RU2118460C1

RU2118460C1 - Screw-rotor steam machine

Info

Publication number: RU2118460C1
Application number: RU95106828/06A
Authority: RU
Inventors: С.Р. Березин; В.И. Ведайко; А.Г. Щеглов; Б.И. Левин; Ю.С. Самгин
Original assignee: Закрытое Акционерное Общество "Независимая Энергетика"
Priority date: 1995-04-25
Filing date: 1995-04-25
Publication date: 1998-08-27
Also published as: RU95106828A

Abstract

FIELD: mechanical engineering. SUBSTANCE: machine has case 1 with high- pressure chamber 2 accommodating drive and driven screws 3,4 which are in mesh and are mounted on shafts 5,6. The latter are mounted in supports 7,8 and coupled through synchronizing gears 9. Chamber 2 communicates with inlet and outlet pipes 10,12. Case 1 accommodates circulating-oil chambers 18,19 separated from chamber 2 by means of seals. Machine is provided with radial and axial thrust release facilities. During thermal-to-mechanical energy conversion, desired proportions of condensate mass m₁ and coolant mass m₂, coolant volume in transfer of thermal energy to be converted into mechanical energy are maintained. These proportions are determined by adequate choice of geometry of high-pressure chamber 2 and screws 3,4. EFFECT: improved design. 8 cl, 4 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к области машиностроения, а конкретно к паровой винтовой машине и способу преобразования тепловой энергии в механическую. The present invention relates to the field of engineering, and in particular to a steam screw machine and a method for converting thermal energy into mechanical energy.

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. Known screw machine (SU, A 1146482), comprising a housing, driving and driven screws mounted on supports, inlet and outlet pipes for supplying a working fluid, a cylinder with a piston for axial unloading of the driving screw.

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. The used working fluid does not provide sealing of the gaps between the screws, the screw and the inner wall of the housing, and therefore it does not ensure the achievement of a sufficiently high efficiency.

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. Also known is a screw expansion machine (SU, A3 1838632), comprising a housing, inside which a high-pressure chamber is located, a cavity with two screws located in it, meshed and interconnected by means of synchronizing gears, an inlet and an outlet pipe. The screws are fixed to the shafts installed in the bearings.

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. There is also a method of converting thermal energy into mechanical energy (SU, A3 1838632), including the accumulation of thermal energy in a coolant, which is used as water vapor, transportation of a coolant under high pressure into the screw mechanism of a steam engine and the conversion of thermal energy into mechanical.

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. The basis of the present invention is the creation of a steam screw machine and a method of converting thermal energy into mechanical energy, which, by obtaining optimal quantitative characteristics necessary for sealing condensate gaps, provides an optimal mode of selection of thermal energy that is converted into mechanical energy.

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 2≤n≤10, и зазорами между внутренними поверхностями всех стенок камеры высокого давления и торцевыми поверхностями лопастей винтов, в пределах 0,05≤V₁/V₂≤0,3, причем суммарный объем V₃ каналов между боковыми поверхностями лопастей винтов связан с объемом V₂ полости для прохода теплоносителя соотношением 1,0001≤(V₃+V₂): V₂≤1,05, 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 0,1≤V₄/V₃≤5, а величина h указанного кольцеобразного зазора по отношению к диаметру D лопастей винтов выбрана в пределах 0,0002≤h/D≤0,002 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.The problem is solved in that in a steam screw machine containing a housing with a high-pressure chamber located inside it, in which there are lead and driven screws with gaps relative to the walls, engaged with each other and mounted on shafts that are installed at both ends in the supports and are connected by means of synchronizing gears, while the high-pressure chamber is in communication with the inlet pipe connected to the coolant manifold, and the outlet pipe, according to the invention, the volume V _{1 of} the high chamber the pressure filled with the bodies of the lead and driven screws is selected with respect to the volume V _{2 of the} cavity for the passage of the coolant formed by n channels between the side surfaces of the screw cavities, where 2≤n≤10, and the gaps between the inner surfaces of all the walls of the high pressure chamber and the end surfaces the blades of the screws, in the range of 0.05≤V ₁ / V ₂ ≤0.3, and the total volume of V ₃ channels between the side surfaces of the blades of the screws is associated with the volume V _{2 of the} cavity for the passage of coolant ratio of 1.0001≤ (V ₃ + V ₂ ): V ₂ ≤1.05, and the volume V _{4 is} ring-shaped of the gap formed between the inner surface of the cylindrical wall of the high-pressure chamber and the end surfaces of the screw blades facing this wall and limited by the length of the screws, is selected with respect to the total volume V _{3 of} channels between the side surfaces of the screw blades within 0.1≤V ₄ / V ₃ ≤5, and the value h of the specified annular gap with respect to the diameter D of the screw blades is selected in the range 0.0002≤h / D≤0.002 and, in addition, chambers for oil circulation are additionally formed in the inner cavity of the housing, one of which contains the bearings of one end of the shafts of both screws and the output gear, and in the other chamber the bearings of the other ends of the shafts and synchronizing gears are located, while the chambers for oil circulation and the high-pressure chamber are separated by seals, and the machine is additionally equipped means of unloading the lead screw from axial forces and means of unloading the supports from radial forces.

