RU2564172C2 - Rotary machine - Google Patents
Rotary machine Download PDFInfo
- Publication number
- RU2564172C2 RU2564172C2 RU2013143340/06A RU2013143340A RU2564172C2 RU 2564172 C2 RU2564172 C2 RU 2564172C2 RU 2013143340/06 A RU2013143340/06 A RU 2013143340/06A RU 2013143340 A RU2013143340 A RU 2013143340A RU 2564172 C2 RU2564172 C2 RU 2564172C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- rotary machine
- stage
- rotor
- expansion
- nozzles
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
- Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
Landscapes
- Applications Or Details Of Rotary Compressors (AREA)
- Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при создании расширительной машины для цикла Ренкина, в двигателях внешнего и внутреннего сгорания, а также в паровых и пневматических приводах и компрессорах.The invention relates to mechanical engineering and can be used to create an expansion machine for the Rankine cycle, in internal and external combustion engines, as well as in steam and pneumatic drives and compressors.
Известна роторная машина, рабочая ступень которой содержит корпус с патрубками подвода и отвода рабочего тела и установленные в нем два винтовых ротора, имеющие многозаходные, входящие в плотное зацепление профили с образованием одного рабочего канала [Михайлов А.К., Ворошилов В.П. Компрессорные машины. М.: Энергоатомиздат.1989 г., стр. 24, рис. 1.17 и 1.18]. Данная роторная машина типично используется в качестве компрессора, но возможно ее применение и в качестве паровой расширительной машины [Патент РФ 2374455].Known rotary machine, the working stage of which contains a housing with nozzles for supplying and discharging the working fluid and two screw rotors installed in it having multi-starting, tightly engaged profiles with the formation of one working channel [Mikhailov AK, Voroshilov V.P. Compressor machines. M .: Energoatomizdat. 1989, p. 24, Fig. 1.17 and 1.18]. This rotary machine is typically used as a compressor, but it can also be used as a steam expansion machine [RF Patent 2374455].
Недостатками роторных машин этого типа являются:The disadvantages of rotary machines of this type are:
- Низкая производительность или мощность единичной установки из-за участия в работе только одного из шести каналов;- Low productivity or power of a single installation due to the participation in the work of only one of the six channels;
- Сложность конструкции, в том числе из-за требования высокой точности изготовления плотно установленных взаимно контактирующих вращающихся элементов и системы компенсации осевых усилий;- The complexity of the design, including due to the high precision requirements for manufacturing tightly mounted, mutually contacting rotating elements and axial force compensation systems;
- Низкая надежность из-за больших некомпенсированных осевых и радиальных усилий роторов;- Low reliability due to the large uncompensated axial and radial forces of the rotors;
- Неприспособленность для работы в циклах ДВС и других.- Unsuitability for work in ICE and other cycles.
Наиболее близкой к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является роторная машина, содержащая рабочую ступень, которая включает ротор, имеющий шестизаходный глобоидальный профиль с рабочими каналами, плотно перекрытыми корпусом и установленными перпендикулярно ротору двумя вращающимися заслонками. Заслонки выполнены из антифрикционного износостойкого пластика с предельной температурой применения до 300°C. Обе заслонки установлены зеркально симметрично. За счет этого компенсируются радиальные усилия и заслонки могут вращаться, так как закреплены на звездочках, которые установлены на валах. Заслонки и звездочки имеют по 11 лучей, лучи заслонок выполнены прямыми с постоянной шириной. Эта роторная машина имеет одну ступень и используется в качестве компрессора, причем в работе задействованы все каналы, и в одной ступени обеспечивается повышение давления до 25 и более раз. В корпусе также установлены патрубки для подвода рабочего тела и отвода сжатого рабочего тела. Для компенсации осевого усилия полости нагнетания и всасывания сообщаются сложной системой каналов. Кроме того, рабочие каналы, звездочки и заслонки имеют сложную геометрию и требуют высокой точности и качества изготовления [Михайлов А.К., Ворошилов В.П. Компрессорные машины. М.: Энергоатомиздат.1989 г., стр. 221, рис. 7.17].Closest to the proposed invention in terms of technical nature and the achieved result (prototype) is a rotary machine containing a working stage, which includes a rotor having a six-way globoidal profile with working channels tightly covered by a housing and two rotating shutters installed perpendicular to the rotor. The dampers are made of anti-friction wear-resistant plastic with a maximum application temperature of up to 300 ° C. Both dampers are installed mirror symmetrically. Due to this, the radial forces are compensated and the shutters can rotate, since they are mounted on sprockets that are mounted on the shafts. The dampers and sprockets have 11 beams, the rays of the dampers are made straight with a constant width. This rotary machine has one stage and is used as a compressor, and all channels are involved in the operation, and in one stage pressure is increased up to 25 times or more. The body also has nozzles for supplying a working fluid and for removing a compressed working fluid. To compensate for the axial force, the discharge and suction cavities are communicated by a complex system of channels. In addition, the working channels, sprockets and shutters have a complex geometry and require high precision and workmanship [Mikhailov AK, Voroshilov VP Compressor machines. M .: Energoatomizdat. 1989, p. 221, Fig. 7.17].
