微型涡轮机系统和方法

专利名称：微型涡轮机系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种微型涡轮机系统。
背景技术：
已知各种用于发电的系统。例如，发电站利用设计为产生大功率(> 1MW)的相反 大的、复杂的、昂贵的蒸汽轮机和发电机。已知这种蒸汽轮机有许多变型，并且，鉴于尺寸和 成本价格，不适于小规模使用。已知的相当大的发电站涡轮机系统的设计不适于出于局部使用的目的而小型化。 涡轮机系统典型地设置有多个槽(例如，沿着旋转的涡轮机零件和在轴承处)。如果完全处 于期望的可用机器公差内，这种槽可能难于小型化，从而，剩余系统零件的减少将导致不可 接受的泄漏损失。英国专利申请GB 2417294提出了一种完全新颖的出于家庭或小规模商业使用的 目的而设计的蒸汽轮机。此已知系统设置有在供应至涡轮管道的蒸汽的影响下旋转的锅 炉。GB’294声明，该涡轮机仅在较高转速下是有效的。旋转可通过减速齿轮传递至各种应 用场合。该蒸汽轮机可驱动230V的发电机。另外，从实际中，已知相反昂贵的WhisperGen 系统，其包括基于四缸斯特林发动 机(参见WO 2006135260)的热电联产系统(热和电)。从实际中已知的另一系统(Otag的
Lion )设置有自由活塞。CH 154279描述了一种设置有在相反方向上旋转的两个轮子的系统，这些轮子可 与相应的发电机接合。GB 105031描述了一种类似的系统，其中，轮子与循环泵和气泵接合。 这些系统是相反大的且不太有效的。

发明内容
本发明设想了一种改进的微型涡轮机系统。本发明具体设想了一种能够相反有效 地发电的相反小的涡轮机系统。根据本发明，为此目的的系统的特征在于，其设置有-第一和第二叶轮；-用于将压力介质喷到第一叶轮上的至少一个喷嘴，以驱动此轮，其中，第一叶轮 构造为将从喷嘴接收的压力介质传递到第二叶轮上，以驱动第二叶轮，该布置使得第一和 第二叶轮可在压力介质的影响下在相反的方向上旋转；以及-第一和第二发电机，它们分别与第一和第二叶轮接合。根据本发明的微型涡轮机系统可设计为具有相反小的尺寸，从而，本系统尤其适 于局部使用(例如，在家庭中，用于小规模商业使用，在运输设施中，船舶、车辆、飞机等)。 此外，本系统可由相反少的零件构造，包括耐用的且相反廉价的结构，并以相反高的产量供 电(优选地大于60% )。本微型涡轮机系统的可能使用包括，例如，微型WKK(总能量)设备、中心加热系统、或用于船舶的半混合驱动装置。微型涡轮机系统可用作组合循环STEG(蒸汽厂和煤气 厂)单元中的第二阶段，其中，第一阶段包括，例如，燃气轮机或燃料电池。优选地，所述介质是蒸汽，然而，也可使用其它高压介质(例如，高压气体或高压 气体混合物)。根据本发明的优选实施方式，本系统设置有设计为用于叶轮的同步旋转的同步装 置。优选地，转速通过(利用)发电机而同步。在简单的实例中，出于旋转同步的目的，发 电机的电输出可间接地或直接地彼此电接合(通过适当的电连接)。替代地，在使用过程 中，叶轮和发电机可相对于彼此异步地运行。
根据另一实例，每个发电机均设置有与驱动轴非旋转地接合的相应转子，该驱动 轴与相应叶轮非旋转接合。这样，每个叶轮可与相关发电机直接非旋转地接合，从而，避免 使用效率低的减速齿轮。根据尤其有利的实例，本系统设置有与周围环境气密性地密封的第一腔室，所述 叶轮设置在其中。在使用过程中，例如，此腔室中的压力可以是低于大气压的(例如，大约 0.1巴或更小的压力)。优选地，本系统设置有与周围环境气密性地密封的第二腔室，至少 所述发电机的转子设置在其中。当系统设置有(至少，构造为具有)用于将在使用过程中 第一腔室中存在的压力(优选地相反低)传递至每个第二腔室的装置时，实现尤其耐用的、 有效的和紧凑的系统。在这些第二腔室中，例如，也在使用过程中，可存在低于大气压的压 力(例如，大约0. 1巴或更小的压力)。根据另一实例，第一叶轮设置有第一压力介质接收管道，这些压力介质接收管道 构造为将在使用过程中从喷嘴接收的压力介质在第一驱动方向上和第二驱动方向上喷到 第二叶轮上，其中，第一和第二驱动方向都具有轴向速度分量，其中，第二驱动方向的切向 速度分量与第一驱动方向的切向速度分量相反。