DE2918369A1

DE2918369A1 - Expansion engine for wet steam from geothermal source - has epitrochoidal rotor with epitrochoidal idler for efficient expansion

Info

Publication number: DE2918369A1
Application number: DE19792918369
Authority: DE
Inventors: Yasuo Prof Dr Mori
Original assignee: GEOTHERMAL ENERGY RESEARCH AND; Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: GEOTHERMAL ENERGY RESEARCH AND; Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 1979-05-07
Filing date: 1979-05-07
Publication date: 1980-11-13

Abstract

The engine has a cylindrical casing (2) with an inlet port (2D) and an exhaust port (2F). A central shaft (9A) running through the casing carries a rotor (9B) which has an epitrochoidal cross section with three lobes. A sleeve which is free to rotate on the shaft carries a spider. The arms of the spider carry four sections (7D) of an external epitrochoid which mesh with the rotor and revolve with it. The resulting spaces between the rotor and the external sections vary in volume from the inlet to the exhaust ports and the mixture of steam and water from the source expands in them.

Description

Die Erfindung betrifft eineExpansionsmaschine, die thermischeThe invention relates to an expansion machine, thermal

Energie eines Zweiphasen-Fluids, welches im wesentlichen aus einer Dampf-Fluid-Mischung, wie heißem Wasser und Dampf, welche aus einem geothermischen Brunnen herausspritzen, oder heißem Abwasser aus Industriebetrieben, durch Sonnenenergie aufgeheiztem heißem Wasser oder ähnlichem besteht, in mechanische Energie umwandelt. Die Erfindung betrifft überdies eine Rotations-Expansionsmaschine, die ein äußeres Kontaktglied mit einer speziellen inneren Querschnittskontur und ein inneres Kontaktglied (Rotor) aufweist, wobei beide Querschnittsgestalten eine Kombination aus einer Trocholde und einer inneren oder äußeren Umgrenzungslinie einer Trochoide darstellen.Energy of a two-phase fluid, which consists essentially of a Steam-fluid mixture, such as hot water and steam coming from a geothermal Splashing out wells, or hot industrial wastewater, using solar energy heated hot water or the like is converted into mechanical energy. The invention also relates to a rotary expansion machine that has an external Contact member with a special inner cross-sectional contour and an inner contact member (Rotor), wherein both cross-sectional shapes are a combination of a trocholde and an inner or outer boundary line of a trochoid.

Das Zweiphasen-Fluid aus einem typischen geothermischen Brunnen Legt gewöhnlich mit einem Meßdruck bzw. ueberdruck im Bereich von 6-10 kg/cm² (G) am Brunnenkopf vor. Zur Entnahme der Wärmeenergie aus dem Zweiphasen-Fluid wurde das Zweiphasen-Fluid bisher mittels eines Dampfseparators in Dampf und heißes Wasser aufgespalten und dann der Dampf alleine zur Erzeugung elektrischer Energie in eine Dampfturbine eingeführt. Dabei war jedoch der Energienutzungswirkungsgrad des gesamten Fluids ungenügend, so daß sich unausweichlich ein niedriger Energie-Umwandlungswirkungsgrad ergab.Laying the two-phase fluid from a typical geothermal well usually with a measuring pressure or overpressure in the range of 6-10 kg / cm² (G) am Well head in front. To extract the thermal energy from the two-phase fluid, the Two-phase fluid so far by means of a steam separator in steam and hot water split and then the steam alone to generate electrical energy into one Steam turbine introduced. However, this was the energy use efficiency of the whole Fluids insufficient, so that inevitably a low energy conversion efficiency revealed.

Zur Vermeidung dieses Nachteils wurde bereits ein sog. Binärzyklus-Erzeugungsverfahren für elektrische Energie entwickelt, bei dem eine Flüssigkeit mit niedrigem Siedepunkt, wie Isobutan, Freon oder ähnliches als Arbeitsmedium verwendet wurde; das Arbeitsmedium wurde durch die thermische Energie des heißen Wassers verdampft, so daß der Dampf dieser Flüssigkeit zum Antrieb einer Turbine und zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet wurde.A so-called binary cycle generation method has already been used to avoid this disadvantage designed for electrical energy in which a liquid with a low boiling point, how isobutane, freon or the like was used as the working medium; the working medium was evaporated by the thermal energy of the hot water, so the steam this liquid to drive a turbine and to generate electrical energy was used.

Andererseits wurde ein Gesamtströmungs-Energieerzeugungsver fahren erprobt, bei dem eine Gesamtströmung des Zweiphasen-Fluids in ein Energieumwandlungssystem, wie eine Turbine oder ähnliches eingeleitet wird, ohne daß die flüssige Phase und die Dampfphase des Zweiphasen-Fluids voneinander getrennt wurden. Beispielsweise wurde bei diesem Verfahren eine mit speziellen Düsen und Turbinenschaufeln ausgestattete Impulsturbine verwendet. In der Fig. 1 ist eine Impulsturbine dargestellt und die Fig. 2 zeigt deren Düse.On the other hand, an all-flow power generation method has been used tested in which a total flow of the two-phase fluid into an energy conversion system, how a turbine or the like is introduced without the liquid phase and the vapor phase of the two-phase fluid were separated from each other. For example In this process, a special nozzle and turbine blade was installed Impulse turbine used. In Fig. 1, a pulse turbine is shown and the Fig. 2 shows its nozzle.

