将气相流体的比能量的一部分转化为机械功的装置和方法

摘要

描述了一种将气相流体的比能量的一部分转化为机械功的装置(1)和方法，该装置(1)包括：至少一个壳体(3，3’)，其设置有至少一个供气部分(7，7’)和至少一个排气部分(9，9’)，所述至少一个壳体(3，3’)各自包括：一个叶轮(5)，其可旋转地布置于壳体(3，3’)中并包括：由一个鼓(53)包封的一个轴(51)；至少两个叶片(55)，其可移动地布置至鼓(53)，使得叶片(55)的一个部分(57)被布置为以如下方式移动朝向壳体(3，3’)的内部套表面(31)，使得所述鼓(53)、壳体(3，3’)的内部套表面(31)以及叶片(55)限定布置用于包含气体的腔室(59)；紧邻排气部分(9，9’)上游的一个叶片(55)的有效面积大于紧邻供气部分(7，7’)上游的一个叶片(55)的有效面积；叶轮在供气部分(7，7’)和排气部分(9，9’)之间构成屏障；以及所述至少一个壳体(3，3’)中的一个的排气部分(9，9’)设置有一个冷凝器(11)，以冷凝已被运送入排气部分(9，9’)中的气体。

说明书

本发明涉及将气相流体的比能量(specific energy)的一部分转 化为机械功的装置和方法。

大部分产生的电能是通过由汽轮机驱动的发电机来提供的。驱动 所述轮机的蒸汽例如由煤的燃烧产生。在所消耗的所有电能中，大约 有40％的电能以此方式产生。此外，电能通过利用能量来产生蒸汽的 核反应堆产生，或者来自于所谓的利用煤气燃烧的排气来产生蒸汽的 煤气厂(gasworks)。

利用现有技术的汽轮机来产生电能有许多缺陷。这些缺陷涉及相 对较差的以产生的电流为形式的燃料能量的利用率，同时，所需要的 设备既多又昂贵，而且该设备还需要大量的辅助系统。此外，汽轮机 必须以非常高的速度运转。这是因为来自真空侧上的负压 (underpressure)的吸力被用来产生高的流率(flow rate)、以及 捕获尽可能最多的能量，所以轮机转轮必须以每分钟高转数旋转。另 一个相当严重的缺陷在于汽轮机需要过热的蒸汽以避免冷凝和损坏该 轮机。

本领域技术人员知道，一个汽轮机的效率由该轮机的吞吐量 (throughput)决定。除了其他因素以外，该吞吐量还受到连接至该 轮机的排气部分的冷凝器中所获得的负压的影响。而所述负压又易受 到所述冷凝器可以提供的冷却量的影响。

已知现代的煤气厂使用海水来获得对冷凝器的可能最佳的冷却。 例如，已知煤气厂消耗60m³的4℃海水以产生1MW功率，其中从冷凝 器流出的冷却水的温度大约是14℃。因此，浪费掉了大量的能量。

许多类型的气体适用于此装置。其中最相关的气体中的一种气体 是气相水，即蒸汽。在接下来的描述中，“蒸汽”这一概念将在除了 气体以外使用。然而，蒸汽也将被理解为可包括任何合适的气体。

本发明的目的是克服或减少现有技术的缺陷中的至少一个。

该目的通过接下来的说明书以及所附的权利要求书中所具体描述 的特征来实现。

根据本发明的第一方面，提供一种用于将气相流体的比能量的一 部分转化为机械功的装置，所述装置包括：

至少一个壳体(housing)，所述至少一个壳体设置有至少一个供 气部分和至少一个排气部分，所述至少一个壳体中的每一个包括：

一个叶轮，所述叶轮被可旋转地布置于所述壳体中，以及所述叶 轮包括：由一个鼓包封的一个轴；至少两个叶片，所述叶片被可移动 地布置至所述鼓，使得所述叶片的一个部分被布置为以这样的方式移 动朝向所述壳体的内部套表面(internal casing surface)，使得所 述鼓、所述壳体的内部套表面以及所述叶片限定一个或多个布置用于 包含气体的腔室，其中：紧邻所述排气部分的上游的一个叶片的有效 面积(effective area)大于紧邻所述供气部分的上游的一个叶片的 有效面积；所述叶轮在供气部分和排气部分之间构成一个屏障；以及 所述至少一个壳体中的一个的排气部分设置有一个冷凝器，以冷凝已 被运送入所述排气部分中的气体。所述冷凝器设置有一个受控出口， 从而可在所述冷凝器中提供真空。