本发明进一步提供了一种用于发电的方法，优选地利用根据本发明的系统，本方 法包括-产生压力介质；_利用压力介质使第一叶轮在第一旋转方向上旋转；_利用来自第一叶轮的(由第一叶轮分配的)压力介质使第二叶轮在与第一旋转 方向相反的第二旋转方向上旋转；-在第一和第二旋转叶轮的影响下，分别驱动第一和第二发电机。这样，可获得上述优点。优选地，将叶轮和发电机的转子设置在与周围环境气密 性地密封的一个或多个空间中，将这些空间保持在相对于环境压力处于减小的压力下(例 如，大约0. 1巴或更小)。优选地，在相反方向上旋转的叶轮具有相同的转速。替代地，使叶轮同步，从而第 二轮具有比第一轮低的转速。


本发明的其它有利实施方式在从属权利要求中描述。现在，将在示意性实施方式 和附图的基础上阐述本发明。图中图1示出了本发明的局部分解的示意性实施方式的纵向横截面；
图2示出了图1的示意性实施方式的细节的顶视图；图3示出了示意性实施方式的图示；图4示出了系统的一部分的另一实例。
具体实施例方式在本申请中，相同或相应的特征用相同或相应的参考标号表示。在图1和图2中， 三个正交方向分别用箭头X、Y、和Z表示。图1至图3示意性地示出了微型涡轮机系统1 (也叫做涡轮发电机)的示意性实 施方式。该系统设置有第一和第二可旋转叶轮2、3以及用于将达到(bring to)超过大气 压的压力介质(例如，水蒸气、蒸汽或其它介质)喷到第一叶轮2上以驱动此叶轮2的至少 一个喷嘴4(尤其是喷射器)。具体地，叶轮2、3相对于彼此轴向地成一条直线。第一叶轮 2构造为将从喷嘴4接收的压力介质传递至第二叶轮3，以驱动第二叶轮3。该布置使得第 一和第二叶轮2、3在压力介质的影响下可在相反方向上旋转。第一叶轮2的第一旋转方向 用图2中的箭头Ql表示，而相反的旋转方向用箭头Q2表示。系统1进一步分别设置有第 一和第二发电机12、13，第一和第二发电机分别与第一和第二叶轮2、3接合。发电机12、13可以不同的方式设计，这对于技术人员来说将是显而易见的。在示 意性实施方式中，每个这种发电机12、13均设置有可相对于彼此移动的固定磁体M和线圈 S，用于在线圈S中产生电流(通过感应)。具体地，发电机12、13设置有包括永磁体M的转 子R ；例如，转子R与相应的可旋转驱动轴22、23非旋转地连接。驱动轴22、23相对于彼此 轴向地成一条直线(至少，沿着相同的中心轴线延伸)。具体地，第一发电机12的转子R与第一驱动轴22非旋转地接合，该第一驱动轴22 与第一叶轮2非旋转地接合。第二发电机13的转子R与第二驱动轴23非旋转地接合，该 第二驱动轴23与第二叶轮3非旋转地接合。这样，叶轮2、3与相应发电机12、13直接非旋 转地连接(通过轴22、23)，从而，在使用过程中，发电机12、13的转子R以与相关轮2、3相 同的速度旋转。例如，线圈S形成发电机12、13的定子部件的一部分。线圈S与电输出32、33(参 见图3)接合，以放出由相应发电机12、13产生的电流(在此情况中，是交流电)。例如，根 据发电机的构造，每个电输出32、33均可包括多相输出(例如，三相输出)。根据非限制性 实例，例如，每个发电机12、13可设置有八极转子。例如，每个发电机12、13均可设计为用 于在30000rpm下提供大约2000Hz的交流电。具体地，第一和第二发电机12、13设计为用 于，当发电机12、13的转子R以相同的速度旋转时，产生相同的电流。替代地，当发电机12、 13的转子R以相同的速度旋转时，发电机可相互地产生不同的电流(参见下文)。另外，如果发电机12、13设计为用于产生不同的功率，那么这是有利的优选地， 第一发电机设计为用于在特定速度下提供(deliver)比第二发电机13在相同速度下提供 的功率高的功率。由发电机12、13产生的功率之比优选地大约等于由叶轮2、3在使用过程 中分别产生的功率(例如，在使用过程中，上游第一叶轮2将典型地向相应驱动轴22提供 比下游第二叶轮3向相应轴23提供的功率高的功率，具体是出于驱动第一叶轮2的目的而 损耗压力介质的动能的结果)。