паровая винтовая машина и способ преобразования тепловой энергии в механическую

Формула изобретения

1 1. Паровая винтовая машина, содержащая корпус с размещенной внутри него камерой высокого давления, в которой расположены с зазорами относительно ее стенок ведущий и ведомый винты, входящие в зацепление друг с другом и закрепленные на валах, которые установлены с двух концов в опорах и связаны при помощи синхронизирующих шестерен при этом камера высокого давления сообщена с впускным патрубком, подсоединенным к коллектору теплоносителя, и выпускным патрубком, отличающаяся тем, что объем V₁ камеры высокого давления, заполненный телами ведущего и ведомого винтов, выбран по отношению к объему V₂ полости для прохода теплоносителя, образованной n каналами между боковыми поверхностями полостей винтов, где 2 n 10, и зазорами между внутренними поверхностями всех стенок камеры высокого давления и торцевыми поверхностями лопастей винтов в пределах 6 0,05 V₁/V₂ 0,3, 1 причем суммарный объем V₃ каналов между боковыми поверхностями лопастей винтов связан с объемом V₂ полости для прохода теплоносителя соотношением 6 1,0001 (V₃ + V₂) : V₂ 1,05, 1 а объем V4<D> кольцеобразного зазора, образованного между внутренней поверхностью цилиндрической стенки камеры высокого давления и обращенными к этой стенке торцевыми поверхностями лопастей винтов и ограниченного по длине винтов, выбран по отношению к суммарному объему V₃ каналов между боковыми поверхностями лопастей винтов в пределах 6 0,1 V₄/V₃ 5, 1 а величина h указанного кольцеобразного зазора по отношению к диаметру D лопастей винтов выбрана в пределах 6 0,0002 h/D 0,002 1 и, кроме того, во внутренней полости корпуса дополнительно образованы камеры для циркуляции масла, в одной из которых размещены опоры одних концов валов обоих винтов и выходной редуктор, а в другой камере расположены опоры других концов валов и синхронизирующие шестерни, при этом камеры для циркуляции масла и камера высокого давления отделены друг от друга при помощи уплотнений, а машина дополнительно снабжена средством разгрузки ведущего винта от осевых усилий и средством разгрузки опор валов от радиальных усилий. 2 2. Машина по п.1, отличающаяся тем, что уплотнения, отделяющие камеру высокого давления от камер для циркуляции масла, выполнены в виде колец, установленных группами на каждом валу с обоих концов и связанных со стенками корпуса, причем группы колец размещены на расстоянии друг от друга с образованием между ними полости отвода теплоносителя, связанной с выпускным патрубком, и дренажной полости, связанной с атмосферой. 2 3. Машина по п.2, отличающаяся тем, что дополнительно содержит разделительные диафрагмы, размещенные в дренажных полостях и имеющие поверхности контакта с соответствующими валами. 2 4. Машина по п. 3, отличающаяся тем, что в теле каждой разделительной диафрагмы посередине поверхности контакта диафрагмы с валом выполнена кольцевая проточка, полость которой сообщена с атмосферой, при этом на участке поверхности вала, контактирующей с поверхностью диафрагмы, выполнена резьба с противоположным направлением ее витков по разные стороны от проточки. 2 5. Машина по п.3, отличающаяся тем, что в теле каждой разделительной диафрагмы посередине поверхности контакта диафрагмы с валом выполнена кольцевая проточка, полость которой сообщена с атмосферой, при этом на поверхности диафрагмы, контактирующей с поверхностью вала, выполнена резьба с противоположным направлением ее витков по разные стороны от проточки. 2 6. Машина по п.1, отличающаяся тем, что средство разгрузки ведущего винта от осевых усилий выполнено в виде поршня, установленного в полости цилиндра, которая сообщена с коллектором теплоносителя, и связанного с валом ведущего винта. 2 7. Машина по п. 1, отличающаяся тем, что средство разгрузки опор валов от радиальных усилий выполнено в виде двух полостей, заключенных между каждым валом и стенками корпуса и диаметрально расположенных, при этом одна полость сообщена с впускным патрубком, а другая - с выпускным. 2 8. Способ преобразования тепловой энергии в механическую, осуществляемый в паровой винтовой машине и включающий накопление тепловой энергии в теплоносителе, в качестве которого используют водяной пар, транспортировку теплоносителя под высоким давлением в винтовой механизм паровой машины и преобразование тепловой энергии в механическую, отличающийся тем, что в винтовой механизм паровой машины подают теплоноситель с внутренней тепловой энергией E₁ в первоначальном состоянии, выделяют из него массу m₁ конденсата, которую берут по отношению к общей массе m₂ теплоносителя в пределах 6 1,001 (m₁ + m₂) : m₂ 1,2, 1 часть конденсата массой m₃ используют на уплотнение зазоров между винтами и корпусом машины, выбирая массу m₃ указанной части конденсата по отношению к его общей массе m₁ в пределах 6 1,0001 (m₃ + m₁) : m₁ 1,8, 1 при этом суммарный первоначальный объем V₂ теплоносителя изменяют до объема V₅, соотношение которых выбирают в пределах 6 1,5 V₅/V₂ 8, 1 одновременно выделяют тепловую энергию E₂, величину которой выбирают в пределах 6 0,01 E₂/E₁ 0,3 1 и преобразуют эту энергию в механическую, величину E₃ которой выбирают в пределах 6 0,4 E₃/E₂ 0,9.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к области машиностроения, а конкретно к паровой винтовой машине и способу преобразования тепловой энергии в механическую.

