TW201719006A - 渦輪結構 - Google Patents

Abstract

一種渦輪結構，包括同軸設定的定子與轉子且適於以稠相流體為驅動介質。定子具有本體與多個導流葉片。導流葉片相對於一軸呈螺旋放射狀地配置於本體上。轉子沿該軸可轉動地裝設於定子。轉子具有輪轂及配置在輪轂上且呈螺旋放射狀排列的多個輪葉。稠相流體沿相對於該軸的徑向而從導流葉片之間流入轉子，並抵壓輪葉而驅使轉子相對於定子以該軸旋轉。

Description

渦輪結構

本發明是有關於一種渦輪結構，且特別是一種以稠相流體為驅動介質的渦輪結構。

綠色、節能和智慧化是未來工業發展的基本趨勢。以能源工業而言，為讓熱機循環具有較佳的工作效率，現有以超臨界流體（例如二氧化碳）作為驅動介質的熱發電系統已逐漸受到重視，其具有較其他熱機循環發電技術產生更高效率，無汙染且系統體積小等環保特色，因而能適用在工業廢熱回收、太陽熱與地熱發電之潔淨能源與石化發電汽渦輪機升級替換等領域，以讓所述領域有此裝置者在熱循環過程中產生的大量熱損失能被再次利用，同時也避免因熱排放而對環境造成污染。

惟，目前設計於前述熱電系統中的渦輪結構，其仍是以現有流體作為設計依據，並未有足以對應所述介質特性的渦輪結構。因此，如何提供足以適應所述驅動介質之特性的渦輪結構，實為相關人員所需思考的課題。

本發明提供一種渦輪結構，其以稠相流體為驅動介質而能具有較佳的作動效率。

本發明的渦輪結構，適於以稠相流體為驅動介質。渦輪結構包括同軸設置的定子與轉子。定子具有本體與多個導流葉片。導流葉片相對於一軸而呈螺旋放射狀地配置於本體上。轉子沿該軸可轉動地裝設於定子。轉子具有輪轂及配置在輪轂上且呈螺旋放射狀排列的多個輪葉。稠相流體沿相對於該軸的徑向從導流葉片之間流入轉子，以抵壓輪葉而驅使轉子相對於定子以該軸旋轉。

在本發明的一實施例中，上述的轉子具有多個徑向入口與多個軸向出口。稠相流體從導流葉片之間經由徑向入口而流入轉子的輪葉之間，並從軸向出口流出。

在本發明的一實施例中，上述輪轂在徑向入口處的一邊緣相對於該軸存在第一距離（b1），而各軸向出口具有遠離該軸的第一端與靠近該軸的第二端，其中第一端相對於該軸存在第二距離（b2），第二端相對於該軸存在第三距離（b3），且b2/b1=0.45至0.6，b3/b2=0.4至0.55。

在本發明的一實施例中，上述各徑向入口處的各輪葉的輪廓於一平面上的正投影，與平面上的一直線之間存在20度的夾角，所述平面以上述軸為法線，且直線通過上述軸。

在本發明的一實施例中，上述的本體分隔為第一區與第二區，第一區與第二區均以上述軸為對稱中心，以使第二區將第一區環繞於內。上述的導流葉片位於第二區。

在本發明的一實施例中，上述的第一區與第二區沿上述軸存在段差，以使第一區形成相對第二區的凹陷結構。上述的轉子可轉動地配置於第一區。

在本發明的一實施例中，上述各導流葉片具有鄰近第一區的尖端。在一平面上，尖端朝向第一區的一延伸線在第一區與第二區的交界形成交點。第一區與第二區的交界在交點處的切線與延伸線形成20度的夾角。

基於上述，在所述渦輪結構中，轉子與定子共軸地設置在一起，稠相流體經由定子上的導流葉片而得以導流至轉子，以讓稠相流體沿相對於軸的徑向流入轉子，並藉此抵壓轉子的輪葉而使轉子能相對於定子轉動，以此提高稠相流體驅動轉子的效率。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1是依據本發明一實施例的一種渦輪結構的示意圖。圖2是圖1的渦輪結構的爆炸圖。請同時參考圖1與圖2，在本實施例中，渦輪結構100適於以稠相流體（dense phase fluid）作為其驅動介質，在此所謂稠相流體，是指可壓縮氣體之液態或超臨界態（supercritical）及其混合物所組成之流體，所述可壓縮氣體包括但不限於二氧化碳、氮、甲烷、丙烷、氮氧化物等惰性氣體及其混合物。一般而言，稠相流體的黏滯性較高，體積流率較低，因此並不適用目前已知用於非臨界流體下的渦輪結構。