优选地，叶轮2、3和发电机的转子部件设置在与周围环境气密性地密封的一个或多个空间中。在使用过程中，这些一个或多个空间可保持在相对于环境压力(存在于系统 1外)处于减小的压力下。例如，此减小的压力可以小于1大气压，并且优选地包括0.1巴 或更低的压力。示意性实施方式设置有与周围环境气密性地密封的第一腔室K1，可旋转叶轮2、3 设置在其中。腔室Kl优选地是圆柱形的(例如，具有圆柱形壁)。在图1中，此腔室Kl表 示为处于分开(打开)位置中，其中，围绕腔室的壳体部件6、7已在轴向方向X上略微移开。 对于处于关闭位置中的第一腔室K1，壳体部件6、7的面向彼此的(优选地是环形的)凸缘 6a、7a基本上气密性地彼此接合(并且，例如，可拆卸地彼此连接，例如，通过未示出的螺栓 装置等)。凸缘6a、7a从腔室Kl的相应纵向壁6b、7b在轴向方向上延伸。每个腔室纵向 壁6b、7b均设置有用于使驱动轴22、23和/或中心叶轮部件穿过其中的轴隧6c、7c (参见 图1)。优选地，该系统设置有也与周围环境气密性地密封的第二腔室K2、K3，优选地是圆 柱形腔室，至少发电机12、13的转子部件设置在其中。而且，在示意性实施方式中，设置有 线圈S的定子部件也设置在此腔室中。每个第二腔室Κ2、Κ3可以是可移动的设计，具有可 拆卸地互相接合的壳体部件，以接近存在于此腔室中的发电机部件。如图1所示，例如，第 二腔室Κ2设置有第一侧壁8a、9a，这些侧壁设置在远离第一腔室的纵向壁6b、7b的侧面上 (例如，通过可拆卸的螺丝装置)。每个侧壁8a、9a均设置有用于驱动轴22、23穿过其中的 通道。在示意性实施方式中，每个侧壁8a、9a均设置有用于支承安装穿过此侧壁的驱动轴 22,23的轴承52、53。相反，具体是关闭时，第二腔室K2、K3的侧壁8b、9b还分别设置有轴 承54和55，以保持驱动轴22、23的端部。如从上文得出的，三个腔室ΚΙ、K2、K3优选地共 同形成以气密性的方式包围发电机部件M、S，驱动轴22、23和涡轮机叶轮2、3的壳体。优选地，系统设置有用于将在使用过程中第一腔室Kl中存在的压力传递至每个 第二腔室K2、K3的装置(至少用于使腔室ΚΙ、K2、K3之间的压力相等)。这种压力均衡装 置可以不同方式设计，并且，其包括，例如，一个或多个贯穿侧壁6、7、8a、9a的设计为用于 允许气体从每个第二腔室流至第一腔室的通道或管道。优选地，压力均衡装置设计为防止 或基本上阻止压力介质(例如蒸汽)从第一腔室Kl至每个第二腔室K2、K3的连通。对于技术人员来说将显而易见的是，压力均衡装置可以不同方式设计。根据有利 的实例，上述轴承52、53是压力均衡装置。例如，轴承52、53中的每个均可设计为用于允许 一些气体从每个第二腔室Κ2、Κ3流至第一腔室Κ1。轴承52、53可设计为用于通过将气体 经由轴承52、53从那些腔室Κ2、Κ3排至第一腔室Kl而使第二腔室Κ2、Κ3获得并保持在处 于特定的(所提到的)减小的压力下。另外(如所提到的)，轴承52、53则优选地设计为防 止所述压力介质(通过轴承52、53)的连通。在另一实例中，轴承52、53与叶轮之间可布置有密封环(未示出)，该密封环设计 为用于仅允许气体从各个第二腔室Κ2、Κ3流至第一腔室Kl。这里，各个驱动轴22、23可通 过此密封环伸出。轴承52、53、54每个可以不同方式设计，并且，例如，包括滚珠轴承或不同类型的轴承。在示意性实施方式中，第一(中心)腔室Kl和第二腔室Κ2、Κ3可拆卸地彼此连 接。例如，腔室ΚΙ、Κ2、Κ3之间设置有绝缘和/或阻尼装置16，例如，塑料板、特氟纶、合成板和/或其它材料。例如，绝缘和/或阻尼装置16可用于阻止一侧上的第一腔室的壁与另一侧上的第二腔室K2、K3的壁之间的热传递。如果在使用过程中第一腔室的温度高于发电 机腔室Κ2、Κ3的温度，那么此绝缘是尤其有利的。三个腔室Κ1、Κ2、Κ3的腔室壁优选地由铝制成，但是也可包括其它材料(例如钢)。 此外，第二腔室Κ2、Κ3与第一腔室Kl可制成一体，或者以另一方式彼此不可拆卸。例如，第 二腔室Κ2、Κ3的侧壁8a、9a与中心腔室Kl的纵向壁6b、7b可制成一体。