Недостатками роторных машин этого типа являются:The disadvantages of rotary machines of this type are:
- Низкая производительность или мощность единичной установки;- Low productivity or power of a single installation;
- Сложность конструкции, в том числе из-за требования высокой точности изготовления плотно установленных взаимно контактирующих вращающихся элементов и системы компенсации осевых усилий;- The complexity of the design, including due to the high precision requirements for manufacturing tightly mounted, mutually contacting rotating elements and axial force compensation systems;
- Неприспособленность для работы в циклах Ренкина, ДВС и других, так как не предполагается использование роторной машины для расширения рабочего тела, не предусматривается регенерация тепла, заслонки не выдерживают высокой температуры и не компенсируют больших температурных расширений.- Unsuitability for working in Rankine, ICE and other cycles, since it is not intended to use a rotary machine to expand the working fluid, heat recovery is not provided, the shutters do not withstand high temperatures and do not compensate for large temperature expansions.
Предлагаемым изобретением решаются задачи увеличения производительности и мощности установки, упрощения конструкции с обеспечением компенсации осевых усилий, уплотнений вала и возможности применения ее для высокоэкономичной работы в циклах, включая цикл Ренкина и ДВС.The present invention solves the problem of increasing the productivity and power of the installation, simplifying the design while providing compensation for axial forces, shaft seals and the possibility of applying it for highly economic work in cycles, including the Rankine cycle and ICE.
Для достижения этого технического результата в роторной машине, включающей рабочую ступень, которая содержит корпус с патрубками и установленный в нем на валу с возможностью вращения ротор, имеющий винтовые многозаходные рабочие каналы, плотно перекрытые корпусом и расположенными перпендикулярно ротору вращающимися заслонками, согласно изобретению предлагается ступени на валу закрепить парами с размещением в центре зоны высокого давления или разрежения, а заслонки выполнить гибкими из пакетов упругих жаростойких листов с антифрикционными износостойкими покрытиями или прокладками.To achieve this technical result, in a rotary machine comprising a working stage, which comprises a housing with nozzles and a rotor mounted thereon with a possibility of rotation, having multi-helical working channels tightly closed by the housing and rotating shutters located perpendicular to the rotor, according to the invention, a step on fasten the shaft in pairs with the center of the high pressure or rarefaction zone, and the shutters made flexible from packages of elastic heat-resistant sheets with antifriction onnymi wear-resistant coatings or linings.
Дополнительно предлагается заслонки устанавливать с заглублением оси их вращения вплоть до поверхности образующего цилиндра ротора.Additionally, it is proposed that the shutters be installed with a deepening of the axis of their rotation up to the surface of the rotor forming cylinder.
Причем предлагается устанавливать на роторе три и более заслонки.Moreover, it is proposed to install three or more shutters on the rotor.
Кроме того, предлагается в корпусе ступеней расширения устанавливать патрубки промежуточного отбора рабочего тела.In addition, it is proposed to install branch pipes for the intermediate selection of the working fluid in the case of expansion steps.
Кроме того, предлагается подключать ступень сжатия к ступени расширения через камеру сгорания.In addition, it is proposed to connect the compression stage to the expansion stage through the combustion chamber.
Кроме того, предлагается подключать подводящими патрубками ступень сжатия к ступени расширения и в корпусе ступени расширения за подводящими патрубками в зонах высокого давления устанавливать свечи и/или топливные форсунки.In addition, it is proposed to connect the compression stage to the expansion stage by the supply pipes and to install candles and / or fuel nozzles in the housing of the expansion stage behind the supply pipes in high pressure zones.
Кроме того, ступени сжатия и расширения предлагается включить патрубками в контур циркуляции рабочего тела: ступень сжатия, регенераторы, горячий теплообменник, ступень расширения с патрубками отбора рабочего тела, регенератор и холодный теплообменник.In addition, it is proposed to include compression and expansion stages with nozzles in the circulation circuit of the working fluid: compression stage, regenerators, hot heat exchanger, expansion stage with working fluid extraction nozzles, regenerator and cold heat exchanger.
Выполнение роторной машины из установленных на валу парами ступеней, причем с размещением в центре зоны высокого давления или разрежения, позволяет не только кратно увеличить производительность (компрессор) или мощность (расширительная машина) единичной установки, но и одновременно взаимно компенсировать осевые усилия от ступеней, а также снизить перепады давления на уплотнениях и соответственно требования к конструкции уплотнений вала, существенно упростить конструкцию в целом.The execution of the rotary machine from the steps mounted on the shaft in pairs, with the high pressure or rarefaction zone being placed in the center, allows not only to multiply the productivity (compressor) or power (expansion machine) of a single installation, but also to mutually compensate axial forces from the steps, and also reduce the pressure drops on the seals and, accordingly, the requirements for the design of shaft seals, significantly simplify the design as a whole.
