TWI592567B - 渦輪進氣控制裝置及進氣控制方法 - Google Patents

Description

渦輪進氣控制裝置及進氣控制方法

本發明是有關於一種渦輪進氣控制裝置，且特別是有關於一種渦輪進氣控制裝置及進氣控制方法。

在現行的系統中，由於有機朗肯循環(Organic Rankine Cycle,ORC)系統可根據所採用的廢熱來源選擇適當的工作流體以回收廢熱，因此相較於傳統以水為工作流體之廢熱回收發電系統，ORC系統具備低操作溫度、低操作壓力、設備簡單等優點，而且ORC系統可針對變動型熱源(低溫廢熱、地熱、溫泉、太陽熱能)作小型發電，與現有能源系統的整合性較高。

然而，由於上述變動型熱源的溫度和單位時間內之質量流率具有週期性、間歇性或不定期性的變異，故有可能因熱源的條件變動至ORC系統正常運轉的條件外而導致ORC系統停機。如此一來，將會降低ORC系統的累積發電量，因此，如何改善ORC系統面對變動型熱源時的運轉模式及可操作範圍，有待業界進一步探討。

本發明係有關於一種渦輪進氣控制裝置及控制方法，透過部分進氣控制，以維持工作流體的質量流率在一預定範圍內。

本發明係有關於一種應用於有機郎肯循環(ORC)系統之進氣控制方法，能夠提升ORC系統的可操作範圍和使用率，進而提升ORC系統的經濟效益。

根據本發明之一方面，提出一種渦輪進氣控制裝置，包括一渦輪殼體、一驅動及控制單元、一封氣機組件以及一傳動組件。渦輪殼體具有一進氣口以及一排氣口。驅動及控制單元包括一控制器以及一步進馬達，控制器驅動步進馬達。封氣機組件設置於渦輪殼體上，封氣機組件包括一渦輪定子支撐板、多個封氣板以及多個彈性件，渦輪定子支撐板之徑向方向上設有多個封氣板容置槽，且此些封氣板以及此些彈性件設置於此些封氣板容置槽中。傳動組件連接於驅動及控制單元以及封氣機組件之間，傳動組件包括一凸輪環以及多個設置於凸輪環之徑向方向上之頂塊。步進馬達控制凸輪環之旋轉角度，使此些頂塊與此些封氣板接觸，以進行進氣口之部分進氣控制。

根據本發明之一方面，提出一種應用於有機郎肯循環(ORC)系統之進氣控制方法，包括下列步驟。根據工作流體的質量流率，計算出熱源負載減少所需封閉一渦輪進氣口之流道數量與一步進馬達的旋轉角度。啟動步進馬達，並以步進馬達驅動及控制一凸輪環所需旋轉角度以及一封氣機組件所需封閉的流道數量。當熱源操作條件滿足全負載進氣模式時，ORC系統進行全負載運轉，而當熱源操作條件未達到全負載運轉時，ORC系 統依照封閉的流道數量進行部份負載運轉。

