶片区。因此在流体机械内可以实现多个磁性级，亦即多个沿轴向亦即沿旋转轴线先后交替分布的磁性导向叶片区和磁性工作叶片区。对此仍可以认为与已知的包括多个沿轴向先后设置的透平级的流体机械有某些相似性。因此，按照要求可以将流体机械设计为具有不同级数和不同尺寸的级规格，并且每级各包括一个磁性导向叶片区和一个与之连接的磁性工作叶片区。

优选地，为了在磁性导向叶片区内构成磁场的边界，磁性导向叶片区包括所述定子的一个沿径向向内延伸的凸块。通过此沿径向向内延伸的凸块，达到磁通密度的局部增大，亦即使磁力线在凸块与沿径向向内与凸块对置的转子之间的空间内集中。通过这种构型，局部近似地实现一种磁偶极子结构，在这种情况下取决于所选择的极性，例如从凸块中引出的磁力线构成磁北极，而磁力线进入其中的位置相对的转子面形成南极。磁场在空间上被限界(confinement)实现相宜地偏转在工作流体内的荷电粒子，从而类似于传统的流体机械地实现一种导向叶片，它的作用原理当然以荷电粒子的磁性偏转为基础。

然而，与传统的叶片组相比，对于本发明的磁性导向叶片而言有利地不需要凸块有复杂的几何形状。凸块在其几何形状和其材料的磁特性方面可以设计为能达到类似于极靴的最佳可能的结果。在这里，凸块可以在结构上简单地适应于径向对称性，尤其与转子的圆柱壳状表面结构相匹配，以及用一种有高导磁率的材料制成，以便相应地达到径向偏转磁场具有高的磁通密度。

在优选的扩展设计中，为了在磁性导向叶片区内构成磁场沿轴向的边界，定子具有一沿径向向内延伸的圆周环，所述凸块设在此圆周环上。圆周环沿整个圆周地围绕转子的旋转轴线延伸。圆周环的轴向尺寸在这里基本上也决定了磁场的轴向长度。通过轴向和径向的限界，在磁性导向叶片区内实现一磁性致偏面(基于其轴向尺寸更准确地说是一个磁性致偏盘)，类似于在传统流体机械中的导向叶片组或叶栅。

此外，在优选的扩展设计中，沿定子的整个圆周设多个沿径向向内延伸的凸块。通过多个凸块，沿整个圆周达到流动介质受均匀作用的并因此增强的偏转，在这种情况下根据凸块的数量和布局形成在空间中的一些有高磁场强度的区域。出于对称的原因，所述凸块有利地按规则地沿定子的整个圆周，例如沿一个假想的规则多边形分布。在这方面，一种具有一个如前面已说明的、在它上面设有多个凸块的圆周环的扩展设计，对于沿径向和轴向的磁场限界是特别有利的。

有关磁性工作叶片区，在特别优选的扩展设计中，为了构成磁场的空间边界它包括转子的一沿径向向内延伸的凸块。类似于磁性导向叶片区，这种构型的优点是：

通过沿径向向外延伸的凸块，达到磁通密度的局部增大，亦即使磁力线在凸块与沿径向向外与凸块相对置的定子之间的空间内集中。通过这种构型，局部近似地实现一种磁偶极子结构，在这种情况下取决于所选择的极性，例如从凸块中引出的磁力线构成磁北极，而磁力线进入其中的位置相对的定子面形成南极。磁场的空间限界(confinement)实现相宜地偏转在工作流体内的荷电粒子，从而类似于传统的流体机械地在这里实现一种以荷电粒子磁性偏转为基础的工作叶片。

优选地，在这里沿转子的整个圆周设多个沿径向向外延伸的凸块。通过多个凸块，沿整个圆周达到所述流动介质受均匀作用地并因此增强地偏转，在这种情况下根据凸块的数量和布局形成在空间中的一些有高磁场强度的区域。出于对称的原因，凸块有利地按规则沿转子的整个圆周，例如沿一个假想的规则多边形分布。在这方面，一种具有一个如上面已结合磁性导向叶片区说明的、在它上面设有多个凸块的圆周环的设计，对于沿径向和轴向的磁场限界是特别有利的。