Известна винтовая машина (SU, А 1146482), содержащая корпус, ведущий и ведомый винты, установленные на опорах, впускной и выпускной патрубки для подачи рабочего тела, цилиндр с поршнем для осевой разгрузки ведущего винта.

Использованное рабочее тело не обеспечивает уплотнения зазоров между винтами, винтом и внутренней стенкой корпуса, в связи с чем она не обеспечивает достижения достаточно высокого КПД.

Известна также винтовая расширительная машина (SU, A3 1838632), содержащая корпус, внутри которого размещены камера высокого давления, полость с расположенными, в ней двумя винтами, находящимися в зацеплении и связанных между собой при помощи синхронизирующих шестерен, впускной и выпускной патрубки. Винты закреплены на валах, установленных в опорах.

Известен также способ преобразования тепловой энергии в механическую (SU, A3 1838632), включающий накопление тепловой энергии в теплоносителе, в качестве которого используют водяной пар, транспортировку теплоносителя под высоким давлением в винтовой механизм паровой машины и преобразование тепловой энергии в механическую.

В основу настоящего изобретения положена задача создания паровой винтовой машины и способа преобразования тепловой энергии в механическую, обеспечивающих за счет получения оптимальных количественных характеристик необходимого для уплотнения зазоров конденсата оптимальный режим отбора тепловой энергии, преобразуемой в механическую.

Поставленная задача решается тем, что в паровой винтовой машине, содержащей корпус с размещенной внутри него камерой высокого давления, в которой расположены с зазорами относительно стенок ведущий и ведомый винты, входящие в зацепление друг с другом и закрепленные на валах, которые установлены с двух концов в опорах и связаны при помощи синхронизирующих шестерен, при этом камера высокого давления сообщена с впускным патрубком, подсоединенным к коллектору теплоносителя, и выпускной патрубок, согласно изобретению объем V₁ камеры высокого давления, заполненный телами ведущего и ведомого винтов, выбран по отношению к объему V₂ полости для прохода теплоносителя, образованной n каналами между боковыми поверхностями полостей винтов, где 2n10, и зазорами между внутренними поверхностями всех стенок камеры высокого давления и торцевыми поверхностями лопастей винтов, в пределах 0,05V₁/V₂0,3, причем суммарный объем V₃ каналов между боковыми поверхностями лопастей винтов связан с объемом V₂ полости для прохода теплоносителя соотношением 1,0001(V₃+V₂): V₂1,05, а объем V₄ кольцеобразного зазора, образованного между внутренней поверхностью цилиндрической стенки камеры высокого давления и обращенными к этой стенке торцевыми поверхностями лопастей винтов и ограниченный по длине винтов, выбран по отношению к суммарному объему V₃ каналов между боковыми поверхностями лопастей винтов в пределах 0,1V₄/V₃5, а величина h указанного кольцеобразного зазора по отношению к диаметру D лопастей винтов выбрана в пределах 0,0002h/D0,002 и, кроме того, во внутренней полости корпуса дополнительно образованы камеры для циркуляции масла, в одной из которых размещены опоры одних концов валов обоих винтов и выходной редуктор, а в другой камере расположены опоры других концов валов и синхронизирующие шестерни, при этом камеры для циркуляции масла и камера для высокого давления отделены друг от друга при помощи уплотнений, а машина дополнительно снабжена средством разгрузки ведущего винта от осевых усилий и средством разгрузки опор от радиальных усилий.