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. It is advisable that the seals separating the high-pressure chamber from the oil circulation chambers are made in the form of rings mounted in groups on each shaft at both ends and connected to the walls of the housing, the ring groups being spaced apart from each other to form between them cavity coolant associated with the exhaust pipe, and a drainage cavity associated with the atmosphere.

Предпочтительно, чтобы паровая винтовая машина дополнительно содержала бы разделительные диафрагмы, размещенные в дренажных полостях и имеющие поверхности контакта с соответствующими валами. Preferably, the steam screw machine would further comprise separation diaphragms located in drainage cavities and having contact surfaces with respective shafts.

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. It is advisable that in the body of each dividing diaphragm with the shaft, an annular groove would be made, the cavity of which is in communication with the atmosphere, while either on the surface of the shaft in contact with the surface of the diaphragm or on the surface of the diaphragm in contact with the shaft, a thread with the opposite direction of its turns on different sides of the groove.

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. It is favorable that the means of unloading the drive screw from axial forces would be in the form of a piston mounted in the cylinder cavity, which would be in communication with the coolant collector and connected to the shaft of the drive screw, and the means of unloading the shaft bearings from radial forces would be made in the form two cavities enclosed between each shaft and the walls of the housing and diametrically located, while one cavity would be in communication with the inlet pipe, and the other with the outlet.

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):m₂≤1,2 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):m₁≤1,8 при этом суммарный первоначальный объем V₂ теплоносителя изменяют до объема V₅, соотношение которых выбирают в пределах 1,5≤V₅/V₂≤8, одновременно выделяют тепловую энергию E₂ величину которой выбирают в пределах 0,01≤E₂/E₁≤0,3 и преобразуют эту энергию в механическую, величину E₃ которой выбирают в пределах 0,4≤E₃/E₂≤0,9.The problem is also solved by the method of converting thermal energy into mechanical energy, carried out in a steam screw machine and including the accumulation of thermal energy in a coolant, which is used as water vapor, transportation of a coolant under high pressure in the screw mechanism of a steam engine and the conversion of thermal energy into mechanical , according to the invention, a coolant with internal thermal energy E ₁ in the initial state is supplied to the screw mechanism of the steam engine, isolated from it mass m _{1 of} condensate, which is taken with respect to the total mass m _{2 of} coolant within 1.001≤ (m ₁ + m ₂ ): m ₂ ≤1.2 part of the condensate with mass m _{3 is} used to seal the gaps between the screws, screws and the machine body, choosing a mass m _{3 of the} indicated part of the condensate with respect to its total mass m ₁ in the range of 1.0001 ≤ (m ₃ + m ₁ ): m ₁ ≤1.8, while the total initial volume V _{2 of the} coolant is changed to the volume V ₅ , the ratio which is selected within 1,5≤V ₅ / V ₂ ≤8, simultaneously emit the thermal energy E ₂ value which is selected within 0,01≤E ₂ / E ₁ ≤0,3 and preo form a this energy into mechanical value E ₃ is selected within 0,4≤E ₃ / E ₂ ≤0,9.

Предлагаемое изобретение поясняется конкретными примерами его выполнения и прилагаемыми чертежами. The invention is illustrated by specific examples of its implementation and the accompanying drawings.

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.FIG. 1 depicts a view of a steam screw machine and a longitudinal section according to the invention,
FIG. 2 means for unloading the shaft supports from radial forces, according to the invention;
FIG. 3 is a view of a seal structure according to the invention;
FIG. 4 shows a design of a separation diaphragm according to the invention.

Лучший вариант осуществления изобретения. The best embodiment of the invention.