优选地，所述流体机械具有一用于在工作流体内产生荷电粒子的电离装置。在这里，工作流体内中性粒子的电离可以借助该电离装置以不同的方式进行，例如通过碰冲电离或通过辐射电离。可根据用于中性粒子电离的作用截面，选择恰当的电离过程，所述的电离装置应按此电离过程的原理工作。在这里有利地不需要如在通过加热造成等离子体时的高温。也可以实施多次电离。因此借助该电离装置可产生或可制备一种含离子的工作流体，这种工作流体在流过流动通道时驱动本发明的磁流体力学流体机械。

所述流体机械优选地具有一用于复合在工作流体内的荷电粒子的复合装置。

针对方法所要解决的技术问题按照本发明通过一种运行流体机械的方法得以解决，该流体机械包括一转子和一定子以及一流动通道，在此方法中，所述流动通道被一种含离子的工作流体流过以及在该流动通道内产生一确定的磁场，其中，离子在磁场内被偏转。

该方法的优点可类似地从上述流体机械的优点中得出。

在该方法的优选扩展设计中，由于离子基于与磁场的相互作用而发生偏转，使转子产生旋转。

也优选地，在流动通道内造成一个作用在离子上的径向磁场，使得在流过流动通道时相宜地影响含离子的工作流体的切向速度分量。在这里相宜地充分利用洛伦兹力对荷电粒子，亦即比电子重得多的离子的作用，以便最终给予工作流体一有效角动量(扭转)。该角动量传输可以导致所述流动中膨胀的工作流体增强扭转或减轻扭转。

优选地，在流动通道内产生一沿含离子的工作流体的流动方向交替变换的径向磁场。在这里交替变换的磁场的含义是，沿流动方向磁场的径向分量具有至少一次符号变更，亦即发生径向分量的极性转换。

在该方法的优选扩展设计中，随着时间和/或空间对磁场进行调整。这例如可以通过一块或多块磁铁的适当布置和电控，实现在流动通道内造成一可预定的场分布。

优选地，含离子的工作流体在流过流动通道之前通过在工作流体内粒子的电离作用形成。这例如可以通过一个连接在流动通道进口上游的电离装置达到。

也优选地，离子通过在流过流动通道过程中工作流体内粒子的电离作用形成。这种就地生成的优点是，离子可以相宜地在那些也需要离子用作磁致偏的中介的区域内形成，亦即在磁性导向叶片区或磁性工作叶片区内。

为了生成离子，优选地通过碰冲电离形成离子。作为替代或补充方式，通过辐射电离形成离子，在这种情况下用一种对工作流体内的粒子起电离作用的射线照射工作流体。这种射线可例如是紫外线或X射线。

优选地，在一复合过程和/或催化过程中，清除工作流体中有害物质。所述清除过程优选地在流过流动通道期间和/或在流过流动通道之后实施。

下面借助附图详细说明本发明。附图按简化和不按尺寸比例的方式表示，其中：

图1表示一以磁流体力学原理为基础的流体机械的一个局部；

图2表示荷电粒子在一个空间有界的磁场内的轨迹曲线；

图3表示沿图1所示流体机械的剖切线III-III沿轴向剖切一磁性导向叶片区的剖视图；

图4表示沿图1所示流体机械的剖切线IV-IV沿轴向剖切一磁性工作叶片区的剖视图；

图5以曲线图表示一传统涡轮的压力和速度变化曲线；

图6为了与图5比较以曲线图表示具有磁流体动力叶片组的涡轮的压力和速度变化曲线；

图7以汽轮机为例用方块图表示在采用磁流体动力叶片组的情况下过程功能配置；以及

图8以燃气轮机为例用方块图表示在采用磁流体动力叶片组的情况下过程功能配置。

在附图中相同的附图标记具有相同的含义。

图1以截取局部的方式表示一按磁流体力学原理工作的流体机械1。为此，该流体机械1有一个沿旋转轴线11延伸的转子3。一定子5沿全圆周同心地相隔间距地围绕该转子3，从而形成一个环形的轴向流动通道7，可向该流动通道7中导入一种合离子的工作流体A，例如含离子的蒸汽或燃气。通过工作流体A在流过流动通道7时可以驱动转子3，在此过程中相宜地利用工作流体A内作用到荷电粒子25上、尤其是离子27上的磁致偏效应。

