Паровая винтовая машина и способ преобразования тепловой энергии в механическую
Реферат
Использование: в машиностроении, а конкретно в паровых винтовых машинах. Сущность изобретения: машина содержит корпус К 1 с размещенной в ней камерой 2 высокого давления, в которой размещены ведущий и ведомый винты В 3,4, находящиеся в зацеплении друг с другом. В 3,4 закреплены на валах 5,6, установленных в опорах 7,8 и связанных с помощью синхронизирующих шестерен 9. Камера 2 сообщена с впускным и выпускным патрубками 10,12. В К 1 размещены камеры 18,19 для циркуляции масла, отделенные от камеры 2 посредством уплотнений и осевых усилий. При преобразовании тепловой энергии в механическую соблюдаются заданные соотношения массы m1 конденсата и массы m2 теплоносителя, объемов, теплоносителя при выделении тепловой энергии, которую преобразуют в механическую. Эти соотношения определены выбором геометрических размеров камеры 2 высокого давления и В 3,4. 2 с. и 6 з.п.ф-лы., 1 табл., 4 ил.
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.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.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5