DE102014110557A1

DE102014110557A1 - piston expander

Info

Publication number: DE102014110557A1
Application number: DE102014110557.5A
Authority: DE
Inventors: Michael Hötger; Jörg Collisi; Michael Bucher
Original assignee: Amovis GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2014-07-25
Filing date: 2014-07-25
Publication date: 2016-01-28
Also published as: WO2016012133A1

Abstract

Ein Kolbenexpander zum Entspannen eines Arbeitsmediums unter Arbeitsleistung, enthaltend eine Quelle für energiereiches, fluides Arbeitsmedium; einen mit der Quelle verbundenen Einlasskanal (30); einen über den Einlasskanal (30) mit energiereichem Arbeitsmedium beaufschlagte Einlasskammer (26); wenigstens einen Zylinder (10) mit einem Einlass für das energiereiche Arbeitsmedium; und einen Einlassdrehschieber (20) zum Steuern der Zufuhr von energiereichem Arbeitsmedium in den oder die Zylinder; ist dadurch gekennzeichnet, dass der Einlassdrehschieber (20) in der Einlasskammer (26) angeordnet ist, der Einlassdrehschieber (20) Turbinenschaufeln, Flügel, Zähne oder andere radiale Widerstandselemente (36) aufweist, und der Einlasskanal (30) derart in der Einlasskammer (26) mündet, dass energiereiches Arbeitsmedium aus dem Einlasskanal (30) auf die radialen Widerstandselemente (36) trifft, so dass der Einlassdrehschieber (20) ein Drehmoment durch das in die Einlasskammer (26) einströmende energiereiche Arbeitsmedium erfährt.A piston expander for decompressing a working fluid under operating power, containing a source of high-energy, fluid working fluid; an inlet channel (30) connected to the source; an inlet chamber (26) charged with high-energy working medium via the inlet channel (30); at least one cylinder (10) having an inlet for the high-energy working medium; and an inlet rotary valve (20) for controlling the supply of high-energy working fluid into the cylinder (s); characterized in that the inlet rotary valve (20) is disposed in the inlet chamber (26), the inlet rotary valve (20) includes turbine blades, vanes, teeth or other radial resistance elements (36), and the inlet channel (30) is so disposed in the inlet chamber (26 ), that high-energy working fluid from the inlet channel (30) on the radial resistance elements (36) meets, so that the inlet rotary valve (20) experiences a torque through the in the inlet chamber (26) flowing high-energy working fluid.

Description

Technisches Gebiet Technical area

Die Erfindung betrifft einen Kolbenexpander zum Entspannen eines Arbeitsmediums unter Arbeitsleistung, enthaltend

(a) eine Quelle für energiereiches, fluides Arbeitsmedium;
(b) einen mit der Quelle verbundenen Einlasskanal;
(c) einen über den Einlasskanal mit energiereichem Arbeitsmedium beaufschlagte Einlasskammer:
(d) wenigstens einen Zylinder mit einem Einlass für das energiereiche Arbeitsmedium; und
(e) einen Einlassdrehschieber zum Steuern der Zufuhr von energiereichem Arbeitsmedium in den oder die Zylinder.

The invention relates to a piston expander for relaxing a working fluid under working power, containing

(a) a source of high-energy, fluid working medium;
(b) an inlet duct connected to the source;
(c) an inlet chamber charged with high-energy working medium via the inlet channel:
(d) at least one cylinder having an inlet for the high-energy working medium; and
(e) an inlet rotary valve for controlling the supply of high-energy working fluid into the cylinder or cylinders.

Ein Beispiel für einen Kolbenexpander ist eine Axialkolbenmaschine oder eine 1- oder zwei-Zylindermaschine. Axialkolbenmaschinen weisen mehrere Zylinder auf, in denen jeweils ein Kolben einen Hub ausführt. Der Hub wird beispielsweise über eine Taumel- oder Schrägscheibe auf die Welle übertragen. Mit der rotierenden Welle kann insbesondere ein Generator oder ein Fahrzeug angetrieben werden. Die Einlasssteuerung für das Arbeitsmedium erfolgt mittels Steuerorganen. An example of a piston expander is an axial piston or a 1- or 2-cylinder engine. Axial piston machines have a plurality of cylinders, in each of which a piston executes a stroke. The hub is transmitted, for example via a wobble or swash plate on the shaft. In particular, a generator or a vehicle can be driven with the rotating shaft. The inlet control for the working medium is carried out by means of control organs.

