DE112017000810T5

DE112017000810T5 - Optimierter Energierückgewinnungsvorrichtungs-Rotor

Info

Publication number: DE112017000810T5
Application number: DE112017000810.7T
Authority: DE
Inventors: Matthew Gareld SWARTZLANDER; David Yee
Original assignee: Eaton Intelligent Power Ltd
Current assignee: Eaton Intelligent Power Ltd
Priority date: 2016-03-09
Filing date: 2017-03-09
Publication date: 2018-12-13
Also published as: WO2017156236A1; US20190113035A1

Abstract

Die vorliegenden Lehren beinhalten eine Energierückgewinnungsvorrichtung, die in verschiedenen Anwendungen, wie z. B. Wasserkraft und Fahrzeugtriebwerken, eingesetzt werden kann. Eine Energierückgewinnungsvorrichtung umfasst ein Gehäuse mit einem Einlass und einem Auslass in Fluidverbindung mit einem inneren Hohlraum und ein Paar gegenläufiger Rotoren mit ineinandergreifenden Nocken, die innerhalb des inneren Hohlraums des Gehäuses angeordnet sind. Jeder Rotor definiert ein Transportvolumen zwischen dem Gehäuse und einem Paar benachbarter Nocken und hat einen berechneten maximalen idealen Verdrehwinkel, unterhalb dessen das Transportvolumen sowohl vom Gehäuseeinlass als auch vom Gehäuseauslass abgedichtet wird. Jeder Rotor weist auch einen tatsächlichen Verdrehwinkel auf, der den maximalen idealen Verdrehwinkel überschreitet.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANWENDUNGEN
Diese Anmeldung wird am 9. März 2017 als internationale PCT-Patentanmeldung eingereicht und beansprucht den Vorteil der am 9. März 2016 eingereichten US-Patentanmeldung Nr. 62/305,849 und beansprucht den Vorteil der am 7. April 2016 eingereichten US-Patentanmeldung Nr. 62/319,390 , deren Offenbarungen hierin durch Verweis in ihrer Gesamtheit beinhalten sind.
TECHNISCHER BEREICH
Diese Anwendung bezieht sich auf eine optimierte Energierückgewinnungsvorrichtung und deren Systeme.
HINTERGRUND
Ein idealer Verdrehwinkel eines Roots-Verdichterrotors basiert auf dem Bohrungsdurchmesser und dem Achsabstand der Rotoren. Dieser ideale Verdrehwinkel, d. h. die Anzahl der Grad, die jeder Kolben von einem Ende des Rotors zum anderen Ende dreht, wird verwendet, um die Grenze für die Verdrehung festzulegen, bevor eine Leckage zwischen dem Einlass und dem Auslass des Verdichters entsteht. Über den idealen Verdrehwinkel und die Länge der Rotoren kann der Schrägungswinkel des Rotors eingestellt werden. Durch die Verwendung von Rotoren mit weniger Verdrehung als der ideale Verdrehwinkel kann der Kompressor so eingestellt werden, dass er bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen eine bessere Leistung erbringt. Dazu wird die verfügbare Ereigniszeit, die sich aus der Differenz zwischen dem idealen Verdrehwinkel und dem tatsächlichen Verdrehwinkel ergibt, in Dichtungszeit und Verweilzeit aufgeteilt. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die Verwendung eines Rotorverdrehwinkels, der höher als der ideale Verdrehwinkel ist, nachteilig ist. In Expandern wurden Roots-Rotoren eingesetzt, deren Verdrehwinkel kleiner als der ideale Verdrehwinkel ist.
ZUSAMMENFASSUNG
Es wird eine optimierte Energierückgewinnungsvorrichtung bereitgestellt, insbesondere Roots-Rotoren, die in Turbinen- und Expanderanwendungen eingesetzt werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Roots-Rotoren, die für den Betrieb in einem Expander oder Kompressor optimiert sind, werden die offenbarten Rotoren mit einem tatsächlichen Verdrehwinkel versehen, der höher ist als der ideale Verdrehwinkel. Die offenbarten Energierückgewinnungsvorrichtungen dichten den Einlass nicht vom Auslass ab und ermöglichen stattdessen einen Leckagepfad. Dieser Leckagepfad erzeugt einen gewundenen Strömungspfad durch die Rotoren, der den Wellen aus der erhöhten Strömungsgeschwindigkeit ein Moment verleiht, um eine Rotation innerhalb der Energierückgewinnungsvorrichtung zu erzeugen. Die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit unterstützt die Umwandlung der kinetischen Energie im Fluidstrom in die Rotation des Rotors. Dementsprechend wurde festgestellt, dass Roots-ähnliche Energierückgewinnungsvorrichtungen von einer negativen Siegelzeit profitieren. Der Leckagepfad wird zu einer Öffnung innerhalb der Energierückgewinnungsvorrichtung, die durch Anpassung des Verdrehungsgrades an die jeweilige Größe der Energierückgewinnungsvorrichtung und die Einsatzbedingungen dimensioniert werden kann.
In einem Beispiel wird eine Energierückgewinnungsvorrichtung vorgestellt, die ein Gehäuse mit einem Einlass und einem Auslass in Fluidverbindung mit einem inneren Hohlraum und ein Paar gegenläufiger Rotoren mit ineinandergreifenden Nocken aufweist, die innerhalb des inneren Hohlraums des Gehäuses angeordnet sind. Jeder Rotor definiert ein Transportvolumen zwischen dem Gehäuse und einem Paar benachbarter Nocken und hat einen berechneten maximalen idealen Verdrehwinkel, unterhalb dessen das Transportvolumen sowohl vom Gehäuseeinlass als auch vom Gehäuseauslass in mindestens einer Drehstellung der Rotoren abgedichtet wird. Jeder Rotor hat auch einen tatsächlichen Verdrehwinkel, der den maximalen idealen Verdrehwinkel überschreitet. Implementierungen der Offenbarung von Energierückgewinnungsvorrichtungen umfassen den Einsatz in einem Energieerzeugungssystem, bei dem eine Auslasswelle des Energierückgewinnungssystems mit einer Einlasswelle eines elektrischen Generators gekoppelt ist, so dass die von der Energierückgewinnungsvorrichtung aufgenommene Energie in elektrische Energie umgewandelt wird. Das Stromerzeugungssystem kann in mehreren Anwendungen eingesetzt werden, z.B. in einer Wasserkraftanlage, bei der die Energierückgewinnungsvorrichtung Wasser von einer Oberwasserseite einer Staumauerstruktur aufnimmt und das Wasser in ein tiefer gelegenes Unterwasser auf einer gegenüberliegenden Seite der Staumauer ableitet, um die Rotoren der Energierückgewinnungsvorrichtung zu drehen und Strom am elektrischen Generator zu erzeugen.
