涡轮机装置和系统的制作方法

本披露涉及一种涡轮机装置以及一种用于从流体流动产生电力的涡轮机系统。

背景技术：

随着快速的城市化和人口的增加，高层住宅建筑物已经成为世界各大城市许多人的共同家园。

与前些年的独立式房屋相比，向住宅建筑物提供诸如电力和水等基本服务引起了重大的工程问题。

在密集的城市环境中，水处理站和泵站可能位于偏远地区相离一定距离。因此，市政淡水供应管道中的压强需要非常高，以便确保整个城市地区的持续供水。例如，图1示出了具有屋顶水箱的、用于住宅建筑物的典型的配水系统10的示意图。在这个系统中，来自市政主管12的淡水在被供应到建筑物11之前被储存在断流水箱16中。

如图1所示的减压阀14通常在系统中用于减小市政主管12中的压强，因为市政主管中的水压通常相对较高，这可能导致水管和器具(诸如断流水箱16)漏水或损坏。

然而，从断流水箱16流出的淡水供应管道中的压强可能不够高而无法向高层住宅建筑物的高层用户供应水。因此，这种高层住宅建筑物中或附近的水泵向位于高层建筑物的屋顶上的水箱提供水。在图1的实例中，然后通过泵18将水供应到位于住宅/高层建筑物11的屋顶上的重力供水水箱15，并最终通过分配管13分配给用户。

如本领域已知的，减压阀通常通过阀的节流面积的改变将流经阀的流体从较高的入口压强改变为较低的出口压强。不幸的是，由于这种类型的阀通常通过减小节流面积来减小水压，水压的势能在整个系统中被浪费了。

因此，需要提供一种涡轮机装置，该涡轮机装置能够使流体压强减小并将压强减小用于发电，并且至少部分地解决以上问题。这在流体被处理为被供应给家庭或商业建筑物(尤其是住宅)的饮用水时尤其重要。

技术实现要素：

本披露的特征和优点将在下面的描述中阐述，并且部分将从所述描述显而易见，或者可以通过实践本文中披露的原理而习得。本披露的特征和优点可以借助于在所附权利要求书中特别指出的手段和组合来实现和获得。

根据本披露的第一方面，提供了一种涡轮机装置，该涡轮机装置包括：涡轮机，该涡轮机包括壳体，该壳体包括蜗壳，该蜗壳被构造成引导流体流动路径穿过设置在其中的转轮，以用于使与其联接的第一可旋转轴相对于该壳体旋转；以及传动组件，该传动组件与该壳体接合，该传动组件包括设置在其中的第一可旋转构件，该第一可旋转构件一端与该第一可旋转轴磁耦合，并且另一端与发电系统联接；其中，所述涡轮机中的流体流动路径被所述壳体排除在所述传动组件之外。

该传动组件可以包括第二可旋转轴，该第二可旋转轴一端可与该第一可旋转构件接合，并且另一端可与该发电系统接合。可以包括用于在其中支撑该第一可旋转轴和该第二可旋转轴的至少一个构件。

可选地，控制系统包括旁通回路、阀、用于检测转轮的旋转的传感器、以及用于响应于从该传感器接收的信号来控制该阀的状态并且从而控制穿过该涡轮机装置和该旁通回路的流体流速的控制器。有利地，旁通回路包括位于两个相邻管段之间的柔性管，以用于提供可调节的轴向偏移。

