RU2133356C1

RU2133356C1 - Gas screw engine

Info

Publication number: RU2133356C1
Application number: RU97120626A
Authority: RU
Original assignee: Родионов Александр Хайрулович
Priority date: 1997-11-14
Filing date: 1997-11-14
Publication date: 1999-07-20

Abstract

FIELD: heat power engineering and transport engineering; heat power stations and vehicles. SUBSTANCE: proposed device has compressor and gas exchanger, combustion chamber and gas expander. Compressor and gas expander are made in form of screw machines made on the basis of variable-pitch single-start thread and are provided with several rotors per one cutoff rotor. Screw expander of gases has screw pressing device. EFFECT: increased aggregate power. 3 dwg

Description

Изобретение относится к теплоэнергетике и может использоваться на тепловых электростанциях для получения больших агрегатных мощностей, в двигателестроении для транспортных средств, таких как автомобили и летательные аппараты. The invention relates to a power system and can be used in thermal power plants to produce large aggregate capacities, in engine building for vehicles, such as cars and aircraft.

Известен прототип по авт.свид. СССР N 1776843, кл. F 02 C 1/10, публикация 1992 - газотурбинная установка замкнутого типа, содержащая на одном валу компрессор и турбину винтового типа, имеющие роторы с одинаковыми размерами, профилями и углами наклона витков, работающая на двухфазном рабочем теле. Одинаковые геометрические размеры роторов, профиля, углы наклона витков соответственных роторов винтовых компрессора и турбины, установленных на общих валах в противофазе, обеспечивают одинаковые, но противоположное изменение объема их парных полостей. Использование твердых частиц в двухфазном рабочем теле позволяет осуществить изотермические сжатие и расширение газа. A known prototype for autosvid. USSR N 1776843, class F 02 C 1/10, publication 1992 - a closed-type gas turbine unit containing on one shaft a compressor and a screw type turbine having rotors with the same dimensions, profiles and angles of inclination of the turns, operating on a two-phase working fluid. The identical geometric dimensions of the rotors, profile, and the angles of inclination of the turns of the respective rotors of the screw compressor and turbine mounted on common shafts in antiphase provide the same but opposite change in the volume of their paired cavities. The use of solid particles in a two-phase working fluid allows for isothermal compression and expansion of the gas.

Недостатками прототипа - газотурбиной установки замкнутого типа являются
- одинаковость геометрических размеров роторов, профилей, углов наклона витков соответственных роторов винтовых компрессора и турбины, установленных на общих валах в противофазе, обеспечивающих одинаковое, но противоположное изменение объема их парных полостей, так как указанное приводит к неработоспособности и установки из-за нарушения одинаковости массового расхода газа через компрессор и турбину, поскольку температурный режим компрессора отличается от температурного режима турбины, что требует разной их объемной производительности;
- использование твердых частиц для уплотнения зазоров, поскольку эта проблема решается, например, увеличением числа оборотов роторов, что к тому же приводит к большим агрегатным мощностям, чем в прототипе;
- винтовые части роторов, состоящие обычно из 4 выпускных зубьев и 6 вогнутых зубьев /1/, имеют относительно небольшой объем впадин, что уменьшает производительность винтового устройства и ведет к ухудшению отношения описываемого объема к поверхности теплоотдачи, т.е. к большим тепловым потерям;
- сложность профиля резьбы исключает использование схемы винтовой машины с несколькими роторами с выпуклыми зубьями на один отсечной ротор с вогнутыми зубьями; это препятствует уменьшению габаритов винтовых машин;
- винтовой компрессор и турбина винтового типа имеют окна всасывания и нагнетания, что не позволяет иметь большие окружные скорости в винтовых машинах, так как это приводит к большим гидравлическим потерям на всасывании и нагнетании.The disadvantages of the prototype is a gas turbine installation of a closed type are
- the same geometric dimensions of the rotors, profiles, tilt angles of the respective rotors of the screw compressor and turbine mounted on common shafts in antiphase, providing the same but opposite change in the volume of their paired cavities, since this leads to inoperability and installation due to violation of the same mass gas flow through the compressor and turbine, since the temperature regime of the compressor differs from the temperature regime of the turbine, which requires different volumetric production STI
- the use of solid particles to seal the gaps, since this problem is solved, for example, by increasing the number of revolutions of the rotors, which also leads to greater aggregate capacities than in the prototype;
- the screw parts of the rotors, usually consisting of 4 final teeth and 6 concave teeth / 1 /, have a relatively small hollow volume, which reduces the performance of the screw device and leads to a deterioration in the ratio of the described volume to the heat transfer surface, i.e. to large heat losses;
- the complexity of the thread profile eliminates the use of a screw machine circuit with several rotors with convex teeth on one cut-off rotor with concave teeth; this prevents the reduction of the dimensions of screw machines;
- a screw compressor and a screw type turbine have suction and discharge windows, which does not allow for high peripheral speeds in screw machines, since this leads to large hydraulic losses on the suction and discharge.

