CN102080580A - 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：滑壳式入口装置和螺杆膨胀动力机主体，其中，滑壳式入口装置包括：管体，工作流体通过管体进入螺杆膨胀动力机主体；滑块，固定于管体内；滑壳，装配于管体内，包括一体成型的端板、轴体以及中空部，轴体设置为端部至少部分凸出于端板，滑壳设置为在轴体的带动下在管体内转动以使得滑块至少部分容纳于中空部或者完全位于中空部之外；其中滑块和滑壳为横截面为扇形的柱体。本发明进一步提供一种控制上述螺杆膨胀动力机的控制系统。通过以上方式，能根据当前工作流体的流量或压力大小而自动调整工作流体所流通横截面的大小，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】

本发明解决的技术问题是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。

本发明为解决技术问题而采用的技术方案是：提供一种螺杆膨胀动力机，包括：滑壳式入口装置，用于控制输入的工作流体的流量；螺杆膨胀动力机主体，与滑壳式入口装置连通，从滑壳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，滑壳式入口装置包括：管体，工作流体通过管体进入螺杆膨胀动力机主体；滑块，固定于管体内；滑壳，装配于管体内，包括一体成型的端板、轴体以及中空部，轴体设置为端部至少部分凸出于端板，滑壳设置为在轴体的带动下在管体内转动以使得滑块至少部分容纳于中空部或者完全位于中空部之外；其中滑块和滑壳为横截面为扇形的柱体。

根据本发明一优选实施例，滑壳式入口装置进一步包括：定位件，滑块通过定位件固定于管体内。

根据本发明一优选实施例，工作流体为废汽。

根据本发明一优选实施例，工作流体为工质。工质可以为液体、流体或者固体的形式。

本发明为解决技术问题而采用的技术方案是：提供一种控制系统，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滑壳式入口装置的轴体的转动角度。

根据本发明一优选实施例，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；驱动模块，根据液压行程控制滑壳式入口装置的轴体的转动角度。

根据本发明一优选实施例，驱动模块为机械式驱动模块，机械式驱动模块包括：相互啮合的齿轮和齿条，齿条受液压行程推动，齿条移动带动齿轮转动；杆体，一端与齿轮同轴固定，另一端密封固定于管体并可相对于管体绕轴转动；传动模块，杆体透过传动模块带动轴体绕轴转动。

根据本发明一优选实施例，传动模块为斜齿轮组合，斜齿轮组合包括杆体斜齿轮和轴体斜齿轮，其中杆体斜齿轮与杆体同轴固定，轴体斜齿轮与轴体同轴固定，杆体斜齿轮与轴体斜齿轮啮合。

根据本发明一优选实施例，驱动模块为拉线式驱动模块，拉线式驱动模块包括第一拉线、第二拉线、弹簧以及固定部，其中第一拉线的一端固定连接于滑壳的第一角落部，第二拉线的一端固定连接于滑壳的第二角落部，第一拉线的另一端与油动机的动力输出端固定连接，第二拉线的另一端通过弹簧与固定部连接，油动机产生的液压行程拉动第一拉线。

通过上述方式，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显示了根据本发明一优选实施例的具有螺杆膨胀动力机的废汽回收利用系统的原理图；