Целесообразно, чтобы уплотнения, отделяющие камеру высокого давления от камер для циркуляции масла, были бы выполнены в виде колец, установленных группами на каждом валу с обоих концов и связанных со стенками корпуса, причем группы колец были бы размещены на расстоянии друг от друга с образованием между ними полости отвода теплоносителя, связанную с выпускным патрубком, и дренажной полости, связанной с атмосферой.

Предпочтительно, чтобы паровая винтовая машина дополнительно содержала бы разделительные диафрагмы, размещенные в дренажных полостях и имеющие поверхности контакта с соответствующими валами.

Целесообразно, чтобы в теле каждой разделительной диафрагмы с валом была бы выполнена кольцевая проточка, полость которой сообщена с атмосферой, при этом или на участке поверхности вала, контактирующей с поверхностью диафрагмы, или на поверхности диафрагмы, контактирующей с поверхностью вала, была бы выполнена резьба с противоположным направлением ее витков по разные стороны от проточки.

Благоприятно, чтобы средство разгрузки ведущего винта от осевых усилий было бы выполнено в виде поршня, установленного в полости цилиндра, которая была бы сообщена с коллектором теплоносителя, и связанного с валом ведущего винта, а средство разгрузки опор валов от радиальных усилий было бы выполнено в виде двух полостей, заключенных между каждым валом и стенками корпуса и диаметрально расположенных, при этом одна полость была бы сообщена с впускным патрубком, а другая с выпускным.

Поставленная задача также решается тем, по способу преобразования тепловой энергии в механическую, осуществляемому в паровой винтовой машине и включающему накопление тепловой энергии в теплоносителе, в качестве которого используют водяной пар, транспортировку теплоносителя под высоким давлением в винтовой механизм паровой машины и преобразование тепловой энергии в механическую, согласно изобретению в винтовой механизм паровой машины подают теплоноситель с внутренней тепловой энергией E₁ в первоначальном состоянии, выделяют из него массу m₁ конденсата, которую берут по отношению к общей массе m₂ теплоносителя в пределах 1,001(m₁+m₂):m₂1,2 часть конденсата массой m₃ используют на уплотнение зазоров между винтами, винтами и корпусом машины, выбирая массу m₃ указанной части конденсата по отношению к его общей массе m₁ в пределах 1,0001(m₃+m₁):m₁1,8 при этом суммарный первоначальный объем V₂ теплоносителя изменяют до объема V₅, соотношение которых выбирают в пределах 1,5V₅/V₂8, одновременно выделяют тепловую энергию E₂ величину которой выбирают в пределах 0,01E₂/E₁0,3 и преобразуют эту энергию в механическую, величину E₃ которой выбирают в пределах 0,4E₃/E₂0,9.

Предлагаемое изобретение поясняется конкретными примерами его выполнения и прилагаемыми чертежами.

Фиг. 1 изображает вид паровой винтовой машины и продольный разрез, согласно изобретению,

Фиг. 2 средство разгрузки опор валов от радиальных усилий, согласно изобретению;

Фиг. 3 - вид конструкции уплотнения, согласно изобретению;

Фиг. 4 - конструкция разделительной диафрагмы, согласно изобретению.

Лучший вариант осуществления изобретения.