为此，流体机械1有一块磁铁9，用于在流动通道7内产生一个可预定的磁场B。该磁铁9位置固定地集成组合在定子5中，以及可以例如象在图中表示的那样设计为一个电磁线圈，其中，在流动通道7内所期望的磁场B的场强，通过调整或控制通过线圈的电流强度达到。采用这种结构有利地只使用静止的绕组。为了增大磁通密度，定子5在这里至少部分用一种铁磁性的材料制成。同样地，转子3也由铁磁性材料构成。由此达到一个良好的磁场闭合环路以及在流动通道7内正好在磁场B与离子27相互作用的地方达到一特别高的磁通密度。磁场B在流动通道7内基本上沿径向定向，亦即垂直于所述平行于旋转轴线11的含有离子27的工作流体A的主流动方向。沿转子3的旋转轴线11，磁场B就径向而言具有至少一次符号变换，换句话说存在至少一次极性变换。这样调整磁场分布，即，在空间中观察，构成一个沿轴向延伸的、在流动通道7内有恒定的磁场符号的磁性导向叶片区15。此外，设一个沿轴向延伸的、有与导向叶片区15相比符号相反的磁场B的磁性工作叶片区17。在磁性导向叶片区15与磁性工作叶片区17之间，形成一个几乎无磁场的空隙35，在空隙35内可不发生荷电粒子25的磁致偏。在这里，磁性工作叶片区17为形成所述的轴向空隙35沿轴向设在磁性导向叶片区15下游。由此形成的磁场构型，可以类似于一个传统的透平级地被称为磁流体动力级或MHD级。沿旋转轴线11先后设一定数量的这种MHD级，从而在此流体机械1内在形成一各自的无磁场的空隙35的情况下沿旋转轴线11交替地排列相应数量的磁性导向叶片区15和工作叶片区17。空隙35沿径向向内，亦即在转子侧，以及沿径向向外，亦即在定子侧，以各自的导流板33为界。基于期望的空隙35应无磁场，按有利的扩展设计导流板33不用铁磁性材料制造。

图2为了说明而表示了一个带正电荷离子27在一个空间有界的磁场B内的轨迹曲线37(轨道)，如理想化地通过图1所示的流体机械1内的MHD叶片组时那样。图2表示了一个空间上有界的具有磁场B的区域39，该区域沿轴向以无磁场的区域39A、39B为界。基于洛伦兹力F_L在以速度V运动的荷电离子27上的作用，在区域39内发生垂直于磁场方向和垂直于离子27运动方向的偏转，其结果是导致在区域39内一弯曲的轨迹曲线37。反之，在无磁场的区域39A、39B内不发生偏转，亦即轨迹曲线基本上无干扰地亦即直线延伸。磁场B的这种基本的场分布及其对含离子的流动中膨胀作功的工作流体A的作用，通过采用本发明的设计思想首次在流体机械内得到体现。