图4显示了根据本发明另一个优选实施例的具有螺杆膨胀动力机的废汽回收利用系统的原理图；

图5显示了根据本发明一优选实施例的螺杆膨胀动力机中的滑壳式入口装置的结构示意图；

图6显示了根据本发明一优选实施例的滑壳式入口装置中的滑块的结构示意图；

图7显示了根据本发明一优选实施例的滑壳式入口装置中的定位件的结构示意图；

图8显示了根据本发明一优选实施例的滑壳式入口装置中的滑壳的结构示意图；

图9显示了根据本发明一优选实施例的控制系统的电路连接框图；

图10显示了根据本发明一优选实施例的机械式驱动模块的部分机械结构示意图；

图11显示了根据本发明一优选实施例的机械式驱动模块的另一部分机械结构示意图；

图12显示了图11所示结构的纵向截面图；

图13显示了根据本发明一优选实施例的机械式驱动模块的结构图；

图14显示了根据本发明另一优选实施例的控制系统的电路连接框图；以及

图15显示了根据本发明另一优选实施例的拉线式驱动模块的结构示意图。

【具体实施方式】

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供工作流体流通的横截面大小，从而提高了热利用效率。

请参考图3，图3显示了根据本发明一优选实施例的具有螺杆膨胀动力机的废汽回收利用系统的原理图。在图3中，废汽从废汽排放设备101排出，经由管道105进入螺杆膨胀动力机104，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。螺杆膨胀动力机104包括滑壳式入口装置140以及螺杆膨胀动力机主体102，滑壳式入口装置140受控制模组111控制，用于控制输入的汽体的流量，螺杆膨胀动力机主体102与滑壳式入口装置140连通，将从滑壳式入口装置140输入的高温废汽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，用于带动负载设备(图1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104排出，沿S1流向废汽回收工作站103。

图4显示了根据本发明另一个优选实施例的具有螺杆膨胀动力机的废汽回收利用系统的原理图。在图2中，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。螺杆膨胀动力机204包括滑壳式入口装置240以及螺杆膨胀动力机主体202，滑壳式入口装置240受控制模组211控制，用于控制输入的工质的流量，螺杆膨胀动力机主体202与滑壳式入口装置240连通，将从滑壳式入口装置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，带动负载设备(图1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204排出，沿S2流向换热器217重新加热。另外，在图2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221的工质输出侧，用于进一步冷却工质。

图5显示了根据本发明一优选实施例的螺杆膨胀动力机中的滑壳式入口装置的结构示意图。请参照图5，图5示出的滑壳式入口装置340与图3和图4所示的滑壳式入口装置140和240完全相同，其中，滑壳式入口装置340可用于控制输入的高温工作流体(如上文所述的废汽或工质)的流量。如图5所示，滑壳式入口装置340包括定位件303、滑块302、管体304以及滑壳301，其中，滑壳301进一步包括轴体3011，滑壳301和轴体3011一体成型，定位件303固定于管体304内侧。工作流体可从管体304流入到螺杆膨胀动力机主体，因此管体304可作为进汽入口。

图6显示了根据本发明一优选实施例的滑壳式入口装置中的滑块的结构示意图。如图6所示，滑块302构造为半圆柱体，滑块302可以各种方式固定于管体304内，滑块302的中心部分具有与轴体3011配合的圆柱状凹部，轴体3011可在圆柱状凹部内转动。

图7显示了根据本发明一优选实施例的滑壳式入口装置中的定位件的结构示意图。其中，定位件303固定于管体304，如图7所示，定位件303包括轴向定位片3031和周向定位片3032，轴向定位片3031设置为两个，并且分别连接于周向定位件3032的两端，轴向定位片3031和周向定位片3032可与滑块302的外表面贴合(如用焊接方式)，轴向定位片3031和周向定位片3032配合用于固定滑块302。

图8显示了根据本发明一优选实施例的滑壳式入口装置中的滑壳的结构示意图。如图8所示，滑壳301装配于管体304内，其包括两个端板3015、轴体3011以及中空部3016，其中两个端板3015、轴体3011以及中空部3016一体成型，值得注意的是，图8为了方便绘示，将轴体3011绘示为刚好与两端板3015平齐，但在实际应用中，轴体3011其实是凸出于端板3015一部分，轴体3011与管体的中轴线重合，轴体3011可带动整个滑壳301转动。另外，滑壳301设置为刚好容置滑块302，因此，当滑壳301转动时，可完全或部分容纳滑块302，当滑壳301完全容纳滑块302时，管体304供工作流体流通的横截面积(即进汽口大小)为管体横截面积的1/2，当滑壳301完全没有容纳滑块302时，管体304供工作流体流通的横截面积为0。

