油箱内装式涡轮机方法和系统与流程

本专利与2014年9月15日提交的标题为“Provisional 9-14 Miscellaneous”的共同拥有的美国临时专利申请第62/050,226号有关并且要求其优先权，其公开内容以引用的方式全部并入本文。

【技术领域】

技术领域与

背景技术：

本发明涉及包封闭合涡轮系统的油箱。

技术实现要素：

本发明提供了系统和方法，该系统和方法用于确保空气空间(也称为“较轻流体空间”，这些术语在本文中可交换地使用)与包封着涡轮机的油箱以及油箱的水位(也称为“较重流体空间”，这些术语在本文中可交换地使用)相互作用，以便：(1)实现尽可能实现接近稳定状态的期望效果，调节以适应多种压力情景，防止背压水撞击转子叶片，并且防止将空气引入到下游管道中，以及(2)使得能够将油箱构造为与空气空间一起实现上述目的。

本发明公开了实现使这种系统能够工作的恰当流体配置的重要变量。这些变量中的一些包括：(1)油箱形状和容积；(2)入口管道和出口管道的布置；以及(3)根据公式的流体的体积比率。对于水力发电管内系统的每次安装，可以并且应该自定义这三种因素。该自定义的一部分是基于在特定位置处可能会发现的压力变化范围。该范围被纳入了公式中。这是很重要的，因为压力可以在管道系统中发生变化。

该过程的益处在于可以实现均衡状态，从而避免需要连续地灌入较轻流体，并且将较重流体限定在出口管道上方并且在转子下方的区域。如果较重流体过低，较轻流体则会逸入下游管道系统中，从而毁坏较轻流体的保存和下游较重流体的纯度。如果较重流体过高，则其会干扰转子效率。

本发明还提供了方法，该方法在存在针对特定范围的流量和压力输入的标准入口和出口管道配置的情况下，通过使模块化油箱延伸部能够附接至主油箱的侧部来改变油箱容积。同样可能的是，制作一种可以容易地调节入口管道和出口管道的位置的系统，并且将此包含进来作为本发明的一部分，但实际情况是，由于油箱容积的变化可以发生在任何液位，所以这并不像将油箱容积改变到恰当的液位那样容易。

本发明通过如下方式成功地解决了当前已知配置的缺点：提供一种在包含较轻流体的空间的较重流体运输系统的背景下处理油箱和流体设计的特定方法、以及提供这种空间的条件，该条件将不取决于将较轻流体提供至油箱内部的压缩机的连续操作。这种稳定状态应该能够在不另外注入较轻流体的情况下工作至少一分钟。

本发明公开了一种用于调节包封涡轮机转子的油箱中的较轻流体和较重流体的流体体积的方法，该油箱包括：至少一个入口，该至少一个入口用于使较重流体沿着路径流动以使转子移动；至少一个出口，该至少一个出口用于使较重流体在入口的液位下方的液位处离开；用于较轻流体的至少一个入口，该方法包括：

a.感测油箱中的较重流体的液位并且将该液位与油箱的容积和转子在油箱中的位置相关联，从而使较重流体的液位保持在转子下方，

b.通过从油箱的可用容积(定义为不包括油箱内的任何固体结构，诸如，转子)减去转子的最低点上方的较轻流体空间(称为较轻流体不可变空间)的容积，再减去较重流体的体积，来确定在转子的底部与较重流体的上液位之间的较轻流体的空间(称为较轻流体可变空间)的容积，

c.根据可变空间与不可变空间的预定比率，响应于所感测到的较重流体的液位，通过其入口来调节较轻流体的压力，以便维持在可变空间中的较重流体的液位。

根据另一实施例，预定比率针对不同压力将可变空间中的较轻流体与较重流体的界面维持在不同液位。

根据另一实施例，其中，可变空间与不可变空间的预定比率将较轻流体与较重流体的界面维持在可变空间的大约中点处。

根据另一实施例，该比率表示为：P(A)的变化÷P(A,0)＝[γ×高度变化÷h(L,0)]÷[1+{V(b)÷V(L,0)}]，其中，P(A)是较轻流体的压力，P(A,0)是较轻流体处于均衡下的压力；γ是通常为1.2的常数；h(L,0)是较轻流体处于均衡下相对于转子的底部部分的高度，高度变化是较轻流体相对于转子的底部部分的高度，其中，该项[高度变化÷h(L,0)]应被看作小于1以避免转子的液泛；V(B)是不可变空间中的较轻流体体积，V(L,0)是在稳定状态下在可变空间中的较轻流体的体积。

