DE3022202C2

DE3022202C2 -

Info

Publication number: DE3022202C2
Application number: DE19803022202
Authority: DE
Inventors: Heiko Dr.-Ing. 4272 Kirchhellen De Sandstede; Peter Dr.-Ing. 8000 Muenchen De Vinz; Knut Prof. Dr.-Ing. 4600 Dortmund De Kauder
Original assignee: MAN Gutehoffnungshutte GmbH
Current assignee: GHH Rand Schraubenkompressoren GmbH
Priority date: 1980-06-13
Filing date: 1980-06-13
Publication date: 1989-12-07
Also published as: AR225674A1; JPS5716201A; EP0042027A1; DE3022202A1; BR8103672A; AU6938581A

Description

Die Erfindung betrifft eine Schraubenexpansionsmaschine mit zwei achsparallelen Schraubenrotoren, deren ineinandergreifende Kämme und Nuten der Schraubengänge bei der Drehung sich im Volumen stetig ändernde Expansionszellen bilden, welche abwechselnd und intermittierend mit einer in je einer der beiden, die Rotorstirnseiten fast berührenden inneren Förderraumstirnwände angeordneten Ein- und Auslaßöffnung für das Antriebsmedium in Verbindung kommen, bei dem an der hochdruckseitigen Stirnwand des Förderraumes eine bewegliche Schließvorrichtung vorgesehen ist, die aus zwei relativ zueinander beweglichen Steuerplatten besteht, die je einem Rotor zugeordnet sind und die den Querschnitt der Einlaßöffnung in seiner Lage und Erstreckung in Umfangsrichtung der Rotation verändern.The invention relates to a screw expansion machine with two axially parallel screw rotors, whose interlocking combs and grooves of the screw threads the volume changes continuously during the rotation Expansion cells, which alternate and intermittently with one in either of the two Rotor end faces almost touching inner Delivery room end walls arranged in and Outlet opening for the drive medium in connection come, on the high-pressure side end wall of the Conveying space a movable locking device is provided, which consists of two relative to each other movable control plates, each with a rotor are assigned and which are the cross section of the Inlet opening in its position and extension in Change the circumferential direction of the rotation.

Schraubenexpansionsmaschinen der gekennzeichneten Art arbeiten mit dem gleichen funktionellen Aufbau wie Schraubenverdichter, jedoch mit dem Unterschied, daß ein Medium mit erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur in den Druckkanal eintritt, bei der Expansion in den Nuten der Schraubengänge einen Teil seiner Energie als technische Arbeit abgibt und anschließend austritt. Screw expansion machines of the designated type work with the same functional structure as Screw compressor, with the difference that a medium with increased pressure and temperature enters the pressure channel when expanding into the Grooves the screw threads as part of its energy submits technical work and then leaves.

In der US-PS 26 56 972 wird eine Schraubenexpansionsmaschine beschrieben mit einer Steuerung mittels einer Schließvorrichtung, die mit zwei gegeneinander beweglichen Steuerplatten arbeitet, die je einem Rotor zugeordnet sind und durch die in der hochdruckseitigen Stirnwand die Einlaßöffnung verschließbar ist. Nur eine der Steuerplatten ist durch Betätigung von außen verstellbar, während die andere Steuerplatte zusammen mit dem zugeordneten Rotor umläuft und ständig verstellt wird.In US-PS 26 56 972 one Screw expansion machine described with a Control by means of a locking device with two control plates movable against each other, which are each assigned to a rotor and by which in the high-pressure end wall the inlet opening is lockable. Only one of the control plates is through Outside operation adjustable while the other Control plate together with the assigned rotor circulates and is constantly adjusted.

Eine hochdruckseitige Schließvorrichtung für eine Schraubenexpansionsmaschine, bei der Steuerplatten über Ritzel einzeln, d. h.voneinander unabhängig, durch Betätigung von Hand herstellbar sind, ist in der US-PS 22 66 820 beschrieben.A high-pressure locking device for one Screw expansion machine, with control plates above Sprocket individually, d. i.e. independent of each other, by Manual actuation is available in the US PS 22 66 820.