Выполнение заслонок гибкими из пакетов упругих жаростойких листов с теплоизолирующими и антифрикционными износостойкими покрытиями или прокладками позволяет путем гибкой компенсации неточностей изготовления и температурных расширений еще более упростить конструкцию роторной машины, а также использовать ее в циклах ДВС, Ренкина и других циклах при высокой температуре рабочего тела.The implementation of the dampers with flexible packages of elastic heat-resistant sheets with heat-insulating and anti-friction wear-resistant coatings or gaskets allows flexible design of the rotor machine to be further simplified by the flexible compensation of manufacturing inaccuracies and its use in ICE, Rankin and other cycles at high working fluid temperatures.
Дополнительно увеличить объем рабочих каналов и их количество и таким путем поднять производительность или мощность роторной машины позволяют следующие признаки:To further increase the volume of working channels and their number, and in this way, the following features allow to increase the productivity or power of the rotor machine:
- Заглубление оси вращения заслонок вплоть до внешней поверхности образующего цилиндра ротора - увеличивает объем рабочих каналов за счет их заглубления.- Deepening the axis of rotation of the shutters up to the outer surface of the forming cylinder of the rotor - increases the volume of the working channels due to their deepening.
- Установка вокруг ротора трех и более заслонок - увеличивает объем за счет большего числа рабочих каналов.- Installation around the rotor of three or more shutters - increases the volume due to a larger number of working channels.
Дополнительный признак - установка в корпусе ступени расширения патрубков промежуточного отбора рабочего тела - позволяет использовать тепло частично отработанного в ступени расширения рабочего тела (например, пара) для регенеративного подогрева и/или теплоснабжения и за счет этого повысить экономичность роторной машины.An additional feature - the installation in the case of the stage of expansion of the nozzles of the intermediate selection of the working fluid - allows you to use the heat partially worked out in the expansion stage of the working fluid (for example, steam) for regenerative heating and / or heat supply and thereby increase the efficiency of the rotary machine.
Подключение ступени сжатия к ступени расширения через камеру сгорания позволяет применить предлагаемую роторную машину в силовом цикле, подобном циклу газовой турбины с изобарным подводом тепла.Connecting the compression stage to the expansion stage through the combustion chamber allows the proposed rotary machine to be used in a power cycle similar to a gas turbine cycle with isobaric heat input.
Подключение ступени сжатия подводящими патрубками к ступени расширения с установкой в ее корпусе за подводящими патрубками в зонах высокого давления пары свечей и/или топливных форсунок обеспечивает регулируемый объем камеры сгорания непосредственно в каналах и позволяет применить роторную машину в силовых циклах, подобных циклам ДВС.The connection of the compression stage by the supply pipes to the expansion stage with the installation of a pair of candles and / or fuel nozzles in the housing behind the supply pipes in high pressure zones provides an adjustable volume of the combustion chamber directly in the channels and allows the use of a rotary machine in power cycles similar to ICE cycles.
Включение ступени сжатия и расширения патрубками в контур циркуляции рабочего тела: ступень сжатия, регенераторы, горячий теплообменник, ступень расширения с патрубками отбора рабочего тела, регенератор и холодный теплообменник, позволяет применить предлагаемую роторную машину в замкнутых циклах. Это циклы холодильной машины или кондиционера, силовой цикл двигателя внешнего сгорания и цикл Ренкина с паром или органическим теплоносителем, причем экономичные с регенерацией.The inclusion of a compression and expansion stage with nozzles in the circulation circuit of the working fluid: a compression stage, regenerators, a hot heat exchanger, an expansion stage with working fluid take-off nozzles, a regenerator and a cold heat exchanger allows the proposed rotary machine to be used in closed cycles. These are the cycles of the refrigeration machine or the air conditioner, the power cycle of the external combustion engine and the Rankine cycle with steam or organic coolant, moreover, economical with regeneration.
На фиг. 1 схематически показан вариант расширительной роторной машины, на фиг. 2 и 3 показаны вид Б и сечение А-А рабочего канала с уплотнением его предлагаемой конструкцией гибкой заслонки, а на фиг. 4 и 5 также приведены схемы выполнения рабочих каналов и их перекрытия заслонкой. Варианты включения роторной машины в силовые циклы показаны на фиг. 6-8: На фиг. 6 - в цикл типа газовой турбины, на фиг. 7 - в замкнутые циклы и на фиг. 8 - в паровой цикл Ренкина.In FIG. 1 schematically shows an embodiment of a rotary expansion machine, FIG. 2 and 3 show a view B and section AA of the working channel with a seal of its proposed design of a flexible shutter, and in FIG. 4 and 5 also show the scheme of the working channels and their overlap by the shutter. Options for incorporating a rotary machine into power cycles are shown in FIG. 6-8: In FIG. 6 - into a cycle of a gas turbine type, in FIG. 7 - in closed cycles and in FIG. 8 - in the Rankine steam cycle.