Weitere Objekte und Vorteile werden teilweise in der folgenden Beschreibung dargelegt, teilweise sind sie aus der Beschreibung ersichtlich oder können aus der Praxis der hier vorgestellten Lehren gelernt werden. Die Objekte und Vorteile werden auch durch die in den beigefügten Ansprüchen besonders hervorgehobenen Elemente und Kombinationen realisiert und erreicht. Es ist zu verstehen, dass sowohl die vorstehende allgemeine Beschreibung als auch die nachfolgende detaillierte Beschreibung nur beispielhaft und erläuternd sind und die beanspruchte Erfindung nicht einschränken.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung einer Wasserkraftanlage mit einer Energierückgewinnungseinrichtung, die Merkmale aufweist, die Beispiele für Aspekte sind, die den Grundsätzen dieser Offenbarung entsprechen.
2 ist eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einem volumetrischen Energierückgewinnungsgerät mit Merkmalen, die Beispiele für Aspekte gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung sind.
3 ist eine schematische Seitenansicht einer Energierückgewinnungsvorrichtung, die mit den in den 1 und 2 dargestellten Systemen verwendet werden kann.
4 ist eine schematische Endansicht eines Einlasses der Energierückgewinnungsvorrichtung, dargestellt in den 1 und 2.
5 zeigt schematisch die geometrischen Parameter der Rotoren der Energierückgewinnungsvorrichtung in 1 und 2.
6 zeigt ein physikalisches Beispiel der in 1-5 dargestellten volumetrischen Energierückgewinnungsvorrichtung.
7 ist eine Ansicht der in 6 gezeigten Energierückgewinnungsvorrichtung von unten.
8 ist eine Draufsicht auf die in 6 gezeigte Energierückgewinnungsvorrichtung.
9 ist eine Unteransicht der in 6 gezeigten Energierückgewinnungsvorrichtung.
10 ist eine Frontansicht der in 6 gezeigten Energierückgewinnungsvorrichtung.
11 ist eine Querschnittsansicht der in 6 gezeigten Energierückgewinnungsvorrichtung entlang der in 10 gezeigten Linie A-A.
12 ist eine Querschnittsansicht der in 6 gezeigten Energierückgewinnungsvorrichtung entlang der in 10 gezeigten Linie B-B.
13 ist eine Querschnittsansicht der in 6 gezeigten Energierückgewinnungsvorrichtung entlang der in 10 gezeigten Linie C-C.
14 ist eine Querschnittsansicht der in 6 gezeigten Energierückgewinnungsvorrichtung entlang der in 10 gezeigten Linie C-C, wobei die zusätzliche Darstellung eines Leckweges durch die Rotoren und des resultierenden Moments auf die Rotorwellen schematisch dargestellt ist.
15 ist eine schematische Seitenansicht eines zweiten Beispiels eines Energierückgewinnungsgeräts, das mit den in den 1 und 2 dargestellten Systemen verwendet werden kann.
16 ist eine schematische Draufsicht der in 15 gezeigten Energierückgewinnungsvorrichtung.
17 ist eine schematische Unteransicht der in 15 gezeigten Energierückgewinnungsvorrichtung.
18 ist eine schematische Einlassansicht des in 15 gezeigten Energierückgewinnungsvorrichtung aus Zeile 18-18.
19 ist eine schematische Darstellung der in 15 gezeigten Energierückgewinnungsvorrichtung aus Zeile 19-19.
20 ist eine Querschnittsansicht der in 15 gezeigten Energierückgewinnungsvorrichtung, aufgenommen entlang der Linie 20-20 in 17.
21 ist eine Seitenansicht eines Rotors, der in der in 15 gezeigten Energierückgewinnungsvorrichtung verwendet werden kann.
22 ist eine Endansicht des in 15 gezeigten Rotors.
23 ist eine Endansicht des in 15 gezeigten Rotors.
24 ist eine grafische Darstellung eines Einlassvolumens eines Rotors der in 2 gezeigten Energierückgewinnungsvorrichtung, wenn sich der Rotor im Vergleich zu einem nicht optimierten Rotor, der keinen Leckweg definiert, durch eine volle Umdrehung dreht.
25 ist eine grafische Darstellung eines Drehmomentausgangs eines Rotors der Energierückgewinnungsvorrichtung, wie in 2 dargestellt.

DETAILLIERTE DARSTELLUNG
Diese Offenbarung betrifft auf Energierückgewinnungsvorrichtungen und Stromerzeugungssysteme für den Einsatz in mehreren Anwendungen. In einem Beispiel sind die dargestellten Stromerzeugungssysteme in Wasserkraftanwendungen einsetzbar, bei denen ein oder mehrere Energierückgewinnungsvorrichtungen als Turbine mit einem Generator zur Stromerzeugung gekoppelt sind. In solchen Anwendungen können ein oder mehrere Energierückgewinnungsvorrichtungen an einer bestehenden Staumauer oder an jeder anderen Stelle installiert werden, an der ein Wasserstrom eine Höhenänderung erfährt. In einem weiteren Beispiel sind die offenbarten Energierückgewinnungsvorrichtungen in Fahrzeugtriebwerken einsetzbar, wo die Abwärme des Fahrzeugtriebwerks erfasst und dem Triebwerk wieder zugeführt wird. Die genannten Energierückgewinnungsvorrichtungen und Energieerzeugungssysteme können auch in anderen Anwendungen eingesetzt werden, z.B. in der Schifffahrt und in der Landwirtschaft.