Die nachveröffentlichte ältere DE-OS 30 21 419 zeigt eine Schließvorrichtung an einem Drehverdichter (Schraubenverdichter) für die Steuerung der Volumenverhältnisse mit in einem festgelegten Verhältnis zueinander über ein Zahnradgetriebe verstellbaren Steuerplatten. Die konstruktive Ausbildung der Läuferkammer mit einer ortsfesten Öffnung (30), die die Auslaßöffnung (17) mit dem Auslaß (3) verbindet (S. 3, 3. Abs. der DE-OS), ist bei einer Schraubenkompressormaschine möglicherweise sinnvoll, stellt jedoch für eine Schraubenexpansionsmaschine ein Funktionshindernis dar. Die Übertragung der konstruktiven Einzelheiten des Drehverdichters nach der DE-OS 30 21 419 auf eine Expansionsmaschine ist daher nicht möglich. The post-published older DE-OS 30 21 419 shows a locking device on a rotary compressor (screw compressor) for controlling the volume ratios with control plates adjustable in a fixed relationship to one another via a gear transmission. The structural design of the rotor chamber with a fixed opening ( 30 ), which connects the outlet opening ( 17 ) with the outlet ( 3 ) (p. 3, 3rd paragraph of DE-OS), may be useful in a screw compressor machine, but it does a functional obstacle for a screw expansion machine. The transfer of the structural details of the rotary compressor according to DE-OS 30 21 419 to an expansion machine is therefore not possible.

Für die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine Schraubenexpansionsmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs bezeichneten Bauart hinsichtlich der Einlaßsteuerung so weiterzubilden, daß bei Verminderung der Einlaßöffnung zwischen einem größtmöglichen und einem kleinstmöglichen Querschnitt der Wirkungsgradabfall klein gehalten wird.The object of the invention is a Screw expansion machine which in the preamble of Designated claim with regard to the Continuing to develop intake control so that when reduced the inlet opening between the largest possible and the smallest possible cross section of the Drop in efficiency is kept small.

Diese Aufgabe wird bei einer Schraubenexpansionsmaschine gemäß Erfindung dadurch gelöst, daß die zwei gegeneinander beweglichen Steuerplatten (20, 22) der Schließvorrichtung bei der Schließbewegung zwischen größtmöglichem und kleinstmöglichem Einlaßquerschnitt derartig über eine Verzahnung gekoppelt verstellbar sind, daß in einem abgestuften Verhältnis die Steuerplatte (22) des Hauptläufers (HL) langsamer verdreht als die Steuerplatte (20) des Nebenläufers (NL).This object is achieved in a screw expansion machine according to the invention in that the two control plates ( 20, 22 ) of the locking device, which are movable relative to one another, can be adjusted via a toothing during the closing movement between the largest and smallest possible inlet cross section in such a way that the control plate ( 22 ) of the main rotor (HL) rotates more slowly than the control plate ( 20 ) of the secondary rotor (NL) .

Für die Schraubenexpansionsmaschine wird insbesondere eine Stellvorrichtung der Steuerschieber gewählt, bei der die Verstellbewegung der Steuerschieber der Kinematik der Läufer angepaßt ist, die sich durch das Verhältnis der Zähnezahlen der beiden Läufer ergibt. Beispielsweise wird das Verhältnis der Stellwinkel 2 : 8 gewählt, d. h. die vor dem Hauptläufer liegende Steuerplatte öffnet in einem Winkelverhältnis zu der Steuerplatte des Nebenläufers, das einem Verhältnis 2 : 8 entspricht.For the screw expansion machine in particular an actuator of the spool selected, at the the adjustment movement of the control spool Kinematics of the runners is adapted by the Ratio of the number of teeth of the two runners results. For example the ratio of the setting angle is chosen 2: 8, d. H. the control plate in front of the main rotor opens in one Angular relationship to the control plate of the secondary rotor that corresponds to a ratio of 2: 8.

Die Steuerplatten werden durch ein entsprechend dem Zähnezahlverhältnis der Läufer gewähltes Stirnradpaar gekoppelt, so daß die das Füllungsende des Expansionsraumes bestimmenden Ränder/Kanten der Steuerplatten diesem Verhältnis entsprechende Verstellwege bzw. -winkel ausführen.The control plates are replaced by a Ratio of teeth of the selected spur gear pair coupled so that the filling end of the expansion space defining edges / edges of the control plates this ratio make the appropriate adjustment paths or angles.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt, deren Figuren zeigenAn embodiment of the invention is in the drawing shown, whose figures show

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Schraubenexpansions maschine, von der Seite gesehen; Figure 1 is a longitudinal section through a screw expansion machine, seen from the side.

Fig. 2 einen Längsschnitt, jedoch von oben gesehen; Figure 2 shows a longitudinal section, but seen from above.

Fig. 3 und 4 in vergrößerter Darstellung einen Schnitt gemäß der Linie III-III der Fig. 1; FIGS. 3 and 4 in an enlarged illustration a section along the line III-III of Fig. 1;

Fig. 5 eine Darstellung des Verstelltriebes der Steuerplatten. Fig. 5 shows the adjustment drive of the control plates.