图3为了详细说明而表示了沿图1所示流体机械1的剖切线III-III沿轴向剖切一磁性导向叶片区15的高度简化剖视图。定子5同心地围绕转子3以形成流动通道7。为了在磁性导向叶片区15内构成磁场B的边界，磁性导向叶片区15有多个沿径向向内延伸的凸块19，它们沿定子5的全圆周布置。凸块19在这里设在一个沿径向向内延伸到流动通道7内的圆周环29A内，并例如与该圆周环连接成一体。有凸块19的圆周环29A全圆周地围绕着转子5并构成一个没有进一步表示的定子机匣的一部分。为了看得更加清楚，磁场B的场分布只表示在导向叶片区15的一个部分区域内。极性应如此选择，即，在定子5的凸块19中形成磁北极N，所以磁力线在凸块19中引出，基本上沿径向向内穿过流动通道7并通过转子表面41进入转子3内部。基于在流动的工作流体A内的离子27，得到通过流动通道7的电荷流，它与在磁性导向叶片区15内和在磁性工作叶片区17(图4)内的磁场相互作用，在此过程产生感应效果。在这里基于此电荷流本身，类似于在磁场内的一个有电流流过的导体那样，产生一个与流动通道内的外部磁场B叠加的磁场。由此沿着电荷流在结构性叠加时形成有更大磁力线密度的场区，以及与此同时在破坏性叠加时形成磁力线密度较小的相应的场区。因为磁力线有缩短的趋势，导致电荷流从磁力线密度较大的场区向磁力线密度较小的场区偏转(洛伦兹定律)。

图4以类似于图3的视图表示沿图1所示流体机械的剖切线IV-IV沿轴向剖切一磁性工作叶片区17的剖视图。为了在磁性工作叶片区17内构成磁场B的空间边界，磁性工作叶片区17有多个沿径向向外延伸的凸块21，它们沿转子3的全圆周设在转子的圆周环29B上。圆周环29B用于在磁性工作叶片区17内构成磁场B尤其沿轴向的空间边界以及沿径向向外延伸。磁场B的极性与磁性工作叶片区17(图3)相比在这里选择为，使得现在在转子5的凸块21处形成磁北极N，所以磁力线在凸块21中引出，沿径向向外穿过流动通道7并通过定子表面43进入定子3的内部。通过凸块19、21使磁力线集中，亦即达到在导向叶片区17内或在工作叶片区15内使径向磁场B的强度更大，并由此使磁场B与通过离子27的运动形成的电荷流的相互作用限制在此局部区域内。因此通过在导向叶片区17和工作叶片区15内的场分布，实现磁致偏平面(导向面和运行面)，或基于轴向尺寸实现致偏盘。

通过磁场B提供的这种用于荷电粒子25、27或含离子的工作流体A的磁致偏平面，就其作用而言与传统的叶栅非常相似：

在如这里举例讨论的轴向式流体机械1的情况下，例如实施从工作流体A基本上轴向的流动偏转为既包括轴向分量也有切向分量的流动，这基于下列事实，即通过与磁场B的相互作用由于洛伦兹力F_L(图2)给予荷电粒子25、27垂直于流动方向的一个切向分量。这种偏转与工作流体A的压力能转换为动能相关联，类似于传统涡轮的一个导向叶栅。按相同的方式，可以类似于传统涡轮的一个工作叶栅地实现从含有轴向和切向分量的工作流体A的流动，转换为基本上沿轴向的流动，在这种情况下动能转换为机械功。因此，在流动通道7内在空间上和必要时随着时间通过磁铁9产生的磁场B的一恰当的磁场构型，与一传统的涡轮类似地允许工作流体A连续膨胀以获得机械功，该机械功基于所述磁感应角动量变化以旋转能量的形式传输给转子3，所以该转子3以一角速度ω旋转。

为了用图说明MHD流体机械1与一传统的涡轮，例如汽轮机的相似性，图5和6表示了具有传统的叶片组(图5)的传统反动式汽轮机和有MHD叶片组的流体机械1的压力变化曲线49和速度变化曲线51。图5中一个粒子，例如一个燃气分子或蒸汽分子通过分别由传统的导向轮45和工作轮47组成的透平级的轨迹曲线37，本质上在很大程度上与离子27在通过本发明的磁性级时的轨迹曲线37相似，本发明的磁性级沿轴向彼此相继地由一个磁性导向叶片区15、一个无磁场的空隙35和一个磁性工作叶片区17组成。所述的相似性也可以在压力变化曲线49和速度变化曲线中找到：