Указанные недостатки не позволяют использовать существующие в настоящее время винтовые машины в качестве расширителя газа с высоким КПД. These shortcomings do not allow the use of existing screw machines as a gas expander with high efficiency.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков путем создания газовинтового двигателя. Указанная задача достигается тем, что газовинтовой двигатель, содержащий компрессор, газовый теплообменник, камеры сгорания и расширитель газов, при этом компрессор и расширитель газов выполнены в виде винтовых машин, отличающийся тем, что газовый объем двигателя незамкнут, винтовые машины изготовлены на основе однозаходной резьбы переменного шага с несколькими роторами на один отсечной ротор, а винтовой расширитель газов снабжен винтовым поджимающим устройством. The objective of the invention is to remedy these disadvantages by creating a gas-driven engine. This problem is achieved in that the gas-screw engine containing the compressor, gas heat exchanger, combustion chambers and gas expander, while the compressor and gas expander are made in the form of screw machines, characterized in that the gas volume of the engine is not closed, screw machines are made on the basis of a single-thread alternating thread steps with several rotors on one shut-off rotor, and the screw gas expander is equipped with a screw pressing device.

Конструкция винтового компрессора, винтового расширителя газов и двигателя в целом приведены соответственно на фиг. 1, 2, 3. The design of the screw compressor, screw gas expander and the engine as a whole are shown respectively in FIG. 1, 2, 3.

Компрессор состоит из одного отсечного ротора 1 и нескольких роторов 2, находящихся в зацеплении с ним своими винтовыми частями 3. Для простоты рисунка выбрана схема компрессора из одного ротора 1 и одного ротора 2. Их винтовые части расположены в расточках корпуса 4. Зазор между винтами обеспечивается синхронизирующими шестернями /не показаны/. Резьба винтовых частей выполнена на основе однозаходной резьбы. Шаг резьбы - переменный, уменьшающийся в сторону камеры нагнетания. Благодаря зацеплению винтовых частей 3 роторов 1 и 2 имеются замкнутые полости между каждыми двумя витками ротора 2, ограниченные помимо них цилиндрической поверхностью расточки корпуса 4 и цилиндрической поверхностью ротора 1 в пределах этих двух витков. Эти полости обозначены A, B, C, D и имеют разные объемы из-за переменного шага. Геометрическая степень сжатия равна отношению замкнутых полостей A и D, т.е. объему замкнутой полости на всасывании к объему полости на нагнетании. The compressor consists of one shut-off rotor 1 and several rotors 2 engaged with its screw parts 3. For simplicity of the figure, a compressor circuit consisting of one rotor 1 and one rotor 2 is selected. Their screw parts are located in the bores of the housing 4. The gap between the screws is provided synchronizing gears / not shown /. The thread of the screw parts is made on the basis of a single thread. The thread pitch is variable, decreasing towards the discharge chamber. Due to the engagement of the screw parts 3 of the rotors 1 and 2, there are closed cavities between each two turns of the rotor 2, bounded in addition to them by the cylindrical surface of the bore of the housing 4 and the cylindrical surface of the rotor 1 within these two turns. These cavities are designated A, B, C, D and have different volumes due to the variable pitch. The geometric compression ratio is equal to the ratio of the closed cavities A and D, i.e. the volume of the closed cavity at the suction to the volume of the cavity at the discharge.