Systeme mit Energierückgewinnung
In 1 ist ein WasserTriebwerk 200 dargestellt, in dem ein Staudammbauwerk 202 auf einem Grundbauwerk 205 errichtet und zur Aufrechterhaltung eines Oberwasserbeckens 204 errichtet wurde. Im gezeigten Beispiel ist die Staumauer 202 eine bestehende, nicht angetriebene Staumauer, wie z.B. ein Betonbauwerk. Das Wasser aus dem Oberwasserbecken 204 kann über eine Druckrohrleitung 208 in das Unterwasser 206 geleitet werden. Die Druckrohrleitung 208 ist vollständig außerhalb der Staumauer 202 dargestellt, kann aber als innerer Durchgang innerhalb der Staumauer 202 definiert werden. Der Wasserdurchfluss durch die Druckrohrstruktur 208 kann über einen Einlassschieber 210 gezielt gesteuert werden. Die Wasserkraftanlage 200 kann auch eine Stromerzeugungsanlage 212 mit einer als Turbine arbeitenden Energierückgewinnungseinrichtung 20 und einem von der Energierückgewinnungsvorrichtung 20 über eine Stromübertragungsleitung 25 angetriebenen Stromgenerator 214 beinhalten. Wie gezeigt, befindet sich zwischen der Energierückgewinnungsvorrichtung 20 und dem Generator 214 eine Getriebebaugruppe 218, die es ermöglicht, dass die Abtriebswelle der Energierückgewinnungsvorrichtung 20 mit einer anderen Drehzahl arbeitet als die Einlasswelle des Generators. In einem Beispiel wird die Getriebebaugruppe 218 in einer „Step-up“-Anordnung konfiguriert, bei der die Innenverzahnung dazu führt, dass sich die Einlasswelle des Generators mit einer höheren Drehzahl dreht als die Auslasswelle der Energierückgewinnungsvorrichtung 20. Die umgekehrte Anordnung ist ebenfalls möglich, wobei eine „Step-down“-Anordnung bereitgestellt ist, so dass die Einlasswelle des Generators im Vergleich zur Abtriebswelle der Energierückgewinnungsvorrichtung mit einer niedrigeren Drehzahl arbeitet. Die Getriebebaugruppe 218 kann auch so konfiguriert werden, dass die jeweilige An- und Abtriebswelle mit gleicher Drehzahl läuft. Alternativ kann die Getriebebaugruppe 218 so konfiguriert werden, dass das Übersetzungsverhältnis während des Betriebes gezielt verändert werden kann. In einem einfacheren Ansatz kann die Abtriebswelle der Energierückgewinnungsvorrichtung 20 direkt mit der Einlasswelle des Generators 214 gekoppelt werden.
Wie dargestellt, ist der Einlass der Energierückgewinnungsvorrichtung 20 mit der Druckrohrstruktur 208 verbunden, während der Auslass der Energierückgewinnungsvorrichtung mit einem Zugrohr 216 verbunden ist, das mit dem Unterwasser 206 in Fluidverbindung steht. Im Betrieb fließt das Wasser aus dem Oberwasserbecken 204, durch die Druckrohrstruktur 208, durch die Energierückgewinnung 20 und über das Saugrohr 216 in das Unterwasser 206. Wenn Wasser durch die Energierückgewinnungsvorrichtung 20 fließt, werden die Rotoren im Energierückgewinnungsgerät 20 durch die Kraft des fließenden Wassers in Rotation versetzt. Durch die Rotation der Rotoren wiederum erzeugt der Generator 214 elektrischen Strom, der über Stromübertragungsleitungen in ein Stromnetz eingespeist werden kann (nicht dargestellt). Das Stromerzeugungssystem 212 kann in anderen Anwendungen eingesetzt werden, in denen eine strömende Flüssigkeitsquelle vorhanden ist.
Unter Bezugnahme auf 2 ist eine weitere Anwendung der offenbarten Energierückgewinnungseinrichtung 20 dargestellt, bei der die Energierückgewinnungsvorrichtung 20 Abwärmeenergie erfasst und an ein Fahrzeugtriebwerk als Teil eines Stromerzeugungssystems 14 zurückgibt. Wie gezeigt, beinhaltet ein Fahrzeug 10 mit Rädern 11 zur Bewegung auf einer geeigneten Fahrbahnoberfläche ein Stromerzeugungssystem 14. Das System 14 beinhaltet ein Triebwerk 16 mit einem Triebwerkszyklus. Das Triebwerk 16 nutzt eine bestimmte Menge an Sauerstoff, der Teil eines Ansaugluftstroms sein kann, zur Stromerzeugung. Das Triebwerk 16 erzeugt auch Abwärme in Form eines Hochtemperatur-Abgases in der Abgasleitung 15, einem Nebenprodukt des Stromerzeugungskreislaufs. In einer Ausführung ist das Triebwerk 16 ein Verbrennungsmotor, z.B. ein Ottomotor, der ein Gemisch aus Kraftstoff und Luft zur Stromerzeugung verbrennt. In einer Ausführung kann das Triebwerk 16 oder eine Brennstoffzelle sein, die chemische Energie aus einem Brennstoff durch eine chemische Reaktion mit Sauerstoff oder einem anderen Oxidationsmittel in Strom umwandelt.
Das Fahrzeug 10 kann auch eine Energierückgewinnungsvorrichtung beinhalten, z.B. die volumetrische Energierückgewinnungsvorrichtung 20, das Energie aus der Abwärme des Triebwerks 16 zurückgewinnt, um den Wirkungsgrad des Triebwerks 16 zu verbessern.