Паровая винтовая машина содержит корпус 1 (фиг. 1) с размещенной внутри него камерой 2 высокого давления, в которой расположены с зазорами относительно ее стенок ведущий и ведомый винты 3 и 4 соответственно. Винты 3, 4 закреплены на ведущем и ведомом валах 5, 6, установленных с двух концов, например, в подшипниковых опорах 7 и 8. Винты 3 и 4 находятся в зацеплении друг с другом и кроме того связаны при помощи синхронизирующих шестерен 9, установленных на одних из концов валов 5, 6. Камера 2 высокого давления сообщена с впускным патрубком 10, подсоединенным к коллектору 11 теплоносителя, например, водяного пара, и выпускным патрубком 12, подсоединенным к потребителю пара (на фиг. не показан). Машина снабжена средством разгрузки ведущего винта 3 от осевых усилий, выполненным, например, в виде поршня 13, установленного в цилиндре 14, полость которого сообщена с коллектором 11 и, связанного с ведущим валом 5. Поршень 13 приводится в движение паром или маслом. Машина также снабжена средством 15 разгрузки опор 7, 8 валов 5, 6 от радиальных усилий, представляющим собой полости 16, 17 (фиг. 2) между каждым валом 5 и 6 и корпусом 1. Полости 16, 17 расположены диаметрально по разные стороны от вала 5, 6 и сообщены соответственно с патрубками 10, 12 (фиг. 1).

В полости корпуса 1 образованы камеры 18, 19 для циркуляции масла, сообщенные с нагнетательной магистралью 20, подсоединенной к емкости 21 для масла, с которой сообщен насос 22. Выход насоса 22 через охладитель 23 масла и фильтр 24 связан с нагнетательной магистралью 20. Камера 2 высокого давления отделена от камер 18 и 19 для циркуляции масла с помощью колец 25, которые группами установлены на каждом из валов 5 и 6 с обоих его концов. Кольца 25 установлены также на поршне 13, на каждом валу 5, 6 группы колец 25 размещены на расстоянии друг от друга с образованием между ними полости 26 отвода пара, сообщенный с выпускным патрубком 12 и дренажной полости 27, связанной с атмосферой. В камере 18 размещены опоры 7 и выходной редуктор 28, а в камере 19 - опоры 8 и синхронизирующие шестерни 9.

Кольца 25 (фиг. 3) подпружинены и помещены в стаканы 29, которые установлены с возможностью смещения друг относительно друга в радиальном направлении, обеспечивая этим хорошее уплотнение между валом 5 или 6 и кольцами 25.

В каждой дренажной полости 27 может быть установлена разделительная диафрагма 30 (фиг. 4). В этом случае канал 31 связан с емкостью 21 для масла, а канал 32 - с атмосферой. В теле диафрагмы 30 посередине поверхности ее контакта с валом 5 или 6 выполнена кольцевая проточка 33, полость которой сообщена при помощи канала 34 с атмосферой. На поверхности вала 5 или 6, контактирующей с поверхностью диафрагмы 30, выполнена резьба с левым и правым направлением витков по разные стороны от проточки 33. Возможен вариант, когда при гладкой поверхности вала 5 или 6 резьба выполнена на поверхности диафрагмы 30. Полости 16 и 17 (фиг. 2) сообщены друг с другом узкими каналами 35, образованными выступами 36 корпуса 1.

На фиг. 1, 3, 4 сплошными линиями обозначены потоки пара, а пунктирными линиями - потоки масла.

Осуществление предлагаемого способа поясняется на примере работы паровой винтовой машины.