Работа винтового компрессора осуществляется следующим образом. При вращении роторов после образования полости A она переходит в полость B, полость B - в полость C, полость C - в полость D, а полость D соединяется с камерой нагнетания, и сжатый воздух выталкивается в нее последующим витком. Благодаря уходу полости A на стороне всасывания образуется разрежение, из-за которого воздух поступает в винтовые части роторов. При выходе зуба витка ротора 2 из винтовой впадины 5 ротора 1 воздух также поступает в нее и оказывается изолированным после вхождения зуба ротора 2 во впадину снова в ней между зубьями витков ротора 2 до попадания в камеру нагнетания. При перемещении воздуха по впадине 5 он сжимается в ней из-за уменьшения шага резьбы. Однако степень сжатия во впадине 5 ротора 1 меньше, чем в замкнутых полостях между витками ротора 2, т.е. процесс сжатия газа во впадине 5 происходит с недожатием. При соединении впадины 5 с камерой нагнетания после выхода зуба винта ротора 2 из зацепления давления газа в ней выравнивается с давлением в полости камеры нагнетания, а затем воздух из впадины 5 выталкивается замыкающим зубом. Энергетические потери от недожатия зависят от относительного количества воздуха, поступающего во впадину 5. Эти потери уменьшаются при большем числе роторов 2, находящихся в зацеплении с ротором 1. The operation of the screw compressor is as follows. When the rotors rotate after the formation of cavity A, it passes into cavity B, cavity B into cavity C, cavity C into cavity D, and cavity D is connected to the discharge chamber, and compressed air is pushed into it by a subsequent turn. Due to the care of cavity A, a suction is formed on the suction side, due to which air enters the screw parts of the rotors. When the tooth of the turn of the rotor 2 from the screw cavity 5 of the rotor 1 exits, the air also enters it and is isolated after the tooth of the rotor 2 enters the cavity again between the teeth of the turns of the rotor 2 before it enters the discharge chamber. When moving air through the cavity 5, it is compressed in it due to the decrease in thread pitch. However, the compression ratio in the cavity 5 of the rotor 1 is less than in the closed cavities between the turns of the rotor 2, i.e. the gas compression process in the cavity 5 occurs with underpressure. When the cavity 5 is connected to the discharge chamber after the tooth of the rotor screw 2 comes out of engagement with the gas pressure in it, it is aligned with the pressure in the cavity of the discharge chamber, and then the air from the cavity 5 is pushed out by the closing tooth. Energy losses from underpressure depend on the relative amount of air entering the cavity 5. These losses are reduced with a larger number of rotors 2 engaged with rotor 1.

Благодаря образованию замкнутых полостей в винтовых частях роторов на всасывании и на нагнетании для работы компрессора не требуются ни окна всасывания, ни окна нагнетания. При наличии на каждом роторе компрессора двух отдельных винтовых частей с противоположным направлением резьбы устраняется осевая нагрузка от газовых сил на опоры ротора. Due to the formation of closed cavities in the screw parts of the rotors at the suction and at the discharge, neither a suction window nor a discharge window are required for compressor operation. If each compressor rotor has two separate screw parts with the opposite thread direction, the axial load from gas forces on the rotor bearings is eliminated.

Уплотнение валов роторов компрессора для исключения подсоса воздуха и масла из подшипниковой камеры в камеру всасывания не предусматривается из-за хороших условий всасывания. Однако такое уплотнение валов роторов компрессора не исключается. Sealing the compressor rotor shafts to prevent air and oil from leaking from the bearing chamber into the suction chamber is not provided due to good suction conditions. However, such a compressor shaft seal is not excluded.

