CN102080581A - 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：翻转式入口装置以及螺杆膨胀动力机主体，其中，翻转式入口装置包括：入口管，工作流体经过入口管输入至螺杆膨胀动力机主体；翻转件，设置在入口管内，包括一体成型的转轴、旋杆以及翻转面，翻转面设置为刚好覆盖入口管，转轴包括转轴端部，转轴端部沿入口管的径向卡置于入口管的内侧，转轴通过转轴端部绕入口管的径向转动，其中，转轴端部穿过入口管侧壁，旋杆与转轴端部穿过入口管侧壁部分固定连接。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入口管可供工作流体流通的横截面积大小，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入口管可供工作流体流通的横截面积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入口管可供工作流体流通的横截面积大小，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：翻转式入口装置，用于控制输入的工作流体的流量；螺杆膨胀动力机主体，与翻转式入口装置连通，从翻转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，翻转式入口装置包括：入口管，工作流体经过入口管输入至螺杆膨胀动力机主体；翻转件，设置在入口管内，包括一体成型的转轴、旋杆以及翻转面，翻转面设置为刚好覆盖入口管，转轴包括转轴端部，转轴端部沿入口管的径向卡置于入口管的内侧，转轴通过转轴端部绕入口管的径向转动，其中，转轴端部穿过入口管侧壁，旋杆与转轴端部穿过入口管侧壁部分固定连接。

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。

本发明进一步提供一种控制上述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翻转式入口装置的旋杆的旋动角度。

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，根据压力值或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，根据液压行程控制翻转式入口装置的旋杆的旋动角度。

根据本发明一优选实施例，油动机包括：活塞，通过活塞的移动产生液压行程；腔体，活塞设置在腔体内，活塞在腔体内移动；油泵，受电液转换器控制对腔体注油或吸油以推动活塞移动；弹簧，产生弹力以在腔体没有注油的状态下使得活塞位于腔体侧部；第一连杆，一端与活塞固定连接，另一端与弹簧固定连接，弹簧通过第一连杆与活塞相互作用。

根据本发明一优选实施例，驱动模块包括：第二连杆，一端与活塞固定连接；滑块，第二连杆的另一端与滑块一侧固定连接；导轨，滑块设置为在导轨内滑动；第三连杆，一端铰接于滑块另一侧，另一端与旋杆铰接。

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入口管可供工作流体流通的横截面积大小，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翻转式入口装置处于第一状态下的结构示意图；

图6显示了本发明的螺杆膨胀动力机中的翻转式入口装置的处于第二状态下的结构示意图；

图7显示了本发明的螺杆膨胀动力机中的翻转式入口装置处于第一状态下的横向剖面图；

图8显示了本发明的螺杆膨胀动力机中的翻转式入口装置处于第二状态下的横向剖面图；

图9显示了本发明的螺杆膨胀动力机的控制系统的电路连接框图；

图10显示了本发明的螺杆膨胀动力机的控制系统与翻转式入口装置在第一状态下的机械连接图；以及

图11显示了本发明的螺杆膨胀动力机的控制系统与翻转式入口装置在第二状态下的机械连接图。

【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的一个优选实施例的原理图。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包括翻转式入口装置140以及螺杆膨胀动力机主体102，其中，翻转式入口装置140受控制模组111控制，螺杆膨胀动力机主体102将从翻转式入口装置140输入的高温废气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104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的另一个优选实施例的原理图。在图4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4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包括翻转式入口装置240以及螺杆膨胀动力机主体202，其中，翻转式入口装置240受控制模组211控制，螺杆膨胀动力机主体202将从翻转式入口装置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204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221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翻转式入口装置处于第一状态下的结构示意图。其中，图5示出的本发明的螺杆膨胀动力机中的翻转式入口装置340与图3和图4所示的翻转式入口装置140和240完全相同，翻转式入口装置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，翻转式入口装置340包括入口管330以及设置在入口管330内的翻转件320，翻转件320包括一体成型的转轴321、旋杆322以及翻转面324，翻转面324设置为刚好覆盖入口管330，转轴321包括转轴端部323，转轴端部323沿入口管330的径向卡置于入口管330的内侧，转轴321通过转轴端部323绕入口管的径向转动，其中，转轴端部323穿过入口管330侧壁，旋杆322与转轴端部323穿过入口管330的侧壁部分固定连接。

因此，利用转轴321的转动可带动翻转面324翻转。另外，可通过使用外力旋动旋杆322从而转动转轴321，进而使得翻转面324翻转。值得注意的是，当本发明的螺杆膨胀动力机中的翻转式入口装置340的处于第一状态下时，翻转面324处于完全覆盖入口管330的状态，工作流体不能通过入口管330进入螺杆膨胀动力机主体。

图6显示了本发明的螺杆膨胀动力机中的翻转式入口装置的处于第二状态下的结构示意图。如图6所示，在使用外力旋动设置在入口管330外的旋杆322时，可使翻转面324处于完全或部分翻转状态，从而控制通过入口管330流入螺杆膨胀动力机主体的工作流体流量的大小。

图7显示了本发明的螺杆膨胀动力机中的翻转式入口装置处于第一状态下的横向剖面图。如图7所示，轴体321的端部323部分突出于入口管330(其经过密封处理，使得工作流体不会从端部323突出于入口管330的开口流出)，旋杆322(未绘示)可与端部323固定连接，当处于第一状态时，翻转面324可覆盖入口管330，使得入口管330可供工作流体通过的横截面积为0。

图8显示了本发明的螺杆膨胀动力机中的翻转式入口装置处于第二状态下的横向剖面图。如图8所示，当旋杆322(未绘示)受外力旋动时，可使得转轴321带动翻转面324绕转轴321翻转0-90度，从而使得入口管330可供工作流体通过的横截面积在0-1之间变化(假设入口管的横截面积为1，并且忽略翻转面324厚度)。