Bei der vorliegenden Erfindung ist als Steuerorgan ein Einlassdrehschieber vorgesehen. Die Einlasskammer ist mit energiereichem Arbeitsmedium gefüllt. Der Einlassdrehschieber rotiert mit der Steuerwelle des Expanders. Eine Öffnung streicht über die Einlassöffnungen der Kolben und öffnet so zu den geeigneten Zeitpunkten um Arbeitsmedium in den Zylinder einzulassen. In the present invention, an inlet rotary valve is provided as a control member. The inlet chamber is filled with high-energy working medium. The inlet rotary valve rotates with the control shaft of the expander. An opening passes over the inlet openings of the pistons and thus opens at the appropriate times to admit working medium into the cylinder.

Stand der Technik State of the art

Aus der DE 10 2004 004 692 A1 ist eine ventilgesteuerte Axialkolbenmaschine bekannt. Die bekannte Anordnung weist eine rotierende Nockenscheibe auf, welche von der Welle angetrieben wird. Die Nockenscheibe steuert Ventilstößel und mittels der Ventilstößel die Ventile am jeweiligen Einlass der Zylinder. Einfachere Axialkolbenmaschinen mit einer Einlasssteuerung sind aus den deutschen Patentanmeldungen DE 10 2011 118 622 A1 , DE 10 2011 052 481 A1 und DE 10 2010 036 917 A1 bekannt. From the DE 10 2004 004 692 A1 is a valve-controlled axial piston machine known. The known arrangement comprises a rotating cam, which is driven by the shaft. The cam plate controls valve tappets and by means of the valve tappets the valves at the respective inlet of the cylinder. Simpler axial piston machines with an inlet control are known from the German patent applications DE 10 2011 118 622 A1 . DE 10 2011 052 481 A1 and DE 10 2010 036 917 A1 known.

Bei beispielsweise aus der DE 10 2011 118 622 A1 bekannten Kolbenexpandern mit Drehschieber wird das Arbeitsmedium über einen zentralen Einlasskanal in die Einlasskammer transportiert. Der Einlasskanal mündet an der Oberseite der Einlasskammer, der von einer glockenförmigen Abdeckung begrenzt wird. Der Drehschieber rotiert unterhalb eines den Boden der Einlasskammer bildenden Deckels.For example, from the DE 10 2011 118 622 A1 known piston expanders with rotary valve, the working fluid is transported via a central inlet channel into the inlet chamber. The inlet channel opens at the top of the inlet chamber, which is bounded by a bell-shaped cover. The rotary valve rotates below a lid forming the bottom of the inlet chamber.

Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention

Es ist Aufgabe der Erfindung, den Wirkungsgrad eines Kolbenexpanders der eingangs genannten Art zu erhöhen. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass

(f) der Einlassdrehschieber in der Einlasskammer angeordnet ist,
(g) der Einlassdrehschieber Turbinenschaufeln, Flügel, Zähne oder andere radiale Widerstandselemente aufweist, und
(g) der Einlasskanal derart in der Einlasskammer mündet, dass energiereiches Arbeitsmedium aus dem Einlasskanal auf die radialen Widerstandselemente trifft, so dass der Einlassdrehschieber ein Drehmoment durch das in der Einlasskammer einströmende energiereiche Arbeitsmedium erfährt.

It is an object of the invention to increase the efficiency of a piston expander of the type mentioned. According to the invention the object is achieved in that

(f) the inlet rotary valve is arranged in the inlet chamber,
(g) the inlet rotary valve has turbine blades, vanes, teeth or other radial resistance elements, and
(g) the inlet channel opens into the inlet chamber such that high-energy working fluid from the inlet channel meets the radial resistance elements so that the inlet rotary valve experiences a torque through the high-energy working medium flowing in the inlet chamber.

Bei einer solchen Anordnung wird der Einlasskanal seitlich angeordnet. Das in die Einlasskammer einströmende Arbeitsmedium hat neben thermischer auch eine kinetische Energie. Wenn es auf die Widerstandselemente am Einlassdrehschieber trifft, wird diese sonst ungenutzte kinetische Energie als Drehmoment auf den Drehschieber übertragen. Der Drehschieber wird vom Arbeitsmediumstrom angetrieben. In such an arrangement, the inlet duct is arranged laterally. The working medium flowing into the inlet chamber has not only thermal but also kinetic energy. When it encounters the resistance elements on the inlet rotary valve, this otherwise unused kinetic energy is transmitted as torque to the rotary valve. The rotary valve is driven by the working medium flow.