就此而论，有效面积是指引起叶轮旋转的面积的分量 (component)。例如，相对于叶轮的鼓表面(以及壳体的内部套表面) 倾斜的一个叶片将具有如下一个有效面积，该有效面积由从鼓表面垂 直凸出的面积的分量限定。

如果紧邻所述供气部分的上游的叶片的有效面积接近于零，则这 是一个有利之处。这可以通过使得叶轮的鼓尽可能地靠近壳体的内部 套表面以及通过使得叶片几乎不从该鼓凸出来而实现。这样的效果是： 由于有效面积几乎为零，所以除了摩擦力以外就不存在任何其他力用 来抵抗叶轮的旋转。

如果所述供气部分设置有一个凸轮格栅(cam grate)，该凸轮格 栅被布置为以如下方式来引导该叶片，使得所述叶片的有效面积在其 通过所述供气部分时逐渐增大，则这是一个有利之处。

如果所述排气部分设置有一个凸轮格栅，所述凸轮格栅被布置为 以如下方式来引导该叶片，使得所述叶片的有效面积在其通过所述排 气部分时逐渐减小，则这是一个有利之处。这具有如下效果：使得叶 片被运送通过所述排气部分并被引导至与所述排气部分的下游的所述 壳体的内部套表面有关的正确位置。

令人意外的是，一些试验已经表明：如果所述排气部分的下游的 所述壳体的一个部分设置有一个排出设备，所述排出设备以这样的方 式与所述排气部分相通，使得由所述叶片从所述排气部分朝向所述供 气部分输送的任何流体均可被排出到所述排气部分中，则这是一个有 利之处。在一个实施方案中，所述排出设备由壳体的套部分中的一个 或多个槽形成。

如果所述壳体中的凸轮格栅和排出设备相对于叶片的移动方向倾 斜，使得该叶片上的可能的磨损均匀地分布且避免了由该磨损造成的 沟纹，则这是一个有利之处。应理解，壳体中的倾斜凸轮格栅和槽仅 在其中叶片抵靠在所述壳体的内部套表面和凸轮格栅的情况下是有利 的。如果以距所述壳体的内部套表面和凸轮格栅一个小的距离来引导 叶片，则将不会出现磨损。一个小的距离指的是一个通常小于0.05mm 的距离。这样的一个距离可以通过磁力获得，例如，其中所述叶片的 端部部分和所述壳体被以相同的极性磁化。此外，所产生的磁场可以 起到阻止在叶片和壳体之间的流体泄漏的密封效果。

如果所述叶片的有效面积在该叶片紧邻所述排气部分的上游时最 大，而在该叶片位于由所述排气部分的下游侧和供气部分所限定的一 个部分中时最小，则这是一个有利之处。

在一个实施方案中，所述叶片的有效面积从紧邻所述供气部分的 上游处到紧邻所述排气部分的上游处连续增大。或者，所述叶片的有 效面积从紧邻所述供气部分的上游处到紧邻所述排气部分的上游处阶 式增大。

通过从紧邻所述供气部分的上游处到紧邻所述排气部分的上游处 连续增大所述叶片的有效面积，由两个叶片、鼓的外部表面、和壳体 的内部套表面之间所限定的腔室的容积将随着叶轮的旋转而增大。这 意味着在两个相继的腔室之间有一个压力差，从而使得从旋转方向观 察，作用于每个叶片的合力是正的。

在一个实施方案中，根据本发明的第一方面的装置包括串联布置 的两个或更多个壳体。串联的两个或更多个壳体中的最后的壳体的排 气部分连接至冷凝器，以在该装置的出口提供气体冷凝。通过这样一 种布置，可以通过所述装置的两个或更多个壳体来逐步获取气体的能 量。