為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

100‧‧‧渦輪進氣控制裝置

110‧‧‧渦輪殼體

111‧‧‧進氣口

112‧‧‧排氣口

113‧‧‧流量感測器

114‧‧‧流道

120‧‧‧驅動及控制單元

121‧‧‧步進馬達

122‧‧‧控制器

123‧‧‧主軸

130‧‧‧傳動組件

131‧‧‧時規皮帶

132‧‧‧主動皮帶輪

133‧‧‧被動皮帶輪

134‧‧‧凸輪環

135‧‧‧頂塊

136‧‧‧輪轂

137‧‧‧渦輪定子

138‧‧‧渦輪葉片

139‧‧‧軸套

140‧‧‧封氣機組件

141‧‧‧渦輪定子支撐板

141a‧‧‧內環支撐部

141b‧‧‧外環支撐部

141c、141d‧‧‧徑向延伸壁

141e‧‧‧外側壁

141f‧‧‧內側壁

141g‧‧‧環狀凹槽

142‧‧‧封氣板

142a‧‧‧頂端

142b‧‧‧末端

142c‧‧‧桿體

143‧‧‧彈性件

144‧‧‧封氣板容置槽

151~154‧‧‧密封件

155~156‧‧‧迷宮密封結構

P1‧‧‧第一限位部

P2‧‧‧第二限位部

F‧‧‧工作流體

θ1‧‧‧第一角度

θ2‧‧‧第二角度

第1圖繪示依照本發明一實施例之渦輪進氣控制裝置的示意圖。

第2圖繪示第1圖中沿著A-A剖面之渦輪進氣控制裝置的剖面示意圖。

第3A圖繪示封氣機組件的局部放大圖。

第3B圖繪示封氣機組件作動後的局部放大圖。

第4A、4B及4C圖分別繪示封氣機組件與凸輪環之間操作模式的示意圖。

第5圖繪示本發明應用於ORC系統之進氣控制方法的流程圖。

以下係提出實施例進行詳細說明，實施例僅用以作為範例說明，並非用以限縮本發明欲保護之範圍。

請參照第1及2圖，其中第1圖繪示依照本發明一實施例之渦輪進氣控制裝置100的示意圖，第2圖繪示第1圖中沿著A-A剖面之渦輪進氣控制裝置100的剖面示意圖。渦輪進氣控制裝置100包括一渦輪殼體110、一驅動及控制單元120、一傳動組件130、一輪轂136、一封氣機組件140以及多個防漏密封件151~154。渦輪殼體110具有一進氣口111以及一排氣口112。 此外，渦輪殼體110於進氣口111內還可設置一流量感測器113，用以偵測通過進氣口111的工作流體F的流量或質量流率(單位時間的流量)。驅動及控制單元120包括一步進馬達121以及一控制器122，控制器122用以驅動步進馬達121，並控制步進馬達121旋轉的角度。此外，控制器122還可接收流量感測器113的訊號，並可根據流量大小來控制步進馬達121旋轉。

在一實施例中，控制器122例如以可程式化邏輯控制模組(PLC module)進行渦輪全負載進氣控制或部分進氣控制。舉例來說，當ORC系統的熱源穩定供應時，由於熱源操作條件保持在全負載運轉下，控制器122進行渦輪全負載進氣控制，以使ORC系統在全負載條件下運轉且具有較高的累積發電量。然而，當ORC系統的熱源無法穩定供應時，由於熱源負載減少，導致工作流體F的質量流率減少，故需藉由控制器122進行部分進氣控制，以維持工作流體F的質量流率在一預定範圍內，以避免因熱源條件變動過大而導致ORC系統停機。

部分進氣控制的步驟如下。首先，流量感測器113的流量感測訊號輸入至控制器122，控制器122再根據流量大小計算出熱源負載減少所需封閉渦輪進氣口111之流道114數量與步進馬達121的旋轉角度，然後啟動步進馬達121，並以步進馬達121驅動及控制傳動組件130的凸輪環134所需旋轉角度以及封氣機組件140所需封閉的流道114數量，以維持通過渦輪定子137所需的工作流體F的質量流率而進行部份負載運轉。一旦熱源操作條件回復到全負載運轉時，控制器122再根據工作流體F的質量流率調回至全負載進氣控制，否則仍進行部分進氣控制。

請參照第1及2圖，傳動組件130連接於驅動及控制單元120以及封氣機組件140之間。傳動組件130例如包括一時規皮帶131、一主動皮帶輪132、一被動皮帶輪133以及一凸輪環134。時規皮帶131可撓性地連接於主動皮帶輪132與被動皮帶輪133之間。主動皮帶輪132設置於步進馬達121之主軸123上，且被動皮帶輪133與凸輪環134經由聯結鍵相互扣合。當步進馬達121旋轉時，可同步帶動主動皮帶輪132、時規皮帶131、被動皮帶輪133以及凸輪環134，藉以控制凸輪環134的旋轉角度。上述實施例之傳動組件130雖以時規皮帶131與二皮帶輪132、133來傳送步進馬達121的動力至凸輪環134，但傳動組件130亦可採用其他的方式(例如齒輪組)實施，本發明對此不加以限制。