Mit diesem Verfahren kann gleichzeitig die thermische Energie von heißem Wasser und von Dampf in mechanische Energie umgewandelt werden. Wegen der folgenden Nachteile läßt dieses Verfahren jedoch noch einiges zu wünschen übrig: a. Es ergibt sich aufgrund einer Differenz der Trägheitskraft zwischen dem Dampf und den Flüssigkeitspartikeln in einer Hochgeschwindigkeitsströmung ein niedriger Turbinenwirkungsgrad im Bereich von 20-25 %; obgleich eine spezielle Beschleunigungsdüse den Uurbinenwirkungsgrad auf 40-50 % erhöhen würde; b. es könnten Korrosion und Erosion an den Gurbinenschaufeln aufgrund der antreibenden Kollision von Heißwasserpartikeln oder -tropfen auftreten; und c. es müßte zur Vermeidung der Korrosion und der Erosion ein teures Material verwendet werden, das zu hohen Gesamtkosten des Generatorsystems und zu einer aufwendigen Wartung führen würde.With this method, the thermal energy of hot water and steam can be converted into mechanical energy. Because of the However, this method leaves a lot to be desired for the following disadvantages: a. It arises due to a difference in inertia force between the steam and the liquid particles in a high velocity flow a lower Turbine efficiency in the range of 20-25%; although a special accelerator nozzle would increase ururbine efficiency to 40-50%; b. there could be corrosion and Erosion on the turbine blades due to the driving collision of hot water particles or drops appear; and c. it would have to avoid corrosion and erosion an expensive material can be used, adding to the overall cost of the generator system and would lead to costly maintenance.

Ein weiteres Gesamtströmungs-Generatorsystem verwendet eine Spiralschrauben-Expansionsmaschine. Diese Maschine ist in der Fig. 3 im horizontalen Querschnitt und in der Fig. 4 im vertikalen Querschnitt gezeigt. Dabei sind im Eingriff miteinander zwei Spiralschrauben drehbar angeordnet, bei deren Drehung ein zwischen den beiden Schraubenflächen und einer inneren Gehäusefläche geformtes und begrenztes Hohlraumvolumen sich allmählich verändert. Die Schrauben werden mittels einer axialen Durchströmung des Zweiphasen-Fluids angetrieben und gedreht und die Schraubenrotation erzeugt elektrische Energie. Dieses Verfahren ermöglicht die gleichzeitige Umwandlung der thermischen Energie der Gesamtströmung des zweiphasigen Fluids in mechanische Energie. Die vorstehend erläuterte Expansionsmaschine hat jedoch einige spezielle Nachteile: a. Sie erfordert eine spezielle Präzisionsbearbeitung und eine große Ausführung kann derzeit nicht hergestellt werden; b. sie liefert keinen verhältnismäßig hohen Umwandlungswirkungsgrad.Another total flow generator system uses a spiral screw expander. This machine is shown in Fig. 3 in horizontal cross section and in Fig. 4 in vertical cross section shown. Two spiral screws are in engagement with one another arranged rotatably, when rotated between the two screw surfaces and one inner housing surface formed and limited cavity volume changes gradually. The screws are driven by means of an axial flow of the two-phase fluid and rotated and the screw rotation generates electrical energy. This method enables the thermal energy of the total flow to be converted at the same time of the two-phase fluid into mechanical energy. The expansion machine explained above however, it has some specific disadvantages: a. It requires special precision machining and a large size cannot be produced at present; b. she delivers not a relatively high conversion efficiency.

Es ist daher ein Ziel der Erfindung, eine neuartige Rotations-Expansionsmaschine für ein Gesamtströmungs-Generatorsystem zur Erzeugung elektrischer Energie zu schaffen.It is therefore an object of the invention to provide a novel rotary expansion machine for a total flow generator system for generating electrical energy.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Rotations-Expansionsmaschine zu schaffen, die die Nachteile der herkömmlichen Gesamtströmungs-Generatorsysteme, wie vorstehend erläutert, beseitigt.Another object of the invention is to provide a rotary expansion machine to create that the disadvantages of the conventional total flow generator systems, as explained above, eliminated.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Rotations-Expansionsmaschine zu schaffen, die einen hohen Wirkungsgrad aufweist und zur Erzeugung elektrischer Energie im großen Umfang geeignet ist.Another object of the invention is to provide a rotary expansion machine to create, which has a high degree of efficiency and to generate electrical Energy is suitable on a large scale.

Gemäß der Erfindung soll auch eine Rotations-Expansionsmaschine geschaffen werden, die trotz großer Einheiten verhältnismäßig kompakt aufgebaut sein kann.Another object of the invention is to provide a rotary expansion machine which can be built relatively compact despite large units.

Gemäß der Erfindung wird eine Rotations-Expansionsmaschine zur Umwandlung der thermischen Energie eines Zweiphasen-Fluids durch dessen Expansion geschaffen, welche ein äußeres Kontaktglied mit einem zylindrischen Hohlraum, dessen Querschnittsgestalt einer Trochoide oder einer äußeren Umgrenzungslinie einer Trochoide entspricht, aufweist, sowie ein inneres Kontaktglied mit einer äußeren Zylinderquerschnittsgestalt, die entweder a. einer inneren Umgrenzungslinie einer Trochoide entspricht, wenn die Querschnittsgestalt des Hohlraums des äußeren Kontaktgliedes die Trochoide darstellt, oder b. einer Trochoide, wenn die Querschnittsgestalt des äußeren Kontaktglieds einer äußeren Umgrenzungslinie der Trochoide entspricht, wobei das äußere und das innere Kontaktglied derart ausgebildet sind, daß sie miteinander an zwei oder mehreren Punkten ihrer Konturen in Berührung gehalten relativ zueinander drehbar sind, wodurch Hohlkammerabschnitte, welche durch die Konturen der beiden Glieder begrenzt sind, beim Fortschreiten ihrer relativen Drehungen ihr Volumen verändern, so daß ein eingeführtes Fluid expandiert werden kann. According to the invention there is provided a rotary expansion machine for conversion the thermal energy of a two-phase fluid created by its expansion, which is an outer contact member having a cylindrical cavity whose cross-sectional shape corresponds to a trochoid or an outer boundary line of a trochoid, has, as well as an inner contact member with an outer cylindrical cross-sectional shape, which either a. corresponds to an inner boundary line of a trochoid, if the cross-sectional shape of the cavity of the outer contact member represents the trochoid, or b. a trochoid if the cross-sectional shape of the outer contact member corresponds to an outer boundary line of the trochoid, the outer and the inner contact member are formed such that they are connected to one another at two or more Points of their contours held in contact are rotatable relative to each other, whereby Hollow chamber sections, which are limited by the contours of the two links, change their volume as their relative rotations progress, so that an introduced Fluid can be expanded.