图9显示了根据本发明一优选实施例的控制系统的电路连接框图。请参照图9，该控制系统包括控制模组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、机械式驱动模块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获取滑壳式入口装置中的工作流体的压力值，可从流量测量阀731获取滑壳式入口装置中的工质流体的流量值。

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用于实现对机械式驱动模块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。

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。

机械式驱动模块706根据油动机705产生的液压行程推动滑壳式入口装置340的轴体3011转动。

图10显示了根据本发明一优选实施例的机械式驱动模块的部分机械结构示意图。如图10所示，机械式驱动模块706包括齿轮801和齿条804，齿条804与油动机705的动力输出端机械连接，受油动机705产生的液压行程推动沿P1方向往返移动，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。

图11显示了根据本发明一优选实施例的机械式驱动模块的另一部分机械结构示意图。如图11所示，机械式驱动模块706进一步包括杆体3012以及传动模块3013，其中，杆体3012的一端与上述的齿轮801同轴固定，另一端密封固定于管体304并可相对于管体304绕轴转动，齿轮801可带动杆体3012绕轴转动。传动模块3013设置在轴体3011的凸出于端板3015的部分，使得杆体3012的绕轴转动可带动轴体3011绕轴转动。

图12显示了图11所示结构的纵向截面图。如图12所示，杆体3012设置为端部密封固定于管体304，并且杆体3012可相对于管体304绕轴转动，从而可通过传动模块3013带动轴体3011转动，而又因为轴体3011与整个滑壳301一体成型，因此杆体3011可带动滑壳301转动。

图13显示了根据本发明一优选实施例的机械式驱动模块的结构图。如图13所示，机械式驱动模块3013可以是一斜齿轮组合，其包括杆体斜齿轮3017和轴体斜齿轮3018，其中杆体斜齿轮3017与杆体3012同轴固定，轴体斜齿轮3018与轴体3011同轴固定，杆体斜齿轮3017与轴体斜齿轮3018啮合。

综上所述，油动机705产生的液压行程推动齿条804沿P1方向往返移动，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，齿轮801带动杆体3012转动，杆体3012通过机械式驱动模块3013带动轴体3011转动，以控制滑壳301的转动，从而可控制滑壳式入口装置中供工作流体流通的横截面积大小。

因此，油动机705产生的液压行程可控制滑壳301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，由于当滑壳301转动时，可完全或部分容纳滑块302。当滑壳301完全容纳滑块302时，管体304供工作流体流通的横截面积为管体横截面积的1/2，当滑壳301完全没有容纳滑块302时，管体304供工作流体流通的横截面积为0，故可通过油动机705产生的液压行程来控制供工作流体流通的横截面积，使其在0-1/2之间连续变化。

在一些情况下，本发明的螺杆膨胀动力机的控制系统的可采用拉线式驱动模块来控制滑块302的转动。图14显示了根据本发明另一优选实施例的控制系统的电路连接框图。如图14所示，与上文所介绍的相比，在本实施方式中油动机805带动的是拉线式驱动模块806，通过油动机805产生的液压行程可利用拉线式驱动模块806控制滑壳301的转动。

图15显示了根据本发明另一优选实施例的拉线式驱动模块的结构示意图。如图15所示，拉线式驱动模块806包括第一拉线401、第二拉线402、弹簧403以及固定部404，其中第一拉线401的一端固定连接于滑壳301的第一角落部405，第二拉线402的一端固定连接于滑壳301的第二角落部406，第一拉线401的另一端与油动机805的动力输出端固定连接，第二拉线402的另一端通过弹簧403与固定部404连接，油动机805产生的液压行程可从F1方向拉动第一拉线401。

因此，当油动机705的液压行程向F1方向移动，滑壳301会沿G1方向绕轴体3011转动，当油动机805的液压行程向F1的反方向移动，滑壳301会在弹簧403的拉力下沿G2方向绕轴体3011转动，从而可实现对管体304的工作流体流通横截面积进行控制。

