EP0042027A1

EP0042027A1 - Schraubenexpansionsmaschine

Info

Publication number: EP0042027A1
Application number: EP81100882A
Authority: EP
Inventors: Heiko Dr.-Ing. Sandstede; Peter Dr.-Ing. Vinz; Knut Prof. Dr.-Ing. Kauder
Original assignee: MAN Gutehoffnungshutte GmbH; MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN Gutehoffnungshutte GmbH
Priority date: 1980-06-13
Filing date: 1981-02-07
Publication date: 1981-12-23
Also published as: BR8103672A; DE3022202A1; JPS5716201A; AR225674A1; DE3022202C2; AU6938581A

Abstract

Schraubenexpansionsmaschine mit zwei achsenparallelen Schraubenrotoren (25), deren ineinandergreifende Kämme und Nuten der Schraubengänge bei der Drehung sich im Volumen stetig ändernde Expansionszellen bilden, welche abwechselnd und intermittierend mit den in je einer der beiden die Rotorstirnseiten sonst fast berührenden inneren Gehäuse- bzw. Förderraumstirnwänden (9, 10) angeordneten Anschlußöffnungen eines Druck- und Ausstoßkanals, also der Ein- und der Auslaßöffnung (11, 12) für das Antriebsmedium in Verbindung kommen. An einer der Stirnwände des Förderraums ist eine bewegliche Schließvorrichtung (20, 22) vorgesehen, mit der der Querschnitt der betreffenden Anschlußöffnung bzw. der Winkelbereich, in dem einer der Kanäle mit den durch die Kämme und Nuten gebildeten Expansionszelle in Verbindung steht, in seiner Lage und/oder Erstreckung in Umfangsrichtung der Rotation veränderbar ist.

In der niederdruckseitigen Stirnwand ist die Einlaßöffnung durch zwei gegeneinander bewegliche Steuerplatten (20, 22), die je einem Rotor zugeordnet sind, verschließbar. Die Schließbewegung der Steuerplatten läuft in einem abgestuften Verhältnis der Schließwinkel.

Die Steuerplatten sind über ein Zahngetriebe (34, 37, 38) verstellbar.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schraubenexpansionsmaschine mit zwei achsparallelen Läufern, deren ineinander greifende Zähne und Zahnlücken der Schraubengänge bei der Drehung sich im Volumen stetig vergrößernde Expansionsräume bilden. Die Räume werden durch Einlaßöffnungen, die in dem Gehäusewandteil angeordnet sind, das die Läuferstirnseiten sonst fast berührt, nacheinander bis zu einem bestimmten Volumen mit einem Arbeitsmedium gefüllt. Dieses Medium expandiert, und nach überfahren der am Gehäuseumfang angeordneten Steuerkanten öffnet sich der Expansionsraum zum Auslaßkanal.
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 Zahnlückenräumen einen Teil seiner Energie als technische Arbeit abgibt und anschließend austritt.
Derartige Schraubenexpansionsmaschinen haben den Nachteil, daß die Veränderung von Betriebsdaten, wie z. B. Drehmoment, Drehzahl, Druck und Terperatur des Arbeitsmediums am Ein- und Austritt den Wirkungsgrad verschlechtert, da durch das in der Maschine festgelegte, nicht veränderbare innere Volumenverhältnis zwischen dem Volumen am Beginn und dem Volumen am Ende der Expansion eine Anpassung an veränderliche Betriebsdaten nicht möglich ist.
Für die Erfindung stellt sich die Aufgabe, Schraubenexpansionsmaschinen anzugeben, die auch im Teillastbereich einen möglichst konstanten Wirkungsgrad zeigen, leicht zu steuern sind und trotzdem keine übermäßig großen Kosten für den Bau erfordern. Es soll möglich sein, mit einer einstufigen Maschinenanordnung einen möglichst großen Bereich für veränderte Betriebsbedingungen überdecken zu können, wobei die eingangs genannten Abläufe für die Energieumwandlung gegeben sein sollen.
Diese Aufgaben werden gemäß Erfindung dadurch gelöst, daß bei einer Schraubenexpansionsmaschine der eingangs genannten Art an der druckseitigen Stirnwand des Läufergehäuses eine bewegliche Verstellvorrichtung vorgesehen ist, mit der die Lage der steuernden Kanten der Eintrittsöffnung bzw. der Winkelbereich, in dem der Druckkanal mit dem durch die Zähne und Zahnlücken gebildeten Expansionsraum in Verbindung steht, in seiner Lage und/oder Erstreckung in Umfangsrichtung der Rotoren veränderbar ist.
Diese relativ allgemeine Formulierung der Erfindungsgedankens beinhaltet, daß verschiedene Steuerungs- und Schließvorrichtungen, wie sie für Schraubenverdichter bekannt sind, für Schraubenexpansionsmaschinen in technisch abgewandelter Form zu übernehmen sind. Aus der Literatur sind - soweit ersichtlich - keine Schraubenexpansionsmaschinen bekannt, die mit einer derartigen, für Schraubenverdichter bekannten Steuerung arbeiten. Es hat sich herausgestellt, daß die Verstellvorrichtungen teilweise übernommen werden können und damit eine Veränderung des Volumens des Expansionsraumes beim Füllungsende bzw. Expansionsbeginn ermöglichen. Daraus folgt, daß die Veränderung der Eintrittsöffnung es erlaubt, den Auslegungspunkt der Schraubenexpansionsmaschine zu verändern, wobei der Wirkungsgradabfall klein gehalten werden kann.
Insbesondere bieten sich für die Stellvorrichtung zwei gegeneinander bewegliche Steuerschieber an, die je einem Läufer zugeordnet sind, durch die in der druckseitigen Stirnwand die Kontur der Einlaßöffnung veränderbar ist.
In Abweichung von Bauarten, die bei Schraubenverdichtern bekannt sind, wird für die Schraubenexpansionsmaschine 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. der vor dem Hauptläufer liegende Schieber öffnet in einem Winkelverhältnis zu dem Schieber des Nebenläufers, das einem Verhältnis 2 : 8 entspricht.
Die Steuerschieber werden durch ein entsprechend dem Zähnezahlverhältnis der Läufer gewähltes Stirnradpaar gekoppelt, so daß die das Füllungsende des Expansionsraumes bestimmenden Ränder/Kanten der Schieber diesem Verhältnis entsprechende Verstellwege bzw. -winkel ausführen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt, deren Figuren zeigen:

Figur 1 einen Längsschnitt durch eine Schraubenexpansionsmaschine, von der Seite gesehen;
Figur 2 einen Längsschnitt, jedoch von oben gesehen;
Figuren 3 und 4 in vergrößerter Darstellung einen Schnitt gemäß der Linie III ... III der Figur 1;
Figur 5 eine Darstellung des Verstelltriebes der Schieber.

In den Figuren 1 und 2 ist eine Schraubenexpansionsmaschine 1 dargestellt, bei der der Hauptläufer ("männlicher Rotor") 2 mit im wesentlichen konvexen, schraubenförmig angeordneten Rippen 3 versehen ist, die mit den Nuten 4 eines Nebenläufers ("weiblicher Rotor") 5 zusammenwirken, der mit im wesentlichen konkaven, ebenfalls 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.
Haupt- und Nebenläufer sind derartig gelagert, daß sie sich im Wälzkreis berühren und praktisch wie zwei schräg verzahnte Zahnräder kämmen. Der Hauptläufer 2 ist außerdem mit einem Wellenzapfen 18 versehen, der eine außerhalb der Expansionsmaschine angeordnete, nicht dargestellte Vorrichtung antreibt. Die Lagerung, Schmierung und Kühlung der Maschine geschieht in der bei Schraubenverdichtern bekannten Weise, die dem Fachmann auf diesem Gebiet geläufig ist.
Um die Abmessungen und Lage der Einlaßöffnungen 11 zu ändern und auf diese Weise das in den Arbeitsraum eintretende Volumen an Arbeitsmedium einstellen zu können, sind in der hochdruckseitigen Gehäusestirnwand 10 einstellbare Schließorgane vorgesehen (Figuren 3 und 4).
Die Figuren 3 und 4 zeigen einen Schnitt gemäß der Linie III ... III in der Figur 1, wobei die Teile des Gehäuses vereinfacht dargestellt sind. Die Gehäusewand hat etwa die Form einer "8". In der rechten Hälfte ist der mit NL bezeichnete Nebenläufer 5 und in der linken Hälfte der mit HL bezeichnete Hauptläufer 2 eingepaßt. In den Figuren 3 und 4 blickt man vor die Läufer-Stirnseite, wobei die Stirnkontur der Rippen, je nach ihrer Überdekkung durch die Schließorgane teils gestrichelt, teils durchgezogen dargestellt ist.
Vor die Stirnseiten der Läufer, jeweils mit ihnen koaxial, sind als Schließorgane zwei miteinander gekoppelt drehbare Steuerschieber 20, 22 in das Gehäuse 6 eingepaßt. Die Steuerschieber haben die Gestalt von Kreisscheiben 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 sind.
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 Einschnürung der "8" befindet.
Die Steuerschieber 20, 22 sind in der dargestellten Ausführungsform zwei gleichzeitig, aber gegenseitig 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 Ausschnittkanten der Steuerschieber die äußeren Flanken des Leitklotzes.
Betrachtet man zunächst in den Figuren 3 und 4 den dem Hauptläufer zugeordneten Steuerschieber 20, so ist zu bemerken, daß die Ausschnittkante 21 oben mit einer Kontur beginnt, die der Flanke der dahinterliegenden Läuferzähne 3 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 des in der gleichen Ebene drehbaren Steuerschiebers 22 gewählt ist.
Beim Steuerschieber 22, der dem Nebenläufer zugeordnet ist, wird im "geöffneten" Zustand (Figur 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 5 folgt, wobei sich eine nach außen von der Normalenrichtung abweichende Krümmung ergibt. Nach einem bestimmten Sektorwinkel - im vorliegenden Ausführungsbeispiel von etwa 160° - ist eine zweite Kante 23' vorgesehen, die ebenfalls gekrümmt ist und in Anpassung an den Leitklotz 30 . einen kleinen spitzen Vorsprung 24 ausgeformt hat.