Роторная машина расширительного типа, например приводная, работающая на сжатом воздухе или паре, фиг. 1, включает по крайней мере пару рабочих ступеней, правую и левую, которые установлены зеркально, с расположением зоны высокого давления в середине между ними. Это обеспечивает взаимную компенсацию осевых усилий и увеличение в два раза мощности установки, причем без необходимости использования уплотнения на стороне высокого давления. Каждая ступень содержит установленный в корпусе 1 ротор 2, имеющий винтовые многозаходные рабочие каналы 3, образованные винтовыми перегородками 4, и при этом направления их навивок в ступенях выполняются противоположными. Каналы 3 плотно перекрыты корпусом 1 и заслонками 5, закрепленными на звездочках 6, установленных на валах 7 зеркально симметрично по отношению к ротору 2.A rotary expansion machine, for example a driven one operating on compressed air or steam, FIG. 1, includes at least a pair of working steps, right and left, which are mounted mirrored, with the location of the high pressure zone in the middle between them. This provides mutual compensation of axial forces and a twofold increase in plant power, without the need for a seal on the high pressure side. Each stage contains a
Перед каждой заслонкой 5 в зоне ее входа в рабочий канал 3 в корпусе 1 с обеих сторон от роторов 2 установлены патрубки 8 сжатого рабочего тела, служащие для его подвода, показано стрелкой 9. Штриховкой показан текущий объем 10 канала 3 в процессе расширения рабочего тела. В корпусе 1 также установлены патрубки 11 промежуточного отбора рабочего тела, а стрелкой 12 показан его выхлоп в патрубки 13. Роторы 2 закреплены на валу 14. Вал служит для отбора мощности и выводится из расширительной машины 15 через уплотнение 16 простейшего типа, так как давление в выхлопе близко к атмосферному, то конструкция машины упрощается.Before each
На фиг. 2 и 3 показаны вид Б и сечение А-А рабочего канала 3 с уплотнением между его винтовыми перегородками 4 звездочки 6 предлагаемой гибкой заслонкой 5, выполненной из пакетов упругих жаростойких листов 17, 18, например из листов титана или жаростойкой стали, и антифрикционными износостойкими покрытиями или прокладками 19. При этом первый по ходу движения звездочки лист 17 может быть выполнен с краями, отогнутыми назад по ходу движения, то есть в зону более высокой температуры и высокого давления, которая обозначена Р+. Упругие листы, особенно с отогнутыми краями, увеличивают степень гибкой компенсации, и рабочий канал может выполняться в значительной мере с произвольным профилем.In FIG. 2 and 3 show view B and section AA of the working
Прокладки 19 располагаются в зоне подвижного контакта между листами 17 и винтовыми перегородками 4 канала 3. Для увеличения ресурса пакет может набираться несколькими парами листов 17 и прокладок 19. Кроме того, последний лист 18 может быть меньшего размера, чем ширина канала 3, и служить для лучшего распределения усилий от листов 17 на звездочку 6.The gaskets 19 are located in the movable contact zone between the
Предлагаемые конструкции ротора 2 и рабочих каналов 3 показаны на фиг. 4 и 5 как схемы их перекрытия гибкими заслонками 5, вращающимися на валах 7. Вход сжатого и выхлоп отработанного рабочего тела условно показан стрелками 9 и 12. В прототипе, фиг. 4, ротор 2 выполнен в форме цилиндра с винтовыми проточками прямоугольного сечения, которые и являются рабочими каналами 3, разделенными винтовыми перегородками 4.The proposed designs of the
Дополнительно предлагается, фиг. 5, увеличить диаметр ротора 2, тогда вокруг него можно установить три и более заслонки 5 с соответствующим увеличением производительности. Объем рабочих каналов 3 также возможно увеличить, фиг. 5, устанавливая заслонки с заглублением оси их вращения вплоть до поверхности образующего цилиндра ротора. При этом вершины заслонок заглубляются в тело ротора 2, как показано пунктиром 20. Заглубление оси вращения вала и заслонок в ротор 2, фиг. 5, даже при сохранении неизменной площади сечения каналов 3 значительно увеличивает их объем за счет заглубления и их искривления вокруг круглой проточки 21. При этом число перекрытых заслонкой 5 каналов увеличивается на фиг. 5 с трех до пяти, а ротор 2 выполняется подобно червячному колесу с круглой проточкой 21 (показано пунктиром), что обеспечивает многократное увеличение производительности и мощности.Additionally, FIG. 5, increase the diameter of the
Роторная машина, фиг. 1, может быть компрессором. Вал 14 подключается к двигателю со сменой вращения вала 14 и заслонок 5. Патрубки 13 соединены с атмосферой, а патрубки 8 сжатого воздуха - с ресивером.The rotary machine, FIG. 1, may be a compressor. The
Роторная машина может применяться в силовых циклах. В цикле типа газовой турбины, фиг. 6, - с подключением ступени сжатия к ступени расширения через камеру сгорания. В циклах ДВС - с установкой в корпусе ступеней расширения за подводящими патрубками в зонах высокого давления пар свечей и/или топливных форсунок. В замкнутых циклах, фиг. 7, двигателей внешнего сгорания и других - с контуром циркуляции рабочего тела.The rotary machine can be used in power cycles. In a gas turbine type cycle, FIG. 6, - with connecting the compression stage to the expansion stage through the combustion chamber. In ICE cycles, with the installation of expansion stages in the housing behind the supply pipes in the high pressure zones, a pair of candles and / or fuel nozzles. In closed loops, FIG. 7, external combustion engines and others - with the circulation circuit of the working fluid.