在示意性实施方式中，(蒸汽轮机)腔室Kl的第一纵向壁6b设置有位于固定位置 (例如，位于腔室Kl的上侧或其附近)的一个或多个喷嘴4。优选地，每个喷嘴是拉瓦尔型 的(本身已知)(参见图3)。每个喷嘴4均设计为用于将压力介质以超音速在特定方向Rl 上喷入第一腔室Kl中(参见图2)，以驱动第一叶轮2。拉瓦尔喷嘴4具体设置有减小的部 分4a，部件4b从此在下游方向上稍微分叉。每个喷嘴优选地朝着第一叶轮2的圆周部件引 导，该圆周部件包括叶片管道62 (参见下文)。根据另一实例，每个喷嘴4均由绝热材料制成，例如耐热塑料，例如聚四氟乙烯 PTFE(也叫做特氟纶)。这样，可很好地防止经由喷嘴4到壳体的热传递，从而，可减少热 损失。此外，塑料喷嘴4可用特别精确的方式以相对低的成本生产。此外，塑料(优选地是 PTFE)喷嘴4的内侧可设计为相对光滑的，以防止喷嘴4与压力介质之间的摩擦损失。第一腔室Kl的第二纵向壁7b设置有冷凝器出口 5，用于将压力介质从腔室Kl排 出并将其供应至低压冷凝器81。例如，冷凝器出口 5位于与所提到的一个或多个喷嘴4基 本相对的位置。如图3示意性地示出的，在装配之后，压力介质排放管线89可与出口 5连 接，以将此出口与冷凝器81的入口流体连通。冷凝器81可以不同的方式设计，并且，优选地包括设计为出于冷凝此介质的目的 而从压力介质提取热量的热交换器。例如，冷凝器81可设计为用于将来自压力介质的热量 传递至周围空气和/或热接收介质。例如，这种余热可用在空间加热系统中(例如，中心加 热系统)和/或用于其它使用。设置有冷凝泵8 Ip的冷凝物排放管线87可用于将冷凝的压力介质从冷凝器81排 至加热装置82 (例如，锅炉等)。加热装置82设计为用于通过加热压力介质使冷凝的压力 介质达到超过大气压的压力。当用蒸汽作为压力介质时，加热装置82可从由冷凝器81冷 凝的蒸汽(即，水)产生蒸汽。例如，加热装置82可使压力介质达到大于2巴的压力，优选地，达到大约5巴或更 大的压力。例如，由于加热装置，压力介质在超过大气压的压力下的温度高于100°c，优选地 高于150°c，更优选地大约200°C或更高。由加热器82分配的待供应至喷嘴的压力介质可 包括，例如，温度在200°C至250°C范围内的过热蒸汽。系统1的喷嘴或多个喷嘴4可通过适当的供应管线88连接至加热装置82的出口， 以接收受到压力的压力介质。优选地，压力介质供应管线88设置有调节装置，例如，用于调 节、调整和/或密封超过大气压的压力介质的连通的调节阀85。例如，调节装置85可由系 统1的可选控制装置84控制。图2在顶视图中示出了系统1的细节。在图2中，压力介质的流动用箭头Rl、R2、m 表示。优选地，第一叶轮2设置有(弓形的)第一压力介质接收管道62 (参见图2)，这些压 力介质接收管道构造为用于在使用过程中将从喷嘴4接收的压力介质在第一驱动方向Rl上和第二驱动方向R2上喷到第二叶轮3上。如图2所示，第一和第二驱动方向都具有轴向 速度分量(平行于叶轮2的旋转轴线，在箭头X指示的方向上)。第二驱动方向的切向速度 分量(相对于叶轮2的圆周方向是相切的)与第一驱动方向的切向速度分量相反。在图2 中，切向分量平行于用Y表示的方向。例如，第一驱动方向Rl可包括与轴向方向X成大约 60°至80°范围的角度，例如大约70°，或另一角度。具体地，叶轮2、3每个均沿着圆周设置，相应叶片(至少叶片形成壁或隔板)62a、 63a在切向方向上围绕管道62、63(参见图2)。
优选地，沿着压力介质通流方向看，叶片管道62、63每个均在侧向管道方向上具 有不变的管道宽度Wl、W2 (这些宽度用图2中的箭头Wl、W2表示)。为此，分别围绕管道2 或3的叶片部件62a和63a的相对侧分别是部分同心的。在示意性实施方式中，第二叶轮 3的每个管道63的管道宽度W2稍大于第一叶轮2的管道62的管道宽度Wl (例如，至少大 10%，具体地大大约50%至200% )。叶片62a、63a形成为使得(在本系统1中)，在径向方向上看，穿过其间的管道62、 63是U形的。