In den Fig. 1 und 2 ist eine Schraubenexpansions maschine 1 dargestellt, bei der der Hauptläufer ("männ licher Rotor") 2 mit im wesentlichen konvexen, schrauben förmig angeordneten Rippen 3 versehen ist, die mit den Nuten 4 eines Nebenläufers ("weiblicher Rotor") 5 zu sammenwirken, der mit im wesentlichen konkaven, eben falls schraubenförmig angeordneten Rippen ausgestattet ist. Die Läufer 2, 5 befinden sich in einem Gehäuse 6, das einen Arbeitsraum umschließt, der durch die einander schneidenden, in Achsenrichtung liegenden Bohrungen für die Läufer gebildet wird. Begrenzt wird der Arbeitsraum durch die Gehäuse-Stirnwände 9, 10, die ihn gleichzeitig gegen die Enden der Läufer 2, 5 unter Zuhilfenahme eines fluiden Dichtmittels abdichten. Ferner ist je ein Einlaß- und ein Auslaßkanal 11, 12 vorgesehen, die mit einem Hochdruck- bzw. Niederdruckkanal in Verbindung stehen.In Figs. 1 and 2, a helical expansion is machine 1 illustrated in which the main rotor ( "Male Dog Licher rotor") 2 with a substantially convex, helically arranged ribs 3 is provided the female with the grooves 4 of the female rotor ( "rotor ") 5 to cooperate, which is equipped with essentially concave, also if helically arranged ribs. The runners 2, 5 are located in a housing 6 which encloses a working space which is formed by the intersecting bores for the runners lying in the axial direction. The working space is delimited by the housing end walls 9, 10 , which simultaneously seal it against the ends of the rotors 2, 5 with the aid of a fluid sealant. Furthermore, one inlet and one outlet channel 11, 12 are provided, which are connected to a high-pressure and low-pressure channel.

Haupt- und Nebenläufer sind derartig gelagert, daß sie sich im Wälzkreis berühren und praktisch wie zwei schräg verzahnte Zahnräder kämmen. Der Hauptläufer 2 ist außer dem mit einem Wellenzapfen 18 versehen, der eine außer halb der Expansionsmaschine angeordnete, nicht darge stellte Vorrichtung antreibt. Die Lagerung, Schmierung und Kühlung der Maschine geschieht in der bei Schrauben verdichtern bekannten Weise, die dem Fachmann auf diesem Gebiet geläufig ist. The main and secondary rotors are mounted in such a way that they touch in the pitch circle and mesh like two helical gears. The main rotor 2 is provided in addition to that with a shaft journal 18 which drives a device arranged outside the expansion machine, not shown. The machine is stored, lubricated and cooled in the manner known for compressing screws, which is familiar to the person skilled in the art in this field.

Um die Abmessungen und Lage der Einlaßöffnungen 11 zu ändern und auf diese Weise das in den Arbeitsraum ein tretende Volumen an Arbeitsmedium einstellen zu können, sind in der hochdruckseitigen Gehäusestirnwand 10 ein stellbare Schließorgane vorgesehen (Fig. 3 und 4).In order to change the dimensions and position of the inlet openings 11 and in this way to be able to adjust the volume of working medium entering the working space, an adjustable closing element is provided in the high-pressure side housing end wall 10 (FIGS . 3 and 4).

Die Fig. 3 und 4 zeigen einen Schnitt gemäß der Linie III-III in der Fig. 1, wobei die Teile des Gehäu ses vereinfacht dargestellt sind. Die Gehäusewand hat etwa die Form einer "8". In der linken Hälfte ist der mit NL bezeichnete Nebenläufer 5 und in der rechten Hälfte der mit HL bezeichnete Hauptläufer 2 eingepaßt. In den Fig. 3 und 4 blickt man vor die Läufer-Stirnseite, wobei die Stirnkontur der Rippen, je nach ihrer Über deckung durch die Schließorgane teils gestrichelt, teils durchgezogen dargestellt ist. FIGS. 3 and 4 show a section along the line III-III in Fig. 1, wherein the parts of the Gehäu ses are shown in simplified. The housing wall has the shape of an "8". In the left half the secondary runner 5 denoted NL and in the right half the main runner 2 denoted HL is fitted. In FIGS. 3 and 4, one looks end side runner before the, the end contour of the ribs, depending on their coverage by the closure means partly in phantom, is partly represented by solid lines.