Конструкция расширителя газов приведена на фиг. 2. Он состоит из одного отсечного ротора 1 и нескольких роторов 2. Для упрощения рисунка взята конструкция расширителя газов из одного отсечного ротора 1 и одного ротора 2. Роторы имеют две отдельные друг от друга винтовые части на каждом роторе, отделенные разделительной частью 6 ротора. Они расположены в расточках корпуса 4. Винтовая часть 8 роторов расширителя представляет собой однозаходную резьбу переменного шага. Величина шага увеличивается в сторону разделительной части 6 роторов. В зацепленном состоянии винтовые части роторов имеют замкнутые полости. Отношение объема замкнутой полости на стороне пониженного давления к объему замкнутой полости на стороне повышенного давления определяет геометрическую степень расширения газа. Из-за консольности расположения винтовой части 8 число витков ее ограничено. The design of the gas expander is shown in FIG. 2. It consists of one shut-off rotor 1 and several rotors 2. To simplify the figure, the gas expander design is taken from one cut-off rotor 1 and one rotor 2. The rotors have two separate screw parts on each rotor, separated by a rotor separation part 6. They are located in the bores of the housing 4. The screw part 8 of the expander rotors is a single thread of variable pitch. The magnitude of the step increases towards the separation part 6 of the rotors. In the engaged state, the screw parts of the rotors have closed cavities. The ratio of the volume of the closed cavity on the low pressure side to the volume of the closed cavity on the high pressure side determines the geometric degree of expansion of the gas. Due to the cantilever arrangement of the screw part 8, the number of turns is limited.

Винтовая часть роторов, обозначенная 9, имеет мелкую резьбу переменного шага. Величина шага резьбы уменьшается в сторону разделительной части 6. Резьба однозаходная. На корпусе 4 вокруг разделительной части 6 роторов расположен коллектор 7. The screw part of the rotors, designated 9, has a fine thread of variable pitch. The size of the thread pitch decreases towards the separation part 6. The thread is single-thread. On the housing 4 around the separation part 6 of the rotors is a collector 7.

Работа расширителя газов осуществляется следующим образом. Сжатый и нагретый газ из камеры сгорания поступает в винтовую часть 8 роторов, где при их вращении образованные замкнутые полости, перемещаясь по винтовой части от стороны повышенного давления и увеличиваясь в объеме, переходят на сторону пониженного давления. Благодаря разнице давлений между соседними полостями на их смежных витках возникает крутящий момент ротора. The work of the gas expander is as follows. Compressed and heated gas from the combustion chamber enters the screw part 8 of the rotors, where during their rotation formed closed cavities, moving along the screw part from the high pressure side and increasing in volume, go to the low pressure side. Due to the pressure difference between adjacent cavities, rotor torque occurs on their adjacent turns.

Газ также поступает во впадину 5 при выходе из нее зуба витка винтовой части ротора 2 и отсекается в ней при следующем вхождении его во впадину. Поступивший газ, находящийся во впадине 5 между зубьями двух витков винтовой части ротора 2, расширяется в ней из-за изменения длины впадины между зубьями вследствие увеличения шага резьбы. Степень расширения газа во впадине 5 меньше, чем в витках ротора 2, т.е. процесс идет с недорасширением. Энергетические потери, связанные с протеканием газа во впадине 5, уменьшаются при увеличении числа роторов 2, а также при уменьшении ширины этой впадины. Gas also enters the cavity 5 when the tooth of the coil of the screw part of the rotor 2 exits from it and is cut off in it the next time it enters the cavity. The incoming gas located in the cavity 5 between the teeth of two turns of the screw part of the rotor 2, expands in it due to a change in the length of the cavity between the teeth due to the increase in thread pitch. The degree of expansion of the gas in the cavity 5 is less than in the turns of the rotor 2, i.e. the process is under-expanding. The energy losses associated with the flow of gas in the cavity 5 decrease with an increase in the number of rotors 2, as well as with a decrease in the width of this cavity.