例如，第一叶轮2的管道62的曲率稍大于第二叶轮3的管道63的曲率(在 径向叶轮方向上看，参见图2)。如图2中进一步示出的，以超音速从每个喷嘴4喷出的压力 介质可遵循基本上为S形的路线，经由两个叶轮2、3的管道。叶轮2、3可由不同材料制成。看起来使用塑料叶轮2、3是特别有利的。图4示出了叶轮2、3的另一实例。优选地，每个叶轮2、3均基本上由塑料制成。例 如，每个转子2、3可包括塑料主部件102a、102b，该主部件102a、102b设置有叶片和管道。 每个轮2、3的主部件102a、102b可由不同材料制成，例如，由耐热塑料制成，例如聚芳醚酮 (PAEK)、聚醚醚酮(PEEK)、聚酯(PET-P)、聚磺苯乙烯(PPS)、聚醚酰亚胺(PEI)、或其它塑 料。例如，塑料可包括纤维增强塑料，例如，具有玻璃纤维增强或碳纤维增强。这样，轮2、3 可设计为轻质的。例如，轮2、3的主部件102a、103a可由(略有)弹性的塑料制成，例如，上面提到 的塑料。通过使用略有弹性的塑料，可很好地补偿转子2、3的可能微小的动态不平衡。根据有利的实施方式，例如，叶轮2、3可(基本上)制成一体，例如通过模塑工艺， 优选地通过铣削工艺。这样，叶轮可以相反低的生产成本制造，并仍具有非常高的精度。如果塑料叶轮2、3设置有(环形的)增强皮带(覆盖皮带)102b、103b，那么这是 进一步有利的，优选地，增强皮带设计为防止轮2、3(在离心力的作用下)的径向延伸。如 图4所示，此皮带102b、103b优选地设置在塑料主部件102a、103a的外圆周上(即，皮带包 围相应的主部件)。增强皮带102b、103b可由复合材料制成。例如，增强皮带由强力纤维材 料制成，例如玻璃纤维材料，例如，优选地对该玻璃纤维材料注入热固合成树脂(例如，耐 热塑料)。增强皮带102b、103b可产生如此高的抗拉强度/重量比，以致皮带可从结构上有 助于抵抗整个叶轮2、3的离心力。通过使用基本上为塑料的叶轮2、3(优选地设置有上述增强皮带)，可获得非常有 利的抗拉强度/重量比，从而，相对高的负载和高速是可能的(例如，比用金属转子高)。塑料转子2、3可设计为相对坚固和耐用的。此外，两个塑料转子2、3的叶片可非 常靠近地旋转，从而可将损失降到最小。
需要指出，轮2、3也可由金属或合金制成。然而，显而易见的是，通常，在制造之 后，金属轮具有球形横截面以能够足够坚固。结果，两个转子的叶片之间的距离对于期望的 高效操作来说变得过大。优选地，本系统设置有设计为用于使叶轮2、3同步旋转的同步装置。系统1可与 这种同步装置接合。根据简单的实例，出于使发电机12、13和与其接合的叶轮2、3的转速同步的目的， 电流发生器12、13的电输出32、33通过电连接彼此接合。这在图3中示出。在所示电路中， 电输出32每个均设置有整流器38，整流器38的输出彼此电接合。这样，同步可通过相对简 单和耐用的装置自动实现，并且，微型涡轮机系统可产生特别高的效率。在另一实例中，例 如，输出可包括三相电流输出。在此情况中，优选地，一个发电机12的第一、第二和第三相 分别与另一发电机13的第一、第三和第二相电连接(出于颠倒旋转方向的目的)。例如，本系统可设计为提供小于大约50kW的额定功率，具体地小于大约20kW的额 定功率。例如，由系统ι在使用过程中提供的功率可在IkW至15kW的范围内。
如图3所示，控制装置84可用来控制系统，例如，使得叶轮2、3以期望的预定额定 速度旋转。出于操作系统和/或向用户提供关于系统的操作条件的信息的目的，例如，系统 (例如，控制装置84)可进一步设置有用户操作装置和/或用户交流装置(未示出)，例如 用户界面等。优选地，操纵装置84设计为用于确定所述叶轮和/或发电机转子的旋转参数(例 如转速或与其相关的参数，例如交流电频率)。为此，例如，控制装置可设置有和/或连接至 适当的传感器，该传感器可设置在壳体ΚΙ、K2、K3内或外。例如，这种传感器可包括光的、 电的、磁的和/或其它传感器，这些传感器设计为用于测量所述叶轮和/或发电机转子的旋 转。在本实例中，操纵装置84简单地设计为用于基于一个发电机的输出电流(具体地基于 一个发电机的频率)来确定旋转参数，为此，装置84与电输出32、33之一接合。