Здесь также используются пары рабочих ступеней, но с одинаковым направлением навивок рабочих каналов 3. Ступени устанавливаются на общем валу с размещением в центре зоны высокого давления. Это обеспечивает взаимную компенсацию осевых усилий роторов и возможность использования между ступенями на стороне высокого давления уплотнения простейшего типа благодаря малому перепаду давления между ними.Here, pairs of working steps are also used, but with the same direction of windings of working
В роторной машине цикла типа газовой турбины, фиг. 6, справа расположена ступень компрессора 22 с ротором 2, гибкими заслонками 5, патрубками высокого давления 8 и всасывающим патрубком 23, а слева - ступень расширения 24 с патрубками высокого давления 8 и выхлопным патрубком 25. Роторы 2 ступеней закреплены на валу 14 с расположением зоны высокого давления между ними, и этим компенсируются осевые усилия. Вал 14 установлен в подшипнике 26 на его выходе, так как он установлен на всасе, используется подшипник 27, причем без уплотнения, что упрощает конструкцию машины. Выхлопной патрубок 25 ступени расширения 24 выхлопным газоходом 28 подключен к регенеративному теплообменнику 29 и далее к атмосфере, а патрубок высокого давления 8 компрессора 22 трактом 30 подключен последовательно к теплообменнику 29, камере сгорания 31 и к парубку высокого давления 8 ступени расширения 24.In a rotary gas turbine type cycle machine, FIG. 6, on the right there is a
Отметим, что роторная машина для цикла ДВС в варианте без регенерации тепла выхлопа выполняется еще проще, прямым соединением патрубками высокого давления 8 ступени компрессора 22 со ступенью расширения 24 с установкой в ее корпусе за подводящими патрубками в зонах высокого давления пары свечей и/или топливных форсунок.Note that the rotary engine for the ICE cycle in the case without exhaust heat recovery is made even simpler by direct connection of the
Пара ступеней сжатия 22 и расширения 24, установленных на общем валу 14, могут использоваться в замкнутых циклах типа силового цикла двигателя внешнего сгорания и других циклах по схеме фиг. 7. В контур циркуляции рабочего тела входят ступень сжатия (компрессор) 22, регенераторы 32, 33 теплоты выхлопа и промежуточных отборов ступени расширения 24 с патрубками отбора 11 и горячий теплообменник 34. При этом горячий теплообменник 34 с одной стороны трубопроводами 35 включен в контур циркуляции рабочего тела, а с другой подключен к горячему источнику 36. В контур циркуляции рабочего тела входит и холодный теплообменник 37, охлаждаемый холодным потоком теплоносителя из окружающей среды. Таким образом, ступени сжатия 22 и расширения 24 включены в контур циркуляции рабочего тела: ступень сжатия 22, регенераторы 32 и 33, горячий теплообменник 34, ступень расширения 24 с патрубками отбора рабочего тела 11, регенератор 32 и холодный теплообменник 37.A pair of compression stages 22 and
Особо следует рассмотреть цикл Ренкина, используемый на тепловых электростанциях. Здесь пар расширяется в сотни и тысячи раз от давления в сотни атмосфер до глубокого вакуума. Такое срабатывание давления может быть обеспечено последовательным включением всего двух, трех ступеней расширения предлагаемой конструкции. Расширительная машина с двумя последовательно включенными парами ступеней высокого давления 38 и низкого давления 39, установленными последовательно и подключенными паропроводами 40 к котлу 41, показана на фиг. 8.Of particular note is the Rankine cycle used in thermal power plants. Here, steam expands hundreds and thousands of times from a pressure of hundreds of atmospheres to a deep vacuum. Such a pressure response can be ensured by the sequential inclusion of only two, three stages of expansion of the proposed design. An expansion machine with two series-connected pairs of high pressure stages 38 and
РаботаWork
При работе роторной машины 15 расширительного типа, фиг. 1, сжатое рабочее тело, например сжатый воздух или пар, вводится через подводящие патрубки 8, как условно показано стрелками 9, в рабочие каналы 3 перед заслонками 5, одновременно в правую и левую ступени, и при этом нет необходимости использования уплотнения на стороне высокого давления.During operation of the rotary expansion machine 15, FIG. 1, a compressed working fluid, such as compressed air or steam, is introduced through the
С дальнейшим поворотом вала 14 и роторов 2 каналы 3 перемещаются относительно корпуса 1 и отключаются от патрубка 8, а заслонки 5, гибко деформируясь, входят в каналы 3, плотно перекрывают их сечения и выделяют в этих замкнутых объемах порцию пара. Пар давит на винтовые перегородки 4 канала 3 и заслонку 5, расширяется в выделенном штриховкой объеме 10 рабочего канала 3, совершает перемещение и полезную работу. Кроме того, доля частично расширившегося пара при совмещении объема 10 с отверстием патрубка 11 промежуточного отбора может быть отведена для теплофикации и/или регенерации тепла, обеспечивая повышение экономичности цикла.With a further rotation of the