Vor die Stirnseiten der Läufer, jeweils mit ihnen ko axial, sind als Schließorgane zwei miteinander gekoppelt drehbare Steuerplatten 20, 22 in das Gehäuse 6 einge paßt. Die Steuerplatten haben die Gestalt von Kreis scheiben mit einem Achsenausschnitt und einem weiteren randseitigen Ausschnitt, dessen Kontur sich nach der Zahnflankenkontur richtet, wobei im wesentlichen der größtmögliche und der kleinstmögliche Eingangsquerschnitt in bezug auf die Stirnwand der Läufer begrenzt wird. Before the end faces of the runners, each with them ko axially, two mutually coupled rotatable control plates 20, 22 are fitted into the housing 6 as locking members. The control plates have the shape of circular disks with an axis cutout and a further cutout on the edge, the contour of which is based on the tooth flank contour, with essentially the largest and the smallest possible input cross section being limited with respect to the end wall of the rotor.

Die Schließorgane nehmen aber nicht nur eine Anfangs- und Endstellung ein, sondern verändern kontinuierlich von Stellung zu Stellung die Kanalsteuerkanten des Einlasses, der sich in der Figur im oberen Teil der Einschnürungen der "8" befindet.The locking devices do not only take an initial and end position, but change continuously from position to position the channel control edges of the Inlet, which is in the figure in the upper part of the Constrictions the "8" located.

Die Steuerplatten 20, 22 sind in der dargestellten Ausführungsform zwei gleichzeitig, aber gegensinnig zu drehende, unvollständige Kreisringscheiben. Der in die Kreisringe geschnittene Ausschnitt liegt im Bereich eines zwischen die Achsen ragenden Leitklotzes 30. In ihren Extremstellungen berühren die Ausschnitt kanten der Steuerplatten die äußeren Flanken des Leit klotzes.The control plates 20, 22 are two incomplete circular ring disks to be rotated simultaneously but in opposite directions in the illustrated embodiment. The cutout cut into the circular rings lies in the area of a guide block 30 projecting between the axes. In their extreme positions, the cut-out edges of the control plates touch the outer flanks of the guide block.

Betrachtet man zunächst in den Fig. 3 und 4 die dem Nebenläufer zugeordnete Steuerplatte 20, so ist zu bemerken, daß die Ausschnittkante 21 oben mit einer Kontur beginnt, die der Flanke der dahinterliegenden Läuferzähne entspricht und etwa in Normalenrichtung bis zur Kreisbogen-Kontur 21′ verläuft. Nach einem Winkel von 120° verläuft die Kante wieder nach außen, wobei sie einen Winkelausschnitt beschreibt und anschließend einen Kreisbogenteil 21′′, der wiederum in Anpassung an die äußere Kreisbogen-Kontur der in der gleichen Ebene drehbaren Steuerplatte 22 gewählt ist. Referring first to FIGS. 3 and 4 associated with the secondary rotor control plate 20, it is to be noted that the cut edge 21 begins at the top with a contour corresponding to the edge of the underlying rotor teeth and approximately in a direction normal to the circular-arc contour 21 ' runs. After an angle of 120 °, the edge again runs outwards, describing an angular section and then a circular arc part 21 '' , which in turn is selected to match the outer circular arc contour of the control plate 22 rotatable in the same plane.

Bei der Steuerplatte 22, die dem Hauptläufer zugeordnet ist, wird im "geöffneten" Zustand (Fig. 3) ebenfalls die Kontur der Ausschnittkante 23 sichtbar. Im oberen Bereich 23′ ist die Kante so geformt, daß sie der Kontur der dahinter liegenden Flanke des Zahns 3 folgt, wobei sich eine nach außen von der Normalen-Richtung abweichende Krümmung ergibt. Nach einem bestimmten Sektor winkel - im vorliegenden Ausführungsbeispiel von etwa 160° - ist eine zweite Kante 23′ vorgesehen, die eben falls gekrümmt ist und in Anpassung an den Leitklotz 30 einen kleinen spitzen Vorsprung 24 ausgeformt hat.With the control plate 22 , which is assigned to the main rotor, the contour of the cut-out edge 23 is also visible in the “open” state ( FIG. 3). In the upper region 23 ' , the edge is shaped so that it follows the contour of the flank of the tooth 3 behind it, with an outward curvature deviating from the normal direction. After a certain sector angle - in the present embodiment of about 160 ° - a second edge 23 'is provided, which is also curved and has a small pointed projection 24 formed in adaptation to the guide block 30 .