根据另一实施例，较重流体是水，而较轻流体是空气。

根据另一实施例，较重流体是油，而较轻流体是空气。

根据另一实施例，较重流体是气体，而较轻流体是轻质气体。

在一个实施例中，该方法进一步包括：

g.通过将传感器和输入喷嘴连接至微处理器，根据如下公式1和2的组合来限定油箱尺寸和较轻流体体积：P(A)的变化÷P(A,0)＝[γ×高度变化÷h(L,0)]÷[1+{V(b)÷V(L,0)}]，其中，P(A)是所述较轻流体的压力，P(A,0)是所述较轻流体处于均衡下的压力；γ是通常为1.2的常数；h(L,0)是所述较轻流体处于均衡下相对于所述转子的底部部分的高度，高度变化是所述较轻流体相对于所述转子的底部部分的高度，其中，该项[高度变化÷h(L,0)]应被看作小于1以避免所述转子的液泛；V(B)是所述不可变空间中的所述较轻流体体积，V(L,0)是在稳定状态下在所述可变空间中的所述较轻流体的体积。

在一个实施例中，该方法进一步包括：

h.将输入管道和输出管道的高度设定为彼此相关以便改变所允许的可变空间中的液位。

在一个实施例中，该方法进一步包括：

i.提供与高度传感器通信的微处理器，该微处理器可操作以：计算从转子的底部至较重流体液位的较轻流体的体积，将其与转子的最低点上方的较轻流体体积进行比较，并且在较轻和较重流体界面保持在可变空间中的条件下结合公式1和2来调节其体积。

根据另一实施例，油箱空间的设定是通过如下过程来完成：在第一油箱的侧部开设开口，不同形状和大小的第二油箱模块可以可移除地附接至该侧部，第二油箱模块与第一油箱连通以便允许期望范围的较轻流体体积。

本发明还公开了一种用于维持油箱内的较轻流体和较重流体的体积的稳定状态均衡(定义为在至少一分钟的时间内不需要进一步注入较轻流体)的方法，该油箱包括转子，油箱具有输送较重流体的输入管道和输出管道，其中，输入管道的水平面在输出管道上方，并且油箱包含用于将较轻流体输送到油箱中的入口，并且油箱包含高度传感器，该高度传感器包括：微处理器，该微处理器编程有如下公式以便提供每种流体的特定体积：P(A)的变化÷P(A,0)＝[γ×高度变化÷h(L,0)]÷[1+{V(b)÷V(L,0)}]，其中，P(A)是所述较轻流体的压力，P(A,0)是所述较轻流体处于均衡下的压力；γ是通常为1.2的常数；h(L,0)是所述较轻流体处于均衡下相对于所述转子的底部部分的高度，高度变化是所述较轻流体相对于所述转子的底部部分的高度，其中，该项[高度变化÷h(L,0)]应被看作小于1以避免所述转子的液泛；V(B)是所述不可变空间中的所述较轻流体体积，V(L,0)是在稳定状态下在所述可变空间中的所述较轻流体的体积。

现在首次公开一种实现油箱中的较轻流体与较重流体的均衡的方法，通过改变位于所述油箱中的所述较重流体与所述转子的所述最低点之间的所述较轻流体的体积以将转子的叶片保持在不接近所述较重流体的油箱内部来实现油箱中的较轻流体与较重流体的均衡，该方法包括：

a.设定特定系统的压力变化的参数，

b.将油箱形状和容积以及入口管道和出口管道的液位构造为使得均衡点始终处于可变空间中。

根据上述方法的另一实施例，将油箱形状和容积构造为使得可变空间具有的误差幅度为至少0.5个大气压。

【附图说明】

本文仅仅通过示例的方式参照附图对本发明的一些实施例进行了描述。在具体详细地参照附图时，应强调，所示出的特定细节是示例性的并且是为了说明性地讨论本发明的实施例的目的。就此而言，与附图一起进行的说明使得本领域的技术人员明白了解如何实践本发明实施例。

现在来看附图，在附图中，相似的附图标记或字符指向相应或相似的部件。在附图中：

图1是内部具有流体的管内水力发电涡轮机的示意图。

图2是本文使用的一些重要公式的示意图。

图3是模块化油箱附接的示意图。

图4是从另一个角度看到的模块化油箱附接的示意图。

图5是仅仅使用侧部的一部分的模块化油箱附接的示意图。

【具体实施方式】

本发明涉及用于从闭合管道系统中的过量压力和/或流量来获取能量的系统和方法。

参照附图和随附描述可以更好地理解根据本发明的管内水力发电涡轮油箱的原理和操作。根据本发明，提供了多种装置和方法，该多种装置和方法用于组织存在涡轮机的油箱以及油箱的内含物。