Расширение пара заканчивается с открытием канала 3 на выхлоп при выходе луча заслонки 5 из зацепления, причем канал 3 снова начинает заполняться паром от второго патрубка 8, и вторая заслонка 5 выделяет следующую порцию пара. Отработавшее рабочее тело поступает на выхлоп через отводящие патрубки 13, как показано стрелками 12. Отметим, что уплотнение 16, препятствующее потере отработавшего рабочего тела по вращающемуся валу 14, например, у работающей на сжатом воздухе расширительной машины 15, эксплуатируется в весьма благоприятных условиях.The expansion of the steam ends with the opening of the
Заслонки 5 закреплены на звездочках 6, установленных на валах 7, причем лучи звездочек 6, воспринимающие силы давления, свободно, с зазором проходят рабочие каналы 3 и вращаются согласованно с ротором 2 без прямого силового контакта этих элементов - 6 и 2. Уплотнение зазоров и температурных расширений компенсируется упругим расширением заслонок 5 благодаря их выполнению из пакетов упругих жаростойких листов 17, 18 с антифрикционными износостойкими покрытиями или прокладками 19, как показано на фиг. 2 и 3, вид Б и сечение А-А.The
Уплотнение работает надежно, так как длительный поочередный износ пакета из нескольких пар листов 17 и прокладок 19 позволяет значительно увеличить ресурс роторной машины. Отметим, что эта конструкция работоспособна и в высокотемпературных циклах типа газовых турбин и ДВС, причем наибольшую компенсацию обеспечивают листы 17 с отогнутыми назад краями, фиг. 3, за счет их больших размеров и так как на отогнутые края действует еще и давление Р+, прижимающее листы 17 к винтовым перегородкам 4 каналов 3.The seal works reliably, since long alternate wear of a package of several pairs of
При работе роторной машины ее производительность и мощность пропорциональны скорости вращения вала 14 и рабочему объему каналов 3 в роторе 2. Соответственно, важно увеличивать число и объем рабочих каналов 3. Увеличение объема рабочих каналов можно обеспечить заглублением заслонок 5 в тело ротора 2, как показано на фиг. 5. Причем заглубление оси вращения заслонок 5 может выполняться вплоть до поверхности образующего цилиндра ротора 2 с искривлением каналов 3 вокруг проточки 21 и заглублением каналов в тело ротора 2, как показано пунктиром 20, фиг. 5, как в колесе червячной передачи. Отметим, что при этом число перекрытых каждой заслонкой 5 каналов увеличивается с трех на фиг. 4 до пяти фиг. 5. Число каналов и соответственно рабочий объем дополнительно можно увеличить установкой трех и более заслонок 5, естественно при увеличении диаметра ротора 2. В итоге производительность и мощность роторной машины возрастают многократно.When the rotary machine is operating, its productivity and power are proportional to the speed of rotation of the
Для работы роторной машины, фиг. 1, в качестве компрессора вал 14 подключается к двигателю с противоположным направлением вращения вала 14 и заслонок 5. Воздух поступает через патрубки 13 в открытые каналы 3. Далее, по мере вращения роторов 2 каналы 3 перекрываются заслонками 5 и в выделенных объемах 10 воздух сжимается движущимися заслонками 5 до тех пор, пока каналы 3 не войдут в зону подключения патрубков 8 сжатого рабочего тела и порции сжатого воздуха не выдавятся в ресивер.For the operation of the rotary machine, FIG. 1, as a compressor, the
Работа роторной машины в силовых циклах, например, типа газовой турбины, фиг. 6, с подключением ступеней через камеру сгорания 31 не отличается от описанной выше. Воздух всасывается через патрубок 23, сжимается в ступени компрессора 22, далее нагнетается по тракту 30 в ступень расширения 24, причем движется по ступеням 22, 24 в одном направлении, на проход. Между ступенями к рабочему телу подводится тепло, причем в процессе, близком к изобарному. Сначала воздух подогревается в регенеративном теплообменнике 29 теплом выхлопа и/или промежуточных отборов из патрубков 11 средой, которая подается по газоходу 28 из выхлопа 25 и/или из патрубков отбора 11 расширительной ступени, обеспечивая повышение экономичности цикла. Основное тепло в цикл вводится в камере сгорания 31 путем сжигания топлива в потоке воздуха, затем продукты сгорания расширяются в ступени 24 с передачей полученной мощности через вал 14, установленный в подшипниках 26 и 27, на привод компрессора 22 и электрогенератора.The operation of a rotary machine in power cycles, for example, a type of gas turbine, FIG. 6, with the steps connected through the
Отметим, что роторная машина с компрессором 22, напрямую соединенная патрубками 8 со ступенью расширения 24, при установке в корпусе расширения за подводящими патрубками в зонах высокого давления пары свечей и/или топливных форсунок может работать в цикле ДВС. Воздух или смесь воздуха с горючим всасывается, фиг. 6, по патрубку 23, сжимается в ступени компрессора 22 и нагнетается по патрубкам 8 сразу в ступень расширения 24. Здесь в выделенный объем 10 после его отключения от патрубков 8 через форсунки впрыскивается топливо или подается искра и обеспечивается быстрое сгорание топлива и подвод тепла с повышением давления и температуры. Затем высокотемпературные продукты сгорания расширяются, совершая работу по описанному выше принципу, и вращают вал 14. В карбюраторном цикле ДВС со смесью воздуха с горючим используется зажигание, а в цикле дизеля - топливные форсунки, причем при задержке искры или впрыска можно регулировать объем 10 камеры сгорания (рабочего канала).Note that a rotary machine with a