請參照第2圖，封氣機組件140設置於渦輪殼體110內，用以控制由進氣口111通往排氣口112之流量。封氣機組件140包括一渦輪定子支撐板141、多個封氣板142(僅繪示其中二個)以及多個彈性件143(僅繪示其中二個)。渦輪定子支撐板141包括一內環支撐部141a以及一外環支撐部141b。凸輪環134設置於輪轂136上，而輪轂136固定在內環支撐部141a的軸向上，且渦輪定子137固定在內環支撐部141a的徑向方向(以Y軸表示)上，且渦輪葉片138位於渦輪定子137的後側。渦輪進氣口111的流道114方向大致上垂直於渦輪定子137，以使工作流體F通過渦輪定子137之後，推動渦輪定子137後方的渦輪葉片138(轉子)旋轉。此外，渦輪葉片138的軸套139固定在發電機之轉軸上，當渦輪葉片138受到工作流體F推動而轉動時， 發電機可將渦輪葉片138的動能轉換成電能，並將電能儲存或直接進行發電。之後，工作流體F沿著軸向通過輪轂136，並由排氣口112排出。

另外，渦輪定子支撐板141之徑向方向上設有多個封氣板容置槽144，此些封氣板容置槽144位於內環支撐部141a之一徑向延伸壁141c與外環支撐部141b之一徑向延伸壁141d之間，且此二徑向延伸壁141c,141d在渦輪定子支撐板141的徑向方向上平行相對。各個封氣板142以及相對應的彈性件143設置於封氣板容置槽144中，且各個封氣板142可藉由彈性件143彈性伸縮而活動於封氣板容置槽144內。

請參照第2及3A-3B圖，其中第3A圖繪示封氣機組件140的局部放大圖，第3B圖繪示封氣機組件140作動後的局部放大圖。在一實施例中，渦輪定子支撐板141設有一環狀凹槽141g，此環狀凹槽141g位於內環支撐部141a的外側壁141e與外環支撐部141b的內側壁141f之間，且內環支撐部141a的外側壁141e與外環支撐部141b的內側壁141f在渦輪定子支撐板141的軸向(以X軸表示)上平行相對。環狀凹槽141g用以容納凸輪環134以及多個設置於凸輪環134之徑向方向(以Y軸表示)上之頂塊135。環狀凹槽141g與此些封氣板容置槽144之一端相連接，因此當各個封氣板142經由封氣板容置槽144延伸至環狀凹槽141g內時，封氣板142之末端142b將與環狀凹槽141g內的凸輪環134相抵接。

此外，當凸輪環134旋轉時，設置於凸輪環134上的頂塊135也會隨著轉動。請參照第3B圖，當頂塊135接觸封 氣板142之末端142b並且推抵封氣板142時，封氣板142朝渦輪定子支撐板141之徑向方向移動，使得封氣板142之頂端142a突出於進氣口111中。

請參照第3A及3B圖，在一實施例中，彈性件143例如是壓縮彈簧，其設在封氣板142之一桿體142c上且伸縮於封氣板容置槽144內。在一實施例中，封氣板容置槽144於桿體142c上方位置處例如設有一第一限位部P1，且封氣板142於桿體142c下方位置處例如設有一第二限位部P2，且封氣板142之桿體142c延伸於第一限位部P1與第二限位部P2之間，使得各彈性件143可隨著桿體142c移動而彈性伸縮於相對應的第一限位部P1與第二限位部P2之間。如第3A圖所示，當彈性件143處於釋放狀態時，封氣板142可藉由彈性件143的彈力抵壓在凸輪環134上。如第3B圖所示，當封氣板142被頂塊135推抵時，彈性件143被擠壓而處於壓縮狀態，此時，封氣板142之頂端142a可封閉進氣口111之部分流道114，以進行進氣口111之部分進氣控制。

