根据压力原理操作的螺旋涡轮的制作方法
【技术领域】
[0001] 本申请提出了一种使用压力原理的新颖涡轮设计，其迫使高压气体通过许多匝较 长并且较浅的螺旋。气体对具有中等宽度和很浅深度的长螺旋做功。当螺旋以中等角速度 转动时，沿着螺旋的长度发生压力的逐渐并且接近线性的降低。当气体在螺旋中转动时逐 渐发生气体的绝热膨胀，使得这个过程大致是等熵的。
【背景技术】
[0002] 缓慢膨胀不同于冲击或反动式涡轮的快速膨胀，冲击或反动式涡轮的快速膨胀在 气体通过发散喷嘴膨胀期间瞬间将所有压力能量转变为动能。这种快速膨胀将气体的大部 分压力和热能转变为高速气体流动，其可能有时达到超音速。气体流动的动量通过冲击于 涡轮叶片上而赋予给涡轮。冲击使得叶片围绕轮轴旋转。许多这样的叶片一起造成涡轮转 子以高速转动。反动或冲击式涡轮的缺点在于高速气体的动能常常再转变回热，造成热机 的熵损失。本公开通过使气体在沿着中等宽度和很浅深度的长螺旋做功时保留其压力而避 免了熵低效。
[0003] 本申请的涡轮具有许多优点。首先，本申请已改进了热转变成动能的转换效率。其 次，涡轮的功率可以通过加宽螺旋或者通过增加在圆盘堆叠中的螺旋数量而缩放。多个平 坦圆盘可以螺接/栓接在一起以增加涡轮的功率容量。第三，简化了制造。螺旋通过现代 高精度技术诸如线放电加工(线EDM)而机械地切割。第四，大幅减小了涡轮旋转速度，大约 每分钟1000转（rpm)，而不是现代涡轮典型的数万rpm。
[0004] 这种较低的速度允许涡轮轮轴直接联接到感应或同步发电机，而无需使用齿轮 来降低rpm。降低的rpm允许润轮以60赫兹交流同步以使同步多相发电机的电输出与电 网.电力网格容易地进行相位联结（phase tying)。将描述涡轮能够如何/以什么方式直 接联接到同步多相永磁体发电机中。替代地，可以使用多相感应发电机。
[0005] 这种较小、简便和经济型涡轮适合于将聚光太阳能作为热源的功率转变。高度聚 焦的阳光产生高温和高压蒸汽来驱动涡轮。也描述如何将化石燃料诸如天然气用于生成高 温和高压蒸汽的方式。蒸汽被喷射到转子中心而不是转子外围。这种中心喷射需要特殊的 联接器以用于使蒸汽流入到涡轮内。
[0006] 存在比冲击或反动式涡轮更高效的其它燃气涡轮或蒸汽机，诸如使用活塞的正排 量的瓦特蒸汽机，或者使用类似翼片/机翼的涡轮叶片升力的工业燃气涡轮。这些发动机 通常具有较大大小、有噪音，包括大量零件并且可能以高速旋转。但本公开，通过在金属实 心圆盘中切割螺旋，得到一种具有很少零件、制造成本较低并且故障保险的小型并且简单 的涡轮，其与大型燃气涡轮一样有效率。这种涡轮适合于小型的太阳能或热能源。
[0007] 在这个背景调查的其余部分中给出涡轮和蒸汽机更详细的历史发展。
[0008] 涡轮是旋转机械，其从移动流体吸收能量或者向移动流体赋予能量。涡轮自从古 代以来就是发明主题。例如赫诺发明了一种旋转式锅炉，其从两个喷嘴在直径两端处在相 反方向出射蒸汽。这种锅炉响应于出射的蒸汽而自旋。赫诺涡轮以机械反作用的原理工作。
[0009] 阿基米德发明了著名的阿基米德螺杆，其使用在缸内的螺旋拔塞器的旋转运动来 提升水。阿基米德螺杆根据机械冲击原理工作，由涡轮叶片向水赋予升力。目前许多水电 站将相同的冲击或冲动原理用于移动所述涡轮的反过程。下落的水冲击于涡轮上，使涡轮 转动，涡轮继而驱动发电机。
[0010] 自从工业革命起已发明了许多涡轮用于转变热、压力或气 体的运动动力来进行工业运作或者发电。这里引用基于特别的动 力原理的几个值得注意的发明。首先，提到纳维尔斯托克斯方程，
其使气体密度p、气体速度向量H、气体压力P、对于气体的应力张量 _以及通过不同操作者的气体的体力向量I相关。纳维尔斯托克斯方程是牛顿第二运动定 律麵1滅·的气体模拟，牛顿第二运动定律Hiif表述了作用于质量匿上的力F将会产生 加速皮a r f/lf。在纳维尔斯托克斯方程左边的材料导数
类似于牛顿第二定律中的项 Μδ,而方程右边的三项表示作用于气体上，造成气体动能变化的内力和外力。第一项…雙梦 与气体压力的空间梯度变化有关。在本发明的公开中，在压力沿着螺旋长度持续地并且缓 慢地降低时，希望梯度较小。第二项__与对于气体的应力张量T (诸如由粘度造成的应力 张量）有关。这一项在特斯拉涡轮中较为重要，但在本发明的螺旋涡轮内并不太重要，因为 气体流动并非层流。最后一项f是涡轮对于气体的反作用。气体对于涡轮的作用造成涡轮 自旋，并且在这个过程中，气体的热和压力能量变化为动能。