Die Öffnung des Ausschnitts bei beiden Drehschiebern ergibt sich gemäß der Wahl der kleinsten Volumenverhältnisse zwischen Eingang und Ausgang der Expansionsmaschine, d. h. durch die Wahl der weitesten Öffnung des Schiebers. Zu beachten ist auch, daß als Eingangsöffnung nur der sich oberhalb der Achsen ergebende freie Querschnitt entsprechend der Anordnung der Zugangsleitung 11 dient.
Die Steuerschieber 20, 22 sind an ihrer unteren Außenkante, ausgehend vom Beginn der Ausschnittskante 21 bzw. 23, mit einer, über einen Teil des Umfanges reichenden Verzahnung 25, 26 versehen, die mit im unteren Scheitelpunkt angeordneten Ritzeln 27, 28 kämmen. Diese Ritzel wiederum liegen koaxial fest verbunden mit zwei Zahnrädern 34, 35, die, wie Figur 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 dimensionierten Zahnrad 35 kämmt. Dabei wird der Stellschieber 20 des Hauptläufers langsamer verdreht als der Stellschieber 22 des Nebenläufers. Dabei sind die mit den Winkeln und bezeichneten Bereiche der Steuerschieber in einem bestimmten Verhältnis zueinander, je nach dem Umfang der Zahnräder 34, 35 zueinander festgelegt. Diese willkürlich zu wählende Verstellmöglichkeit mit Hilfe von Zahnrädern oder anderen Maschinenelementen, wobei sich ein festgelegtes Verhältnis der öffnungswinkel der beiden Steuerschieber ergibt, stellt ein wesentliches Merkmal der Erfindung dar. Die Steuerschieber 20, 22 können, wie durch Pfeile angedeutet wird, in beiden Drehrichtungen bewegt werden, wobei Figur 4 die minimale und Figur 3 die maximale Öffnung darstellt. Die Schieberplatten sind als dünne, um die Läuferachsen gelagerte Scheiben gefertigt, denen die in den Figuren bezeichneten Ausschnitte sehr sorgfältig eingefräst sind.
Versuchsläufe haben ergeben, daß mit Hilfe der Verstellbarkeit der Steuerschieber die Leistungsaufnahme und -abgabe der Expansionsmaschine lastunabhängig gesteuert werden kann. Damit eignet sich die Expansionsmaschine für die Gewinnung von mechanischer Energie aus komprimierten Gasvorräten.

Claims

1. Schraubenexpansionsmaschine mit zwei achsenparallelen Schraubenrotoren, deren ineinandergreifende Kämme und Nuten der Schraubengänge bei der Drehung sich im Volumen stetig ändernde Expansionszellen bilden, welche abwechselnd und intermittierend mit den in je einer der beiden die Robrstirnseiten sonst fast berührenden inneren Gehäuse- bzw. Förderraumstirnwänden angeordneten Anschlußöffnungen eines Druck- und Ausstoßkanals, also der Ein- und der Auslaßöffnung, für das Antriebsmedium in Verbindung kommen, dadurch gekennzeichnet, daß an einer der Stirnwände ( 9; 10) des Förderraums eine bewegliche Schließvorrichtung (20, 22) vorgesehen ist, mit der der Querschnitt der betreffenden Anschlußöffnung bzw. der Winkelbereich, in dem einer der Kanäle mit den durch die Kämme und Nuten gebildeten Expansionszelle in Verbindung steht, in seiner Lage und/oder Erstreckung in'Umfangsrichtung der Rotation veränderbar ist.

2. Schraubenexpansionsmaschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei gegeneinander bewegliche Steuerplatten (20, 22) die je einem Rotor zugeordnet sind, durch die in der niederdruckseitigen Stirnwand die Einlaßöffnung verschließbar ist.

3. Schraubenexpansionsmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schließbewegung der Steuerplatten in einem abgestuften Verhältnis der Schließwinkel abläuft.

4. Schraubenexpansionsmaschine nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerplatten über ein Zahngetriebe verstellbar sind.