现在参照附图，图1图示了具有水位的水力发电油箱。图1是截面图。附接至转子外壳(2)的外壳(1)包括外部。入口喷嘴(5)允许流体进入油箱并且撞击转子叶片，转子叶片的外围用数字表示为(3)。其具有轴(4)，该轴(4)连接至发电机以产生机械能并且可选地产生电力。流体在(9)处离开。通用水位为(6)。(7)是较高水位；(8)是在下文描述的条件“0”下的较低水位。将(7)减去(6)的高度称为V(L)(“V sub L”)。将空气空间(10)称为V(B)(“V sub B”)。(6)减去(8)为Δh。(11)示出了输入空气(或者较轻流体)喷嘴，该喷嘴附接至压缩机或者其它注入装置。其不必处于所示出的准确位置处。(12)示出了高度传感器。

在涡轮机区域中产生气相或者气泡(或者较轻流体)对于涡轮机高效率地运行很重要。通过改变气泡的体积(这等效于改变水位)来获得维持气泡和出口压力所需的压力的变化。理想地是，水位必须保持在最低转杯液位(7)与出口管道液位(8)的上部分之间。这是一种用于操作涡轮系统的方法，涉及对喷嘴(11)和压缩机的控制，并且该方法可以使用具有存储器的微处理器手动地实现。下面针对空气和水的情况推导出了得到恰当参数的公式。

Va,0是空气处于均衡下的体积。

Q0是处于均衡下的流量。

Pa,0是处于均衡下的空气压力。

Ha,0是从杯(7)的底部到水位(8)的高度。

为了改变ΔPa，也必须改变ΔVa。

γ通常为1.2。对于等温过程，γ为1，对于等熵过程，γ为1.4。

Vb(1,0)是转子液位中的空气体积。我们在权利要求书中将其称为“不可变空间”。

自然气泡是空气气泡，在形成空气气泡之后，不再向其增添空气(除非是为了进行泄漏补偿)，从而使其接近稳态均衡。通过改变气泡(10)的体积并且因此改变水位(6、7、或者8)来获得由于下游所需要的流量或者压力的变化而引起的气泡中所需要的压力变化。显然，由于不需要堵塞转杯(7)，所以将水位限制在其上部分，而输出管道高度(8)，将水位限制在其下部分。

接下来，假定在状态零(“0”)下流量为Q₀，气泡中的空气的总体积为V_A，0，气泡中的压力为P_A，0，以及水位(与杯的底部的距离，从[7]到[8]的距离)为h_a，0以便使气泡中的压力变化ΔP_A的量(由于工作条件的变化)，所需的气泡体积的变化为ΔV_A，并且它们之间的关系如下：

这是使压力发生改变的图。

其中，γ＝1.4用于等熵过程，γ＝1用于等温过程。通常使用γ＝1.2。

气泡的总体积分为两个部分：恒定部分(10)V_B，其包括到达杯(7)的底部部分的空气的体积(最小空气体积)；以及其余空气体积V_L(其根据水位发生变化，即，[7]减去[6])，因此：

在状态“0”下，

V_A，0=V_B+V_L，0

Vb(L,0)是最小空气体积。其余空气体积Vl([7]减去[6])根据水位发生变化。Va＝Vb+Vl

V(L,0)是在稳定状态下在转子(3)下方的空气的体积。空气体积的变化＝水的体积的变化。

其中，V_L，0是在状态“0”下在转子的底部下方的空气体积，当然也满足：ΔV_A＝ΔV_L

其中，Δ(“德尔塔”)表示差值(相应体积的差值)。

还具有如下关系：

V_L＝V_L，0+ΔV_L＝A_L(h_L，0-Δh)

A_L是油箱的横截面(在转子的底部部分下方)，并且Δh＝h_L，0-h_L，h_L是水位(相对于转子的底部部分)，

当A_L是油箱的截面(在转子的底部部分下方)并且Δh＝h_L，0-h_L时，h_L是水位(相对于转子的底部部分)，

因此：

因为V_L，0＝A_Lh_L，0，因此：

使用方程式(1)，公式如下：

所需体积的变化现在等于流量变化。流量与压降之间的普遍关系如下：ΔP＝CQⁿ其中，C是常数(阻力)并且2≥n≥1，通常n≈2，因此，由于流量变化引起的气泡中的压力变化在状态“0”下与流量的关系表示为：

在状态“0”下，气泡中的压力通过大气压P_atm、下游压力P_D和下游阻力P_R来确定，即：

因此：

并且，为了避免溢流，压力应该符合如下公式：

假定在条件“0”下流量为Q₀≈0，则非液泛的条件将为：

即：

V_L＝V_L，0+ΔV_L＝A_L(h_L，0-Δh)

V_L＝V_L，0+ΔV_L＝A_L(h_L，0-Δh)

因为V_L，0＝A_Lh_L，0，并且因此：

并且，如果使用公式(1)，则得到如下关系：

流量与压降之间的已知关系如下：ΔP＝CQⁿ其中，C是常数(阻力)并且2≥n≥1，通常n≈2，因此，由于流量变化引起的气泡中的压力变化在状态“0”下与流量的关系表示为：