Теплоноситель, в данном случае водяной пар с первоначальной внутренней энергией E₁ подают во впускной патрубок 10 (фиг. 1) паровой винтовой машины, выделяют из теплоносителя массу m₁ конденсата, которую берут по отношению к общей массе m₂ теплоносителя, в пределах 1,001(m₁+m₂):m₂1,2, которая определяется разницей между начальной и конечной величинами процента влажности пара при его поступлении в винтовую машину и на выходе из нее. Минимальное значение соотношения не обеспечит получение необходимого перепада тепла, а максимальное значение - позволяет получить избыточное количество конденсата, что затруднит вращение винтовой пары - ведущего и ведомого винтов 3, 4 - и уменьшит механический КПД машины. Часть конденсата массой m₃ используют на уплотнение зазоров, например, между винтами 3 и 4, винтами 3 и 4 и стенками камеры 2 высокого давления, по отношению к m₁ в пределах 1,0001(m₃+m₁): m₁1,8, причем в случае, если величина m₃ близка к 0, то в этом случае зазоры между винтами 3 и 4, а также винтами 3 и 4 и камерой 2 практически остаются не заполненными конденсатом, и КПД машины является минимальным из-за утечек пара, а при m₃ > 0,8m₁ появляется избыток конденсата, и частично энергия пара затрачивается на то, чтобы вместе с винтами 3 и 4 раскручивать и выносить излишний конденсат из камеры 2 в выпускной патрубок 12, преодолевая сопротивление трения о винты 3 и 4. В процессе работы паровой винтовой машины регулируют давление и объем подаваемого теплоносителя, при этом изменяют суммарный первоначальный объем V₂ теплоносителя с внутренней тепловой энергией E₁, который заполняет камеру 2 до значения объема V₅ соотношения которых выбирают в пределах 1,5V₅/V₂8, и отбирают при этом тепловую энергию E₂, значение которой выбирают в пределах 0,01E₂/E₁0,3 и преобразуют за счет вращения винтов 3, 4 паровой винтовой машины из тепловой энергии в механическую E₃, выбираемую в пределах 0,4E₃/E₂0,9 - это значение характеризует выбираемое КПД паровой винтовой машины. При минимальном значении соотношения E₂/E₂ установка практически нерентабельна, а максимальная величина ограничена технологическими требованиями к уплотнениям тепловой машины.

При работе паровой винтовой машины пар под высоким давлением подается во впускной патрубок 10 и приводит во вращение винты 3 и 4. При этом, если винты 3, 4 имеют несколько лопастей, то на каждой из них теплоноситель, совершая работу, теряет определенную часть давления. Выполняемая работа зависит также от величины объема V₁ камеры 2, заполненного телами винтов 3, 4, который по отношению к значению объема V₂ полости для прохода теплоносителя, образованной n каналами между боковыми поверхностями лопастей винтов 3, 4 и зазорами между внутренними поверхностями всех стенок камеры 2 и торцевыми поверхностями лопастей винтов 3, 4, выбирают в пределах 0,05V₁/V₂0,3, где меньший предел свидетельствует о малой мощности установки и соотношение V₁/V₂ близко к 0,3 и о том, что в машину поступает малое количество пара и не используются конструктивные возможности ее для достижения оптимального КПД. При этом между боковыми поверхностями n лопастей-винтов 3 и 4 образованы каналы последовательного снижения давления теплоносителя, где n выбрано в пределах 2n10, причем при n=2 КПД не высокий, при n=10 появляется избыточный конденсат, увеличивается трение и падает КПД.

Большое значение для достижения заявляемого технического результата имеет суммарный объем V₃ каналов, который связан с объемом V₂ полости для прохода теплоносителя соотношением 1,0001(V₃+V₂):V₂1,05. Минимальные значения V₃ невозможно получить из-за технологического несовершенства оборудования; максимальное значение - конденсат не уплотняет зазоры.

В качестве уплотняющего элемента использован конденсат, выделяемый теплоносителем, объем V₄ которого выбран по отношению к объему V₃ зон уплотнения в пределах 0,1V₄/V₃5, при этом минимальное значение соотношения практически не обеспечивает уплотнение зазоров, а максимальное - создает избыток конденсата, что приводит к потере мощности машины.

Зазор h между цилиндрической стенкой камеры 2 и торцевыми поверхностями лопастей винтов 3, 4 по отношению к диаметру D лопастей выбран в пределах 0,0002h/D0,002, где максимальные значения зазоров h обеспечивают получение показателей работы машины на уровне известных машин, а минимальные - технологически неосуществимыми.