При работе пары ступеней сжатия 22 и расширения 24, фиг. 7, установленных на общем валу 14, в замкнутых циклах типа газовой холодильной машины, силового цикла двигателя внешнего сгорания и других циклов, принцип действия роторной машины не изменяется. Рабочее тело входит в ступень сжатия (компрессор) 22 по трубопроводу 35, в нем сжимается и поступает в регенераторы 32, 33. В них рабочее тело подогревается за счет теплоты выхлопа и промежуточных отборов, поступающих из патрубков 11 ступени расширения 24, обеспечивая повышение кпд цикла. Основное тепло подводится в горячем теплообменнике 34 от внешнего источника - подогревателя 36. Затем горячее рабочее тело по трубопроводу 35 поступает для совершения полезной работы в ступень расширения 24. Далее рабочее тело после выхлопа из расширительной машины 24 охлаждается в регенеративном теплообменнике 32, отдавая тепло, охлаждается в холодном теплообменнике 37 со сбросом тепла в окружающую среду потоком теплоносителя и снова поступает в компрессор 22. Затем цикл повторяется. Работа ступеней 22 и 24 такова, как описано выше, осевые усилия ступеней взаимно компенсируются.During operation of a pair of compression stages 22 and
В паровом цикле Ренкина с высоким давлением пара применяется роторная машина, фиг. 8, с последовательным включением двух и более пар ступеней. Перегретый пар высокого давления из котла 41 по паропроводу 40 поступает, как показано стрелкой 9, в блок 38 высокого давления и здесь расширяется до более низкого давления. Далее пар по паропроводам 40 возвращается в котел 41, повторно перегревается и по паропроводам 40 подается в блок 39 низкого давления. В блоке 39 низкого давления пар расширяется до глубокого вакуума и по патрубку 13 низкого давления сбрасывается в паровой конденсатор. После конденсации вода возвращается в котел 41, испаряется, и цикл повторяется. Работа ступеней расширения такова, как описано выше. Осевые усилия ступеней в блоках взаимно компенсируются. В роторной машине имеется только одно уплотнение 16 вала 14, и по схеме подключения, фиг. 8, оно установлено в зоне промежуточного давления, и это упрощает его конструкцию.In the Rankine high pressure steam cycle, a rotary machine is used, FIG. 8, with the sequential inclusion of two or more pairs of steps. Superheated high pressure steam from the
Рассмотрим варианты возможной реализации роторной машины.Consider the options for the possible implementation of a rotary machine.
Пример 1. Двигатель с циклом типа газовой турбины, фиг. 6, для привода электрического генератора с частотой вращения 3000 об/мин = 50 Гц. Ротор 2 выполнен с шестью каналами и двумя заслонками, соответственно за один оборот в работе 12 каналов, и работа каналов осуществляется с частотой 600 Гц. Благодаря уравновешенности радиальных и осевых сил обеспечивается плавный ход и низкий уровень звука. Степень повышения давления не менее чем в прототипе, свыше 25, давление в камере сгорания 31 более 2,5 МПа.Example 1. A gas turbine-type engine, FIG. 6, to drive an electric generator with a rotation speed of 3000 rpm = 50 Hz. The
Пример 2. Расширительная машина, фиг. 8, с последовательным включением двух блоков ступеней со степенью снижения давления в каждом блоке n=25, имеем P1/P2=n2=625. Достижимо уменьшение давления в 625 раз. Расширение пара в паровых конденсационных турбинах малой мощности типично осуществляют до давления Р2=8 кПа = 0,008 МПа, и соответственно начальное давление пара составит Р1=5 МПа, типичное для турбин малой мощности. Для более мощных паровых турбин расширение осуществляют от давления Р1=25,5 МПа до Р2=0,004 МПа с отношением давлений P1/P2=6375. Здесь потребуются два блока со степенью снижения давления n2=(6375)0,5=80 или более реально три блока со степенью сжатия n3=(6375)0,3333=18,54.Example 2. The expansion machine, FIG. 8, with the sequential inclusion of two blocks of stages with a degree of pressure reduction in each block n = 25, we have P 1 / P 2 = n 2 = 625. Achievable pressure reduction of 625 times. Steam expansion in low-power steam condensing turbines is typically carried out up to a pressure of P 2 = 8 kPa = 0.008 MPa, and accordingly, the initial steam pressure will be P 1 = 5 MPa, typical of low-power turbines. For more powerful steam turbines, expansion is carried out from a pressure of P 1 = 25.5 MPa to P 2 = 0.004 MPa with a pressure ratio of P 1 / P 2 = 6375. Here, two blocks with a degree of pressure reduction n 2 = (6375) 0.5 = 80 or more are actually needed three blocks with a compression ratio n 3 = (6375) 0.3333 = 18.54.
