CN101922319B - 一种螺杆膨胀动力机及其控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种螺杆膨胀动力机，包括：管道式入口装置，控制输入的工作流体流量；螺杆膨胀动力机主体，与管道式入口装置连通，从管道式入口装置获取工作流体，利用工作流体做功输出机械能；管道式入口装置包括：多个进口，输入工作流体；多个出口，输出工作流体至螺杆膨胀动力机；转轴，包括第一端部和第二端部，第一端部带动转轴转动，转轴表面设置多个弧形管状通道，多个进口通过多个弧形管状通道分别与多个出口连通，多个弧形管状通道弧度在π到2π之间。本发明进一步提供一种螺杆膨胀动力机的控制系统。透过以上设置，本发明所提供的技术方案能根据当前工作流体的流量或压力大小而自动调整进汽入口大小，从而提高热利用效率。

Description

一种螺杆膨胀动力机及其控制系统

【技术领域】

本发明属于废热利用技术领域，特别是涉及一种螺杆膨胀动力机及其控制系统。

【背景技术】

我国的一次能源现状不容乐观，煤炭资源储量虽然世界排名第二(美国第一，是我国储量的一倍)，但我国可开采的煤炭资源不足百年时间，远少于世界前六位储煤量的国家，另外，我国的石油和天然气资源也仅够开采几十年，世界范围内的石油开采也可能在本世纪内短缺。

因此，针对以上形势，可有效回收多余热量以进行发电的废汽回收利用系统非常有实用价值，通常而言，废汽回收利用系统可回收工业废水、高炉废渣、高温废汽等中的多余热量，将多余热量转换为机械能进行发电或其他工作。

请参考图1A和图1B，显示了现有技术的螺杆膨胀动力机主体10的基本原理。废热烟气或者热液由进汽道3经进汽道口4进入阳螺杆1的齿槽内，随着阳螺杆1和阴螺杆2的转动，工作流体(如废汽或工质)的容腔逐渐增大，工作流体降压降温膨胀做功，推动螺杆转动，做完功的工作流体由排汽道5排出。功率由阳螺杆1的输出端输出，可带动给水泵、风机、发电机等设备。

图2显示了现有技术的螺杆膨胀动力机30的基本结构，其包括螺杆膨胀动力机主体10、负载设备20、调节阀32、电器控制柜33、油箱34以及基座31。螺杆膨胀动力机主体10具有图1所示的进汽道3及排汽道5。螺杆膨胀动力机10与负载设备20通过阳螺杆(图未示)的输出轴相连。有时螺杆膨胀动力机10的转速较快，需要在螺杆膨胀动力机10与负载设备20之间设置减速机(图未示)。

在现有的废汽回收利用系统中，螺杆膨胀动力机的进汽入口大小通常由以下方式确定，即预先估算废汽回收利用系统所能获取的工作流体(例如为废汽或工质)流量，然后根据该工作流体流量设定与之匹配的进汽入口的大小，因此在以后的正常使用中，一般而言会在螺杆膨胀动力机中使用固定大小的进汽入口。

以上采用固定进汽入口的螺杆膨胀动力机在对当前工作流体(例如废汽或工质)的流量或压力大小相对稳定的情况下非常有效率，但是当前工作流体的流量或压力大小不稳定时，设置为固定大小的进汽入口会浪费当前工作流体的热量并造成压力不足(或过大)，这对于提高整个废汽回收利用系统的热利用效率来说是非常不利的。

因此，需要提供一种能够根据当前工作流体流量或压力大小而自动调整进汽入口大小的螺杆膨胀动力机及其控制系统，从而解决以上问题。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题在于提供一种螺杆膨胀动力机及其控制系统，其能够根据当前工作流体的流量或压力大小而自动调整进汽入口大小，从而提高了热利用效率。