Расширившийся газ не имеет возможности попасть в подшипниковую камеру, расположенную за винтовой частью 9. Этому препятствует винтовая часть 9, которая подсасывает воздух из подшипниковой камеры или непосредственно из атмосферы через отверстия в корпусе 4 /не показаны/, сжимает его до давления расширившегося газа и нагнетает его в коллектор 7. Количество подсасываемого газа незначительно. Expanded gas is not able to get into the bearing chamber located behind the screw part 9. This is prevented by the screw part 9, which draws air from the bearing chamber or directly from the atmosphere through openings in the housing 4 / not shown /, compresses it to the pressure of the expanded gas and pumps him to the collector 7. The amount of sucked-in gas is negligible.

Газовинтовой двигатель, изображенный на фиг. 3, состоит из винтового компрессора 11 и винтового расширителя газов 12, выходные валы которых соединены муфтой 13. Другой конец вала компрессора служит выходным валом 14 двигателя. Компрессор 11 имеет один ротор 1 и четыре ротора 2. Роторы имеют по две винтовые части. Их резьба выполнена на основе однозаходной резьбы переменного шага и противоположна по направлению. Коллектор 15 для сбора сжатого воздуха расположен в средней части компрессора. Для всасывания имеются два коллектора 24. Роторы имеют опоры 16 и синхронизирующие шестерни 17. The gas screw engine shown in FIG. 3, consists of a screw compressor 11 and a screw gas expander 12, the output shafts of which are connected by a coupling 13. The other end of the compressor shaft serves as the output shaft 14 of the engine. The compressor 11 has one rotor 1 and four rotors 2. The rotors have two screw parts. Their thread is made on the basis of a single thread of variable pitch and is opposite in direction. A collector 15 for collecting compressed air is located in the middle of the compressor. There are two collectors 24 for suction. The rotors have supports 16 and synchronizing gears 17.

Расширитель газов 12 имеет один отсечной ротор 1 и четыре ротора 2, находящиеся с ним в зацеплении. Роторы имеют опоры 18 и синхронизирующие шестерни 19. Винтовые части роторов расширителя выполнены на основе однозаходной резьбы переменного шага. Камера сгорания 21 установлена на крышке 20, которая крепится к корпусу расширителя через теплоизолирующую прокладку 10. Поверхность крышки изнутри имеет теплоизоляцию 22. Расширитель имеет коллектор 7 над разделяющей частью роторов для сбора и отвода расширившихся газов. The gas expander 12 has one shut-off rotor 1 and four rotors 2, which are in engagement with it. The rotors have bearings 18 and synchronizing gears 19. The screw parts of the expander rotors are made on the basis of single-thread of variable pitch. The combustion chamber 21 is mounted on the cover 20, which is attached to the casing of the expander through a heat-insulating gasket 10. The surface of the cover from the inside is insulated 22. The expander has a collector 7 above the separating part of the rotors for collecting and discharging expanded gases.

В схеме двигателя предусматривается газовый теплообменник для прогрева сжатого воздуха за счет отработавших газов. The engine design provides for a gas heat exchanger for heating compressed air through exhaust gases.

Работа газовинтового двигателя осуществляется следующим образом. Воздух через всасывающие коллекторы 24 подводится к винтовым частям роторов компрессора 11, сжимается в них и поступает в коллектор 15. Из него сжатый воздух идет в газовый теплообменник /не показан/, где нагревается от выхлопных газов, проходящих через этот теплообменник. Подогретый воздух поступает в камеру сгорания 21, где осуществляется сжигание топлива. Горячий сжатый газ из камеры сгорания поступает в полость крышки 20 и далее в винтовые части роторов расширителя. После расширения в них газ попадает в коллектор 7. Попаданию газа в подшипниковую камеру препятствует винтовая часть 9, которая подсасывает воздух из нее или из атмосферы и направляет поджатый в ней воздух в этот же коллектор. Из коллектора 7 газ поступает в газовый теплообменник перед его выбросом в атмосферу. The operation of the gas-screw engine is as follows. Air through the intake manifolds 24 is supplied to the screw parts of the rotors of the compressor 11, is compressed into them and enters the manifold 15. From it, compressed air flows into the gas heat exchanger / not shown /, where it is heated by the exhaust gases passing through this heat exchanger. Heated air enters the combustion chamber 21, where fuel is burned. Hot compressed gas from the combustion chamber enters the cavity of the lid 20 and then into the screw parts of the expander rotors. After expansion in them, gas enters the manifold 7. The screw part 9 prevents the ingress of gas into the bearing chamber, which draws in air from it or from the atmosphere and directs the compressed air into it into the same manifold. From the collector 7, the gas enters the gas heat exchanger before it is discharged into the atmosphere.