该柔性管的材料可以是金属或橡胶。

该蜗壳的入口的截面可以相对小于流体供应系统的主管的横截面，以用于增加流过该转轮的流体的流动速度。

该蜗壳的出口的排出口的截面可以相对大于该蜗壳的出口的进入口的截面，以用于减小从该转轮流出的流体的流动速度。

该蜗壳的入口的轴线可以与该蜗壳的出口的排出口的轴线对准。

至少一个调节构件可以安装在该涡轮机装置的上游处该蜗壳的入口之前。该调节构件可以将从该流体供应管开始的直径减小到该蜗壳的入口的直径。

至少一个调节构件可以安装在该涡轮机装置的下游处该蜗壳的出口之后。该调节构件可以将从该蜗壳的出口开始的直径增加到该流体供应管的入口直径。

该第一可旋转轴可以在该壳体中由流经其中的流体润滑。

在另一方面，提供了一种用于从流体流动产生电力的系统，该系统包括：涡轮机装置；以及发电系统，该发电系统用于将机械能转化为电能。

在又另一方面，提供了一种用于从流体流动产生电力的方法，该方法包括：引导该流体流经涡轮机装置；以及将该涡轮机装置连接到能操作来发电的发电系统。

附图说明

为了描述可以获得本披露的上述和其他优点和特征的方法，将通过参考在附图中示出的本披露的具体实施例来呈现对上面简要描述的原理的更具体描述。应理解这些附图仅描绘了本披露的示例性实施例，因此，不应被认为是限制本披露范围，将通过使用附图来以附加特定性和细节来描述和阐明本文中的原理。

下文将通过实例并参考附图来进一步详细解释本披露的优选实施例，在附图中：-

图1描绘了具有屋顶水箱的、用于高层建筑物的典型的配水系统的示意图。

图2描绘了根据本披露的实施例的具有涡轮机装置和发电机的、用于从流体流动产生电力的系统的透视图。

图3描绘了根据本披露的实施例的涡轮机装置和发电机的截面视图。

图4描绘了根据本披露的实施例的涡轮机的截面视图。

图5描绘了根据本披露的实施例的涡轮机装置的压强模拟图。

图6描绘了根据本披露的实施例的磁耦合布置的截面视图。

图7描绘了根据本披露的一个实施例的具有控制系统的涡轮机装置的透视图。

图8描绘了根据本披露的一个实施例操作的具有控制系统的涡轮机装置的示意性流程图。

图9描绘了根据本披露的实施例的具有涡轮机装置和发电机的、用于从流体流动产生电力的系统的功率输出与流速之间的关系图。

图10描绘了根据本披露的实施例的在控制系统调节下的涡轮机转速的图。

图11描绘了根据本披露的实施例的在控制系统调节下的输出功率的图。

具体实施方式

下面详细讨论本披露的各种实施例。虽然讨论了具体实施方式，但应该理解这仅仅是为了说明目的而进行的。相关领域的技术人员将认识到，在不脱离本披露的精神和范围的情况下，可以使用其他部件和配置。

图2描绘了根据本披露的一个实施例的具有涡轮机装置和发电机的、用于从流体流动产生电力的系统的透视图。根据本披露的用于从流体流动产生电力的系统100代替了背景技术中讨论的用于在流体供应管中减压的现有技术的减压阀，并且至少部分地解决了与这种布置相关联的一些问题。

用于从流体流动产生电力的系统100包括涡轮机装置60和发电机80。涡轮机装置60包括涡轮机20和传动组件40。

在根据本披露的这个实施例中，涡轮机20包括壳体30。涡轮机的蜗壳包括蜗壳入口22和蜗壳出口26。来自供应管的流体穿过蜗壳入口22流入涡轮机20中，并且然后穿过蜗壳流动通道28进入转轮24中，并且最后穿过蜗壳出口26离开涡轮机20，如图4所示。

现在参考图3，描绘了根据本披露的一个实施例的系统100中的涡轮机装置60和发电机80的截面视图，而图4示出了根据本披露的一个实施例的涡轮机的截面视图。

参考图3和图4，蜗壳、转轮24和第一可旋转轴32位于涡轮机装置60的壳体30中。转轮24包括多个叶片(未示出)。

有利地，蜗壳入口22和蜗壳出口26被构造成是对准的，使得涡轮机装置更容易安装在流体供应管之间。应当理解，在不脱离本披露的范围的情况下，蜗壳入口22和蜗壳出口26的任何布置都是可能的。

在图3和图4的实施例中，蜗壳入口22和蜗壳出口26的截面形状是大致圆形的。然而，应当理解，在不脱离本披露的范围的情况下，对于蜗壳入口22和蜗壳出口26来说其他截面形状也是可能的，诸如矩形、六边形等。

蜗壳入口22的进入口21的截面的直径相对小于流体供应管的截面的直径，使得流体的流动速度显著增加，这增强了转轮的能量提取。蜗壳出口26具有接收来自转轮24的流体的进入口23和用于将流体引导回到下游供应管的排出口25。蜗壳出口26的截面的直径从进入口23向排出口25扩大，使得来自转轮的流体速度在蜗壳出口26中减小，并且然后流入下游管中。