本发明提供一种螺杆膨胀动力机，包括：管道式入口装置，用于控制输入的工作流体的流量；螺杆膨胀动力机主体，与管道式入口装置连通，从管道式入口装置获取工作流体，利用工作流体做功以输出机械能；其中，管道式入口装置包括：多个进口，用于输入工作流体；多个出口，用于输出工作流体至螺杆膨胀动力机；转轴，包括第一端部和第二端部，第一端部带动转轴转动，转轴表面设置有多个弧形管状通道，多个进口通过多个弧形管状通道分别与多个出口连通，其中，多个弧形管状通道的弧度在π到2π之间。

根据本发明之一优选实施例，管道式入口装置进一步包括：限位板，第一端部沿中轴穿置于限位板，沿限位板绕轴转动。

根据本发明之一优选实施例，管道式入口装置进一步包括：支撑件，第二端部容置于支撑件，沿支撑件绕轴转动。

根据本发明之一优选实施例，工作流体为废气。

根据本发明之一优选实施例，工作流体为工质。

本发明进一步提供一种控制螺杆膨胀动力机的控制系统，包括：压力测量阀，用于测量工作流体的压力值；流量测量阀，用于测量工作流体的流量值；控制模组，根据压力值或流量值控制管道式入口装置的转轴的转动角度。

根据本发明之一优选实施例，控制模组包括：油动机，根据液压信号产生液压行程；位移传感器，根据液压行程获得行程检测信号；数字电液控制模块，获取压力值和流量值，根据压力值和流量值输出伺服给定值；伺服模块，接收行程检测信号和伺服给定值，根据行程检测信号和伺服给定值输出控制信号；电液转换器，接收控制信号，将控制信号转换为液压信号输出至油动机；十字传动机构，根据液压行程控制管道式入口装置的转轴的转动角度。

根据本发明之一优选实施例，十字传动机构包括：相互啮合的齿轮和齿条，第一端部与齿轮同轴固定，齿条受液压行程推动，齿条移动带动齿轮转动。

因此，本发明提供了一种螺杆膨胀动力机及其控制系统，其能够根据当前工作流体的流量或压力大小而自动调整进汽入口大小，从而提高了热利用效率。

【附图说明】

可参考附图通过实例更加具体地描述本发明，其中附图并未按照比例绘制，在附图中：

图1A和图1B显示了现有技术的螺杆膨胀动力机主体的基本原理；

图2显示了现有技术的螺杆膨胀动力机的基本结构。

图3显示了使用了本发明的螺杆膨胀动力机的废汽回收利用系统的一个优选实施例的原理图；

图4显示了使用了本发明的螺杆膨胀动力机的废汽回收利用系统的另一个优选实施例的原理图；

图5显示了本发明的螺杆膨胀动力机中的管道式入口装置的结构示意图；

图6是本发明的螺杆膨胀动力机中的管道式入口装置的纵向剖面图；

图7是本发明的螺杆膨胀动力机中的管道式入口装置的转轴在第一角度下的横向剖面图；

图8是本发明的螺杆膨胀动力机中的管道式入口装置的转轴在第二角度下的横向剖面图；

图9是本发明的螺杆膨胀动力机中的管道式入口装置的转轴在第三角度下的横向剖面图；

图10是本发明的螺杆膨胀动力机的控制系统的电路连接框图；以及

图11显示了本发明的螺杆膨胀动力机的控制系统的十字传动机构的机械结构图。

【具体实施方式】

为了能更进一步了解本发明为达成预定目的所采取的技术、手段及功效，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，相信本发明的目的、特征与特点，可由此得到深入且具体的了解，然而所附图式仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。

请参考图3，图3显示了使用了本发明的螺杆膨胀动力机的废汽回收利用系统100的一个优选实施例的原理图。在图3中，本发明的螺杆膨胀动力机104包括管道式入口装置140以及螺杆膨胀动力机主体102，废汽从废汽排放设备101排出，经由管道105进入管道式入口装置140以及螺杆膨胀动力机主体102。流量测量阀106、压力测量阀160设置在管道105中螺杆膨胀动力机104的入口侧，控制模组111从流量测量阀106、压力测量阀160获取流量、压力数据。管道式入口装置140的进汽口大小受控制模组111控制，另外，螺杆膨胀动力机主体102将从管道式入口装置140输入的高温汽体所蕴含的热量转换为机械能，功率从螺杆膨胀动力机主体102的输出端输出，可带动负载设备(图3中并未绘示，其可以是水泵、风机以及发电机等设备，本发明对此并不作出限制)，做功后的废汽可从螺杆膨胀动力机主体102排出，沿S1流向废汽回收工作站103。