Gemäß der Erfindung sind die Querschnittskontur des im äußeren Kontaktglied geformten zylindrischen Hohlraums und die zylindrische Querschnittskontur des inneren Kontaktgliedes in Kombinationen geformt, wie sie in der Tabelle I angegeben sind. Ein Paar von Gliedern, diemit Konturen einer der Kombinationen I-VI, wie in dieser Tabelle angegeben, geformt sind, kann relativ zueinander entweder durch a. Rotationsantrieb oder b. Orbital-Rotationsantrieb, die nachstehend beschrieben sind, gedreht werden, wodurch die Paare von Konturen sich orbital und in Rotation bewegen und dabei an zwei oder mehreren Punkten miteinander in Kontakt gehalten sind; der von dem Paar von Konturen begrenzte Hohlkammerabschnitt ändert sich dabei mit dem Fortschreiten der relativen Drehbewegung. According to the invention, the cross-sectional contour of the in the outer contact member shaped cylindrical cavity and the cylindrical cross-sectional contour of the inner Contact member formed in combinations as shown in Table I. A pair of links contoured to one of the combinations I-VI, as in this one Table indicated, can be shaped relative to each other either by a. Rotary drive or b. Orbital rotary drives, which are described below, are rotated, whereby the pairs of contours move orbitally and in rotation and thereby an two or more points are kept in contact with each other; that of the couple Hollow chamber section delimited by contours changes with progress the relative rotational movement.

Wenn ein Zweiphasen-Fluid in diese Hohlkammer eingeführt wird, dann kann das Fluid expandieren, wodurch die Rotationsglieder zur Erzeugung eines Ausgangs der mechanischen Rotationsenergie angetrieben werden.If a two-phase fluid is introduced into this hollow chamber, then the fluid can expand, causing the rotating members to produce an exit driven by the mechanical rotational energy.

Tabelle I Kontur des zylindrischen Kontur des zylindrischen Hohlraums des äußeren Kon- Querschnitts des inneren taktgliedes Kontaktgliedes I Peritrochoide innere Umgrenzungslinie der Peritrochoide II Epitrochoide innere Begrenzungslinie der Epitrochoide III Hypotrochoide innere Umgrenzungslinie der Hypotrochoide IV äußere Umgrenzungslinie Peritrochoide der Peritrochoide V äußere Umgrenzungslinie Epitrochoide der Epitrochoide VI äußere Umgrenzungslinie Hypotrochoide der Hypotrochoide a) Rotationsantriebssystem: Ein äußeres Kontaktglied ist drehbar an einem Gehäuse oder ähnlichem auf einer Mittelachse eines hohlen zylindrischen Raumes des äußeren Kontaktgliedes gelagert, während ein inneres Kontaktglied drehbar an einem Gehäuse oder ähnlichem auf einer Mittelachse des inneren Kontaktgliedes gelagert ist, die parallel und um einen Abstand exzentrisch zur Mittelachse des hohlen zylindrischen Raumes des äußeren Kontaktgliedes gelagert ist. Table I contour of the cylindrical contour of the cylindrical cavity of the outer contact cross-section of the inner clock member contact member I peritrochoid inner boundary line of the peritrochoid II epitrochoid inner boundary line of the epitrochoid III Hypotrochoid inner boundary line of the hypotrochoid IV outer boundary peritrochoid of the peritrochoid V outer boundary Epitrochoid of the epitrochoid VI outer boundary line Hypotrochoid of the hypotrochoid a) Rotary Drive System: An outer contact member is rotatable on a housing or the like on a central axis of a hollow cylindrical space of the outer Contact member supported while an inner contact member is rotatable on a housing or the like is mounted on a central axis of the inner contact member, which parallel and eccentric by a distance to the central axis of the hollow cylindrical Space of the outer contact member is stored.

Ein Paar von äußeren und inneren Kont akt gliedern sind derart ausgebildet, daß sie durch ein Getriebe in einem Rotationsverhältnis gedreht werden. A pair of outer and inner contact links are designed in such a way that that they are rotated in a rotational relationship by a gearbox.

b) Orbital-Rotationsantriebssystem: Ein äußeres Kontaktglied ist an einem Gehäuse oder ähnlichem befestigt. Es ist eine Zentralwelle vorgesehen, die drehbar am Gehäuse oder am äußeren Kontaktglied auf einer Mittelachse des hohlen zylindrischen Raums gelagert ist. Die Zentralwelle ist mit einem exzentrischen Wellenabschnitt und einem externen Getrieberad versehen, die einstückig mit der Zentralwelle rotieren, während im Mittelpunkt des inneren Kontaktgliedes (Rotor) auf einer mit der Achse des Rotors identischen Mittelachse ein hohler kreiszylindrischer Raum geformt ist. Es ist ein internes Getrieberad vorgesehen, welches fest mit dem Rotor verbunden ist, und zwar in der Mitte des Rotors und auf der Mittelachse des Rotors. Der Rotor steht mit seinem internen Getrieberad mit der exzentrischen Welle an dem externen Getrieberad im Eingriff, wodurch sich der Rotor orbital um die Zentralwelle dreht, während er sich um seine eigene Mittelachse dreht. Die sich ergebende Bewegung erzeugt eine Relativdrehung des Rotors bezüglich des äußeren Kontaktgliedes.b) Orbital Rotary Drive System: An outer contact member is on attached to a housing or the like. It is one Central shaft provided, which can be rotated on the housing or on the outer contact member on a central axis of the hollow cylindrical space is supported. The central shaft is with an eccentric one Shaft section and an external gear provided integral with the Rotate central shaft, while in the center of the inner contact member (rotor) on a central axis identical to the axis of the rotor, a hollow circular cylindrical one Space is shaped. An internal gear wheel is provided, which is firmly attached to the Rotor is connected, in the middle of the rotor and on the central axis of the Rotor. The rotor stands with its internal gear with the eccentric shaft engaged on the external gear, causing the rotor to orbitally around the central shaft rotates as it rotates around its own central axis. The resulting movement generates a relative rotation of the rotor with respect to the outer contact member.

