[发明专利]高效涡轮机叶轮

说明书

本发明涉及一种高性能混合式涡轮机，其主要包括叶轮(转子)，将(水、空气以及其他多相流体的)流体流朝向叶轮(转子)传送，以使叶轮自身围绕其旋转轴旋转。此涡轮机的混合式特征特别地涉及叶轮，该叶轮利用流体流施加在根据(管道的)内部的流的典型形态而构成的管道(元件)上的推力，同时还利用由设置在叶轮的同一元件内的一定数量的翼面产生的推力。本发明的一个重要特征在于这样的事实：在该涡轮机用作风力涡轮机的情况下，其可在甚至比现在存在的风力涡轮机所允许的极限高得多的风速下运行。

申请人：卡拉布里亚大学(80％) 泽玛机械工厂(20％)

发明人：贾恩卡洛·阿方西 阿戈斯蒂诺·劳里亚

本发明涉及一种高性能混合式涡轮机。

背景技术

现有技术包括不同类型的涡轮机，其主要可以分成冲动式涡轮机和反动式涡轮机，在冲动式涡轮机中，流体压力在流体流和叶轮之间的相互作用过程期间不改变(如在培尔顿涡轮机中一样)，在反动式涡轮机中，流体压力在流体流和叶轮之间的相互作用过程期间变化(如在弗朗西斯涡轮机和卡普兰涡轮机中一样)。

不管压力经历的转变如何，用于在已知类型的涡轮机之间进行区分的另一特性是在流体流与叶轮接触时流体流所遵循的主方向。因此，可以分成具有径向流的涡轮机(其中，流主要在叶轮的旋转平面上在距其旋转轴一距离处移动，即，流以某一半径值进入并以较小的值离开，如在弗朗西斯涡轮机的情况下一样)、轴流式涡轮机(其中，流主要在平行于叶轮轴的方向上移动，如在卡普兰涡轮机的情况下一样)和混流式涡轮机，在该混流式涡轮机中，流体流部分地在径向方向上移动并且部分地在轴向方向上移动。

已知类型的涡轮机的另一种分类可基于所处理的流体的类型来进行。可在水轮机、蒸汽轮机、燃气轮机和风力涡轮机之间进行区分。在液力涡轮机中，将水流引向一个叶轮，以便使叶轮旋转并且能够从连接到机轴的交流发电机产生电力，如在水力发电厂中发生的一样。水流来自通常由水坝产生的人工水池供给的引水道，在培尔顿涡轮机的情况下，水流是自由的并且处于大气压力下，或者在弗朗西斯涡轮机和卡普兰涡轮机的情况下，水流是管道输送的并且处于比外部环境的压力更高的压力下。引水道中的流的能量扣除压头损失之后部分地是压力部分地是动能。在弗朗西斯涡轮机和卡普兰涡轮机的情况下，将引水道端部处的水流通过另一管道引向叶轮，因此具有仍然部分地是压力且部分地是动能的能量负载。在培尔顿涡轮机的情况下，引水道以大气中的出口喷嘴结束，因此流的能量完全仅转化为动能。然后将同一水流引向叶轮，因此在后一种情况下，与叶轮相互作用的水流的能量仅仅是动能类型的。在蒸汽轮机的情况下，通过将来自燃烧一些燃料的锅炉的热量引入回路中，例如在热电厂或热核发电厂中，达到明显高于外部压力的流体的压力值，该压力值对于设备的操作是必需的。在燃气轮机的情况下，通过涉及燃烧室中的燃料和空气的化学反应，例如在喷气发动机中，达到比外部压力高得多的高压力值，该高压力值是设备的操作所必需的。在风力涡轮机的情况下，在大气压下的风流(因此仅具有动能)使连接到机轴的叶片(翼型)在大气空气中旋转，其中该机轴进而连接到交流发电机的叶轮。

存在以各种方式调用这些类型的涡轮机的许多专利(见参考文献)，特别是在风力领域。

特别地，在专利文献[6]至[8]中，作为基本特征，涡轮机叶轮的构成元件具有这样的事实：具有使这些叶轮推力导管(其构成元件)与外部环境连通的狭缝，以便例如在叶轮用作涡轮机风力的情况下从外部环境吸入空气以增加推力导管内的流量。

在所有类型的现有涡轮机中，一个涡轮机可分成同一流体(其为液体、气体或多相)的流体入口段和出口段。入口段的几何尺寸(为A)和入口处的流体速度V的平均值确定进入机器的流体流量Q(Q＝VA，如果流体密度ρ是恒定的，则为每单位时间的体积Q＝ρVA，如果流体密度可变化，则为每单位时间的质量)。在所有现有的涡轮机中，在机器的每个预定操作点处，流体流在机器自身的入口段和出口段之间保持恒定。因此，在机器的入口端处的流的功率(每单位时间的能量)等于：