图4显示了使用了本发明的螺杆膨胀动力机的废汽回收利用系统200的另一个优选实施例的原理图。在图4中，本发明的螺杆膨胀动力机204包括管道式入口装置240以及螺杆膨胀动力机主体202，废汽从废汽排放设备201排出，经由管道205进入换热器217，经换热处理后流出至废汽回收工作站203，工质循环回路216同样经过换热器217，换热器217可将管道205中的废汽所蕴含的热量传递给工质循环回路205中的工质(该工质流动方向为图2中S2所指向)。流量测量阀206、压力测量阀260设置在工质循环回路205中螺杆膨胀动力机204的入口侧，控制模组211从流量测量阀206、压力测量阀260获取流量、压力值，管道式入口装置240受控制模组211控制，螺杆膨胀动力机主体202将从管道式入口装置240输入的高温工质所蕴含的热量转换为机械能，功率从螺杆膨胀动力机主体202的输出端输出，可带动负载设备(图4中并未绘示，可以是水泵、风机以及发电机等设备，本发明对此并不作出限制)，做功后的工质可从螺杆膨胀动力机主体202排出，沿S2流向换热器217重新加热。另外，在图4中，在工质循环回路205中还可包括冷凝器218，冷凝器218设置在螺杆膨胀动力机主体202的工质输出侧，用于进一步冷却工质。

请参考图5，其显示了本发明的螺杆膨胀动力机中的管道式入口装置340的结构示意图。其中，图5示出的本发明的螺杆膨胀动力机中的管道式入口装置340与图3和图4所示的管道式入口装置140和240完全相同，管道式入口装置340可用于控制输入的高温工作流体(如废汽或工质)的流量。如图5所示，管道式入口装置340包括进口309，310，311、出口303，304，305、转轴312以及限位板313。转轴312的表面设置有通道306，307，308，通道306，307，308设置为弧形管状，其弧度例如可为在π到2π之间(即其圆心角在180度到360度之间)，而限位板313和支撑件301用于固定转轴312。其中，进口309，310，311和出口303，304，305固定设置，而转轴312可绕轴转动。

工作流体可从进口309，310，311输入，而出口303，304，305与螺杆膨胀动力机相连，工作流体可通过出口303，304，305进入螺杆膨胀动力机的螺杆膨胀动力机主体(如图3中的102或图4中的202所示)中。因此螺杆膨胀动力机主体与管道式入口装置340连通，从管道式入口装置340获取高温工作流体，利用其做功以输出机械能。

转轴312包括第一端部314以及第二端部302，其中第一端部314、第二端部302以及转轴312一体成型，并且第一端部314插置于限位板313中，而限位板313被固定，第一端部314沿中轴穿置于限位板313，可相对于限位板313绕轴转动。另外，第二端部302呈凸出的锥形，而支承件301设置为与之相对应的凹入的锥形，使得第二端部302可刚好嵌入到支承件301中，并且支承件301被固定设置，因此第二端部302可沿支承件301绕轴转动。值得注意的是，本发明并不对第二端部302和支承件301的形状作任何限定，本领域技术人员可采用任何技术方案，只要可保证第二端部302沿支承件301绕轴转动即可。

通过以上设置，转轴312可沿固定设置的支承件301和限位板313绕轴转动。

图6是本发明的螺杆膨胀动力机中的管道式入口装置的纵向剖面图。参照图6可知，当转轴312转动到一定角度时，进口309，310，311可分别通过通道306，307，308与出口303，304，305相连通，此时工作流体可从通道306，307，308进入到螺杆膨胀动力机主体中。