In einer Ausführung und wie in 2 dargestellt, wird ein organischer Rankine-Kreislauf (ORC) verwendet, um Energie aus der Abwärme zu gewinnen. In einer solchen Ausführung ist ein Rohrleitungssystem 1000 mit einem Wärmetauscher 18 bereitgestellt, das die Wärme von der Abgasleitung 15 auf ein Arbeitsfluid 12 überträgt, das dann dem volumetrischen Energierückgewinnungsgerät 20 zugeführt wird. Die Arbeitsflüssigkeit 12 kann ein Alkohol (wie Methanol oder Ethanol), ein Kohlenwasserstoff (wie n-Pentan, Toluol oder Dodekan), ein Kältemittel (wie R-245fa) oder eine Mischung von Lösungsmitteln (wie Ammoniakwasser oder Wasser-Ethanol) sein. Zusätzlich ist ein Verflüssiger 19 bereitgestellt, der eine Niederdruckzone für das Arbeitsmedium 12 bildet und damit einen Ort für die Kondensation des Arbeitsmediums 12 bietet. Einmal kondensiert, kann das Arbeitsmedium 12 über eine Pumpe 17 in den Wärmetauscher 18 gefördert werden. Eine detailliertere Beschreibung eines ORC-Systems, das zum Antrieb eines Energierückgewinnungsgeräts 20 verwendet wird, ist in der Internationalen Patent Cooperation Treaty (PCT) International Application Publication Number WO 2013/30774 mit dem Titel VOLUMETRIC ENERGY RECOVERY DEVICE AND SYSTEMS beinhalten. Die WO 2013/30774 wird hiermit durch Verweis in ihrer Gesamtheit aufgenommen. Die volumetrische Energierückgewinnungsvorrichtung 20 kann auch in einem direkten Abgaswärme-Rückgewinnungsverfahren verwendet werden, wobei das Abgas das Arbeitsfluid 12 ist, wie es im Internationalen Patent Cooperation Treaty (PCT) International Application Publication Number WO 2014/107407 angegeben ist, dessen Gesamtheit durch Verweis hierin aufgenommen ist. Weitere Expandersysteme sind im Patent Cooperation Treaty (PCT) International Application Publication Number WO 2014/117159 offenbart, deren Gesamtheit durch Verweis hierin aufgenommen ist.
In einem Aspekt kann die Energierückgewinnungsvorrichtung 20 auch eine Leistungsabgabevorrichtung 25 beinhalten, die so konfiguriert ist, dass sie nützliche Arbeit von der Energierückgewinnungsvorrichtung 20 überträgt. Solche mechanischen Arbeiten, die durch die Drehung der Abtriebswelle 38 (später besprochen) der Energierückgewinnungsvorrichtung 20 entstehen, können bei Bedarf an beliebige Elemente oder Vorrichtungen geliefert werden. Beispielsweise kann die Abtriebswelle 38 direkt oder indirekt über Getriebe, Riemen, Ketten oder andere Strukturen an ein anderes Triebwerk, den Antriebsstrang des Fahrzeugs, eine andere Energierückgewinnungsvorrichtung, einen Turbolader, einen Kompressor, einen Generator, einen Motor, eine Hydraulikpumpe und/oder eine Pneumatikpumpe gekoppelt werden. In einigen Beispielen kann die zurückgewonnene Energie in einem Energiespeicher wie einer Batterie oder einem Akkumulator gespeichert werden, und der Energiespeicher kann die gespeicherte Energie bei Bedarf wieder abgeben. In anderen Beispielen kann die zurückgewonnene Energie in das Triebwerk 16 zurückfließen, indem die Abtriebswelle des Gerätes 20 mechanisch mit einer Leistungsaufnahmeposition 17 (z.B. einer Kurbelwelle eines Motors) gekoppelt wird. Zwischen der volumetrischen Fluid-Energierückgewinnung 20 und dem Triebwerk 16 kann auch eine Kraftübertragungsverbindung 25 eingesetzt werden, um eine bessere Abstimmung zwischen den Drehzahlen des Triebwerks 16 und der Abtriebswelle des Gerätes 20 zu gewährleisten. In einigen Ausführungen kann die Kraftübertragungsstrecke 25 als Planetengetriebe konfiguriert werden, um zwei Ausgänge für das Triebwerk 16 und einen Generator bereitzustellen.
Energierückgewinnungsgerät Allgemeine Konstruktion
In Anlehnung an die 3-5 ist eine volumetrische Energierückgewinnungsvorrichtung 20 nach dieser Lehre schematisch dargestellt. Die 6-13 zeigen eine erste physikalische Ausführungsform der Energierückgewinnungsvorrichtung 20, während die 15-23 eine zweite physikalische Ausführungsform der Energierückgewinnungsvorrichtung 20 zeigen. Die folgende Beschreibung gilt für jede der ersten und zweiten physischen Ausführungsformen, sofern nicht anders angegeben. Wie in den 3-5 dargestellt, beinhaltet die Energierückgewinnungsvorrichtung 20 ein Hauptgehäuse 102, das einen ersten Arbeitsfluidkanal 106 definiert, der sich zwischen einem ersten Einlass 108 und einem ersten Auslass 110 erstreckt. Bei der ersten physikalischen Ausführung, wie in 13 am einfachsten zu sehen, ist der Einlass 108 im Allgemeinen parallel zur Längsachse X der Energierückgewinnungsvorrichtung angeordnet, während der Auslass 110 im Allgemeinen orthogonal zur Längsachse X angeordnet ist. Bei der zweiten physikalischen Ausführung, wie in 15 am einfachsten zu sehen, ist der Einlass 108 in einem ersten schrägen Winkel A108 bezüglich der Längsachse X angeordnet, während der Auslass 110 einen zweiten schrägen Winkel A110 bezüglich der Längsachse aufweist. In einem Beispiel beträgt der erste Schrägwinkel 45 Grad, während der zweite Schrägwinkel 40 Grad beträgt. In Anlehnung an 15 werden die Einlass- und Auslasswinkel in Kombination mit den relativen Positionen von Einlass 108 und Auslass 110 in einer überlappenden Ausrichtung zwischen Einlass 108 und Auslass 110 dargestellt, die eine „Sichtlinie“ durch die Energierückgewinnungsvorrichtung 20 vom Einlass 108 zum Auslass 110 bildet, wie auch in den 18 und 19 zu sehen ist. So können der Einlass 108 und der Auslass 110 der zweiten physikalischen Ausführungsform im Allgemeinen koaxial ausgerichtet sein, was bedeutet, dass der Einlass 108 und der Auslass 110 so ausgerichtet sind, dass mindestens ein Teil des Auslasses 110 von innerhalb des Einlasses 108 entlang einer Sichtlinie betrachtet werden kann und umgekehrt.