沿轴向膨胀的工作流体A相对于轴向的行程长度L(图6)或相对于级数(图5)的压力变化曲线49画在图5和6的中间分视图中。压力P标在坐标系的Y轴上以及轴向行程长度L或级数标在X轴上。压力P在两个分视图中沿X轴同样地台阶状下降，其中，尤其在磁性导向叶片区17和工作叶片区15中，相应于沿传统的导向叶片组45和工作叶片组47的压力变化曲线可达到一明显的压力降。在它们之间，压力P近似恒定。

沿轴向膨胀的工作流体A相对于轴向行程长度L(图6)或相对于级数(图5)的速度变化曲线51画在图5和6的下部分视图中。速度C标在坐标系的Y轴上以及轴向行程长度L或级数标在X轴上。在这些情况下速度C指的是所谓的绝对速度，这是一个在涡轮设计中众所周知的参量。

速度C在两分视图中同样地在最小值C_min和最大值C_max之间交替变化。在这里速度C沿导向叶片组45从最小值C_min一直提高到最大值C_max，到达一个台地状的几乎恒定的区段，接着沿后续的工作叶片组47重新从最大值C_max减小到最小值C_min。这种速度变化曲线51也可以准确地在图6中的相应下部分视图中看到，在那里这些有关于速度C的效果同样出现在工作流体A通过磁性导向叶片区15、空隙35和磁性工作叶片区17轴向膨胀时。

图7用方块图高度简化和示意性地表示工作过程D1至D7和过程装置的配置，其中以使用本发明的磁流体动力(MHD)叶片组的汽轮机为例。首先规定前接的工作过程D1和D2，它们在流体机械1(在这里是有蒸汽循环的汽轮机)真正的MHD过程之前实施。这些前接的工作过程首先包括向工作流体A(在这里是水或水蒸汽)中供入热量。在过程步骤D1中对工作流体的加热可例如在一锅炉、一蒸汽发生器锅炉内进行。接着，(可选择)在D2内实施传统的汽轮机过程，其中已加热的工作流体A作功地流过传统的汽轮机叶片组并在那里部分膨胀。为了造成含离子的工作流体A，在过程步骤D3中规定在工作流体A内的粒子电离。为此设一电离装置23，它例如借助辐射电离或电子碰冲电离在工作流体A中产生有足够密度的离子27(也可见图1)。在过程步骤D4中实施真正的MHD过程。流动通道7被含离子的工作流体A流过，其中，在流动通道7内造成一个规定的磁场B，在这种情况下离子在磁场内偏转。MHD流体机械1的转子3基于离子27由于与磁场的相互作用发生的偏转而被置于旋转之中。离子27也可以在该MHD过程步骤D4中流过流动通道7期间通过在工作流体A内粒子的电离产生。如果需要，在MHD过程步骤D4下游连接过程步骤D5，在此过程步骤D5中通过一复合过程和/或一催化过程为工作流体清除有害物质。为了此清除步骤，例如设一复合装置31。连接在下游的过程步骤D6和D7有传统的性质：例如(可选择)在D6中再实施一次传统的汽轮机循环，其中，仍然热的工作流体A作功地流过传统的汽轮机叶片组并在此过程中进一步膨胀。以此方式可达到整个汽轮机设备具有一尽可能高的总效率。最后，在过程步骤D7中实施从已基本上膨胀完毕的工作流体A中将热量排入一凝汽器53内。

图8在另一个方块图中高度简化和示意性地以一个使用本发明的磁流体动力(MHD)叶片组的燃气轮机为例表示工作过程G1至G7和过程装置的配置。首先规定前接的工作过程G1，它在流体机械1(在这里是有燃气轮机循环的燃气轮机)中真正的MHD过程之前实施。该前接的工作过程G1首先包括在一个传统的压缩机部件中压缩工作流体A，在这里是压缩空气的步骤。接着在工作过程G2中可选择进行一MHD压缩过程，其中借助电离装置23形成含离子的工作流体A以及在一MHD过程中在具有MHD叶片组的MHD压缩机内将其压缩。之后，在步骤G3中加热经如此压缩的工作流体A。在过程步骤G3中工作流体A的加热在这里可例如在燃气轮机的燃烧室内实施，其中，来自过程步骤G2的压缩空气与一燃料一起燃烧，并因而提供热燃气作为工作流体A用于后续的过程步骤G4。