Im Rahmen des Erfindungsgedankens ist ein weiter Bereich von Abänderungen möglich, wie vorstehend beschrieben. Neben heißem Wasser und Dampf können gemäß der Erfindung auch andere zweiphasige Fluide verwendet werden.A wide range of modifications is within the scope of the inventive concept possible as described above. In addition to hot water and steam, according to other two-phase fluids can also be used in accordance with the invention.

Gemäß der Erfindung wird also eine Rotations-Expansionsmaschine zur Umwandlung thermischer Energie eines Zweiphasen-Fluids, d. h. von heißem Wasser und Dampf, in mechanische Energie geschaffen, die ein zylindrisches äußeres Kontaktglied mit einer speziellen inneren Querschnittskontur aufweist, sowie ein inneres Kontaktglied (Rotor) wobei die Konturen beider Glieder aus einer Kombination einer Trochoide und einer inneren oder äußeren Umgrenzungslinie dieser Trochoide bestehen. Das innere Kontakt element rotiert relativ zum äußeren Kontaktelement und ist dabei an zwei oder mehreren Punkten der beiden Querschnittskonturen in Berührung mit diesem gehalten, wobei die Querschnitte von dadurch erzeugten Hohlkammern verändert werden, um das Fluid zu expandieren.According to the invention, a rotary expansion machine is used Conversion of thermal energy of a two-phase fluid, d. H. of hot water and steam, created in mechanical energy, engaging a cylindrical outer contact member having a special inner cross-sectional contour, as well as an inner contact member (Rotor) being the contours of both limbs from a combination of a trochoid and an inner or outer boundary line of these trochoid exist. The inner Contact element rotates relative to the outer contact element and is on two or more points of the two Cross-sectional contours in contact held with this, the cross-sections of the hollow chambers produced thereby changed to expand the fluid.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise unter Bezugnahme auf die Zeichnung naher erläutert; es zeigt: Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht einer Impulsturbine für ein Gesamtströmungs-Generatorsystem; Fig. 2 die Ansicht einer Düse für die Vorrichtung gemäß Fig. 1; Fig. 3 eine horizontale Schnittansicht einer Spiralschrauben-Expansionsmaschine; Fig. 4 eine vertikale Schnittansicht der in Fig. 3 gezeigten Maschine; Fig. 5 eine Querschnittsansicht einer Rotationskolbenmaschine; Fig. 6 eine horizontale Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung entlang der Linie VI-VI der Fig. 7; Fig. 7 eine vertikale Schnittansicht des in Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiels entlang der Linie VII-VII in Fig. 6; und Fig. 8a schematisch aufeinanderfolgende Rotationsstellungen bis 8i des Ausführungsbeispiels gemäß den Fig. 6 und 7.The invention is described below, for example, with reference to FIG the drawing explained in more detail; It shows: FIG. 1 a schematic perspective View of a pulse turbine for a total flow generator system; Fig. 2 the View of a nozzle for the device according to FIG. 1; Fig. 3 is a horizontal sectional view a spiral screw expansion machine; 4 is a vertical sectional view of FIG machine shown in Fig. 3; 5 is a cross-sectional view of a rotary piston machine; Fig. 6 is a horizontal sectional view of an embodiment of the invention along the line VI-VI of FIG. 7; Fig. 7 is a vertical sectional view of the in Fig. 6 shown embodiment along the line VII-VII in Fig. 6; and 8a schematically shows successive rotational positions to 8i of the exemplary embodiment according to FIGS. 6 and 7.

Mit Bezug auf die Fig. 6-8 wird ein bevorzugtes Ausführungs beispiel der Erfindung erläutert. In den Fig. 6 und 7 ist eine Ausführungsform einer Rotations-Expansionsmaschine für ein Zweiphasen-Fluid gemäß der Erfindung dargestellt, wobei Fig. 6 eine horizontale und Fig. 7 eine vertikale Schnittansicht zeigt.With reference to Figs. 6-8, a preferred embodiment is example the invention explained. 6 and 7 is one embodiment of a rotary expansion machine for a two-phase fluid according to the invention, FIG. 6 being a horizontal and Fig. 7 shows a vertical sectional view.

Bei diesem Ausführungsbeispiel weist das innere Kontaktglied (Rotor) die äußere Querschnittskontur einer Epitrochoide mit drei Knotenpunkten auf, während die Querschnittsgestalt des zentrisch in dem äußeren Kontaktglied (Leitelement) geformten hohlzylindrischen Raums der äußeren Umgrenzungslinie mit vier Zweigen der Epitrochoide entspricht; die Kombination eines Paars von Gliedern entspricht V in Tabelle 1. Diese Ausführungsform der Erfindung ist der Antriebssystem-Kategorie des vorstehend unter a) erwähnten Rotations-Antriebssystems zuzuordnen.In this embodiment, the inner contact member (rotor) the outer cross-sectional contour of an epitrochoid with three nodal points while the cross-sectional shape of the centric in the outer contact member (guide element) shaped hollow cylindrical space of the outer perimeter with four branches corresponds to the epitrochoid; corresponds to the combination of a pair of links V in Table 1. This embodiment of the invention is of the propulsion system category of the rotary drive system mentioned under a) above.