在一个优选实施例中，涡轮机装置60被装配在到住宅的市政淡水供应系统中。应当理解，涡轮机装置60可以应用于任何流体系统，但是特别适合于具有过压并且用于分配流体以供消耗的流体系统。有利地，在一个实例中，蜗壳入口22的直径为25mm。

当淡水穿过蜗壳入口22进入涡轮机装置60中时，水的速度显著增加。蜗壳出口26的直径从进入口23处的50mm逐渐增加到排出口25处的65mm。因此，来自转轮24的水的速度减小，并且在蜗壳出口26中出现低压区，这有助于从水流中进行能量提取。

图5示出了根据本披露的一个实施例的涡轮机装置的压强模拟图。此模拟模型表示涡轮机中流动的流体形状/场。由矩形框圈出的部分指示转轮24中的流体，并且剩余部分指示蜗壳中的流体。从图5可以看出，水压从转轮24到蜗壳出口26逐渐减小。由点a指示的小黄色区示出了蜗壳中流体在进入转轮之前的相对较高的压强，并且由点b指示的小蓝色区出现在蜗壳出口26的进入口23处。此小蓝色区是低压区，它允许转轮从水流中提取更多的能量。

应当理解，当流体(例如水)流经涡轮机装置20时，转轮24从流体中提取能量，并通过传动组件40将能量传递到发电机80。蜗壳流动通道28设置在转轮24周围和附近，以使泄漏最小化。

图3还示出了系统100的示例性内部结构。在一个实施例中，涡轮机20进一步包括底板27，该底板通过螺栓安装在转轮24上方。第一可旋转轴32的一端联接到转轮24，使得当流体流过转轮24时，转轮24驱动第一可旋转轴32相对于壳体30旋转。设置在壳体30内的套环构件36围绕第一可旋转轴32的另一端并可与之接合。第一可旋转轴32穿过底板27。存在保持第一可旋转轴32的两个轴承，并且轴承固持器31固定在底板27上，用于支撑第一可旋转轴32的安装和轴承的润滑。流体可以穿过底板27在壳体30中流动，这润滑壳体中的机械零件，包括第一可旋转轴32。壳体30包括用于将流体与外部环境(包括系统的其他部件)分离和密封的覆盖构件34。

传动组件40与壳体30接合，并且包括第一可旋转构件46，该第一可旋转构件一端与壳体30内的套环构件36磁耦合，并且另一端与发电系统(诸如发电机80)联接。有利地，传动组件40进一步包括第二可旋转轴42，该第二可旋转轴一端可与第一可旋转构件46接合，并且另一端可与发电系统(诸如发电机80)接合。轴承固持器44用于固定和支撑第二可旋转轴42。可选地，联接构件48布置在第二可旋转轴42与发电系统(诸如发电机80)之间，用于连接第二可旋转轴42和发电机80的轴。

图6示出了根据本披露的一个实施例的磁耦合布置的截面视图。磁耦合是通过使用磁场而不是物理机械连接将转矩从一个轴传递到另一个轴的联接。

如图6所示，磁耦合布置包括用于将壳体30内的流体与外部环境分离和密封的覆盖构件34、壳体30内的套环构件36、以及壳体30外的第一可旋转构件46。几个磁极被插入到套环构件36和第一可旋转构件46中，并且因此磁耦合布置可以通过磁场传递转矩。覆盖构件34将壳体30内的套环构件36与壳体30外的第一可旋转构件46分离。以这样的方式，将避免流体从壳体中的泄漏，该泄漏必然会与包括在其周围具有孔的轴相关联。此壳体被构造成限定流动路径，该流动路径与蜗壳一起将壳体30内的流体与外部环境分离。

因为覆盖构件34和套环构件36直接接触流体，覆盖构件34和套环构件36的材料可以基于工作要求/要输送的流体来选择。例如，对于淡水，覆盖构件34的材料可以是316不锈钢，并且套环构件36应该由316不锈钢外壳覆盖。本披露的磁耦合布置(而不是使用磨损并导致接触表面在抵靠彼此滑动时具有摩擦的轴密封件)允许涡轮机装置更加可靠并确保水质。附加地，磁耦合布置还降低了涡轮机的启动转矩。