替代地，或者除了如上所述地设置串联的两个或更多个壳体之外， 还可以并联布置两个或更多个壳体，其中第一个壳体的排气部分连接 至随后的两个壳体的供气部分。

在根据本发明的一个设置有若干个叶片的装置中，所述若干个叶 片一起提供若干个腔室，随着气体的膨胀而引起的差压可以在从供气 部分到排气部分的整个膨胀过程中被利用。

只要叶片在冷凝器处具有其最大面积，则所述冷凝器中的负压总 是在可能的最大面积处产生吸引。

通过提供一个在压力侧和真空侧之间“密封”的装置(即，设置 有一个或多个屏障)，可以控制冷凝器中在气体到液体的相变时所产生 的力，该力也被称为“溃力(collapse force)”。这可以通过多种方 式实现。其中的一种方式是：定量供给(dosing-in)具有某一压力的 一定量(体积)的气体，使得在位于冷凝器之前的最后一段中的气体 与该冷凝器中的冷凝气体之间获得所期望的差压。控制溃力的另一方 式是通过为该装置设置一个控制设备，其中所述控制设备被布置以调 节叶轮的旋转速度，以使得穿过所述装置的所述气体的流率可关于所 述冷凝器的容量来进行调节。

有利的是，该装置的旋转速度可以通过一个连接至叶轮的轴的负 载来影响。该负载例如可以是一个发电机。

控制溃力的另一方式是通过为该装置设置一个温度控制器，所述 温度控制器被布置以这样的方式影响供应至该装置的气体的温度，使 得所述气体在到达冷凝器之前不经历从气体至液体的相变，即溃散， 且也不具有一个需要在冷凝器中额外冷却的“剩余温度”。

控制溃力的又一方式是通过为该装置设置一个控制器，该控制器 被布置以影响所述冷凝器的冷却容量。

如果该装置设置有一个被布置以控制来自该装置的能量产生的控 制规则系统，则这被证明是有利的，其中所述控制规则系统被布置以 影响下述条件中的一个或其组合：所供气体的温度和/或压力；所述叶 轮的旋转速度；所述冷凝器的冷却容量；负载。

在本发明的第二方面，提供一种至少对一个装置的排气部分中的 负压进行控制的方法，其中所述装置被布置以将气相流体的比能量的 一部分转化为机械功，所述方法包括：

通过一个供气部分向所述装置供应气体；

在所述供气部分和排气部分之间设置一个大体上流体密封的旋转 的屏障；以及

至少控制所述装置的所述排气部分中的负压。

所述装置的所述排气部分中的负压可以通过例如所述旋转的屏障 的旋转速度来控制，由此使穿过所述装置的气体的流率适合于布置用 于所述排气部分的一个冷凝器的容量而进行调节。

通过控制所述旋转的屏障的旋转速度，由此可以使供应至所述排 气部分的能量的量适合于可在所述排气部分中可获得的冷却容量而进 行调节。因此，这能够避免由于供应了过量的能量而引起排气部分中 的压力的增大，这压力的增大将导致该装置的效率显著下降。

在一个实施方案中，通过一个连接至该装置的负载来控制所述旋 转的屏障的旋转速度。该负载例如可以是发电机，该发电机连接至该 装置的轴。

为了确保尽可能少的能量耗费于冷凝器中的热交换，一个优选的 方法包括调节供应至该装置的流体的温度，使得运送入所述冷凝器中 的气相流体的温度接近一个冷凝温度。

如果可以调节通过供气部分供应至所述装置的气体的压力和/或 温度，则这是一个有利之处。通过能够调节供应至所述装置的气体的 温度，运送入所述冷凝器中的气体的温度可以被调节至接近一个冷凝 温度，以使得尽可能少的能量耗费于冷凝器中的热交换。