據此，本實施例的渦輪結構100包括轉子110、定子120外殼環（shroud）130、軸封140、轉軸150、罩體160A～160C、軸承180A～180C以及軸承壓扣170A、170B。轉子110與定子120同軸地設置在外殼環130與軸封140之間，而後再行裝設於罩體160A、160B與160C之間，其中轉子110、定子120、外殼環130與軸封140實際上位於罩體160A與160B之間。轉軸150沿軸X1穿設上述構件之中而結合至轉子110，且藉由軸承180A、180B與180C結合於定子120、軸封140與罩體160C，以讓轉軸150與轉子110能同步地相對於定子以軸X1進行旋轉，所述軸承壓扣170A係用以固定軸承180A、180B於罩體160B，而軸承壓扣170B係用以固定軸承180C於罩體160C。另，轉軸150可結合至發電機（未繪示）的相關構件，以藉由轉軸150的旋轉運動而達到發電的效果。

圖3繪示圖2的轉子與定子的示意圖。圖4繪示圖3轉子與定子的剖面圖。請同時參考圖2至圖4，在本實施例中，定子120具有本體122與多個導流葉片124，所述導流葉片124相對於軸X1而呈螺旋放射狀地配置於本體122上。本體122能進一步地分隔為第一區A1與第二區A2，其均以軸X1為對稱中心，其中第一區A1與第二區A2之間沿軸X1存在段差，讓第一區A1形成相對於第二區A2的凹陷結構，且第二區A2將第一區A1環繞於內，與轉軸150結合的轉子110實際上位於本體122的第一區A1，即所述凹陷結構中，導流葉片124則是配置在本體122的第二區A2。

轉子110具有輪轂112及配置在輪轂112上的多個輪葉114，並構成轉子110的徑向入口E1與軸向出口E2。稠相流體沿相對於軸X1的徑向流入定子120的導流葉片124之間後，再由導流葉片124之間經所述徑向入口E1而流入轉子110的輪葉114之間，最後從軸向出口E2流出轉子110，其中稠相流體會抵壓在所述輪葉114上，進而驅動轉子110能相對於定子120以軸X1進行相對旋轉，因此讓轉子110帶動轉軸150運動以驅動發電機。

如前述，為了因應稠相流體的特性，以下以不同部分描述轉子110與定子120的相關結構特徵。

請參考圖3與圖4，轉子110的輪轂112在徑向入口處的邊緣相對於軸X1存在第一距離（b1）。換句話說，所述第一距離（b1）實質上能被視為轉子110的旋轉半徑。再者，如圖2所示，轉子110的軸向出口E2具有遠離軸X1的第一端D1，以及鄰近軸X1的第二端D2，其中第一端D1相對於軸X1存在第二距離（b2），而第二端相對於軸X1則存在第三距離（b3），且在本實施例中，b2/b1=0.45至0.6，b3/b2=0.4至0.55。如此，轉子110藉由此舉讓其軸向出口E2與輪轂112之間的比例得以最佳化，而能因應稠相流體所具有較低流體膨脹率的特性需求。進一步地說，由於稠相流體的分子之間的吸引力較大，因此造成其體積並不易膨脹，故對稠相流體在轉子110處的流道（輪葉114之間的空間）而言，也應採流道截面變化較小的狀態，以維持稠相流體在徑向入口E1與軸向出口E2具有一致的流速，否則如若未維持前述的比例關係，則稠相流體便不易抵壓於輪葉114上，而無法順利且對應地驅動轉子110進行旋轉運動。

圖5繪示圖3轉子與定子的俯視圖，其中為方便描述，在圖4與圖5分別提供平面P1作為參考，且平面P1是以軸X1作為其法線。請參考圖5，在本實施例中，為讓稠相流體從定子120的導流葉片124流入轉子110時具有足夠的動能，因此在本實施例中，導流葉片124具有鄰近第一區A1的尖端D3，其延伸切線L1在第一區A1與第二區A2的交界形成交點C1（直線L3’實質上為轉子110的半徑，在此僅以虛線繪示而作為交點C1處切線L2的參考），而所述第一區A1與第二區A2的交界在該交點的切線L2則與前述延伸切線L1形成夾角T1，在此，T1=20度。如此，將會使稠相流體經由徑向入口E1流入轉子110時具有較大的流體切線速度。

此外，為了因應前述結構特徵而使稠相流體具備較大的流體切線速度所可能導致的二次流（secondary fluid）影響，在本實施例中，轉子110的徑向入口E1需提供對應的結構設計，在此，位在徑向入口E1處的輪葉114的輪廓在平面P1上的正投影，其實質上會與輪轂112在平面P1的直線L3存在夾角T2，在此，T2=20度，其中直線L3會通過軸X1。換句話說，此舉能讓稠相流體在流入轉子110的當下，有效地降低因與導流葉片124之間的流向角度變化過大而可能產生的逆流現象，以確保稠相流體能以平滑的流徑從定子120流向轉子110。