[0011] 当迫使过热和高压气体通过拉伐尔喷嘴时，反动式涡轮做功。气体的大部分热和 压力能量在短喷嘴颈部内转变成高速和常常超音速的低压和低温射流。换言之，仅在 喷嘴内快速变化。出射气体激起喷嘴的相等并且相反的反作用。不幸的是，反动式涡轮常 常以超过每分钟10000转（rpm)的危险速度自旋，而同时提供很小扭矩。
[0012] 冲击或冲动式/脉动式涡轮具有固定喷嘴，来自喷嘴的高速气体被推迫以冲击旋 转的涡轮叶片。冲击式涡轮也倾向于以很高的速度很小的扭矩转动。当高速气体撞击叶片 时，冲击式涡轮常常有噪音。更糟的是，冲击式涡轮常常具有较低效率，因为在与周围空气 或涡轮叶片进行湍流冲击时，高速射流快速失去动能。
[0013] 世界上的大部分电力是通过根据朗肯发动机原理工作的蒸汽涡轮生成。现代蒸汽 涡轮具有旋转叶片和静态导流器的交替级。高压和高温蒸汽进入旋转涡轮。蒸汽涡轮和风 力涡轮通过与飞机翼的升力原理类似的升力原理操作。当气体在翼形件的上表面上加速 时，下表面由于由更缓慢流动的气体所施加的更高压力而经历升力。因此，由于空气动力升 力迫使涡轮叶片发生旋转。离开涡轮叶片的流动由静态通道重导向。然后重导向的气体流 动以正确角度撞击涡轮叶片的第二级。对于涡轮叶片的随后级而言，重复了重导向和提升 的过程。
[0014] 升力涡轮的高效率是由于提升涡轮叶片的气体的非湍流流动，而没有对涡轮叶片 的直接熵冲击。气体流动缓慢地经过叶片，缓慢膨胀，同时产生其压力的较小部分来提升叶 片。具有降低温度的略微减压的气体可以对涡轮叶片的下一级做另外的功。对于现代组合 循环燃气涡轮而言，来自燃烧的天然气的超过60%的热能可以转变为机械功或电力。
[0015] 现代蒸汽或燃气涡轮是强力的、较大的并且高效的。不幸的是，它们较为复杂，包 括以高速旋转的许多移动零件。这些涡轮因此制造起来较为昂贵并且难以维护。
[0016] 用于较大集中式发电的化石燃料燃烧每年生成数十亿吨的二氧化碳，造成全球变 暖和燃料资源耗竭。分布式可再生的发电，诸如由型小太阳能集热器或者家用热源所提供 的可再生发电需要较小、简单、高效、廉价并且可靠的涡轮。这些涡轮尚未大规模提供以可 用。
[0017] 本公开使用基于压力和温度原理的独特新颖的螺旋涡轮实现了这些目的。存在着 基于压力原理做功的发动机，诸如用于詹姆斯·瓦特的经典蒸汽机的活塞的正排量。旋转 蒸汽机使用旋转桨叶来旋转，不同于使用曲柄和飞轮来将活塞的线性运动转变为旋转运动 的瓦特蒸汽机。
[0018] 这些正排量发动机并不像现代燃气和蒸汽涡轮那样高效，因为气体流动并不顺 畅。阀、曲轴、密封件和飞轮偶发地操作。它们难以建置并维持在高温、高压和运动频率。
[0019] 本公开与这些正排量发动机截然不同，正排量发动机通过将固定体积的高压气体 喷射到闭合腔室内并且然后允许气体膨胀并且推动活塞或桨叶而操作。本申请的气体流动 是连续的并且是开放的，无阀、活塞或闭合外壳。由于连续并且顺畅的气体流动，本发明具 有顺畅的动力递送和平衡运动的优点。
[0020] -世纪前发明的特斯拉涡轮作为用于可再生发电的小型涡轮再次出现。特斯拉涡 轮通过由于流动气体粘度所致的空气动力阻力做功。气体被喷射到圆形盘堆叠的外围内。 气体在圆盘之间持续流动，朝向堆叠中心盘旋，堆叠中心用作气体排出口。阻力V T对应于 纳维尔斯托克斯方程
'的右边的第二项。气体粘度拖曳圆盘，使得堆叠 在与气体旋转相同方向上旋转。气体流动为在相邻圆盘之间的层流，在圆盘之间的中途具 备的粘度比圆盘表面的粘度更高。这种层流在圆盘上造成粘性阻力，如由纳维尔斯托克斯 方程所描述。
[0021 ] 尼古拉斯·特斯拉最初面对其特斯拉涡轮超过10, 000 rpm的高自旋速度的问题。 气体流动的高自旋速度，结合不太先进的机械加工和材料技术，然后使得特斯拉涡轮更加 低效和难以制造。因此，然后具有旋转叶片的燃气和蒸汽涡轮已变成了用于工业发电的主 要发动机。
[0022] 本公开与特斯拉涡轮明显不同。除了使用压力原理而不是粘性阻力之外，机械结 构也不同。对于本发明的涡轮而言，气体从圆盘中心在引导螺旋中流到同一圆盘的外围，而 特斯拉涡轮在圆盘之间从外围向中心流动。就本发明的涡轮而言，气体在涡轮自旋的反方 向流动，因为自旋是由于涡轮