如果可以调节冷凝器的冷却容量，以使得所述冷却容量可以适合 于运送入所述冷凝器中的气体的量和特性进行调节，则这是一个有利 之处。

如果上述的调节设备和控制设备由一个高级的控制规则系统来控 制，则这是一个有利之处。

在一个公共轴上可以布置有多于一个的装置。

接下来描述了在附图中可见的优选实施方案的一个实施例，在附 图中：

图1示出了本发明的原理装置的侧面视图的截面图，其中该装置 包括3个叶片；

图2示出图1中的装置具有12个叶片的一个实施方案；

图3示出从右往左观察时图1和图2的装置的视图；

图4示出从图2中的A-A方向观察一个布置于出口部分处的凸轮 格栅的视图；

图5示出图1中的装置的一个替代实施方案；

图6示出本发明的装置的又一替代实施方案，其中该装置设置有 2个供气部分和2个排气部分；

图7以较小比例示出本发明的装置的一个实施方案，其中该装置 包括2个串联布置的壳体；以及

图8以较大比例示出本发明的带有另一替代设计的叶片的装置。

本领域技术人员将理解，所述附图仅是示出了主要部件的原理图， 图1-2和5-8中所示出的壳体未带有必要的端部件。

在不同的附图中，相同或相应的部件使用相同的参考数字来标记。 因此，将不会说明关于每一幅附图的所有细节。

为了清楚地描述各附图，在下文中，通过使用钟面读数来规定一 些位置标示，其中，12点钟是上。当使用概念“上游”和“下游”时， 假定叶轮顺时针旋转，如图中箭头所指示的。

在附图中，参考数字1指示一个本发明的装置。装置1包括至少 一个壳体3，所述壳体3包封一个可旋转地布置于壳体3中的叶轮5。 该壳体3设置有至少一个供气部分7。所述至少一个壳体3中的至少 一个设置有一个或多个排气部分9。

通过装置1的供气部分7供应至装置1的气体可被连续或间歇供 应。间歇供应通过本身已知的控制阀61(参见图5和6)来实现，该 控制阀61被布置以通过本身已知的设备来进行控制，这些已知的设备 对于本领域技术人员来说是公知的。

叶轮5包括由鼓53包封的轴51。至少2个叶片55可移动地布置 到鼓53。叶片55的一个端部部分57被布置为以这样的方式移动朝向 壳体3的内部套表面31，使得当鼓53、壳体3的内部套表面31、以 及叶片55处于一个至少部分从该鼓53凸出的位置时，所述鼓53、所 述壳体3的内部套表面31以及所述叶片55限定容积或腔室59，所述 容积或腔室59被布置用于包含气体，例如蒸汽。所述气体已通过供气 部分7被运送入该装置。

在图1和图2中，壳体3设置有2个切口或开口。壳体3中的开 口设置有供气部分7和排气部分9，其中该供气部分7布置于壳体3 的上部，大约位于12点钟的位置，该排气部分9大约在7点钟和9点 钟的位置之间延伸。

排气部分9连接至冷凝器11，该冷凝器11设置有本身已知类型 的管回路13形式的冷却设备。流体可以流过管回路13。替代地或者 除了管回路13以外，冷凝器11可以设置有水-雾装置(未示出)或其 他适于在冷凝器中提供冷却的设备。

借助一个泵设备15将冷凝器11中已冷凝的气体从该冷凝器11中 泵出并泵入冷凝管线14。对于本发明，关键的是冷凝器是密封的，以 便于在该冷凝器中实现真空。因此，泵设备15设置有未示出的控制设 备，该控制设备控制冷凝器11中的液面(liquid level)12，从而在 该冷凝器11的底部部分中形成密封。

图1和图2的唯一不同之处在于叶片的数量，图1示出了一个带 有3个叶片55的实施方案，而图2示出了一个带有12个叶片55的实 施方案。在所示出的实施方案中，叶片55均匀间隔。