在一个实施例中，覆盖构件34的外径可以是78mm，并且套环构件36的外径可以是46mm。第一可旋转构件46的外径可以是69.5mm，并且第一可旋转构件46的突出部分的直径可以是35mm。对于这些示例性尺寸，磁耦合布置的最大工作压强是2.0mpa，并且在这种情况下，磁耦合布置可以传递最大转矩3.0nm。

当流体在涡轮机20中流动并且蜗壳入口22引导流体流入转轮24中时，转轮24从流体流动中提取能量并驱动第一可旋转轴32以及套环构件36，这意味着通过轴承和第一可旋转轴32将能量传递到套环构件36。利用磁耦合布置，套环构件36通过磁场将其旋转能量传递到第一可旋转构件46。最后，通过第二可旋转轴42和联接构件48将能量传递到发电机80，以便发电。

图7示出了根据本披露的一个实施例的具有控制系统50的涡轮机装置的透视图。来自流体供应管70的流体流经涡轮机装置60并使转轮24旋转。当流体流速增加时，涡轮机的转速和穿过涡轮机装置60的水头减小也增加。因此，在较高的流速下，水头减小可能超过期望值，这意味着压强减小，并且对正常供水产生负面影响。提出控制系统50来解决上述问题。控制系统50的主要目的是通过将涡轮机转速保持在可接受的范围内来避免在较高流速下的过度的水头减小。

在一个实施例中，控制系统50包括旁通回路52、阀54、用于检测转轮的转速的传感器、以及用于响应于从传感器接收的信号来控制阀54的状态并且从而控制穿过涡轮机装置60和旁通回路52的流体流速的控制器56。阀54可以是电磁控制阀。应当理解，在不脱离本披露的范围的情况下，任何类型的阀都是可能的。可选地，电池59被提供给控制器56。

旁通回路52平行于流体供应管70布置，并且阀54由控制器56控制并安装在旁通回路52中。传感器安装在涡轮机装置60中，以检测转速并向控制器56发送信号。一旦转速太高，控制器56将控制阀54打开至一定程度，因此穿过涡轮机装置60的流速将减小，并且转速将减小。柔性管58位于旁通回路52的两个管段之间，用于补偿由于管移动和在相邻管段之间所产生的同心度误差而引起的偏移。柔性管的材料有利地是柔性材料，诸如金属或橡胶。为了连接流体供应管70和涡轮机装置60，至少一个调节构件安装在涡轮机装置60的上游处蜗壳入口之前，并且至少一个调节构件安装在涡轮机装置60的下游处蜗壳出口之后。如图7所示，调节构件72将从流体供应管开始的直径减小到蜗壳的入口的直径，而调节构件74将从蜗壳的出口开始的直径增大到流体供应管的入口直径。

图8示出了根据本披露的一个实施例的具有控制系统50的涡轮机装置的示意性流程图200。

涡轮机的转速与流速有关，因此在涡轮机控制策略中选择转速作为受控参数。

如可以看出的，控制策略是闭环控制。

在步骤202，首先将可接受的转速范围(例如1200rpm至1450rpm)输入在控制器56中。

接下来，在步骤204，获得涡轮机转速的实时值，并由传感器发送给控制器56。

如果转速在正确的范围内，如步骤206所示，则阀54的状态不变。

如果转速超过设定范围(步骤208)，则控制器56将控制旁通回路52中的阀54将其打开至更大的开口程度(步骤210)，以允许水进入旁通回路。这意味着穿过涡轮机装置60的流速减小，并且转速减小，优选地减小到所需范围。

替代性地，如果转速低于所需范围(步骤212)，则控制器56可以控制阀54的状态将其关闭至更小的开口(步骤214)。一旦这种情况发生，穿过旁通回路52的流速将减小，并且涡轮机转速将增加。

通过经由控制器56每10秒将实际转速与输入范围进行比较，可以重复调节过程，直到涡轮机转速稳定在给定范围内。

通过检测涡轮机转速和控制阀54的开口程度/状态，可以控制穿过涡轮机装置60的流速，并且因此还可以在很大程度上控制穿过涡轮机装置60的水头减小。

图9示出了根据本披露的一个实施例的具有涡轮机装置和发电机的、用于从流体流动产生电力的系统的功率输出与流速之间的关系图。如图9所示，涡轮机的输出功率基本上随流速线性增加；并且可以看出，示例性涡轮机布置的额定输出功率在10m³/h下为110w。