值得注意的是，使用不同的外力旋动旋杆322，可使得翻转面324在0-90度之间绕转轴321翻转，从而可控制入口管330供工作流体通过的横截面积大小。

图9显示了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7，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、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获取在翻转式入口装置340中的工作流体的压力值，可从流量测量阀731获取在翻转式入口装置340中的工作流体的流量值。

数字电液控制模块702对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，驱动模块706根据液压行程控制翻转式入口装置340中的旋杆322的旋动角度从而控制流入螺杆膨胀动力机主体的流量。

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。

图10显示了本发明的螺杆膨胀动力机的控制系统与翻转式入口装置在第一状态下的机械连接图。如图10所示，于图9中所介绍的油动机705包括弹簧301、第一连杆302、活塞303、腔体304以及油泵305，其中第一连杆302固定连接于活塞303与弹簧301之间，活塞303的移动可产生液压行程并带动第一连杆302，在活塞303不受外力作用下，弹簧301可将活塞303推动至腔体304偏右位置。另外，油泵305，可受电液转换器704控制对腔体304注油或吸油以推动活塞303移动。

另外，如图10所示，图9中所介绍的驱动模块706包括第二连杆306、导轨310、滑块311以及第三连杆312，第二连杆306的一端固定连接于驱动模块706的滑块311的一侧，另一端固定连接于活塞303，滑块311设置在导轨310内，滑块311可沿导轨310滑动，第三连杆312一端与滑块311铰接，另一端与翻转式入口装置340中的旋杆322铰接。通过第三连杆312的传动作用，滑块311的水平移动可旋动旋杆322，从而使得翻转面324翻转。

当油泵305没有向腔体304注油时，弹簧301从F1所示的方向通过第一连杆302推动活塞303以产生液压行程，液压行程将活塞303推动至腔体304偏右位置，第二连杆306可在活塞303的推动下推动滑块311沿导轨310向右运动至导轨310偏右位置，此时，第三连杆312可控制旋杆322位于第一位置，当旋杆322位于第一位置时，翻转面324刚好处于完全覆盖入口管330的第一状态。

图11显示了本发明的螺杆膨胀动力机的控制系统与翻转式入口装置在第二状态下的机械连接图。如图11所示，当油泵305向腔体304注油时，可使得活塞303向腔体304偏右位置移动塞303以产生液压行程，该液压行程从与F1所示的方向相反的方向拉动第二连杆306，第二连杆306可拉动滑块311沿导轨310向左移动至导轨310偏左位置，滑块311拉动第三连杆312，从而旋动旋杆322，使得翻转面324可根据液压行程而翻转不同的角度。

当滑块311处于导轨310偏左位置时，第三连杆312控制旋杆322处于第二位置，此时，翻转面324刚好位于完全开放入口管330中可供工作流体通过的横截面积的第二状态。

值得注意的是，本发明的螺杆膨胀动力机及其控制系统可以通过油动机705产生的液压行程控制旋杆322的旋动角度，使得翻转面324在0-90度之间翻转，从而可控制入口管330中可供工作流体通过的横截面积大小。

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或流量而获得翻转式入口装置中的工作流体的压力值或流量值，控制模组700获取压力值或流量值，并其进行运算处理以决定翻转式入口装置的翻转面324的转动角度来控制入口管330中可供工作流体通过的横截面积大小，进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，从而提高了热利用效率。

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 (7)

1.一种螺杆膨胀动力机，其特征在于，包括：

翻转式入口装置，用于控制输入的工作流体的流量；

螺杆膨胀动力机主体，与所述翻转式入口装置连通，从所述翻转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，所述翻转式入口装置包括：

入口管，所述工作流体经过所述入口管输入至所述螺杆膨胀动力机主体；

翻转件，设置在所述入口管内，包括一体成型的转轴、旋杆以及翻转面，所述翻转面设置为刚好覆盖所述入口管，所述转轴包括转轴端部，所述转轴端部沿所述入口管的径向卡置于所述入口管的内侧，所述转轴通过所述转轴端部绕所述入口管的径向转动，所述转轴端部穿过所述入口管侧壁，所述旋杆与所述转轴端部穿过所述入口管侧壁部分固定连接。

2.根据权利要求1所述的螺杆膨胀动力机，其特征在于，所述工作流体为废汽。

3.根据权利要求1所述的螺杆膨胀动力机，其特征在于，所述工作流体为工质。

4.一种控制权利要求1至3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翻转式入口装置的所述旋杆的旋动角度。

5.根据权利要求4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；

驱动模块，根据所述液压行程控制所述翻转式入口装置的所述旋杆的旋动角度。

6.根据权利要求5所述的控制系统，其特征在于，所述油动机包括：

活塞，通过所述活塞的移动产生所述液压行程；

腔体，所述活塞设置在所述腔体内，所述活塞在所述腔体内移动；

油泵，受所述电液转换器控制对所述腔体注油或吸油以推动所述活塞移动；

弹簧，产生弹力以在所述腔体没有注油的状态下使得所述活塞位于所述腔体侧部；

第一连杆，一端与所述活塞固定连接，另一端与所述弹簧固定连接，所述弹簧通过所述第一连杆与所述活塞相互作用。

7.根据权利要求6所述的控制系统，其特征在于，所述驱动模块包括：

第二连杆，一端与所述活塞固定连接；

滑块，所述第二连杆的另一端与所述滑块一侧固定连接；

导轨，所述滑块设置为在所述导轨内滑动；

第三连杆，一端铰接于所述滑块另一侧，另一端与所述旋杆铰接。

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