Gemäß den Fig. 6 und 7 ist ein Gehäuse fest auf einer Basis 1 angeordnet und eine Ausgangswellen-Stützabdeckung 3 und ein Lagergehäuse 4 sind an dem Gehäuse 2 befestigt. Eine innere Oberfläche 2A des Gehäuses 2 an der Seite des Lagergehäuses 4 ist zentrisch zu einer Mittellinie I1-I2 (I in Fig. 7) mit kreiszylindrischem Querschnitt geformt, während die entgegengesetzte Seite des Gehäuses 2 als Getriebekasten 2B ausgebildet ist. An einer Seite des Gehäuses 2 ist ein Flansch 2C vorgesehen, in dessen Nähe eine Fluid-Eintrittskammer 2D angeordnet ist. An dem Flansch 2C ist eine Zweiphasen-Fluid-Zufuhröffnung 5 befestigt, wobei das entgegengesetzte Ende der Zufuhröffnung 5 mit einem Zufuhrrohr 6 verbunden ist.According to FIGS. 6 and 7, a housing is fixedly arranged on a base 1 and an output shaft support cover 3 and a bearing housing 4 are on the housing 2 attached. An inner surface 2A of the housing 2 on the side of the bearing housing 4 is centered on a center line I1-I2 (I in Fig. 7) with a circular cylindrical Shaped cross-section, while the opposite side of the housing 2 as a gear box 2B is formed. A flange 2C is provided on one side of the housing 2, in the vicinity of which a fluid inlet chamber 2D is arranged. On the flange 2C is a two-phase fluid supply port 5 attached, the opposite end the supply opening 5 is connected to a supply pipe 6.

An der dem Flansch 2C abgewandten Seite des Gehäuses 2 ist ein Flansch 2E vorgesehen, in dessen Nähe eine Auslaßkammer 2F angeordnet ist. Der Flansch 2E ist mit einem Kondensor oder einem Gerät zur weiteren Verarbeitung verbunden. Die Einlaßkammer 2D und die innere Oberfläche 2A des Gehäuses 2 sind über eine Zufuhröffnung 2G verbunden, während die Auslaßkammer 2F und die innere Gehäuseoberfläche 2A durch eine Auslaßöffnung 2H verbunden sind.On the side of the housing 2 facing away from the flange 2C, there is a flange 2E provided, in the vicinity of which an outlet chamber 2F is arranged. The flange 2E is equipped with a condenser or a device for further processing tied together. The inlet chamber 2D and the inner surface 2A of the housing 2 are connected via a supply port 2G, while the outlet chamber 2F and the inner Housing surface 2A are connected by an outlet port 2H.

In dem zentrisch in dem Gehäuse 2 angeordneten hohlzylindrischen Raum ist ein Leitelement bzw. Leerlaufglied 7A-7D angeordnet, das relativ zum Gehäuse 2 drehbar ist. Das Freilaufglied 7A-7D umfaßte Die vorspringenden Seitenwellen 7A, 7B, eine zentrale Trennwand 7C und acht Freilaufstücke 7D von denen jeweils vier zwischen der Trennwand 7C und der Welle 7A bzw. zwischen der Trennwand 7C und der Welle 7B entlang der inneren Fläche 2A des Gehäuses 2 mit einem radialen Abstand von 90° zwischen je zwei Freilaufstücken 7D angeordnet sind. Ein Paar von Kreisanordnungen der Freilaufstücke 7D ist mit einer Phasendifferenz von 450 zwischen der Anordnung 7C-7A und 7G-7B ausgebildet.In the hollow cylindrical space arranged centrally in the housing 2 a guide element or idle member 7A-7D is arranged, which is relative to the housing 2 is rotatable. The freewheel member 7A-7D comprised the projecting side shafts 7A, 7B, a central partition wall 7C and eight freewheeling pieces 7D of which four each between the partition 7C and the shaft 7A or between the partition 7C and the Shaft 7B along the inner surface 2A of the housing 2 with a radial distance of 90 ° between each two freewheel pieces 7D are arranged. A pair of circle arrangements the freewheeling piece 7D is with a phase difference of 450 between the arrangement 7C-7A and 7G-7B.

Das Leerlaufelement 7A-7D ist auf einer Welle I1-I2 drehbar gehaltert, wobei gemäß Fig. 6 die linke Welle 7A in dem Getriebekasten 2B des Gehäuses 2 mittels eines Lagers 8A abgestützt ist, während die rechte Welle 7B in dem Lagergehäuse 4 mittels eines Lagers 8B gehaltert ist.The idle element 7A-7D is rotatably supported on a shaft I1-I2, 6, the left shaft 7A in the gear box 2B of the housing 2 by means a bearing 8A is supported, while the right shaft 7B in the bearing housing 4 is supported by means of a bearing 8B.

In dem Gehäuse 2 ist durch die Innenfläche 2A des Gehäuses 2 und inneren Oberflächen der Freilaufstücke 7D eine angenäherte Linie einer Epitrochoide mit vier Zweigen geformt.In the housing 2 is through the inner surface 2A of the housing 2 and inner Surfaces of the freewheeling pieces 7D with an approximate line of an epitrochoid four branches shaped.