Работа паровой винтовой машины осуществляется следующим образом. Пар под высоким давлением подается во впускной патрубок 10 и приводит во вращение винты 3 и 4. Отработанный пар выходит через выпускной патрубок 12 под давлением, превышающим атмосферное. Пар высокого давления подается в подпоршневое пространство цилиндра 14, и возникающее усилие поршня 13 обеспечивает разгрузку ведущего винта 3 в осевом направлении. Пар высокого давления также подается в полость 16 (фиг. 2) и обеспечивает создание радиального усилия F, разгружающего подшипниковые опоры 7, 8 (фиг. 1). При перетекании пара через каналы 35 (фиг. 2) из полости 16 в полость 17 происходит конденсация пара. Образующийся конденсат заполняет зазоры и уменьшает перетечки пара. Таким образом, обеспечивается эффективная радиальная разгрузка опоры 7, 8 (фиг. 1) при минимальном расходе пара. Масляный насос 22 засасывает масло из емкости 21 и под давлением подает его через фильтр 24 и охладитель 23 в нагнетательную масляную магистраль 20, из которой оно подается в подшипниковые опоры 7 и 8, в редуктор 28 и в синхронизирующие шестерни 9. Затем масло сливается в емкость 21.

При работе машины недопустимо попадание масла в камеру 2, а пара - в камеры 18, 19. Пар высокого давления проходит уплотнительные кольца 25 и попадает в полость 26 отвода пара в выпускной патрубок 12. Учитывая, что давление в патрубке 10 превышает атмосферное, то небольшое количество пара через уплотнение попадает далее в дренажную полость 27, связанную с атмосферой. С противоположной стороны уплотнительных колец 22 масло проходит через уплотнение и попадает в дренажную полость 27. Соприкосновению пара и масла в дренажной полости 27 препятствует разделительная диафрагма 30, в этом случае масло сливается в емкость 21 через канал 31, а пар отводится в атмосферу через канал 32.

При вращении вала 5 и 6 резьба с противоположно направленными витками на поверхности вала 5 и 6 работает как шнековые насосы, подсасывая воздух в канал 43 и гонит его навстречу потоку масла в канал 31 и навстречу потоку 25 пара в канал 32. Причем создается надежная изоляция масляных и паровых объемов и обеспечивается работоспособность паровой винтовой машины.

Как показали проведенные исследования, указанный технический результат подтверждается, в частности, примерами практической реализации изобретения, при описании которых нецелесообразно повторять в каждом примере общую для них информацию, отраженную в формуле и описании изобретения. Целесообразно привести при описании примеров практического выполнения только количественную информацию, отличающую один пример от другого, которая для удобства сопоставления изложена в нижеприведенных таблицах 1 (вариант 1) и 2 (вариант 2).

Для сопоставления возможностей достижения указанного технического результата в каждом из примеров оказалось целесообразным использовать параметр , характеризующий получение более высокого коэффициента полезного действия паровой винтовой машины, в процессе экспериментального осуществления примеров заявляемого технического решения и прототипа.

Рассмотрим примеры проведенных исследований, результаты которых достигнуты на основании статистической обработки экспериментальных данных. Нижние и верхние значения, отраженных в таблицах 1 и 2 заявляемых пределов (пример 1 и 2), были получены преимущественно исходя из условия приближения параметра табл. 2), а также с учетом других известных обстоятельств, накладывающих ограничения на заявляемые пределы. В оптимальных примерах 3 практической реализации заявляемого объекта были достигнуты наиболее высокие значения параметров ₃= 4,8 - табл. 1 и ₃= 4,95 - табл. 2. В оптимальных вариантах осуществления заявляемого объекта положительный результат достигался по сравнению с известными машинами за счет выбора совокупности конструктивных решений, отраженных в таблицах 1 и 2 (примеры 3), обеспечившие максимальную отдачу энергии теплоносителем и достижение минимальных потерь на всем пути работы, совершаемой теплоносителем.

При выходе за нижние (пример 5) и верхние (пример 6) значения заявляемых пределов указанный технический результат, как следует из таблиц 1 и 2, не достигает = 1 и составляет тaбл. 2. В произвольном примере 4 при использовании значений существенных параметров внутри заявляемых пределов было получено промежуточное значение технического результата ₄= 3,53,7 (табл.1,2).

Промышленная рименимость.

Настоящее изобретение с успехом может быть использовано в энергетических установках, наземных и водных транспортных средствах.