叶片55被布置以通过一个未示出的控制设备从鼓53的凹槽54中 移进和移出。在一个实施方案中，该控制设备可以由偏压元件构成， 诸如弹簧设备(未示出)，该弹簧设备被布置以驱动所述叶片55抵靠 住壳体3的内部套表面31、或者在朝向壳体3的内部套表面31的方 向上驱动所述叶片。在一个替代的实施方案中，该控制设备由凸轮控 制设备构成，该凸轮控制设备被布置以驱动叶片55抵靠住壳体3的内 部套表面31、或者在朝向壳体3的内部套表面31的方向上驱动所述 叶片。在另外其他的实施方案中，叶片可由气动控制或液压控制。然 而，对于本发明来说，采用何种方式来实现对叶片55的控制并不重要。

在图1和图2中，鼓53和壳体3的内部套表面31之间的距离从 供气部分7的上游(图中大约11点钟的位置)向排气部分9的上游部 分(图中大约7点钟的位置)增大。

在一个替代的实施方案中，鼓53和壳体3的内部套表面之间的距 离从供气部分7的上游部分向排气部分9的上游部分阶式增大。这意 味着，在供气部分7和排气部分9之间的一个(参见图5)或多个部 分中，从轴51的中心部分至壳体3的内部套表面31的半径是等距的。

当叶轮5旋转时，通过图1，2和6-8的装置1的供气部分7而被 运送入该装置1中的给定温度和给定压力的气体(例如蒸汽)将膨胀。 这是因为由壳体3的内部套表面31、鼓53的外部表面和任何两个相 继的叶片55所限定的腔室59的容积将增大。

随着气体被从入口部分7运送向排气部分9、同时被“封禁”在 各个腔室59中，腔室59的不断地增大的容积将导致各个腔室59中的 气体的压力不断地减小。因此，任何两个相继的腔室中的气体的差压 将上升。

叶片55的从鼓53凸出且限定了两个相继的腔室的部分的面积在 两侧上几乎相等。因此，作用于出现在供气部分7和排气部分9之间 的各个叶片55上的合力将造成鼓53顺时针旋转。这也可以被认为是：

基于限定供气部分7和排气部分9之间的任一腔室59的叶片55 的有效面积——例如在图2所示的实施方案中——将不同的这一事 实，以及基于来自气体的张力在该腔室59的所有表面上均相等的这一 事实，作用于该腔室59的两个叶片55上的力将不同。由此差力将上 升，从而致使叶轮5相对于壳体3顺时针旋转。

然而，使鼓53旋转的最大的合力将产生于在叶片55移动到连接 至冷凝器11的排气部分9上的时刻。腔室59移动到排气部分9上并 由此“泄气(punctured)”，该腔室59中的气体将立即溃散。然后， 在该泄气的腔室和随后的腔室之间将出现一个相当大的差压。

旋转速度通过连接至叶轮5的轴51的负载(未示出)来控制。该 负载例如可以是发电机。

对于待重复的在供气部分7和排气部分9之间的膨胀循环，叶片 55被从它们的位于排气部分9的上游侧处的最大凸出位置驱动至它们 的位于供气部分7的上游侧处的最大缩回位置。该位置变化是通过穿 过排气部分9延伸的凸轮格栅17、以及通过壳体3的内部套表面31 和叶片轴51的中心轴线之间的恒定较小的距离来实现的，其中该叶片 轴51位于排气部分9和供气部分7之间。

在所示装置1的实施方案中，鼓53的外部表面和壳体3的内部套 表面31之间的距离在紧邻供气部分7的上游的部分中接近于零。经过 此部分的各叶片55将几乎完全缩回至鼓53的凹槽54中。

图3示出从右往左观察时图2的装置的视图。如从图3将示出的， 在所示的实施方案中，供气部分7和连接至冷凝器11的排气部分横向 地(broadways)具有一个几乎与叶轮5的宽度对应的宽度范围。叶片 55和鼓53的轴51以虚线示出。鼓53的关于壳体3的旋转位置对应 于图2中该鼓53具有的旋转位置。在图3中，未示出冷凝器11的管 回路。