Die Öffnung des Ausschnitts bei beiden Steuerplatten er gibt sich gemäß der Wahl der kleinsten Volumenverhält nisse zwischen Eingang und Ausgang der Expansionsmaschine, d. h. durch die Wahl der weitesten Öffnung der Steuerplatte. Zu beachten ist auch, daß als Eingangsöffnung nur der sich oberhalb der Achsen ergebende freie Querschnitt ent sprechend der Anordnung der Zugangsleitung 11 dient.The opening of the cutout in both control plates is determined by the choice of the smallest volume ratios between the inlet and outlet of the expansion machine, ie by the choice of the widest opening of the control plate. It should also be noted that only the free cross section resulting above the axes serves as the entry opening accordingly to the arrangement of the access line 11 .

Die Steuerplatten 20, 22 sind an ihrer unteren Außen kante, ausgehend vom Beginn der Ausschnittskante 21 bzw. 23, mit einer, über einen Teil des Umfanges reichenden Verzahnung 25, 26 versehen, die mit im unteren Scheitel punkt angeordneten Ritzeln 27, 28 kämmen. Diese Ritzel wiederum liegen koaxial fest verbunden mit zwei Zahn rädern 34, 35, die, wie Fig. 5 zeigt, in einer anderen Ebene angeordnet sind. Über einen Drehknopf 37, der über eine Welle mit einem Ritzel 38 verbunden ist, wird das Zahnrad 34 verstellt, das wiederum mit dem größer dimen sionierten Zahnrad 35 kämmt. Dabei wird die Steuerplatte 22 des Hauptläufers langsamer verdreht als die Steuer platte 20 des Nebenläufers. Dabei sind die mit den Winkeln α und β bezeichneten Bereiche der Steuerplatten in einem bestimmten Verhältnis zueinander, je nach dem Umfang der Zahnräder 34, 35, festgelegt. Diese willkürlich zu wählende Verstellmöglichkeit mit Hilfe von Zahnrädern oder anderen Maschinenelementen, wobei sich ein festgelegtes Verhältnis der Öffnungswinkel der beiden Steuerplatten ergibt, stellt ein wesentliches Merkmal der Erfindung dar. Die Steuerplatten 20, 22 können, wie durch Pfeile angedeutet wird, in beiden Drehrichtungen bewegt werden, wobei Fig. 4 die minimale und Fig. 3 die maximale Öffnung darstellt. Die Steuerplatten sind als dünne, um die Läuferachsen gelagerte Scheiben gefertigt, denen die in den Figuren bezeichneten Ausschnitte sehr sorgfältig eingefräst sind.The control plates 20, 22 are on their lower outer edge, starting from the beginning of the cut edge 21 or 23 , provided with a toothing 25, 26 extending over part of the circumference, which mesh with pinions 27, 28 arranged in the lower apex. These pinions are in turn coaxially connected to two toothed wheels 34, 35 which, as shown in FIG. 5, are arranged in a different plane. Via a rotary knob 37 , which is connected via a shaft to a pinion 38 , the gear 34 is adjusted, which in turn meshes with the larger-sized gear 35 . The control plate 22 of the main rotor is rotated more slowly than the control plate 20 of the secondary rotor. The areas of the control plates designated by the angles α and β are fixed in a certain relationship to one another, depending on the circumference of the gear wheels 34, 35 . This arbitrary adjustment option with the help of gears or other machine elements, resulting in a fixed ratio of the opening angle of the two control plates, represents an essential feature of the invention. The control plates 20, 22 can, as indicated by arrows, move in both directions of rotation be the minimum and Fig. 3 is Fig. 4, the maximum aperture. The control plates are made as thin disks, which are mounted around the rotor axes, and the cutouts shown in the figures are very carefully milled.

Versuchsläufe haben ergeben, daß mit Hilfe der Verstell barkeit der Steuerplatten die Leistungaufnahme und -abgabe der Expansionsmaschine lastunabhängig gesteuert wird.Trial runs have shown that with the help of the adjustment Availability of the control plates and the power consumption -Delivery of the expansion machine controlled independently of the load becomes.

Claims

Screw expansion machine with two axially parallel screw rotors, the intermeshing ridges and grooves of the screw threads during the rotation of which change the volume of the expansion cells, which alternate and intermittently with an inlet and outlet opening for the drive medium arranged in one of the two inner delivery chamber end walls almost touching the rotor end faces come into contact, in which a movable closing device is provided on the high-pressure side end wall of the delivery chamber, which consists of two relatively movable control plates which are each assigned to a rotor and which change the cross-section of the inlet opening in its position and extent in the circumferential direction of the rotation, characterized in that the two mutually movable control plates ( 20, 22 ) of the closing device adjust during the closing movement between the largest and smallest possible inlet cross-section coupled in such a way via a toothing bar are that the control plate ( 22 ) of the main rotor (HL) rotates more slowly than the control plate ( 2 ) of the secondary rotor (NL) in a graduated ratio.