为了形成含离子的工作流体A，在过程步骤G4中规定在工作流体A内的粒子电离。为此设一电离装置23，它例如借助辐射电离或电子碰冲电离在工作流体A中产生具有足够密度的离子27(也可见图1)。在过程步骤G4中同时实施真正的MHD过程。流动通道7被含离子的工作流体A流过，其中，在流动通道7内造成一个规定的磁场B，在这种情况下离子27在磁场内偏转。MHD流体机械1，在这里是MHD燃气轮机的转子3，基于离子27由于与磁场的相互作用发生的偏转而产生旋转。离子27也可以附加地在进入流动通道7之前在MHD过程步骤G4中通过在工作流体A内粒子的电离产生。如果需要，在MHD过程步骤G4下游连接一过程步骤G5，在该过程步骤G5中通过一复合过程和/或催化过程为工作流体A清除有害物质。为了此清除步骤，例如设一复合装置31。连接在下游的过程步骤G6和G7有传统的性质：例如(可选择)在G6中再实施一次传统的燃气轮机循环，其中，仍然热的工作流体A，亦即热燃气，作功地流过传统的燃气轮机叶片组并在此过程中进一步膨胀和冷却。以此方式包括过程步骤G1至G7的整个燃气轮机装置可达到一尽可能高的总效率。最后，在过程步骤G7中实施从已基本上膨胀完毕和冷却的工作流体A中将热量排入一废热锅炉55、一其他换热装置或烟囱内。

总之可以确认，如已说明的那样，一个用于流体机械的MHD叶片组可以意味着，在一流体机械1中通过利用磁流体力学效应实现不仅磁性导向叶片区15而且磁性工作叶片区17。但同样可以将传统的导向叶轮或一导向叶片组45与一磁性工作叶片区17组合，或将一磁性导向叶片区15与一传统的工作叶轮或工作叶片组47组合。因此，在此意义上说也可以实现“混合级”，即在一个流体机械1内有MHD叶片组和传统的叶片组，或在过程设备中有流体机械1。为了运行流体机械1，相宜地在所述MHD过程之前连接所述电离装置23，为的是在进入流体机械1的流动通道7时便已经保证在工作流体A内有密度足够大的离子27。在过程进行中，亦即在含离子的工作流体A流过流动通道7期间的再电离，可以连续或重复地借助所述适用的电离装置23进行。可采用一复合装置31在流过MHD叶片组后或按具体情况也可以在其流动过程中，尤其在流动通道7中在需要保护的装置或构件中进行净化。在后一种情况下，建议在工作流体A流入下一个磁性导向叶片区15或工作叶片区17之前，工作流体A在流动通道7中重新电离。

Claims (26)

1.一种流体机械(1)，包括一转子(3)和一定子(5)，其中构成一个用于工作流体(A)的流动通道(7)，所述转子(3)可被该工作流体(A)驱动，其特征在于一用于在所述流动通道(7)内产生一可预定的磁场(B)的磁铁(9)。

2.按照权利要求1所述的流体机械(1)，其特征为：所述定子(5)具有所述磁铁(9)。

3.按照权利要求1或2所述的流体机械(1)，其特征为：所述磁场(B)沿径向定向。

4.按照权利要求3所述的流体机械(1)，其特征为：所述磁场(B)沿转子(3)的旋转轴线(11)在径向方面具有至少一次符号变换。

5.按照权利要求1、2、3或4所述的流体机械(1)，其特征为：设有一沿轴向延伸的带有恒定符号磁场的磁性导向叶片区(15)，以及一沿轴向延伸的带有与所述磁性导向叶片区(15)相反符号磁场(B)的磁性工作叶片区(17)。