Die Energierückgewinnungsvorrichtung 20 kann auch mit Fächern 150, 152 zur Aufnahme von z.B. Lagern, Steuerzahnrädern und/oder Stufenrädern ausgestattet werden, wie in der PCT-Publikation WO 2014/117159 erläutert. Im Arbeitsfluidkanal 106 befindet sich ein Paar vermaschte Rotoren 30, 32. Jedes Paar vermaschte Rotoren 30, 32 ist so konfiguriert, dass sich die Rotoren 30, 32 überlappen oder ineinandergreifen und synchron in entgegengesetzte Richtungen drehen.
Während das Arbeitsmedium 12 durch den Einlass 108 über die ineinandergreifenden Rotoren 30, 32 und zum jeweiligen Auslass 110 strömt, erfährt das Arbeitsmedium 12 einen Druckabfall, der eine Drehbewegung auf die Rotoren 30, 32 ausübt und so mechanische Arbeit erzeugt, die in das Triebwerk 16 zurückgeführt werden kann. Dementsprechend ist der Einlassstutzen 108 so konfiguriert, dass er das Arbeitsmedium 12 bei einem Einlassdruck zulässt, während der entsprechende Auslassstutzen 110 so konfiguriert ist, dass er das Arbeitsmedium 12 bei einem niedrigeren Auslassdruck als dem Einlassdruck abgibt. In einer solchen Konfiguration tritt das Arbeitsmedium 12 mit einem ersten Druck in den Einlass 108 ein und verlässt den Auslass 110 mit einem zweiten Druck, der niedriger ist als der erste. Bei Wasserkraftanwendungen, bei denen die Energierückgewinnungsvorrichtung 20 als Turbine ausgeführt ist, nehmen die Rotoren 30, 32 kinetische Energie aus dem Arbeitsfluid (d. h. Wasser) auf. In einer Ausführung, bei der die Energierückgewinnungsvorrichtung 20 in einem Rankine-Zyklus eingesetzt wird, liegt der Druckabfall vom Einlass 108 zum Auslass 110 zwischen etwa 2 bar und etwa 10 bar, zum Beispiel 5 bar.
Jeder der Rotoren 30, 32, wie in 4 am einfachsten zu sehen, ist mit einer Vielzahl von Nocken versehen. Wie dargestellt, kann jeder Rotor 30, 32 mit drei Nocken versehen werden, 30-1, 30-2, 30-3 beim Rotor 30 und 32-1, 32-2, 32-3 beim Rotor 32. Wie gezeigt, bilden die Nocken 30-1 bis 30-3 und 32-1 bis 32-3 jeweils eine Spitze oder Höckerrand 30-1a bis 30-3a und 32-1a bis 32-3a. Obwohl für jeden Rotor 30 und 32 drei Nocken angezeigt werden, kann jeder der beiden Rotoren eine beliebige Anzahl von Nocken haben, die gleich oder größer als zwei ist. Die in den 15-23 gezeigte Ausführung zeigt z.B. eine Energierückgewinnungsvorrichtung mit Rotoren mit je zwei Nocken, wie in den 21-23 am deutlichsten zu erkennen ist. Auch die PCT-Publikation WO 2013/30774 zeigt einen geeigneten Rotor mit vier Nocken.
Wie dargestellt, ist die Anzahl der Nocken für jeden Rotor 30 und 32 gleich. Dies steht im Gegensatz zur Konstruktion typischer Schraubgeräte und anderer ähnlich konfigurierter rotierender Geräte, die eine unterschiedliche Anzahl von Nocken haben (z.B. ein männlicher Rotor mit „n“ Nocken und ein weiblicher Rotor mit „n+1“ Nocken). Weiterhin zeichnet sich die Energierückgewinnungsvorrichtung 20 dadurch aus, dass die Rotoren 30 und 32 identisch sind, wobei die Rotoren 30 und 32 gegenüberliegend so angeordnet sind, dass von einem axialen Ende aus gesehen die Nocken eines Rotors im Uhrzeigersinn verdreht sind, während die Nocken des ineinandergreifenden Rotors gegen den Uhrzeigersinn verdreht sind. Dementsprechend, wenn ein Nocken des Rotors 30, wie z.B. der Nocken 30-1, in Bezug auf die Einlassöffnung 108 führt, ist ein Nocken des Rotors 32, wie z.B. der Nocken 30-2, in Bezug auf die Einlassöffnung 108 und damit in Bezug auf einen Strom des Hochdruckfluids 12 nachlaufend.
Wie bereits erwähnt, sind der erste und der zweite Rotor 30 und 32 verschachtelt und für eine einheitliche Rotation kontinuierlich miteinander vernetzt. In einer Ausführung sind die Nocken jedes Rotors 30, 32 über die Länge L der Rotoren 30, 32 verdreht oder schraubenförmig angeordnet. Die Länge L kann definiert werden als der Abstand zwischen einem ersten Ende 30a, 32a und einem zweiten Ende 30b, 32b der jeweiligen Rotoren 30, 32. Bei Drehung der Rotoren 30, 32 dichten die Nocken an den Höckerkanten die Flüssigkeit 12 zumindest teilweise gegen die innere Struktur oder Oberfläche 33 des Gehäuses 102 ab, um ein Transportvolumen 35, 37 zu definieren. In einem Punkt ist das Transportvolumen 35, 37 zwischen den Nocken und der inneren Struktur oder Oberfläche 33 des Gehäuses konstant, da die Flüssigkeit 12 die Länge der Rotoren 30, 32 durchläuft. Die Ausdehnung der Flüssigkeit 12 tritt also nur in dem Maße auf, wie es die Leckage zulässt, was eine Ineffizienz im System darstellt, bei Anwendungen, bei denen die Arbeitsflüssigkeit expandierbar ist. Dementsprechend kann die Energierückgewinnungsvorrichtung 20 als „volumetrische Vorrichtung“ bezeichnet werden, da sich das abgedichtete oder teilweise abgedichtete Flüssigkeitsvolumen nicht ändert, wobei die Arbeitsflüssigkeit 12 im Allgemeinen nicht reduziert oder komprimiert wird.