图4以较大比例示出从图2的A-A方向看到的凸轮格栅17的视图。 凸轮格栅17包括多个平行元件19，其中所述多个平行元件19延伸穿 过壳体3中的开口4，并以规定穿过该壳体3的开口4的流体连通的 方式被隔开。凸轮格栅17还设置有用于叶片55的引导件，使得所述 叶片55被从排气部分9的上游侧处的一个凸出位置驱动至排气部分9 的下游侧处的一个大体上缩回位置，例如，如图1中所示。为了减少 叶片55的端部部分57上的点磨损，凸轮格栅17的平行元件19关于 叶片55的移动方向倾斜布置。一个相应的凸轮格栅17’被布置于装置 1的供气部分7处。然而，凸轮格栅17’仅在图1、2和5-8中示出。

需要强调的是，如果装置1设置有凸轮控制设备(未示出)从而 以与抵靠所述壳体3的内部套表面31的方式不同的方式来控制叶片 55的凸出位置，则凸轮格栅17、17’将不是必须的。

图5示出装置1的一个替代实施方案，其中装置1与图1中所示 的装置类似，除了一个基本点外：在供气部分7的下游部分和排气部 分9的上游部分之间，壳体3的内部套表面31距离所述叶轮5的中心 轴线等距布置。如先前所描述的通过腔室59的不断地增大的容积所获 得的有利特征，将不存在于所示出的实施方案中。通过一个受控启动 阀61，装置1可被用作一个马达。

图6示出图1、2和5中所示的装置1的又一替代实施方案。图6 中所示的装置1设置有两个供气部分7、7’以及两个排气部分9、9’。 在所示的实施方案中，所述供气部分7、7’各设置有一个受控启动阀 61。在其他方面，装置1以与图1和2中所示的装置相同的方式构成， 但是在此处所示的实施方案中，该装置1设置有6个叶片55。

图7示出本发明的装置1的又一替代实施方案。在图7中，通过 该第一壳体3的排气部分9连接至一个第二壳体3’的供气部分7’，第 一壳体3被连接至第二壳体3’。该第二壳体3’的排气部分9’连接至上 文所提到的类型的冷凝器11。在所示的实施例中，壳体3、3’和叶轮5 各自对应于图2所示的壳体3和叶轮5，但是这些装置是串联连接。 因此，为了清楚起见，在附图7中仅有一部分元件用参考数字标记。

在一些替代的实施方案(未示出)中，可以串联和/或并联连接多 于两个的壳体3、3’，其中在此序列中的最后一个壳体或最后多个壳体 3、3’优选地连接至冷凝器11。

为了能够调节在例如图7中所示的两个壳体3、3’之间运送的气体 的温度，第一壳体3的排气部分9可以设置有温度改变元件(未示出)。 这种温度改变元件的目的是使从第一壳体3运送入第二壳体3’的气体 的温度最优化。由此，可能的是，一方面，避免了气体在到达第二壳 体3’的排气部分之前冷凝，另一方面，避免了从第二壳体3’运送入冷 凝器11的气体具有不必要的高温，这样的高温需要通过管回路13供 应额外的冷却介质。

将理解，壳体和叶轮的任意组合，例如在其余附图中所示出的类 型，可以串联和/或并联连接。

图8示出本发明的装置1，该装置设置有一个替代实施方案的叶 片55。替代于使得叶片55如前述一些附图中所示出的在鼓53的凹槽 54中移进和移出，该叶片55铰链式布置于该鼓53的一部分中。叶片 55的自由端部部分57被布置以朝向壳体3的内部套表面31移动，例 如通过弹簧设备形式的偏压元件(未示出)或本身已知类型的控制设 备，这些在关于图1-2的讨论中已提到。

在所示的实施方案中，鼓53的表面设置有凹口56。凹口56被形 成为接收和容纳叶片55，使得所述叶片55的有效面积在供气部分7 的上游部分几乎为零。

已经进行的一些计算表明，本发明的装置在利用被运送入该装置 的气相流体的比能量方面更高效。这是因为：腔室的不断增大的容积 使得在供气部分和排气部分之间的各个叶片上的合力全部用作使叶轮 旋转，以及该装置在供气部分7和排气部分9之间设置有一个或多个 屏障，所述屏障允许最优化冷凝器中的负压和该负压的吸引力(pull forces)，同时，它可以被优化为耗费最少的能量来进行冷凝器中的 冷却。