控制装置 84可测量经由输出32输出的交流电的频率，并将此与例如期望的待输出交流电相比较。替 代地，控制装置84可基于经由输出32输出的交流电来确定发电机转子的转速，并将由此确 定的转速与期望的(例如额定的)转速相比较。为此，例如，关于待输出的交流电和/或期 望转速的信息可存储在控制装置84的存储器中，这对技术人员来说将是显而易见的。控制 装置84可以各种方式设计，并且，例如，包括处理器、控制器、计算机、微电子装置等，并且， 可设置在系统1的壳体上或设置在距离本系统一定距离处。优选地，控制装置84设计为出 于调节压力介质供应的目的而调节调节装置85。进一步优选地，控制装置84设计为控制加 热装置82 (或其调节装置83)。根据非限制性实例，例如，每个叶轮2、3的直径(在此实例中，在平面YZ中测得) 可小于大约lm，具体地小于大约0. 5m，更具体地小于大约0. 2m。根据特别有利的实施方式， 叶轮直径是大约15cm或更小，例如大约13cm。进一步，例如，本系统的最大长度(在轴向方向X上测得)可小于lm，并且优选地 小于0. 5m。在本实例中，例如，此长度是第二腔室K2、K3的侧壁8b、9b的背向彼此的侧表 面之间测得的距离。例如，系统1的高度可大约等于系统的宽度(具体地当系统1设计为相对于纵向 轴线基本上对称地旋转时，与本实例中的情况一样)，然而，这并不是必须的。在示意性实施方式中，此高度由第一腔室Kl的外径确定。此外径略大于叶片2、3的外径(例如，大大约 2cm-10cm，除其它因素之夕卜，取决于凸缘6a、6b的厚度以及叶片与凸缘6a、6b之间的期望距 离)。根据一个实施方式，例如，本系统的最大高度和宽度(分别在方向Z和Y上测得)每 个均小于lm，并且优选地每个均小于0. 5m,更优选地小于0. 3m。当系统的最大高度和宽度 每个均是大约20cm或更小时，实现特别有利的实施方式。在实例中，第二腔室K2，K3的直径(在YZ平面中测得)彼此相等。此外，在实例 中，这些直径小于中间第一腔室Kl的直径。这是有利的但不是必须的，并且，取决于例如发 电机构造。根据另一实例，在使用过程中，叶轮2、3的转速可高于4000rpm(转每分)，具体地 高于lOOOOrpm，更具体地高于20000rpm，这取决于例如叶轮的构造。可根据经验和/或通过 计算来证实，对于哪种叶轮构造哪个转速会产生期望的高效。例如，对于叶片直径是13cm， 上述转速可以是28000rpm，。图中所示的系统可执行用于发电的方法。本方法包括，例如，通过加热装置82产 生超过大气压的蒸汽(或另一压力介质)。出于产生蒸汽的目的，加热装置82可燃烧经由 燃料供应82供应的燃料(例如，天然气或其它燃料)，以通过释放的热从水产生蒸汽。可设 置调节阀83等来调节对加热装置82的燃料供应。产生的蒸汽(或其它压力介质)用来获得并保持第一叶轮2在第一旋转方向上旋 转。为此，经由供应管线88将超过大气压的蒸汽供应至一个或多个(优选地至少两个)拉 瓦尔喷嘴4，喷嘴4将蒸汽以超音速在第一转子2的管道62的方向上喷出，以驱动此叶轮2。 如从图2得出的，旋转的第一叶轮2可颠倒蒸汽的运动的切向方向，并将其喷入第二转子3 的管道63中，以驱动此第二叶轮3。这样，利用来自第一叶轮2的压力介质而使第二叶轮3 获得并保持在与第一旋转方向相反的第二旋转方向上旋转。可将来自第二叶轮3的管道63的蒸汽经由冷凝器出口 5从系统1排出。优选地， 在此出口中，存在由冷凝器81产生的/在冷凝器81中产生的减小的压力(冷凝器压力)。 可将经由出口 5排出的由系统1使用的蒸汽经由管线89供应至冷凝器81并由冷凝器冷凝 (在叶轮下游)。可将冷凝的压力介质(在此实例中是水)通过泵81p和管线87反馈至压 力介质发生器82，以再次从此产生超过大气压的压力介质(蒸汽)。此外，在直接与其接合的旋转叶轮2、3的影响下，分别驱动第一和第二发电机。优选地，在相反方向上旋转的叶轮2、3具有相同的转速，这可通过所述同步装置 32、33、38实现(至少因为发电机的输出彼此电接合，并由此经由电相互作用而迫使相改 变)。