Im Betrieb werden die Rotorwellen 38, 40, bzw. an den Rotoren 30, 32 befestigt, durch das Arbeitsmedium 12 gedreht, während das Fluid durch die Energierückgewinnungsvorrichtung 20 strömt. Dementsprechend sind die Wellen 38, 40 so ausgelegt, dass sie die von den Rotoren 30, 32 der Energierückgewinnungsvorrichtung 20 erzeugte Arbeit oder Leistung aufnehmen. Wie bereits erwähnt, wird die Arbeit von den Wellen 38, 40 als Abtriebsdrehmoment vom Energierückgewinnungsgerät 20 über die Abtriebsvorrichtung 25 übertragen.
Rotor-Geometrie
In einem Aspekt der Geometrie der Energierückgewinnungsvorrichtung 20 hat jeder der Rotorblätter 30-1 bis 30-3 und 32-1 bis 32-3 eine Nockengeometrie, in der die Verdrehung jedes der ersten und zweiten Rotoren 30 und 32 entlang ihrer im wesentlichen übereinstimmenden Länge L konstant ist. Alternativ können die Nocken 30, 32 ohne Verdrehung bereitgestellt werden, obwohl mit einem Leistungsabfall zu rechnen ist.
Wie in 5 schematisch dargestellt, ist ein Parameter der Nockengeometrie der Schrägungswinkel HA. Unter „Schrägungswinkel“ der Rotorblätter versteht man definitionsgemäß den Schrägungswinkel am Teilkreisdurchmesser PD (oder Teilkreis) der Rotoren 30 und 32. Der Begriff Teilkreisdurchmesser und seine Kennzeichnung sind für die Fachkräfte in der Getriebe- und Rotorkunst gut verständlich und werden hier nicht weiter diskutiert. Der Schrägungswinkel HA kann wie folgt berechnet werden: Helixwinkel (HA) = (180/.pi.* arctan (PD/Lead)), wobei: PD = Teilkreisdurchmesser der Rotorblätter; und Lead = die für die Verdrehung des Drehkolbens erforderliche Länge. Es wird darauf hingewiesen, dass die Steigung eine Funktion des Verdrehwinkels bzw. der Länge L der Nocken 30, 32 ist.
Der Verdrehwinkel ist den Fachleuten bekannt als die Winkelverschiebung des Nockens in Grad, die beim „Fahren“ der Länge L des Nockens vom hinteren Ende des Rotors zum vorderen Ende des Rotors auftritt. Eine weitere Diskussion über die Begriffe Verdrehwinkel und Schrägungswinkel findet sich im U.S. Patent 7,488,164 , dessen Gesamtheit durch Verweis hierin beinhalten ist. Der „ideale Drall“ ist der maximale Drallwinkel, durch den sich der Rotor 30, 32 verdrehen kann, bevor es über das Transportvolumen 35, 37 zu einer Leckage zwischen Ein- und Auslass der Energierückgewinnungsvorrichtung kommt. In einem Beispiel hat ein vierflügeliger Rotor 30, 32 einen Durchmesser von 75 mm, einen Achsabstand von 50 mm, eine Länge von 100 mm, ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser von 1,33, wodurch der Rotor 30, 32 einen idealen Verdrehwinkel von 173,6 Grad hat.
Ist der Rotor 30, 32 mit einem Verdrehwinkel versehen, der den idealen Winkel überschreitet, würde es keine Zeit geben, in der das Transportvolumen 35, 37 gegenüber dem Einlass 108 und Auslass 110 vollständig abgedichtet wäre. In diesem Fall stehen Einlass 108 und Auslass 110 über alle Drehwinkel des Rotors 30, 32 über eine durch das Transportvolumen zwischen den Rotorblättern definierte gewundene Bahn miteinander in Fluidverbindung. In den hier vorgestellten Beispielen ist der Rotor 30, 32 mit einem Verdrehwinkel versehen, der den idealen Winkel für den Rotor 30, 32 übersteigt. Eine solche Konfiguration führt dazu, dass die Rotoren 30, 32 einen negativen Dichtungszeitpunkt haben (d. h. idealer Winkel - tatsächlicher Verdrehwinkel < 0), was bedeutet, dass es keinen Drehwinkel gibt, bei dem das Transportvolumen 35, 37 sowohl vom Einlass 108 als auch vom Auslass 110 abgedichtet wird. Wie bereits erwähnt, wurde festgestellt, dass die Konfiguration von Rotoren mit Verdrehwinkeln, die ihre idealen Winkel überschreiten, bei Anwendungen mit Energierückgewinnungsvorrichtungenn von Vorteil ist, da der gewundene Weg zwischen dem Einlass 108 und dem Auslass 110 es der Fluidgeschwindigkeit (d. h. der kinetischen Energie des Fluids) ermöglicht, eine Rotation innerhalb der Energierückgewinnungsvorrichtung zu erzeugen. Dieser gewundene oder undichte Strömungsweg 160, der eine Öffnung innerhalb der Energierückgewinnungsvorrichtung 20 definiert, ist in 14 schematisch dargestellt. Die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit unterstützt die Umwandlung von Energie im Fluidstrom in die Rotation des Rotors, indem sie den Rotorwellen ein zusätzliches Moment M verleiht (siehe 14). In einem Beispiel wird der oben beschriebene Rotor 30, 32 mit einem idealen Winkel von 173,6 Grad mit einem tatsächlichen Verdrehwinkel zwischen etwa 175 Grad und 250 Grad und vorzugsweise mit einem tatsächlichen Verdrehwinkel von etwa 200 Grad für einen optimalen Betrieb der Energierückgewinnungsvorrichtung versehen. In dem in 15-23 gezeigten Beispiel und wie in 21-23 am einfachsten zu sehen, sind die Rotoren 30, 32 mit zwei Nocken 30-1, 30-2 versehen, die einen Verdrehwinkel von 120 Grad haben, da sich die Rotorlappen vom ersten Ende 30a, 32a von einem Startwinkel A1 bis zu einem Endwinkel A2 am zweiten Ende 30b, 32b erstrecken.