6.按照权利要求5所述的流体机械(1)，其特征为：所述磁性工作叶片区(17)沿轴向沿所述工作流体(A)的流动方向设在所述磁性导向叶片区(15)之后。

7.按照权利要求5或6所述的流体机械(1)，其特征为：一定数量的磁性导向叶片区(15)和工作叶片区(17)沿所述旋转轴线(11)交替地布置。

8.按照权利要求5、6或7所述的流体机械(1)，其特征为：为了在所述磁性导向叶片区(15)内构成所述磁场(B)的空间边界，所述定子(5)具有一沿径向向内延伸的圆周环(29A)。

9.按照权利要求5、6、7或8所述的流体机械(1)，其特征为：为了在所述磁性导向叶片区(15)内构成所述磁场(B)的边界，所述磁性导向叶片区(15)包括所述定子(5)的沿径向向内延伸的凸块(19)。

10.按照权利要求9所述的流体机械(1)，其特征为：沿所述定子(5)的整个圆周设多个沿径向向内延伸的凸块(19)。

11.按照权利要求5至10中任一项所述的流体机械(1)，其特征为：为了在所述磁性工作叶片区(17)内构成所述磁场(B)的空间边界，所述转子(3)具有一沿径向向外延伸的圆周环(29B)。

12.按照权利要求5至11中任一项所述的流体机械(1)，其特征为：为了在所述磁性工作叶片区(17)内构成所述磁场(B)的边界，该磁性工作叶片区(17)包括所述转子(3)的沿径向向外延伸的凸块(21)。

13.按照权利要求12所述的流体机械(1)，其特征为：沿所述转子(3)的整个圆周设有多个沿径向向外延伸的凸块(21)。

14.按照权利要求1至13中任一项所述的流体机械(1)，其特征在于一用于在所述工作流体(A)内产生荷电粒子(25)的电离装置(23)。

15.按照权利要求1至14中任一项所述的流体机械(1)，其特征在于一用于复合在所述工作流体(A)内的荷电粒子(25)的复合装置(31)。

16.一种运行一流体机械(1)的方法，此流体机械包括一转子(3)和一定子(5)以及一流动通道(7)，在此方法中，所述流动通道(7)被一种含离子的工作流体(A)流过以及在该流动通道(7)内产生一个规定的磁场(B)，其中，离子(27)在该磁场(B)内偏转。

17.按照权利要求16所述的方法，其特征为：由于离子(27)基于与所述磁场(B)的相互作用而偏转，使所述转子(3)进行旋转。

18.按照权利要求16或17所述的方法，其特征为：在所述流动通道内造成一个作用到所述离子(27)上的径向磁场(B)，使得所述含离子的工作流体(A)在流过所述流动通道(7)时有针对性地影响该含离子的工作流体(A)的切向速度分量(V)。

19.按照权利要求16、17或18所述的方法，其特征为：在所述流动通道(7)内产生一个沿所述含离子的工作流体(A)的流动方向交替变换的径向磁场(B)。

20.按照权利要求16至19中任一项所述的方法，其特征为：随时间和/或空间来调整所述磁场(B)。

21.按照权利要求16至20中任一项所述的方法，其特征为：所述含离子的工作流体(A)在流过所述流动通道(7)之前通过在工作流体(A)内粒子的电离作用形成。

22.按照权利要求16至21中任一项所述的方法，其特征为：通过在工作流体(A)流过流动通道(7)过程中该工作流体(A)内的粒子的电离作用来形成离子(27)。

23.按照权利要求16至22中任一项所述的方法，其特征为：通过碰冲电离形成离子(27)。

24.按照权利要求16至23中任一项所述的方法，其特征为：通过辐射电离形成离子(27)。

25.按照权利要求14至24中任一项所述的方法，其特征为：在一复合过程和/或催化过程中，为所述工作流体(A)清除有害物质。

26.按照权利要求25所述的方法，其特征为：在所述工作流体(A)流过流动通道(7)期间和/或在流过流动通道(7)后实施所述清洁。

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