請參照第3A及3B圖，在一實施例中，凸輪環134與外環支撐部141b的內側壁141f接觸，且凸輪環134與外環支撐部141b的內側壁141f之間例如以二密封件151、152密封。此外，凸輪環134之內側壁與輪轂136接觸，且凸輪環134之內側壁與輪轂136之間例如以密封件153密封。另外，封氣板142與外環支撐部141b的徑向延伸壁141d、內環支撐部141a的的徑向延伸壁141c接觸，且封氣板142與外環支撐部141b的徑向延伸壁141d、內環支撐部141a的徑向延伸壁141c之間例如以密封件154密封。因此，凸輪環134、輪轂136與渦輪定子支撐板141 中相對兩者之間與各封氣板142與渦輪定子支撐板141之間皆以密封件151~154密封。上述的密封件，例如是橡膠環或其他防漏材料，以防止工作流體F經由未密封的接縫處洩漏而流失。此外，凸輪環134與外環支撐部141b的內側壁141f接觸，且凸輪環134與外環支撐部141b的內側壁141f之間，例如以迷宮密封結構155密封。另外，凸輪環134與輪轂136之間，例如以迷宮密封結構156密封。

在部分進氣控制上，進入進氣口111之質量流率主要是根據頂塊135與封氣板142有無接觸來決定。也就是說，當工作流體F(例如熱源)的流量減少時，藉由控制頂塊135與相對應的封氣板142接觸的數量增加，使得進氣口111中有較多的流道114被封閉，在工作流體F的流速維持不變下，因而工作流體F的質量流率較小。反之，當頂塊135與相對應的封氣板142接觸的數量越少，進氣口111中將有較少的流道114被封閉，在工作流體F的流速維持不變下，因而工作流體F的質量流率較大。

第4A、4B及4C圖分別繪示封氣機組件140與凸輪環134之間操作模式的示意圖。在一實施例中，凸輪環134之頂塊135數量例如有12個，封氣板容置槽144的數量例如有16個，封氣板142的數量例如有10個。封氣板142的數量少於封氣板容置槽144的數量，因此僅在部分封氣板容置槽144內設置封氣板142。此外，封氣板142的數量少於凸輪環134之頂塊135數量，且僅有部分的頂塊135與封氣板142接觸，因此可進行不同開度的部分進氣控制。請參照第4A圖，在全負載模式下，所有的頂塊135皆未與封氣板142接觸，因此進氣口111之流道114 保持在全開的狀態下。請參照第4B圖，在部分進氣模式下，凸輪環134旋轉一第一角度θ1(例如小於30度)，第一數量(例如為8)的頂塊135與相同數量之封氣板142接觸，因此進氣口111之一部分流道114被封閉，以使進氣口111之流道114處在部分開啟的狀態下。接著，請參照第4C圖，在部分進氣模式下，凸輪環134旋轉一第二角度θ2(例如30~80度)，第二數量(例如為9)的頂塊135與相同數量之封氣板142接觸，因此進氣口111之更多部分流道114被封閉，以使進氣口111之流道114處於部分開啟的狀態下。因此，本發明可藉由凸輪環134旋轉至不同的角度，使不同數量的頂塊135與封氣板142接觸，進而改變工作流體F的質量流率。此外，本發明不限制只有上述兩種角度變化，亦可根據實際需求設計兩種以上角度變化。

請參照第5圖，其繪示本發明應用於ORC系統之進氣控制方法的流程圖，並配合上述圖式中之渦輪進氣控制裝置100進行說明。在步驟S51中，當熱源負載穩定供應時，ORC系統進行全負載運轉。在步驟S52中，當熱源負載減少，導致工作流體F的質量流率減少時，計算出熱源負載減少所需封閉渦輪進氣口111之流道114數量與步進馬達121的旋轉角度。在步驟S53中，啟動步進馬達121，並以步進馬達121驅動及控制凸輪環134所需旋轉角度以及封氣機組件140所需封閉的流道114數量。在步驟S54中，ORC系統依照封閉的流道114數量進行部份負載運轉。在步驟S55中，判斷工作流體F的質量流率是否改變，若未改變，ORC系統仍進行部分負載運轉，若有改變，進入到步驟S56中，判斷ORC系統是否可進行全負載運轉。在步驟S56中， 一旦熱源操作條件滿足全負載運轉，則回到步驟S51中；反之，若熱源操作條件未達到全負載運轉時，則回到步驟S52中，再次計算出熱源負載減少所需封閉渦輪進氣流道114數量與步進馬達121的旋轉角度，以進行部分進氣控制。