Die Drallmenge kann eingestellt werden, um die Größe und den Zeitpunkt der gewünschten Öffnung zu ändern. Spezifische Verdrehungen und die Zeitsteuerung der Einlassöffnung ermöglichen es, diese Öffnung dem Einlassstrom strategisch so darzustellen, dass das Momentum in einen lokalisierten Druck im Einlass umgewandelt wird. Das in 24 gezeigte Diagramm zeigt das Einlassvolumen 162 eines verdrehten Rotors 30, 32 beim Durchlaufen des Einlassvolumens, verglichen mit dem Einlassvolumen 164 eines Rotors, der nicht mit dem Leckagepfad 160 versehen ist. Wie gezeigt, ist der Rotor 30, 32 so konfiguriert, dass er die bereitgestellte Blende vor dem Schließvorgang dem Einlassvolumen aussetzt, wodurch der Volumen- und Massenstrom kurzzeitig höher ist, als er ohne diesen Zeitpunkt wäre. Dadurch weist das Volumen 162 im Vergleich zum Volumen 162 im Betrieb einen deutlich höheren Peak auf. Sobald sich das Volumen abrupt schließt, wird auf der Nachlaufseite des Rotors eine lokale Druckwelle erzeugt, die das Abtriebsdrehmoment erhöht. Durch die genaue Dimensionierung und Zeitsteuerung dieses Ereignisses kann eine ausreichende Druckwelle erzeugt werden, die auf beide Rotoren wirkt und so das Drehmoment weiter erhöht. Ein Drehmomentprofil 166 für einen einzelnen Rotor, wie zuvor beschrieben, ist in 25 dargestellt, das die Veränderung des Drehmoments am Rotor während der Drehung zeigt.
Da die Einlassöffnung 108 das Fluid 12 sowohl an der Vorder- als auch an der Rückseite jedes Rotors 30, 32 einführt, führt das Fluid 12 sowohl positive als auch negative Arbeiten am Energierückgewinnungsgerät 20 durch. 4 zeigt, dass die Nocken 30-2, 30-3, 32-2 und 32-3 jeweils der Flüssigkeit 12 durch die Einlassöffnung 108 ausgesetzt sind. Jede der Nocken hat eine vordere und eine hintere Fläche, die beide der Flüssigkeit an verschiedenen Drehpunkten des zugehörigen Rotors ausgesetzt sind. Die vordere Fläche ist die Seite des Nockens, die am weitesten vorne liegt, da sich der Rotor in einer Richtung R1, R2 dreht, während die hintere Fläche die Seite des Nockens gegenüber der vorderen Fläche ist. Beispielsweise dreht sich der Rotor 30 in Richtung R1, so dass die Seite 30-1a die führende Fläche des Nockens 30-1 und die Seite 30-1b die hintere Fläche ist. Da sich der Rotor 32 in eine Richtung R2 dreht, die der Richtung R1 entgegengesetzt ist, werden die Vor- und Nachlaufflächen so gespiegelt, dass die Seite 32-1a die Vorlauffläche von Nocken 32-1 ist, während die Seite 32-1b die Nachlauffläche ist.
Im Allgemeinen trifft die Flüssigkeit 12 auf die Nachlaufflächen der Nocken, wenn sie durch die Einlassöffnung 108 laufen und an jedem Rotor 30, 32 positive Arbeit geleistet wird. Mit dem Begriff positive Arbeit ist gemeint, dass das Fluid 12 die Rotoren in die gewünschte Richtung dreht: Richtung R1 für Rotor 30 und Richtung R2 für Rotor 32. Wie gezeigt, arbeitet Fluid 12, um positive Arbeit auf der Schleppfläche 30-1b des Rotors 30-1 zu leisten. Das Fluid 12 leistet auch positive Arbeit auf der Schleppfläche 32-2b des Rotors 32-2. Die Flüssigkeit 12 trifft aber auch auf die Leitflächen der Nocken, z.B. die Flächen 30-3a und 32-1a, wenn sie durch die Einlassöffnung laufen, wodurch negative Arbeiten an jedem Rotor 30, 32 durchgeführt werden. Unter dem Begriff Negativarbeit versteht man, dass das Arbeitsmedium 12 die Rotoren gegen die gewünschte Richtung, R1, R2, drehen lässt.
Andere Implementierungen werden den Fachleuten aus der Betrachtung der Spezifikation und Praxis der hier vorgestellten Beispiele und Lehren ersichtlich sein. Es ist beabsichtigt, die Spezifikation und die Beispiele nur als beispielhaft zu betrachten, wobei der wahre Umfang der Erfindung durch die folgenden Angaben angegeben wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 62305849 [0001]
US 62319390 [0001]
WO 2013/30774 [0012, 0017]
WO 2014/107407 [0012]
WO 2014/117159 [0012, 0015]
US 7488164 [0023]

Claims

Energierückgewinnungsvorrichtung, umfassend: a) ein Gehäuse mit einem Einlass und einem Auslass in Fluidverbindung mit einem inneren Hohlraum; und b) ein Paar gegenläufiger Rotoren mit ineinandergreifenden Nocken, die innerhalb des Gehäuseinnenraums angeordnet sind, wobei jeder Rotor ein Transportvolumen zwischen dem Gehäuse und einem Paar benachbarter Nocken definiert; c) wobei jeder Rotor einen berechneten maximalen idealen Verdrehwinkel aufweist, unterhalb dessen das Transportvolumen sowohl vom Gehäuseeinlass als auch vom Gehäuseauslass mindestens an einer Drehposition der Rotoren abgedichtet wird, und wobei jeder Rotor mit einem den maximalen idealen Verdrehwinkel übersteigenden tatsächlichen Verdrehwinkel versehen ist.
Energierückgewinnungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei jeder Rotor einen tatsächlichen Verdrehwinkel von etwa 120 Grad aufweist.
Energierückgewinnungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei jeder Rotor zwei Nocken aufweist.
Energierückgewinnungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse eine Längsachse aufweist, die parallel zu einer Länge der Rotoren ist, und wobei der Gehäuseeinlass in einem ersten schrägen Winkel zur Längsachse angeordnet ist.
Energierückgewinnungsvorrichtung nach Anspruch 4, wobei der erste schräge Winkel etwa 45 Grad beträgt.