图10示出了根据本披露的一个实施例的在控制系统调节下的涡轮机转速的图。图11示出了根据本披露的一个实施例的在控制系统调节下的输出功率的图。

在根据本披露的实施例的涡轮机装置的测试中，转速范围被设定为1295rpm至1350rpm，并且流速逐渐增加。

参考图10和图11，可以看出，随着流速的增加，输出功率和转速也逐渐增加。当转速超过1350rpm时，阀54打开。

在点p处，流速急剧下降，并且输出功率和转速也显著下降。然而，在阀54调节之后，输出功率和转速保持在期望范围内。在这个时间序列中，通过仔细选择阀设定/流速来使水头损失保持在22m以下。

应当理解，本涡轮机装置和系统提供了从压强减小(这不可避免地发生在住宅建筑物/高层住宅附近)中回收动能。典型地，本系统的涡轮机装置和系统可以串列装配在经处理的可饮用水供应装置中，因为水流路径没有被用于机械部件的润滑油污染。有利地，壳体中的水流用于在与发电机分离的区域中提供对可旋转轴的润滑。

相比之下，用于从流动流体中提取动能的典型涡轮机用于大规模发电系统。在这种系统中，轴通常用于直接连接涡轮机和发电机，这可能导致泄漏、摩擦损失和机械磨损，并且因此降低整体机械效率。然而，在这种环境下，从整体规模来看，效率低下并不重要。

附加地，控制回路可以用于调节涡轮机转轮周围的导叶的打开或关闭状态，以便控制流经转轮的流体。然而，这种导叶通常体积庞大，并且难以根据流速进行调节。另外，这些大型系统通常位于水处理设施的上游，这意味着由发电过程引入的任何杂质都可以通过后续处理来解决。

根据本披露的涡轮机装置和用于产生电力的系统具有至少部分解决现有系统的上述问题的优点，诸如减少机械损失、提高机械效率、避免流体泄漏、更准确的控制，并且特别适用于小规模应用，尤其是其中就在一个或多个住宅建筑物前串列安装的应用。

以上实施例仅通过实例来描述。在不脱离如所附权利要求中定义的本披露的范围的情况下，许多变体是可能的。

为了解释清楚，在一些情况下，本技术可以被呈现为包括各个功能块，这些功能块包括以下功能块：这些功能块包括装置、装置部件、以软件、或硬件和软件的组合实施的方法中的步骤或例程。

根据上述实例的方法可以使用计算机可执行指令来实现，这些计算机可执行指令存储在计算机可读介质中或者以其他方式可从计算机可读介质中获得。这种指令可以包括例如指令和数据，这些指令和数据使得或以其他方式配置通用计算机、专用计算机或专用处理装置来执行特定功能或功能组。使用的部分计算机资源可以通过网络访问。计算机可执行指令可以是例如二进制文件、中间格式指令，诸如汇编语言、固件或源代码。可以用于存储指令、使用的信息和/或在根据所描述的实例的方法过程中创建的信息的计算机可读介质的实例包括磁盘或光盘、闪存、设有非易失性存储器的通用串行总线(usb)装置、联网存储装置等。

实现根据这些披露的方法的装置可以包括硬件、固件和/或软件，并且可以采用多种形式因素中的任何一种。本文描述的功能还可以实施在外围设备或附加卡中。作为另一实例，这种功能还可以实现在不同芯片或者单个装置中执行的不同过程中的电路板上。

指令、用于传送这种指令的介质、用于执行它们的计算资源、以及用于支持这种计算资源的其他结构是用于提供本披露中描述的功能的器件。

尽管使用了各种实例和其他信息来解释所附权利要求范围内的各方面，但是不应基于这些实例中的特定特征或布置来暗示对权利要求的限制，因为普通技术人员将能够使用这些实例来获得各种实现方式。进一步并且尽管可以已经用特定于结构特征和/或方法步骤的实例的语言描述了某一主题，但是应当理解，所附权利要求中限定的主题不一定限于这些描述的特征或动作。例如，这种功能可以不同地分布或在除了本文所标识的部件之外的部件中中执行。更确切的说，所描述的特征和步骤被披露为所附权利要求范围内的系统和方法的部件的实例。