Der Kolbenexpander kann ein Axialkolbenexpander sein. Es sind aber auch andere Kolbenexpander geeignet, die einen Einlassdrehschieber verwenden. The piston expander may be an axial piston expander. However, other piston expanders are suitable which use an inlet rotary valve.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die radialen Widerstandselemente radial am Umfang des Einlassdrehschiebers vorgesehen sind. Die Arbeitsmediumströmung kann dann tangential auf die radialen Widerstandselemente geleitet werden. Dadurch wird eine optimale Energieübertragung erreicht. It is preferably provided that the radial resistance elements are provided radially on the circumference of the inlet rotary valve. The working medium flow can then be passed tangentially to the radial resistance elements. This achieves optimal energy transfer.

Alternativ ist vorgesehen, dass die radialen Widerstandselemente auf der dem Kolben abgewandten Oberseite des Einlassdrehschiebers angeordnet sind. Die Widerstandselemente liegen dann nicht in der Ebene des Einlassdrehschiebers, sondern oberhalb. Sie sind mit dem Einlassdrehschieber so verbunden, dass ein auf die Widerstandselemente ausgeübtes Drehmoment direkt auf den Einlassdrehschieber übertragen wird. Bei dieser Variante der Erfindung ist die Drehschieberanordnung besonders kompakt und hat einen kleineren Durchmesser als wenn die Widerstandselemente am Umfang vorgesehen sind. Alternatively, it is provided that the radial resistance elements are arranged on the upper side facing away from the piston of the rotary vane. The resistance elements are then not in the plane of the inlet rotary valve, but above. They are connected to the inlet rotary valve in such a way that a torque exerted on the resistance elements is transmitted directly to the inlet rotary valve. In this variant of the invention, the rotary valve arrangement is particularly compact and has a smaller diameter than when the resistance elements are provided on the circumference.

Vorzugsweise ist der Einlasskanal seitlich in der Ebene der radialen Widerstandselemente angeordnet, derart, dass aus dem Einlasskanal ausströmendes, energiereiches Arbeitsmedium die radialen Widerstandselemente tangential anströmt. Dadurch wird das Drehmoment optimal übertragen. Preferably, the inlet channel is arranged laterally in the plane of the radial resistance elements, such that, flowing out of the inlet channel, high-energy working fluid flows tangentially to the radial resistance elements. This optimally transmits the torque.

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Absperrventil im Einlasskanal zur Steuerung des Arbeitsmedium-Stroms angeordnet ist. Mit dem Absperrventil kann ein Startvorgang gesteuert werden. Zunächst bleibt das Absperrventil geschlossen, bis das Arbeitsmedium mit ausreichendem Druck vorhanden ist und die Maschine gestartet werden soll. Beim Öffnen des Absperrventils strömt das Arbeitsmedium Schockwellenartig in die Einlasskammer und an die Widerstandselemente. Dadurch werden Reibungswiderstände gut überwunden und es sind keine zusätzlichen Starteinrichtungen, wie beim Stand der Technik, erforderlich. In one embodiment of the invention it is provided that a shut-off valve is arranged in the inlet channel for controlling the working medium flow. With the shut-off valve, a startup process can be controlled. First, the shut-off valve remains closed until the working fluid with sufficient pressure is present and the machine is to be started. When the shut-off valve is opened, the working fluid flows in shock waves into the inlet chamber and the resistance elements. This friction resistances are overcome well and there are no additional starting devices, as in the prior art required.

Die Anordnung kann insbesondere in Dampfkreisprozessen, wie sie von der Anmelderin vielfach zum Patent angemeldet wurden, gut verwendet werden.The arrangement can be used well, in particular in steam cycle processes, as have often been filed for patent by the Applicant.

Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Ein Ausführungsbeispiel ist nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Embodiments of the invention are the subject of the dependent claims. An embodiment is explained below with reference to the accompanying drawings.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings

1 ist ein schematischer Querschnitt durch die Einlasskammer einer Axialkolbenmaschine mit Einlassdrehschieber, Hauptwelle und seitlichem Einlasskanal. 1 is a schematic cross-section through the inlet chamber of an axial piston machine with inlet rotary valve, main shaft and side inlet channel.