于是，利用发电机的转子R的旋转同步而使两个叶轮2、3的转速同步。因此，可将产生的蒸汽供应至，例如，一个或多个电流(终端)使用者。另外，例 如，可将产生的交流电(AC)通过变流器40转化成直流电(DC)。当设置一个或多个蓄电站 39时，这是更有利的，例如，蓄电站设置有用于储存由系统产生的电的一个或多个蓄电池、 电池等。优选地，在使用过程中，第一发电机产生大于50% (具体地大于大约70%)的由系统1产生的总功率，而第二发电机产生剩余部分的总功率(分别小于50%，小于大约 30% )。优选地，将系统1控制成使得系统提供期望的额定功率。为此，使轮2、3和转子R获得并保持在期望的预定转速。为此，例如，控制装置84可确定叶轮和/或发电机转子的上述旋转参数(例如转速或相关参数，例如交流电频率)，具体地通过适当的传感器。基于 确定的旋转参数，控制装置84可实现对压力介质产生和压力介质供应的适当的/期望的控 制(经由调节装置86、85)。另外，如果装置84检测到不期望的和/或不安全的涡轮机操作 条件(例如，涡轮机转速超过额定转速)，那么控制装置84可使对涡轮机的压力介质供应减 少，或者甚至完全阻止供应。此外，在系统具有至少两个喷嘴4的情况中，例如，可由启动的/停止的一个或多个喷嘴4来控制由系统1产生的功率。例如，每个喷嘴于是可设置有相应的调节装置85，从 而，经由喷嘴4向轮2的压力介质供应可由每个喷嘴4独立地调节。本系统可包括设置有固定设置的喷嘴4并具有两个速度等级的脉冲(作用)蒸汽 轮机。系统1不需要固定的导向叶片。此外，可避免齿轮传动的使用。通过本系统的构造， 可特别有效地产生能量。本系统是紧凑的，且能够以特别安全和可靠的方式在局部提供相 对低的功率。此外，该系统特别耐用，并且具体相对便宜的设计。本系统振动小，安静，并适于或设计为利用各种类型的燃料或热源(尤其是出于 产生压力介质的目的)，例如余热。对于技术人员来说，不言而喻的是，本发明不限于示意性实施方式。在如以下权利 要求阐述的本发明的框架内的各种修改是可能的。例如，可以各种方式设计所述叶轮。有利实例进一步包括轮2、3的同步(从而，在使用过程中，轮2、3的转速之比是不 变的)。例如，在使用过程中，轮以相同速度旋转。看起来，在将系统1设计为提供相对低的功率(例如，低于3kW)的情况中，以相等 速度同步不需要产生最大效率。在此情况中，看起来，使第二轮3的速度(转速)小于第一 轮2的速度(转速)会是更有利的，优选地具有固定的速度比Q。这里，例如，可使用以相同速度提供彼此不同的电压的发电机12、13。例如，可将第 二发电机13设计为用于以特定的发电机速度产生第二电压，该第二电压是高于由第一发 电机12以相同速度产生的第一电压的因子Q。例如，如果第二叶轮3以比第一轮2慢的因 子2旋转，那么这可通过这样设计发电机13来实现，即，使得该发电机提供相对于由第一发 电机12以相等速度提供的电压的双倍电压(Q = 2)。于是，由两个发电机12、13提供的第 一和第二电压可接合(在整流之后)，以实现期望的叶轮2、3的同步。
权利要求
一种微型涡轮机系统，设置有-第一叶轮(2)和第二叶轮(3)；-用于将压力介质喷到所述第一叶轮上的至少一个喷嘴(4)，以驱动此轮，其中，所述第一叶轮(2)构造为将从所述喷嘴接收的压力介质传递到所述第二叶轮(3)上，以驱动所述第二叶轮(3)，该布置使得所述第一和第二叶轮(2、3)能在所述压力介质的影响下沿相反的方向旋转；以及-第一和第二发电机(12、13)，分别与所述第一和第二叶轮接合，其特征在于，所述系统设置有与周围环境气密性地密封的第一腔室(K1)，所述叶轮(2、3)设置在所述第一腔室中，所述系统设置有与周围环境气密性地密封的第二腔室(K2、K3)，所述发电机的转子部件设置在所述第二腔室中。
2.根据权利要求1所述的系统，设置有设计为用于使所述叶轮(2、3)的旋转同步的同 步装置(32，44、38)。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，每个发电机(12、13)均设置有与驱动轴(21、 22)非旋转地接合的相应转子(R)，所述驱动轴与相应叶轮(2、3)非旋转地接合。