In dem durch die Freilaufstücke 7D geformten zentralen Hohlraum ist ein Rotor 9 relativ drehbar angeordnet. Der Rotor 9 umfaßt eine Welle 9A und zwei Drehkörper 93. Der Drehkörper 93 ist in zylindrischer Gestalt geformt, dessen Querschnittskontur eine Epitrochoide mit drei Knotenpunkten bildet. Zwei Rotorkörper 9B sind an der Welle 9A in einem festen Rahmen auf jeder Seite der Trennwand 7G mit einer Rotations-Phasendifferenz von 45° zueinander befestigt Ein Ende der Rotorwelle 9k ist mittels eines Lagers 10A in dem Getriebekasten 2B gehaltert, während das andere Ende mittels eines Lagers 10B in dem Lagergehäuse 4 abgestützt ist; diese Lagerung gestattet eine Drehung des Rotors um eine Achse R1-R2. Diese Rotorwellenachse R1-R2 erstreckt sich parallel zur Achse I1-12 mit einer durch einen feststehenden Abstand gegebenen Exzentrizität.In the central cavity formed by the freewheel pieces 7D a rotor 9 is arranged to be relatively rotatable. The rotor 9 comprises a shaft 9A and two Rotary body 93. The rotary body 93 is formed in a cylindrical shape, its cross-sectional contour forms an epitrochoid with three nodal points. Two Rotor body 9B are on the shaft 9A in a fixed frame on each side of the partition 7G one end of the rotor shaft attached with a rotational phase difference of 45 ° to each other 9k is supported in the gear box 2B by means of a bearing 10A, while the the other end is supported in the bearing housing 4 by means of a bearing 10B; these Bearing allows the rotor to rotate about an axis R1-R2. This rotor shaft axis R1-R2 extends parallel to axis I1-12 with one through a stationary one Distance given eccentricity.

Am Getriebekastenende 2B der Welle 7A ist ein Getrieberad 11A befestigt1 während am Getriebekastenende 2B der Rotorwelle 9k ein Getrieberad 11B befestigt ist. Eine Ausgangswelle 13 ist mittels der Lager 12A bzw. 12B drehbar in dem Getri-ebekasten 2B und der Ausgangswellen-Stützabdeckung 3 gelagert.A gear wheel 11A is attached to the gear box end 2B of the shaft 7A while a gear wheel 11B is attached to the gear box end 2B of the rotor shaft 9k is. An output shaft 13 is rotatable in the gear box by means of the bearings 12A and 12B, respectively 2B and the output shaft support cover 3.

An der Ausgangswelle 13 sind die Getrieberäder 11C und 11D befestigt, wobei jedes der Getrieberäder 11C und 11D jeweils mit dem Getrieberad 11A bzw. 11B kämmt, und zwar mit einem Übersetzungsverhältnis von ZA/ZC x ZD/ZB = 4/3, wobei Zk, Z3, ZC und ZD jeweils die Anzahl der Zähne der Getrieberäder 11A, 11B, 110 und 11D sind.The gear wheels 11C and 11D are attached to the output shaft 13, each of the gears 11C and 11D with the gear 11A and 11B, respectively combs, with a transmission ratio of ZA / ZC x ZD / ZB = 4/3, where Zk, Z3, ZC and ZD the number of teeth of the gears 11A, 11B, 110 and respectively 11D are.

Nachstehend wird nun der Betrieb dieses Ausführungsbeispiels erläutert. Die Fig. 8a-8i zeigen Relativpositionen des Leerlaufelements 7D und des Rotors 9 in fortschreitender Relativdrehung zwischen diesen Elementen. In der Fig. 8a ist die Startposition dargestellt (Rotordrehwinkel R = O, Leerlaufelement-Drehwinkel I = O), In der Fig. 8a steht eine Kammer C1 im oberen Totpunkt, wodurch ein Zweiphasen-Fluid durch die Zufuhröffnung 2G in die Kammer C1 eingeführt wird und die Fluidzufuhr beginnt. Die Fig. 8b zeigt eine Stellung mit R = 6001 1 = °, wobei die Kammer G1 sich im Expansionspfad (Vorgang) befindet und der Zufuhrvorgang seinem Ende zugeht. Die Fig. 8c zeigt eine Stellung mit R = 1200, I = 90°, wobei die Kammer C1 immer noch im Expansionspfad liegt, während die Kammer 04 den oberen Totpunkt erreicht, bei dem die nächste Zufuhr beginnt. Die Fig. 8d zeigt eine Stellung mit R = 1800, I = 135°, wobei die Kammer G1 die Expansion fortsetzt und die Kammer C4 sich in einer Endphase der Zufuhr befindet und begonnen hat, zu expandieren.The operation of this embodiment will now be explained below. FIGS. 8a-8i show relative positions of the idle element 7D and the rotor 9 in progressive relative rotation between these elements. In Fig. 8a is the start position is shown (rotor rotation angle R = O, idle element rotation angle I = O), in Fig. 8a a chamber C1 is at top dead center, creating a two-phase fluid is introduced through the supply port 2G into the chamber C1 and the fluid supply begins. 8b shows a position with R = 6001 1 = °, the chamber G1 in the expansion path (Process) is located and the feeding process nearing its end. 8c shows a position with R = 1200, I = 90 °, where the chamber C1 is still in the expansion path, while the chamber 04 the upper one Dead center reached at which the next feed begins. Fig. 8d shows a position with R = 1800, I = 135 °, the chamber G1 continuing the expansion and the chamber C4 is in a terminal phase of supply and has started to expand.

Die Fig. 8e zeigt eine Stellung mit R = 2400, I = 1800, wo--bei die Expansion der Kammer C1 fast beendet ist und das Fluid ausgestoßen ist, während die Kammer 04 ihre Expansion fortsetzt, und eine Kammer C3 mit der Zufuhr begonnen hat.Fig. 8e shows a position with R = 2400, I = 1800, where - in the Expansion of the chamber C1 is almost complete and the fluid is expelled during the chamber 04 continues its expansion and a chamber C3 started supplying Has.