2 ist eine schematische Draufsicht auf einen Ausschnitt aus der Anordnung aus 1 mit Einlassdrehschieber und den Einlasskanal. 2 is a schematic plan view of a section of the arrangement 1 with inlet rotary valve and the inlet channel.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels Description of the embodiment

Die Figuren zeigen den oberen Teil einer Axialkolbenmaschine, wie sie in der DE 10 2011 118 622 A1 ausführlich beschrieben ist. Da der Fachmann mit derartigen Axialkolbenmaschinen vertraut ist, wird hier auf die Beschreibung von Aufbau und Funktionsweise einer Axialkolbenmaschine verzichtet. The figures show the upper part of an axial piston machine, as in the DE 10 2011 118 622 A1 is described in detail. Since the person skilled in the art is familiar with such axial piston machines, the description of the structure and mode of operation of an axial piston machine will be omitted here.

In 1 ist der Querschnitt des oberen Teils zweier Zylinder 10 und 12 zu sehen. In den Zylindern ist jeweils ein Kolben 14 bzw. 16 längsbeweglich geführt. Eine Haupt- und Steuerwelle 18 wird über eine (nicht dargestellte) Taumelscheibe angetrieben. Die Rotation der Welle 18 wird auf einen Einlassdrehschieber 20 übertragen. Die Rotation ist in 2 durch einen Pfeil repräsentiert. Der Einlassdrehschieber 20 sitzt auf einem Zylinderkopf 24 in einer als Dampfraum 26 ausgebildeten Einlasskammer. Der Dampfraum 26 wird von einem Deckel 28 begrenzt, der glockenförmig über dem Einlassdrehschieber 20 angeordnet ist. In 1 is the cross section of the upper part of two cylinders 10 and 12 to see. Each cylinder has a piston 14 respectively. 16 guided longitudinally movable. A main and control shaft 18 is driven via a (not shown) swash plate. The rotation of the wave 18 gets onto an inlet rotary valve 20 transfer. The rotation is in 2 represented by an arrow. The inlet rotary valve 20 sits on a cylinder head 24 in one as a steam room 26 trained inlet chamber. The steam room 26 is from a lid 28 limited, the bell-shaped above the inlet rotary valve 20 is arranged.

Über eine Dampfzuleitung in Form eines Einlasskanals 30 strömt energiereiches, fluides Arbeitsmedium in den Dampfraum 26. Dies ist durch einen Pfeil 32 repräsentiert. Das Arbeitsmedium kann beispielsweise überhitzter Wasserdampf sein. Es ist aber auch möglich, andere Medien als Wasser zu verwenden oder Mischungen mit Frostschutz- und/oder Korrosionsmitteln. Das Arbeitsmedium kommt aus einer Quelle, beispielsweise einem Dampfüberhitzer eines Dampfkreisprozesses. Via a steam supply line in the form of an inlet channel 30 High-energy, fluid working medium flows into the steam room 26 , This is by an arrow 32 represents. The working medium can be, for example, superheated steam. But it is also possible to use media other than water or mixtures with antifreeze and / or corrosive agents. The working medium comes from a source, for example a steam superheater of a steam cycle process.

Ein Start/Stop-Ventil als Absperrventil 34 ist im Einlasskanal vorgesehen. Damit kann die Arbeitsmittelzufuhr kontrolliert und insbesondere gestartet und unterbrochen werden. Das unter Druck stehende, energiereiche Arbeitsmedium gelang durch den Einlasskanal 30 in den Dampfraum 26. Der Durchgang 38 im Einlassdrehschieber 20 überstreicht bei Rotation der Welle mit dem Einlassdrehschieber nacheinander die Einlässe der Zylinder. Der Einlassdrehschieber 20 gibt somit immer nur einen Einlass frei. Durch den Durchgang 38 und einen der Einlässe an einem der Zylinder tritt das Arbeitsmedium in den Zylinder und kann dort unter Arbeitsleistung am Kolben expandieren. Der Kolben 14 wird nach unten in der Darstellung bewegt. A start / stop valve as a shut-off valve 34 is provided in the inlet channel. Thus, the working fluid supply can be controlled and in particular started and interrupted. The pressurized, high-energy working medium succeeded through the inlet channel 30 in the steam room 26 , The passage 38 in the inlet rotary valve 20 During rotation of the shaft with the inlet rotary valve successively sweeps over the inlets of the cylinder. The inlet rotary valve 20 thus always only one inlet free. Through the passage 38 and one of the inlets on one of the cylinders, the working fluid enters the cylinder, where it can expand under operating power on the piston. The piston 14 is moved down in the presentation.