4.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述压力介质是蒸汽。
5.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，在使用过程中，每个所述腔室(K1、 K2、K3)中的压力是低于大气压的。
6.根据前述权利要求中任一项所述的系统，设置有与周围环境气密性地密封的一个或 多个空间，所述叶轮(2、3)和转子部件设置在所述空间中，所述系统设计为用于将所述一 个或多个空间保持在相对于环境压力处于减小的压力下。
7.根据前述权利要求中任一项所述的系统，设置有用于从所述第一腔室(Kl)排出压 力介质的出口(5)，其中，所述系统设置有设计为用于在使用过程中将所述出口保持在低于 大气压的压力下的装置(81)，例如，保持在大约0. 1巴或更小的压力下。
8.根据前述权利要求中任一项所述的系统，设置有用于在使用过程中将所述第一腔室 中存在的压力传递至每个所述第二腔室的装置(52、53)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述系统(1)设计为用于提供小于 大约50kW的额定功率，具体地提供小于大约20kW的功率。
10.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，每个所述叶轮(2、3)的直径小于大 约lm，具体地小于大约0. 5m,更具体地小于0. 2m。
11.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，在操作过程中，所述叶轮(2、3)的 转速高于4000rpm(转每分)，具体地高于10，OOOrpm,更具体地高于20，OOOrpm。
12.一种用于发电的方法，优选地利用根据前述权利要求中任一项所述的系统，所述方 法包括-产生压力介质；-利用所述压力介质使第一叶轮(2)在第一旋转方向上旋转；-利用来自所述第一叶轮的压力介质使第二叶轮(3)在与所述第一旋转方向相反的第 二旋转方向上旋转；-在所述第一和第二旋转叶轮的影响下，分别驱动第一发电机(12)和第二发电机 (13)，其特征在于，将所述叶轮和所述发电机的转子设置在与周围环境气密性地密封的一个或多个空间中，将所述空间保持在相对于环境压力处于减小的压力下。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，使在相反方向上旋转的所述叶轮具有相同的 转速。
14.根据权利要求12至13中任一项所述的方法，其中，使所述压力介质以超音速离开 一个或多个喷嘴，以驱动所述第一叶轮，其中，旋转的所述第一叶轮使所述压力介质的运动 的切向方向颠倒，以驱动所述第二叶轮。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其中，使用至少两个喷嘴，并且其中， 通过启动/停止一个或多个喷嘴来控制由所述系统提供的功率。
16.根据权利要求1至11中任一项所述的系统的使用，例如，还包括根据权利要求12 至15中任一项所述的方法的使用，其中，利用所述发电机的转子的旋转同步来使所述叶轮 (2,3)的转速同步。
全文摘要
本发明涉及一种微型涡轮机系统，设置有第一和第二叶轮；用于将压力介质喷到第一叶轮上的至少一个喷嘴，以驱动此轮，其中，第一叶轮构造为将从喷嘴接收的压力介质传递到第二叶轮上，以驱动第二叶轮，该布置使得第一和第二叶轮可在压力介质的影响下在相反的方向上旋转；以及第一和第二发电机，分别与第一和第二叶轮接合。系统设置有与周围环境气密性地密封的第一腔室，所述叶轮设置在其中。系统设置有与周围环境气密性地密封的第二腔室，所述发电机的转子部件设置在其中。另外，本发明涉及一种用于发电的方法。
文档编号F01D1/26GK101815846SQ200880110089
公开日2010年8月25日 申请日期2008年10月2日 优先权日2007年10月2日
发明者扬·波斯特 申请人:比帕特有限公司