值得注意的是，在以上实施方式中，滑块302和滑壳301的形状可以根据需要来进行设计，通常为横截面为扇形的柱体。滑壳301的扇形横截面积的半径大致等于管体304的半径，滑壳301的扇形横截面的中心角可以根据需要来定，例如120度、150度、180度、或240度等，滑块302的扇形横截面的半径略小于滑壳301的扇形横截面的半径，以保证滑块302能够完全容纳于滑壳301中，滑块302的扇形横截面的中心角可以根据需要来定，例如120度、150度、180度、或240度等。滑块302的轴向长度应当略小于滑壳301的轴向长度，以保证滑块302能够完全容纳于滑壳301中。也就是说，在滑壳301的扇形横截面的中心角与滑块302的扇形横截面的中心角相同的情况下，如果二者均为120度，那么管体304内供工作流体流通的横截面的变化范围在1/3-2/3之间(设定管体的整体横截面积为1，下同)；若二者为180度，变化范围在0-1/2之间；若二者均为240度，变化范围则在0-1/3之间。同理，在滑壳301的扇形横截面的中心角与滑块302的扇形横截面的中心角不同的情况下，也可以进行类似的计算。

因此，本发明的螺杆膨胀动力机及其控制系统可通过压力测量阀或流量测量阀测量管道中的工作流体的压力或流量值，控制模组获取该压力或流量值，并对其进行运算处理以决定滑壳式入口装置的滑块的转动角度，因此，透过以上方式，可根据当前工作流体的压力或流量控制滑壳式入口装置开放对应的滑壳式入口装置的管道打开的横截面面积让工作流体通过，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 (9)

1.一种螺杆膨胀动力机，其特征在于，包括：

滑壳式入口装置，用于控制输入的工作流体的流量；

螺杆膨胀动力机主体，与所述滑壳式入口装置连通，从所述滑壳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，所述滑壳式入口装置包括：

管体，所述工作流体通过所述管体进入所述螺杆膨胀动力机主体；

滑块，固定于所述管体内；以及

滑壳，装配于所述管体内，包括一体成型的端板、轴体以及中空部，所述轴体设置为端部至少部分凸出于所述端板，所述滑壳设置为在所述轴体的带动下在所述管体内转动以使得所述滑块至少部分容纳于所述中空部或者完全位于所述中空部之外；

其中，所述滑块和所述滑壳为横截面为扇形的柱体。

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

定位件，所述滑块通过所述定位件固定于所述管体内。

3.根据权利要求1所述的螺杆膨胀动力机，其特征在于，所述工作流体为废汽。

4.根据权利要求1所述的螺杆膨胀动力机，其特征在于，所述工作流体为工质。

5.一种控制权利要求1至4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滑壳式入口装置的所述轴体的转动角度。

6.根据权利要求5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，根据所述压力值和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；

驱动模块，根据所述液压行程控制所述滑壳式入口装置的所述轴体的转动角度。

7.根据权利要求6所述的控制系统，其特征在于，所述驱动模块为机械式驱动模块，所述机械式驱动模块包括：

相互啮合的齿轮和齿条，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；

杆体，一端与所述齿轮同轴固定，另一端密封固定于所述管体并可相对于所述管体绕轴转动；

传动模块，所述杆体透过所述传动模块带动所述轴体绕轴转动。

8.根据权利要求7所述的控制系统，其特征在于，所述传动模块为斜齿轮组合，所述斜齿轮组合包括杆体斜齿轮和轴体斜齿轮，其中所述杆体斜齿轮与所述杆体同轴固定，所述轴体斜齿轮与所述轴体同轴固定，所述杆体斜齿轮与轴体斜齿轮啮合。

9.根据权利要求6所述的控制系统，其特征在于，所述驱动模块为拉线式驱动模块，所述拉线式驱动模块包括第一拉线、第二拉线、弹簧以及固定部，其中所述第一拉线的一端固定连接于所述滑壳的第一角落部，所述第二拉线的一端固定连接于所述滑壳的第二角落部，所述第一拉线的另一端与所述油动机的动力输出端固定连接，所述第二拉线的另一端通过所述弹簧与所述固定部连接，所述油动机产生液压行程用于拉动所述第一拉线。

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