本發明上述實施例所揭露之渦輪進氣控制裝置，係利用步進馬達控制該凸輪環之旋轉角度，使凸輪環之頂塊與部分封氣板接觸，且凸輪環之頂塊推抵部分封氣板朝該渦輪定子支撐板之徑向方向移動，使得部分封氣板之頂端突出於該進氣口中，進而封閉進氣口的部分流道。本發明透過部分進氣控制，以維持工作流體的質量流率在一預定範圍內，以避免因熱源條件變動過大而導致ORC系統停機，故能夠提升ORC系統的可操作範圍和使用率，進而提升ORC系統的經濟效益。

綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

110‧‧‧渦輪殼體

111‧‧‧進氣口

112‧‧‧排氣口

114‧‧‧流道

131‧‧‧時規皮帶

133‧‧‧被動皮帶輪

134‧‧‧凸輪環

135‧‧‧頂塊

136‧‧‧輪轂

137‧‧‧渦輪定子

138‧‧‧渦輪葉片

139‧‧‧軸套

140‧‧‧封氣機組件

141‧‧‧渦輪定子支撐板

141a‧‧‧內環支撐部

141b‧‧‧外環支撐部

141c、141d‧‧‧徑向延伸壁

141e‧‧‧外側壁

141f‧‧‧內側壁

141g‧‧‧環狀凹槽

142‧‧‧封氣板

143‧‧‧彈性件

144‧‧‧封氣板容置槽

F‧‧‧工作流體

Claims (19)