值得注意的是，当转轴312转动到其它角度时，进口309，310，311可分别通过通道306，307，308中的一者或二者与出口303，304，305部分连通，从而使得工作流体只能通过一个或二个通道进入到螺杆膨胀动力机主体中。

图7是本发明的螺杆膨胀动力机中的管道式入口装置340的转轴312在第一角度下的横向剖面图。如图7中所示，转轴312转动到第一角度时，进口309，310，311可分别通过通道306，307，308与出口303，304，305相连通，此时工作流体可通过通道306，307，308排出进入到螺杆膨胀动力机主体中。

图8是本发明的螺杆膨胀动力机中的管道式入口装置的转轴在第二角度下的横向剖面图。如图8中所示，转轴312转动到第二角度时(即转轴312相对于图5所示逆时针转动α度)，进口310，311可分别通过通道307，308与出口304，305相连通，此时工作流体可从通道307，308进入到螺杆膨胀动力机主体中。而进口309因转轴312转动而不能与通道306相连通，因此进口309被转轴312的非通道部分堵塞，工作流体不能通过出口303进入螺杆膨胀动力机主体。

图9是本发明的螺杆膨胀动力机中的管道式入口装置的转轴在第三角度下的横向剖面图。如图9中所示，转轴312转动到第三角度时(即转轴312相对于图7所示逆时针转动2α度)，进口311可通过通道308与出口305相连通，此时工作流体可从通道308进入到螺杆膨胀动力机主体中。而进口309和310因转轴312转动而不能与通道306和307相连通，因此进口309和310被转轴312的非通道部分堵塞，工作流体不能通过出口303和304排出至螺杆膨胀动力机主体。

综上所述，当转轴312转动在不同角度，入口可与相应的通道连通，从而可从相应连通的出口排出工作流体至螺杆膨胀动力机主体。在以上实施例中，随着转轴312位于不同的转动角度，通道打开的数量分别是3、2、1，而当通道打开的数量越多，流入螺杆膨胀动力机做功的工作流体就越多，当通道打开的数量越少，流入螺杆膨胀动力机主体做功的工作流体就越少，因此可通过转动转轴312而决定采用多少工作流体流入螺杆膨胀动力机主体做功。

值得注意的是，本发明为了方便说明而在说明书和附图上仅介绍了采用3个进口309，310，311、3个通道306，307，308以及3个出口303，304，305的情况，本发明并不对进口、出口以及通道的数目进行限制，一般而言，可根据实际需要而设置相应数量的进口、出口以及通道的数目，使其适合系统控制需求。

图10是本发明的螺杆膨胀动力机的控制系统的电路连接框图。请参照图10，该控制系统控制模组700、压力测量阀711以及流量测量阀731，其中控制模组700包括数字电液控制模块702、伺服模块703、电液转换器704、油动机705、十字传动机构706以及位移传感器741。数字电液控制模块702可从压力测量阀711获取代表所测得压力值，可从流量测量阀731获取代表所测得流量值。

数字电液控制模块702对以上压力值和流量值进行计算，输出伺服给定值。

伺服模块703用于实现对十字传动机构706进行控制，该伺服模块703可接收数字电液控制模块702输出的伺服给定值以及由位移传感器741输出的行程检测信号，对以上信号进行运算以输出控制信号。

电液转换器704用于接收伺服模块703输出的控制信号，将控制信号转换为液压信号输出。

油动机705用于接收电液转换器704输出的液压信号，根据该液压控制信号产生液压行程，十字传动机构706根据液压行程带动管道式入口装置340转动。

位移传感器741检测油动机705的液压行程获得行程检测信号，将行程检测信号输入至伺服模块703。

伺服模块703、位移传感器741、电液转换器704构成伺服回路，根据数字电液控制模块702的伺服给定值，并检测油动机705的液压行程获得行程检测信号，通过反馈控制，获得伺服给定值所期望的油动机液压行程，实现对油动机705的伺服控制。