Claims (7)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013143340/06A RU2564172C2 (en) | 2013-09-24 | 2013-09-24 | Rotary machine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013143340/06A RU2564172C2 (en) | 2013-09-24 | 2013-09-24 | Rotary machine |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2013143340A RU2013143340A (en) | 2015-03-27 |
RU2564172C2 true RU2564172C2 (en) | 2015-09-27 |
Family
ID=53286573
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013143340/06A RU2564172C2 (en) | 2013-09-24 | 2013-09-24 | Rotary machine |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2564172C2 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2665831C1 (en) * | 2017-01-24 | 2018-09-04 | Валерий Алфеевич Тараканов | Steam-air ducted-jet rotary-air injection engine of internal combustion |
RU2675639C2 (en) * | 2017-02-14 | 2018-12-21 | Евгений Михайлович Пузырёв | Rotor screw machine |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US2716861A (en) * | 1948-05-19 | 1955-09-06 | Goodyear James Wallis | Pressure energy translating and like devices |
FR2013617A1 (en) * | 1968-07-24 | 1970-04-03 | Helix Devices Ltd | |
SU908255A3 (en) * | 1971-07-30 | 1982-02-23 | Омфаль С.А.(Фирма) | Rotary machine |
-
2013
- 2013-09-24 RU RU2013143340/06A patent/RU2564172C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US2716861A (en) * | 1948-05-19 | 1955-09-06 | Goodyear James Wallis | Pressure energy translating and like devices |
FR2013617A1 (en) * | 1968-07-24 | 1970-04-03 | Helix Devices Ltd | |
SU908255A3 (en) * | 1971-07-30 | 1982-02-23 | Омфаль С.А.(Фирма) | Rotary machine |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2665831C1 (en) * | 2017-01-24 | 2018-09-04 | Валерий Алфеевич Тараканов | Steam-air ducted-jet rotary-air injection engine of internal combustion |
RU2675639C2 (en) * | 2017-02-14 | 2018-12-21 | Евгений Михайлович Пузырёв | Rotor screw machine |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2013143340A (en) | 2015-03-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4502284A (en) | Method and engine for the obtainment of quasi-isothermal transformation in gas compression and expansion | |
EP1492940B1 (en) | Scroll-type expander having heating structure and steam engine employing the expander | |
US4825827A (en) | Shaft power generator | |
WO2020231292A1 (en) | Rotary engine with external heat supply (variants) | |
KR20140033390A (en) | A hot-air engine | |
RU2564172C2 (en) | Rotary machine | |
EP3850221B1 (en) | Compressor module | |
US2419689A (en) | Gas turbine | |
KR102001123B1 (en) | Rotary Stirling-Cycle Device and Method Thereof | |
EP3864257B1 (en) | Turbine module | |
RU2699864C1 (en) | Volumetric type rotary machine | |
WO2021034221A1 (en) | Antoni cycle gas-steam power plant | |
EP2744989B1 (en) | Compression and energy-recovery unit | |
RU2675639C2 (en) | Rotor screw machine | |
RU2362881C2 (en) | Multicylinder cubical expansion turbine | |
RU2757620C1 (en) | Air engine system and method of its operation | |
RU2451811C2 (en) | Rotary internal combustion engine | |
RU2811448C2 (en) | Combined-cycle power plant | |
US20140325986A1 (en) | Rotary engine and process | |
RU2784137C2 (en) | Combined air motor system with external heat source | |
KR101079131B1 (en) | A stirling engine with hydrostatics pump | |
RU2271453C2 (en) | Liquid-ring machine | |
RU2811729C2 (en) | Combined-cycle power plant | |
RU2787615C1 (en) | Combined air motor system with forced air supply and external heat source | |
RU2688050C1 (en) | Rotary engine |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
HE9A | Changing address for correspondence with an applicant | ||
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190925 |