Am Umfang des Einlassdrehschiebers 20 ist eine Verzahnung 36 angeformt. Eine solche Verzahnung kann beispielsweise eingefräst oder angeschweißt werden. Die Verzahnung 36 dient als Strömungswiderstand, ähnlich wie Turbinenschaufeln einer Turbine. Der Einlassdrehschieber 20 liegt in der Ebene des Einlasskanals 30, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel horizontal verläuft. Der Einlasskanal 30 mündet derart im Dampfraum 26, dass die Strömung des austretenden Arbeitsmediums gerade tangential auf den Einlassdrehschieber 20, d. h. auf die Verzahnung 36 trifft. Dadurch wird ein Drehmoment auf den Einlassdrehschieber 20 ausgeübt. Es wird also nicht nur die thermische Energie des Arbeitsmediums im Expander, sondern zusätzlich die kinetische Energie beim Eintritt in den Dampfraum 26 genutzt. Diese Energie wird auf die Welle 18 übertragen und senkt somit den Energieverbrauch der Anordnung. At the circumference of the inlet rotary valve 20 is a gearing 36 formed. Such a toothing can for example be milled or welded. The gearing 36 serves as a flow resistance, much like turbine blades of a turbine. The inlet rotary valve 20 lies in the plane of the inlet channel 30 which runs horizontally in the present embodiment. The inlet channel 30 flows so in the steam room 26 in that the flow of the escaping working medium is just tangential to the inlet rotary valve 20 ie on the toothing 36 meets. This will create a torque on the inlet rotary valve 20 exercised. It is not only the thermal energy of the working medium in the expander, but also the kinetic energy when entering the steam room 26 used. This energy gets on the shaft 18 transfers and thus reduces the energy consumption of the arrangement.

Das Arbeitsmedium kann ferner zum Starten der Anordnung verwendet werden. Hierzu wird das zunächst geschlossene Ventil 34 geöffnet. Die Strömung des energiereichen Arbeitsmediums reicht aus um den Einlassdrehschieber bis zum nächsten Zylinder zu bewegen und die Maschine zu starten. The working medium may also be used to start the assembly. For this purpose, the initially closed valve 34 open. The flow of the high-energy working medium is sufficient to move the inlet rotary valve to the next cylinder and start the machine.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102004004692 A1 [0004]
DE 102011118622 A1 [0004, 0005, 0017]
DE 102011052481 A1 [0004]
DE 102010036917 A1 [0004]

Claims

A piston expander for decompressing a working fluid under operating power, comprising (a) a source of high-energy, fluid working fluid; (b) an inlet channel connected to the source ( 30 ); (c) one via the inlet channel ( 30 ) acted upon with high-energy working medium inlet chamber ( 26 ); (d) at least one cylinder ( 10 ) with an inlet for the high-energy working medium; and (e) an inlet rotary valve ( 20 ) for controlling the supply of high-energy working medium into the cylinder or cylinders; characterized in that (f) the inlet rotary valve ( 20 ) in the inlet chamber ( 26 ), (g) the inlet rotary valve ( 20 ) Turbine blades, vanes, teeth or other radial resistance elements ( 36 ), and (g) the inlet channel ( 30 ) in the inlet chamber ( 26 ), that high-energy working medium from the inlet channel ( 30 ) on the radial resistance elements ( 36 ), so that the inlet rotary valve ( 20 ) a torque through the in the inlet chamber ( 26 ) inflowing energetic working medium experiences.

Piston expander according to claim 1, characterized in that the piston expander is an axial piston expander.

Piston expander according to one of the preceding claims, characterized in that the radial resistance elements ( 36 ) radially on the circumference of the inlet rotary valve ( 20 ) are provided.

Piston expander according to one of claims 1 to 3, characterized in that the radial resistance elements are arranged on the piston facing away from the top of the rotary vane.

Piston expander according to one of the preceding claims, characterized in that the inlet channel ( 30 ) laterally in the plane of the radial resistance elements ( 36 ) is arranged such that from the inlet channel ( 30 ) flowing, high-energy working medium the radial resistance elements ( 36 ) flows tangentially.

Piston expander according to one of the preceding claims, characterized by a shut-off valve ( 34 ) in the inlet channel ( 30 ) for controlling the working medium flow.

Steam cycle process, characterized by a piston expander according to one of the preceding claims.