1. 一種渦輪進氣控制裝置，包括：一渦輪殼體，具有一進氣口以及一排氣口；一驅動及控制單元，包括一步進馬達以及一控制器，該控制器驅動該步進馬達；一封氣機組件，設置於渦輪殼體上，該封氣機組件包括一渦輪定子支撐板、複數個封氣板以及複數個彈性件，該渦輪定子支撐板之徑向方向上設有複數個封氣板容置槽，且該些封氣板以及該些彈性件設置於該些封氣板容置槽中；以及一傳動組件，連接於該驅動及控制單元以及該封氣機組件之間，該傳動組件包括一凸輪環以及複數個設置於該凸輪環之徑向方向上之頂塊；其中，該步進馬達控制該凸輪環之旋轉角度，使該些頂塊與該些封氣板接觸，以進行該進氣口之部分進氣控制。
2. 如申請專利範圍第1項所述之渦輪進氣控制裝置，其中該渦輪定子支撐板設有一環狀凹槽，用以容納該凸輪環以及該些頂塊，該環狀凹槽與該些封氣板容置槽之一端相連接，且該些封氣板之末端經由部分該些封氣板容置槽延伸至該環狀凹槽內。
3. 如申請專利範圍第2項所述之渦輪進氣控制裝置，其中該渦輪定子支撐板包括一內環支撐部以及一外環支撐部，該環狀凹槽位於該內環支撐部的一外側壁與該外環支撐部的一內側壁之間，且該外側壁與該內側壁在該渦輪定子支撐板的軸向上平行相對。
4. 如申請專利範圍第3項所述之渦輪進氣控制裝置，其中此 些封氣板容置槽位於該內環支撐部之一徑向延伸壁與該外環支撐部之一徑向延伸壁之間，且該二徑向延伸壁在該渦輪定子支撐板的徑向方向上平行相對。
5. 如申請專利範圍第1項所述之渦輪進氣控制裝置，其中該些彈性件設在該些封氣板之一桿體上，該些封氣板容置槽於該些桿體的上方位置處分別設有一第一限位部，且該些封氣板於該些桿體的下方位置處分別設有一第二限位部，且該些桿體各別延伸於該第一限位部與該第二限位部之間，以使該些彈性件可隨著該些桿體移動而彈性伸縮於相對應的該第一限位部與該第二限位部之間。
6. 如申請專利範圍第5項所述之渦輪進氣控制裝置，其中該些彈性件為壓縮彈簧。
7. 如申請專利範圍第5項所述之渦輪進氣控制裝置，其中當該些彈性件處於釋放狀態時，該些封氣板可藉由該些彈性件的彈力抵壓在該凸輪環上，當該些封氣板之末端被該些頂塊推抵時，該些彈性件被擠壓而處於壓縮狀態，且該些封氣板朝該渦輪定子支撐板之徑向方向移動，使得該些封氣板之頂端突出於該進氣口中，以封閉該進氣口之部分流道。
8. 如申請專利範圍第1項所述之渦輪進氣控制裝置，其中該傳動組件以時規皮帶與皮帶輪傳送該步進馬達的動力至該凸輪環。
9. 如申請專利範圍第1項所述之渦輪進氣控制裝置，其中該凸輪環與該渦輪定子支撐板之間與該些封氣板與該渦輪定子支撐板之間以密封件密封。
10. 如申請專利範圍第1項所述之渦輪進氣控制裝置，其中該些頂塊的數量不等於該些封氣板的數量，且該進氣口之部分進氣控制根據該些頂塊與該些封氣板有無接觸來決定。
11. 如申請專利範圍第10項所述之渦輪進氣控制裝置，其中當進入該進氣口之工作流體的質量流率減少時，該步進馬達控制該些頂塊與相對應的該些封氣板接觸的數量增加，使得該進氣口中有較多的流道被封閉，因而工作流體F的質量流率較小。
12. 如申請專利範圍第1項所述之渦輪進氣控制裝置，其中該傳動組件以齒輪組傳送該步進馬達的動力至該凸輪環。
13. 如申請專利範圍第1項所述之渦輪進氣控制裝置，其中該渦輪定子支撐板包括一內環支撐部以及一外環支撐部，該渦輪進氣控制裝置更包括一輪轂，固定在該內環支撐部的軸向上，且該凸輪環設置於該輪轂上。
14. 如申請專利範圍第13項之渦輪進氣控制裝置，其中該凸輪環與該渦輪定子支撐板的該外環支撐部之間，及該凸輪環與該輪轂之間以迷宮密封結構密封。
15. 如申請專利範圍第13項所述之渦輪進氣控制裝置，其中該渦輪定子支撐板設有一環狀凹槽，用以容納該凸輪環以及該些頂塊，該環狀凹槽位於該內環支撐部的一外側壁與該外環支撐部的一內側壁之間，且該內側壁與該外側壁在該渦輪定子支撐板的軸向上平行相對。
16. 如申請專利範圍第13項所述之渦輪進氣控制裝置，更包括一渦輪定子與一渦輪葉片，該渦輪定子固定在該內環支撐部的徑向方向上，該渦輪葉片設置在該渦輪定子的後側。
17. 如申請專利範圍第1項所述之渦輪進氣控制裝置，其中該進氣口的流道方向大致上垂直於該渦輪定子，以使工作流體通過該渦輪定子之後，推動該渦輪定子後方的渦輪葉片旋轉。
18. 如申請專利範圍第17項所述之渦輪進氣控制裝置，其中該渦輪葉片的軸套固定在一發電機之轉軸上。
19. 一種應用於有機郎肯循環(ORC)系統之進氣控制方法，包括：根據工作流體的質量流率，計算出熱源負載減少所需封閉一渦輪進氣口之流道數量與一步進馬達的旋轉角度：以及啟動該步進馬達，並以該步進馬達驅動及控制一凸輪環所需旋轉角度以及一封氣機組件所需封閉的該流道數量；其中，當該熱源操作條件滿足全負載進氣模式時，該ORC系統進行全負載運轉，而當該熱源操作條件未達到全負載運轉時，該ORC系統依照封閉的該流道數量進行部份負載運轉。