Получаемая мощность при расширении газа в расширителе 12 используется для привода компрессора 11 через муфту 13. Избыток мощности передается потребителю через вал компрессора, который играет роль выходного вала 14 двигателя для привода, например, автомобиля. The resulting power during gas expansion in the expander 12 is used to drive the compressor 11 through the clutch 13. The excess power is transmitted to the consumer through the compressor shaft, which plays the role of the output shaft 14 of the engine to drive, for example, a car.

Комбинация из расширителя газов и компрессора, питающего воздухом камеру сгорания расширителя, может служить как двигателем при мощности расширителя, большей мощности, потребляемой компрессором, так и компрессором для подачи воздуха внешнему потребителю при равенстве указанных мощностей. The combination of a gas expander and a compressor supplying air to the expander’s combustion chamber can serve as an engine with the expander’s power greater than the power consumed by the compressor, and a compressor to supply air to an external consumer if the indicated powers are equal.

Газовинтовой двигатель устраняет все указанные недостатки прототипа:
- благодаря разным наклонам витков резьбы подбираются объемы замкнутых полостей на входе в винтовую часть роторов в компрессоре и в расширителе газов, обеспечивающие один и тот же массовый расход газов через них;
- из-за отсутствия окон всасывания и нагнетания в компрессоре, впускных и выпускных окон в расширителе газов возможно увеличение числа оборотов роторов и уменьшение относительной доли перетечек;
- благодаря однозаходности резьбы улучшается соотношение между описываемым объемом и поверхностью теплоотдачи;
- из-за упрощения резьбы винтовые машины имеют на один отсечной ротор несколько роторов, зацепляемых с ним, что вместе с возможностью увеличения числа оборотов роторов позволяет сделать винтовые машины компактными и пригодными для транспортных средств.The gas-screw engine eliminates all of the above disadvantages of the prototype:
- due to the different tilts of the threads, the volumes of closed cavities are selected at the inlet to the screw part of the rotors in the compressor and in the gas expander, ensuring the same mass gas flow through them;
- due to the lack of suction and discharge windows in the compressor, inlet and outlet windows in the gas expander, it is possible to increase the number of revolutions of the rotors and reduce the relative proportion of overflows;
- due to the single-threading, the ratio between the described volume and the heat transfer surface is improved;
- because of the simplification of threading, screw machines have several rotors engaged with it on one shut-off rotor, which, together with the possibility of increasing the number of rotor revolutions, makes screw machines compact and suitable for vehicles.

Источники информации
1. П.Е. Амосов и др. Винтовые компрессорные машины. Справочник. Л.: Машиностроение, Ленингр. отделение, 1977, стр. 67 - 68.Sources of information
1. P.E. Amosov et al. Screw compressor machines. Directory. L .: Engineering, Leningrad. Department, 1977, pp. 67 - 68.

Claims

A gas-screw engine containing a compressor, a gas heat exchanger, a combustion chamber and a gas expander, while the compressor and gas expander are made in the form of screw machines, characterized in that the gas volume of the engine is not open, screw machines are made on the basis of a single-thread with a variable pitch with several rotors per one shut-off rotor, and the screw gas expander is equipped with a screw pressing device.