綜上所述，在本發明上述實施例，所述以稠相流體作為驅動介質的渦輪結構中，其定子具有呈螺旋放射狀地配置的導流葉片，而轉子可轉動且同軸地設置在定子的中央處，以被所述導流葉片所環繞，稠相流體據以從導流葉片之間沿相對於軸的徑向而流至轉子，並據以抵壓於輪葉以推動轉子旋轉。

再者，轉子與定子之間藉由相關結構設計而據以提高稠相流體驅動轉子進行轉動的效率，其中藉由調整軸向出口相對於轉子之輪轂的比例，即，輪葉從徑向入口至軸向出口所形成流道的截面面積變化比例降低，以能因應體積膨脹率較小的稠相流體。

此外，定子的導流葉片進入轉子處的切線夾角為20度，而讓轉子的徑向入口處的輪葉與轉子的邊緣也呈20度夾角，以讓稠相流體從定子流出時能具有足夠的動能，且進入轉子時能因流徑平滑而不易產生逆流或二次流的情形。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧渦輪結構
110‧‧‧轉子
112‧‧‧輪轂
114‧‧‧輪葉
120‧‧‧定子
122‧‧‧本體
124‧‧‧導流葉片
130‧‧‧外殼環
140‧‧‧軸封
150‧‧‧轉軸
160A～160C‧‧‧罩體
170A、170B‧‧‧軸承壓扣
180A～180C‧‧‧軸承
A1‧‧‧第一區
A2‧‧‧第二區
b1‧‧‧第一距離
b2‧‧‧第二距離
b3‧‧‧第三距離
C1‧‧‧交點
D1‧‧‧第一端
D2‧‧‧第二端
D3‧‧‧尖端
E1‧‧‧徑向入口
E2‧‧‧軸向出口
L1‧‧‧延伸切線
L2‧‧‧切線
L3、L3’‧‧‧直線
P1‧‧‧平面
T1、T2‧‧‧夾角
X1‧‧‧軸

圖1是依據本發明一實施例的一種渦輪結構的示意圖。 圖2是圖1的渦輪結構的爆炸圖。 圖3繪示圖2的轉子與定子的示意圖。 圖4繪示圖3轉子與定子的剖面圖。 圖5繪示圖3轉子與定子的俯視圖。

110‧‧‧轉子

112‧‧‧輪轂

114‧‧‧輪葉

120‧‧‧定子

122‧‧‧本體

124‧‧‧導流葉片

D1‧‧‧第一端

D2‧‧‧第二端

E1‧‧‧徑向入口

E2‧‧‧軸向出口

X1‧‧‧軸

Claims (7)

1. 一種渦輪結構，適於以稠相流體為驅動介質，該渦輪結構包括： 一定子，具有一本體與多個導流葉片，該些導流葉片相對於一軸而呈螺旋放射狀地配置於該本體上；以及 一轉子，沿該軸可轉動地裝設於該定子，該轉子具有一輪轂及配置在該輪轂上且呈螺旋放射狀排列的多個輪葉，稠相流體沿相對於該軸的徑向流入該轉子的該些導流葉片之間，以抵壓該些輪葉而驅使該轉子相對於該定子以該軸旋轉。
2. 如申請專利範圍第1項所述的渦輪結構，其中該轉子具有多個徑向入口與多個軸向出口，稠相流體從該些導流葉片之間經由該徑向入口而流入該轉子的該些輪葉之間，並從該些軸向出口流出。
3. 如申請專利範圍第2項所述的渦輪結構，其中該輪轂在該徑向入口處的一邊緣相對於該軸存在一第一距離（b1），而各該軸向出口具有遠離該軸的一第一端與靠近該軸的一第二端，其中該第一端相對於該軸存在一第二距離（b2），該第二端相對於該軸存在一第三距離（b3），且b2/b1=0.45至0.6，b3/b2=0.4至0.55。
4. 如申請專利範圍第2項所述的渦輪結構，其中在各該徑向入口處的各該輪葉的輪廓於一平面上的正投影，與該平面上的一直線之間存在20度的夾角，該平面以該軸為法線，且該直線通過該軸。
5. 如申請專利範圍第1項所述的渦輪結構，其中該本體分隔為一第一區與一第二區，該第一區與該第二區均以該軸為對稱中心，以使該第二區將該第一區環繞於內，該些導流葉片位於該第二區。
6. 如申請專利範圍第5項所述的渦輪結構，其中該第一區與該第二區沿該軸存在段差，以使該第一區形成相對該第二區的凹陷結構，該轉子可轉動地配置於該第一區。
7. 如申請專利範圍第5項所述的渦輪結構，其中各該導流葉片具有鄰近該第一區的一尖端，該尖端朝向該第一區的一延伸線在該第一區與該第二區的交界形成一交點，該第一區與該第二區的交界在該交點處的切線與該延伸線形成20度的夾角。