在状态“0”下，气泡中的压力通过大气压P_atm、下游压力P_D和下游阻力P_R来确定，即：

这些关系确定出将使涡轮机液泛的流量。

为了避免溢流，压力应该符合如下公式：

油箱中的空气的体积必须遵循该关系，这在权利要求书中称为公式1：

如果(例如)需要2-4个大气压的背压，则我们设定P_A，0＝3atm(即，在形成气泡的同时，将空气加压至该值)。然后ΔP_A=1atm，并且，如果选择了值γ＝1并且要求系统不会液泛，即称为公式2，则创建如下关系：

即，V_L，0＞2V_B。

换言之，在任何液位(6、7或者8)下方的容积均应为该系统的容积(10)的至少两倍。

在另一示例中，如果需要的背压(也称为“出口压力”)为1-5个大气压，则2/3小于所示出的比率，因此V(L,0)＞4V(B)。

水系统具有压力变化是很正常的。不存在处理该变化以便在整个变化期间对高效率的发电系统进行调控的任何其它系统。将泵放置在输水系统中的情况比较少见，但其性能会随着压力和流率的变化而衰退。

为了适应压力变化，例如，在特定安装(6)中，水位可以是压力的预期中点。

图2示出了重要公式1和2。

对此，需要一种特定结构，并且上文也描述了一种用于实现任何稳定状态选择的方法。

由于一些气体将与流体混合并且逸散，所以该状态不会是完全稳定的。这意味着，该系统将在一段相当长的时间内保持运行，从而使得唯一需要的是从空气压缩机进行不定期地迸发，而不是从空气压缩机进行稳定地输入。

图3示出了油箱(13)是如何通过如下方式带来益处的：油箱(13)可以借助装置(诸如，螺钉)通过附接界面区(15)在其侧部上附接任何大小的模块化油箱(14)，从而其在涡轮机的生产中容易变化及替换。这意味着可以构建标准系统，但针对各个特定项目，可以更改油箱中的每种流体的体积。可以通过增添整个侧部，来影响这两种流体的体积；可以通过在特定垂直液位处增添侧部的一部分，来影响仅仅其中一种流体的体积。

图4示出了模块化油箱(16)和附接界面(17)的不同透视图。该模块化设计使得能够将各种结构形状附接至基本油箱，并且可以使得更容易完成与上述公式的结果匹配的系统的生产。还存在一种应用公式来维持油箱设计中的泡沫的方法。附接界面区也可以在油箱的底部或者上部分上，但本文并未示出。

图5示出了如何使所附接的模块不需要附接至原始油箱的整个侧部以便为较轻流体提供更大的容积。(18)表示标准油箱，而(19)是所附接的油箱。如图所示，其附接在侧部上不是对称的。这仅仅是为了为较轻流体提供额外的容积。

该模块是一个实施例并且从批量生产和运输的角度来看更加有效。然而，本申请中所解决的问题的解决方案的最简单实施例是针对特定项目的需要来确定第一油箱的大小。更加复杂的方案是制作柔性管道入口或者管道出口结构，并且将这些结构与油箱模块的增添相结合。根据本说明书可以实现这些选项，但由于实用性，未在图中对它们进行图示。

总之，本发明示出了如何针对特定压力情况设置较轻流体的稳定状态，以及如何相应地构造油箱、管道和微处理器并且结合其它结构中的任何一个或者多个以便创建较轻流体的稳定状态。

通常存在一些流体的混合以及一些可忽略的损失，然而，本发明使得该系统避免了对连续地供应轻质流体的需要。

另外，本发明提供了系统的设计，从而使可变空气空间不会外溢到出口管道中。

虽然已经针对使用较轻空气的入口的水系统(尤其是经由管道系统进行的水运输)公开了本发明，但这仅仅是示例性的。本发明还适用于通过密度低于被运输的物质的流体来包围转子的任何系统。例如，本发明还适用于油运输系统中的空气和气体运输系统中的氦气。

虽然已经针对有限数量的实施例对本发明进行了描述，但要了解，可以对本发明进行许多变型、修改以及其它应用。

要了解，为了清晰起见而在单独的实施例的背景下描述的本发明的特定特征也可以组合地提供在单个实施例中。相反，为了简洁而在单个实施例的背景下描述的本发明的各种特征也可以单独地或者按照任何合适的子组合方式或者在合适的情况下提供在本发明的任何其它描述的实施例中。在各种实施例的背景下描述的特定特征不应被看作是这些实施例的本质特征，除非该实施例在没有这些元素的情况下就无法操作。

尽管已经结合其特定实施例对本发明进行了描述，但是显然，许多替代、修改和变型对于本领域的技术人员而言是显而易见的。因此，本发明旨在囊括落入随附权利要求书的精神和宽泛范围内的所有这些替代、修改和变型。