Die Fig. 8f zeigt eine Stellung mit R = 3000, I = 2250, wobei die Kammer C1 im Ausstoßpfad und die Kammer 04 und die Kammer C3 in einem Expansionspfad stehen. Die Fig. 8g zeigt eine Stellung mit R = 3600, I = 2700, wobei die Kammern C1 und 04 sich auf einem Ausstoßpfad befinden, während die Kammer C3 im Expansionspfad und die Kammer O2 am Beginn des Zufuhrpfades stehen. Die Fig. 8h zeigt eine Stellung mit R = 4200, I = 3150, wobei sich die Kammern C1 und C4 im Ausstoßpfad und die Kammern C3 und C2 im Expansionspfad befinden. Die Fig. 8i zeigt eine Stellung mit R = 4800, I = 3600, wobei die Kammer G1 im Zufuhrpfad, die Kammern 04 und C3 im Ausstoßpfad und die Kammer 02 im Expansionspfad stehen. Nach Erreichen der in Fig. 8i gezeigten Stellung, die der in Fig. 8a dargestellten Stellung entspricht, drehen sich die Beerlaufstücke 7D und der Rotor 9 relativ zueinander weiter und wiederholen die in den Fig. 8a-8i gezeigte Rotation.8f shows a position with R = 3000, I = 2250, the Chamber C1 in the discharge path and chamber 04 and chamber C3 in an expansion path stand. 8g shows a position with R = 3600, I = 2700, with the chambers C1 and 04 are on an exhaust path, while chamber C3 is in the expansion path and the chamber O2 are at the beginning of the feed path. 8h shows one position with R = 4200, I = 3150, the chambers C1 and C4 in the discharge path and the Chambers C3 and C2 are in the expansion path. Fig. 8i shows a position with R = 4800, I = 3600, with the chamber G1 in the feed path, the chambers 04 and C3 in the The discharge path and the chamber 02 are in the expansion path. After reaching the in Fig. 8i, which corresponds to the position shown in Fig. 8a, rotate the beer running pieces 7D and the rotor 9 relative to one another continue and repeat the rotation shown in Figures 8a-8i.

Wie vorstehend erläutert, kann das Zweiphasen-Fluid aus Dampf und Heißwasser in die Rotations-Expansionsmaschine ohne Trennung der Phasen eingebracht werden, wodurch die thermische Energie des Fluids durch den Expansionsprozeß in mechanische Energie umgewandelt werden kann. Ein Einphasen-Fluid, das sich während des Expansionsverlaufes in ein Zweiphasen-Fluid verwandelt, kann ebenso als das Zweiphasen-Fluid verwendet werden. Für das beschriebene Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein praktisches Expansionsverhältnis der Rotations-Expansionsmaschine im Bereich von 5 bis 30 geeignet, wodurch sich ein adiabatischer Wirkungsgrad von etwa 70 % ergibt. Diese Werte zeigen den hervorragend hohen Wirkungsgrad der Erfindung im Vergleich zu dem einer herkömmlichen Impulsturbine (gegenwärtig etwa 20 bis 25 %) und gegenüber der Spiralschrauben-Expansionsmaschine (etwa 5Q %).As explained above, the two-phase fluid can consist of steam and Hot water introduced into the rotary expander without separating the phases thereby reducing the thermal energy of the fluid through the expansion process in mechanical energy can be converted. A single-phase fluid that differs during of the expansion process transformed into a two-phase fluid can also be used as that Two phase fluid can be used. For the described embodiment of the Invention is a practical expansion ratio of the rotary expansion machine in the range from 5 to 30 suitable, resulting in an adiabatic efficiency of results in about 70%. These values show the outstandingly high efficiency of the invention compared to that of a conventional impulse turbine (currently around 20 to 25 %) and compared to the spiral screw expander (about 5Q%).

Die Rotations-ExpansiOnsmaschine gemäß der Erfindung kann mit einem Fluid-Einlaßöffnungs-Druck von 10,0 atm (absolut) und einem Auslaßöffnungs-Druck von 0,9 atm (absolut) verwendet werden, wobei ein Zweiphasen-Fluid mit einem Dampf/ Wasser-Verhältnis von 1:4 eingeleitet wird und sich die in der Tabelle II angegebenen Konstruktionsdaten ergeben.The rotary expansion machine according to the invention can be equipped with a Fluid inlet port pressure of 10.0 atm (absolute) and an outlet port pressure of 0.9 atm (absolute) can be used, whereby a two-phase fluid with a vapor / Water ratio of 1: 4 is introduced and the values given in Table II Result in construction data.

Tabelle II Konstruk- innerer Gesamt- Dreh- Anzahl von Ausgangstions- Gehäuse- breite des zahl Rotoren Leistung Beispiel Durch- Rotors(m) (NW) messer(m) (1) 3,0 0,65 1800 3 14,9 (2) 2,5 0,65 1800 3 10,3 (3) 1,5 0,35 3600 4 5,3 (4) 1,0 0,35 3600 4 2,4 Durch die Erfindung werden die nachfolgend angegebenen weiteren Vorteile erreicht: Im Vergleich zu der Spiralschrauben-Expansionsmaschine, bei der eine Präzisionsarbeit erforderlich ist, ist dieses Problem beseitigt, so daß sich die Maschineneinheit vergrößern läßt. Die Drehgeschwindigkeit kann ohne Schwierigkeiten erhöht werden, so daß sich auch bei einer größeren Ausgangsleistung eine kompakte Energieerzeugungseinheit ergibt. Table II Constructions - total inner turning - number of output stations - Housing width of the number of rotors Performance Example diameter rotor (m) (NW) knife (m) (1) 3.0 0.65 1800 3 14.9 (2) 2.5 0.65 1800 3 10.3 (3) 1.5 0.35 3600 4 5.3 (4) 1.0 0.35 3600 4 2.4 The invention provides the following additional Benefits achieved: Compared to the spiral screw expansion machine in which precision work is required, this problem is eliminated, so that the machine unit can be enlarged. The rotation speed can be used without Difficulties are increased, so that even with a larger output power results in a compact power generation unit.

Gemäß der Erfindung spielt das heiße Wasser für die gleitenden oder drehenden Teile die Rolle eines Schmiermittels, so daß die Schmierung beseitigt ist. Dieser Vorteil ist besonders deutlich im Vergleich mit einer bekannten Benzin-Rotationsmaschine für Automobile, die den Ersatz von viel Schmieröl erfordert.According to the invention, the hot water plays for the sliding or rotating parts take on the role of a lubricant, so that lubrication is eliminated is. This advantage is particularly clear in comparison with a known gasoline rotary machine for automobiles that require a large amount of lubricating oil to be replaced.