十字传动结构706根据油动机705产生的液压行程推动管道式入口装置340转动。

图11显示的是本发明的螺杆膨胀动力机的控制系统的十字传动机构的机械结构图。如图11所示，十字传动机构706包括齿轮801和齿条804，其中管道式入口装置的转轴312的第一端部314与齿轮801同轴固定，齿条804受油动机705产生的液压行程推动沿P1方向往返移动，另外，齿条804与齿轮801啮合，齿条804沿P1方向往返移动会带动齿轮801沿P2方向来回转动，而又因为第一端部314与齿轮801同轴固定，齿轮801会带动转轴312转动。因此，油动机705产生的液压行程可控制转轴312的转动角度，从而控制多少工作流体流入螺杆膨胀动力机主体。

因此，本发明的螺杆膨胀动力机的控制系统可通过压力测量阀711或流量测量阀731测量管道中的工作流体的压力值或流量值，控制模组700获取该压力值或流量值，并其进行运算处理以决定管道式入口装置的转轴的转动角度，因此本发明所揭示的螺杆膨胀动力机可根据当前工作流体的压力或流量控制管道式入口装置开放对应数目的通道，从而保证了螺杆膨胀动力机主体不受工作流体的流量或压力的大幅度波动影响，提高热利用效率。

在上述实施例中，仅对本发明进行了示范性描述，但是本领域技术人员在阅读本专利申请后可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明进行各种修改。

Claims (8)

1.一种螺杆膨胀动力机，其特征在于，包括：

管道式入口装置，用于控制输入的工作流体的流量；

螺杆膨胀动力机主体，与所述管道式入口装置连通，从所述管道式入口装置获取所述工作流体，利用所述工作流体做功以输出机械能；

其中，所述管道式入口装置包括：

多个进口，用于输入所述工作流体；

多个出口，用于输出所述工作流体至所述螺杆膨胀动力机；

转轴，包括第一端部和第二端部，所述第一端部带动所述转轴转动，所述转轴表面设置有多个弧形管状通道，所述多个进口通过所述多个弧形管状通道分别与所述多个出口连通，其中，所述多个弧形管状通道的弧度在π到2π之间，当所述转轴转动在不同角度，不同数量的进口与相应的弧形管状通道连通，从而从相应连通的出口排出所述工作流体至所述螺杆动力机主体。

2.根据权利要求1所述的螺杆膨胀动力机，其特征在于，所述管道式入口装置进一步包括：

限位板，所述第一端部沿中轴穿置于所述限位板，沿所述限位板绕轴转动。

3.根据权利要求1所述的螺杆膨胀动力机，其特征在于，所述管道式入口装置进一步包括：

支撑件，所述第二端部容置于所述支撑件，沿所述支撑件绕轴转动。

4.根据权利要求1所述的螺杆膨胀动力机，其特征在于，所述工作流体为废汽。

5.根据权利要求1所述的螺杆膨胀动力机，其特征在于，所述工作流体为工质。

6.一种控制权利要求1至5任一项所述的螺杆膨胀动力机的控制系统，其特征在于，包括：

压力测量阀，用于测量所述工作流体的压力值；

流量测量阀，用于测量所述工作流体的流量值；

控制模组，根据所述压力值或所述流量值控制所述管道式入口装置的所述转轴的转动角度。

7.根据权利要求6所述的控制系统，其特征在于，所述控制模组包括：

油动机，根据液压信号产生液压行程；

位移传感器，根据所述液压行程获得行程检测信号；

数字电液控制模块，获取所述压力值和流量值，根据所述压力值或流量值输出伺服给定值；

伺服模块，接收所述行程检测信号和所述伺服给定值，根据行程检测信号和所述伺服给定值输出控制信号；

电液转换器，接收所述控制信号，将所述控制信号转换为液压信号输出至所述油动机；

十字传动机构，根据所述液压行程控制所述管道式入口装置的所述转轴的转动角度。

8.根据权利要求7所述的控制系统，其特征在于，所述十字传动机构包括：

相互啮合的齿轮和齿条，所述第一端部与所述齿轮同轴固定，所述齿条受所述液压行程推动，所述齿条移动带动所述齿轮转动。

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