Energierückgewinnungsvorrichtung nach Anspruch 4, wobei der Gehäuseauslass in einem zweiten schrägen Winkel zur Längsachse angeordnet ist.
Energierückgewinnungsvorrichtung nach Anspruch 6, wobei der erste schräge Winkel etwa 45 Grad und der zweite schräge Winkel etwa 40 Grad beträgt.
Energierückgewinnungsvorrichtung nach Anspruch 6, wobei der Gehäuseeinlass und der Gehäuseauslass im Allgemeinen koaxial ausgerichtet sind, um eine Leitung durch das Gehäuse vom Einlass zum Auslass zu bilden.
Energierückgewinnungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse eine Längsachse aufweist, die parallel zu einer Länge der Rotoren ist, und wobei der Gehäuseauslass in einem schrägen Winkel zur Längsachse angeordnet ist.
Energierückgewinnungsvorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Schrägwinkel etwa 40 Grad beträgt.
Energieerzeugungssystem, umfassend: a) einen elektrischen Generator mit einer Einlasswelle; b) Energierückgewinnungsvorrichtung mit: 1) einem Gehäuse mit einem Einlass und einem Auslass in Fluidverbindung mit einem inneren Hohlraum; und 2) einem Paar gegenläufiger Rotoren mit ineinandergreifenden Nocken, die innerhalb des inneren Hohlraums des Gehäuses angeordnet sind, wobei jeder Rotor ein Transportvolumen zwischen dem Gehäuse und einem Paar benachbarter Nocken definiert; 3) wobei jeder Rotor einen berechneten maximalen idealen Verdrehwinkel aufweist, unterhalb dessen das Transportvolumen sowohl vom Gehäuseeinlass als auch vom Gehäuseauslass mindestens an einer Drehposition der Rotoren abgedichtet wird, und wobei jeder Rotor mit einem den maximalen idealen Verdrehwinkel übersteigenden tatsächlichen Verdrehwinkel versehen ist; 4) einer Abtriebswelle, die an einem der beiden Rotoren befestigt ist, wobei die Abtriebswelle funktionsfähig mit der Einlasswelle des elektrischen Generators verbunden ist.
Energierückgewinnungsvorrichtung nach Anspruch 11, wobei jeder Rotor zwei Nocken und einen tatsächlichen Verdrehwinkel von etwa 120 Grad aufweist.
Energierückgewinnungsvorrichtung nach Anspruch 11, wobei das Gehäuse eine Längsachse aufweist, die parallel zu einer Länge der Rotoren ist, wobei der Gehäuseeinlass in einem ersten schrägen Winkel zur Längsachse angeordnet ist, und wobei der Gehäuseauslass in einem zweiten schrägen Winkel zur Längsachse angeordnet ist.
Energierückgewinnungsvorrichtung nach Anspruch 13, wobei der erste schräge Winkel etwa 45 Grad und der zweite schräge Winkel etwa 40 Grad beträgt.
Energierückgewinnungsvorrichtung nach Anspruch 13, wobei der Gehäuseeinlass und der Gehäuseauslass im Allgemeinen koaxial ausgerichtet sind, um eine Leitung durch das Gehäuse vom Einlass zum Auslass zu bilden.
Energierückgewinnungsvorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Abtriebswelle über ein Getriebe mit der Einlasswelle des elektrischen Generators in Wirkverbindung steht.
Wasserkraftanlage mit: a) einer Dammstruktur, die ein Oberwasser zurückhält; b) einer Druckleitung, die das Oberwasser mit einem Unterwasser, das in einer niedrigeren Höhe als das Oberwasser angeordnet ist, in Fluidverbindung bringt; c) einem elektrischen Generator mit einer Einlasswelle; d) Energierückgewinnungsvorrichtung mit: 1) einem Gehäuse mit einem Einlass in Fluidverbindung mit dem Oberwasser über die Druckleitung und einem Auslass in Fluidverbindung mit dem Unterwasser, wobei der Einlass und der Auslass in Fluidverbindung mit einem inneren Hohlraum der Energierückgewinnungsvorrichtung stehen; und 2) einem Paar gegenläufiger Rotoren mit ineinandergreifenden Nocken, die innerhalb des inneren Hohlraums des Gehäuses angeordnet sind, wobei jeder Rotor ein Transportvolumen zwischen dem Gehäuse und einem Paar benachbarter Nocken definiert; 3) wobei jeder Rotor einen berechneten maximalen idealen Verdrehwinkel aufweist, unterhalb dessen das Transportvolumen sowohl vom Gehäuseeinlass als auch vom Gehäuseauslass mindestens an einer Drehposition der Rotoren abgedichtet wird, und wobei jeder Rotor mit einem den maximalen idealen Verdrehwinkel übersteigenden tatsächlichen Verdrehwinkel versehen ist; 4) einer Abtriebswelle, die an einem der beiden Rotoren befestigt ist, wobei die Abtriebswelle funktionsfähig mit der Einlasswelle des elektrischen Generators verbunden ist.
Wasserkraftanlage nach Anspruch 17, wobei jeder Rotor zwei Nocken und einen tatsächlichen Verdrehwinkel von etwa 120 Grad aufweist.
Wasserkraftanlage nach Anspruch 17, wobei das Gehäuse eine Längsachse aufweist, die parallel zu einer Länge der Rotoren ist, wobei der Gehäuseeinlass in einem ersten schrägen Winkel zur Längsachse angeordnet ist, und wobei der Gehäuseauslass in einem zweiten schrägen Winkel zur Längsachse angeordnet ist.
Wasserkraftanlage nach Anspruch 19, wobei der erste Schrägwinkel etwa 45 Grad und der zweite Schrägwinkel etwa 40 Grad beträgt.
Wasserkraftanlage nach Anspruch 19, wobei der Gehäuseeinlass und der Gehäuseauslass im Allgemeinen koaxial ausgerichtet sind, um eine Leitung durch das Gehäuse vom Einlass zum Auslass zu bilden.
Wasserkraftanlage nach Anspruch 16, wobei die Abtriebswelle über ein Getriebe mit der Einlasswelle des elektrischen Generators in Wirkverbindung steht.