Gemäß der Erfindung können entweder das Rotationsantriebssystem oder das Orbitalrotations-Antriebssystem verwendet werden. Das mit Bezug auf das erläuterte Ausführungsbeispiel beschriebene Rotationsantriebssystem ist jedoch wegen seiner vorteilhaften Eigenschaften bevorzugt. Das Rotationsantriebssystem ermöglicht eine fortwährend hohe Rotationsgeschwindigkeit sogar bei einer großen Maschine, so daß andererseits eine verhältnismäßig kompakte Konstruktion der Maschine möglich ist. Wie in der Fig. 5 dargestellt, weist zwar die bekannte Benzin-Rotationsmaschine schematisch auf ein Orbitalantriebssystem hin, doch wird hierdurch keine Anregung zur erfindungsgemäßen Ausbildung gegeben. Ein derartiges Orbitalantriebssystem arbeitet so, als wurde ein nicht ausgewuchteter Rotationskörper rotieren, und diese Eigenschaft würde gerade beim Bau einer vergrößerten Ausführungsform der Maschine dieses Typs Schwierigkeiten bereiten. Das Orbitalantriebssystem könnte jedoch für eine verhältnismäßig kleine Expansionsmaschine verwendet werden.According to the invention, either the rotary drive system or the orbital rotation propulsion system can be used. That with reference to the explained However, the rotary drive system described embodiment is because of its advantageous properties preferred. The rotary drive system enables one continuously high rotation speed even in a large machine, so that on the other hand, a relatively compact construction of the machine is possible. As shown in FIG. 5, although the known gasoline rotary machine schematically towards an orbital propulsion system, but this does not generate any excitation given for training according to the invention. Such an orbital propulsion system works as if an unbalanced body of revolution was rotating, and this property would be in the process of building an enlarged embodiment of the machine of this type To cause difficulties. The orbital propulsion system could, however, be proportionate for a small expansion machine can be used.

Das praktische Expansionsverhältnis liegt im Bereich von 5-30, während bei bekannten Anordnungen nur ein Bereich von 8-10 möglich ist; überdies erfordert die erfindungsgemäße Ausführung im Gegensatz zu einer Benzin-Rotationsmaschine kein Auslaß- oder Einlaßventil.The practical expansion ratio is in the range of 5-30 while with known arrangements only a range of 8-10 is possible; moreover requires the invention Execution in contrast to a petrol rotary machine no exhaust or intake valve.

Wie vorstehend erläutert wird bei der erfindungsgemäßen Ausführung eine Kombination von Querschnittskonturen für das äußere und das innere Kontaktglied verwendet, wie unter V in der Tabelle I angegeben. Im Rahmen des SrSindungsgedankens können jedoch auch die anderen Kombinationen von Trochoiden und deren Umgrenzungslinien verwendet werden, wie in der Tabelle 1 angegeben.As explained above, in the embodiment according to the invention a combination of cross-sectional contours for the outer and inner contact member used as indicated under V in Table I. Within the framework of the concept of connection however, the other combinations of trochoid and their boundary lines can also be used can be used as indicated in Table 1.

Die Erfindung ermöglicht also die Umwandlung der thermischen Energie eines aus dem geothermischen Brunnen oder ähnlichem herausspritzenden zweiphasigen Fluids mit hohem Wirkungsgrad in mechanische Energie. Die Erfindung tragt also zur Entwicklung einer sauberen Energiequelle bei.The invention thus enables the thermal energy to be converted a two-phase spurting out of the geothermal well or the like Fluids with high efficiency in mechanical energy. The invention thus contributes to Development of a clean energy source.

Claims

Rotations-Expansionsma chine Patent a p r ü c h e Rotation-Expansionsmaschine to convert thermal energy of a two-phase fluid through its expansion, characterized in that a first contact member with a cylindrical Cavity that is the cross-sectional contour of a trochoid or the outer perimeter a trocholde, is provided, as well as an inner contact member with a outer cylinder cross-sectional contour, either a. an inner boundary line corresponds to a trochoid if the cross-sectional contour of the cavity of the outer Contact member is a trochoid, or the b. corresponds to a grochoid, when the cross-sectional contour of the cavity of the outer contact member is an outer one Is the boundary line of the trocholde, and that the outer and the inner contact member are designed such that they are rotatable relative to one another and thereby with one another are held in contact at two or more points of their contours, whereby hollow chamber sections delimited by the contours of both limbs as the patient progresses their relative rotations are variable so that an introduced fluid expands can be.

2. Machine according to claim 1, characterized in that g e k e n n -z e i c h n e t that the outer contact member is provided with a cross-sectional shape, the one corresponds to the outer boundary line of a peri- or epitrochoid, and that the inner Contact member has a cylindrical cross-sectional shape of a peri- or epitrochoid having.

3. Machine according to claim 2, characterized in that g e k e n n -z e i c h n e t that the outer perimeter of the epitrochoid has four branches that the Epitrochoid an epitrochoid with three nodes that is the outer contact member rotatably mounted on a housing on a central axis of the hollow cylindrical space and that the inner contact member is on a parallel and eccentric to the axis of the outer contact member arranged axis with a rotation ratio of 3: 4 of the outer to the inner contact member is rotatably mounted.

4. Machine according to claim 3, characterized in that g e k e n n -z e i c h n e t, that the outer contour of the cross section of the outer contact member is circular, so that a rotational sliding movement on the inner wall of the housing enables is.

5. Machine according to claim 1, characterized in that O e k e n n -z e i c h n e t that a two-phase Bluid is used as the two-phase fluid, which is essentially consists of hot water and steam, and that hot water acts as a lubricant for the Sliding and rotating members and parts is used.