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). The steam screw machine comprises a housing 1 (Fig. 1) with a high-pressure chamber 2 located inside it, in which the leading and driven screws 3 and 4 are located with gaps relative to its walls, respectively. The screws 3, 4 are fixed on the drive and driven shafts 5, 6 installed at both ends, for example, in the bearings 7 and 8. The screws 3 and 4 are meshed with each other and are also connected by means of synchronizing gears 9 mounted on one of the ends of the shafts 5, 6. The high-pressure chamber 2 is in communication with an inlet pipe 10 connected to a collector 11 of a heat carrier, for example, water vapor, and an outlet pipe 12 connected to a steam consumer (not shown in Fig.). The machine is equipped with a means of unloading the lead screw 3 from axial forces, made, for example, in the form of a piston 13 installed in the cylinder 14, the cavity of which is connected to the manifold 11 and connected to the drive shaft 5. The piston 13 is driven by steam or oil. The machine is also equipped with means 15 for unloading the supports 7, 8 of the shafts 5, 6 from radial forces, which are cavities 16, 17 (Fig. 2) between each shaft 5 and 6 and the housing 1. The cavities 16, 17 are located diametrically on opposite sides of the shaft 5, 6 and communicated respectively with the nozzles 10, 12 (Fig. 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. In the cavity of the housing 1 there are formed chambers 18, 19 for oil circulation, in communication with the discharge line 20, connected to the oil tank 21, which is connected to the pump 22. The output of the pump 22 through the oil cooler 23 and the filter 24 is connected to the discharge line 20. Chamber 2 high pressure is separated from the chambers 18 and 19 for oil circulation using rings 25, which are mounted in groups on each of the shafts 5 and 6 at both ends. Rings 25 are also mounted on the piston 13, on each shaft 5, 6 groups of rings 25 are placed at a distance from each other with the formation of a steam exhaust cavity 26 between them, in communication with the exhaust pipe 12 and the drain cavity 27 associated with the atmosphere. In the chamber 18, the supports 7 and the output gearbox 28 are placed, and in the chamber 19, the supports 8 and synchronizing gears 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. The rings 25 (Fig. 3) are spring-loaded and placed in glasses 29, which are mounted with the possibility of displacement relative to each other in the radial direction, providing a good seal between the shaft 5 or 6 and the rings 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. In each drainage cavity 27 can be installed separation diaphragm 30 (Fig. 4). In this case, the channel 31 is connected with the tank 21 for oil, and the channel 32 - with the atmosphere. An annular groove 33 is made in the body of the diaphragm 30 in the middle of the surface of its contact with the shaft 5 or 6, the cavity of which is communicated through the channel 34 to the atmosphere. On the surface of the shaft 5 or 6 in contact with the surface of the diaphragm 30, a thread is made with the left and right direction of the turns on opposite sides of the groove 33. It is possible that when the surface of the shaft 5 or 6 is smooth, the thread is made on the surface of the diaphragm 30. Cavities 16 and 17 (Fig. 2) communicated with each other by narrow channels 35 formed by the protrusions 36 of the housing 1.

На фиг. 1, 3, 4 сплошными линиями обозначены потоки пара, а пунктирными линиями - потоки масла. In FIG. 1, 3, 4, solid lines indicate steam flows, and dashed lines indicate oil flows.

Осуществление предлагаемого способа поясняется на примере работы паровой винтовой машины. The implementation of the proposed method is illustrated by the example of the operation of a steam screw machine.

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):m₂≤1,2, 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): m₁≤1,8, 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 > 0,8•m₁ 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 1,5≤V₅/V₂≤8, и отбирают при этом тепловую энергию E₂, значение которой выбирают в пределах 0,01≤E₂/E₁≤0,3 и преобразуют за счет вращения винтов 3, 4 паровой винтовой машины из тепловой энергии в механическую E₃, выбираемую в пределах 0,4≤E₃/E₂≤0,9 - 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.The coolant, in this case, the water vapor with the initial internal energy E _{1, is} supplied to the inlet pipe 10 (Fig. 1) of the steam screw machine, the mass m _{1 of} condensate is extracted from the coolant, which is taken with respect to the total mass m _{2 of the} coolant, within 1.001≤ (m ₁ + m ₂ ): m ₂ ≤1.2, which is determined by the difference between the initial and final values of the percentage of steam humidity when it enters and leaves the screw machine. The minimum value of the ratio will not provide the necessary heat difference, and the maximum value will allow you to get an excessive amount of condensate, which will complicate the rotation of the screw pair - leading and driven screws 3, 4 - and reduce the mechanical efficiency of the machine. Part of the condensate of mass m _{3 is} used to seal the gaps, for example, between screws 3 and 4, screws 3 and 4 and the walls of the high-pressure chamber 2, with respect to m ₁ within 1.0001≤ (m ₃ + m ₁ ): m ₁ ≤1.8, moreover, if the value of m ₃ is close to 0, then in this case the gaps between the screws 3 and 4, as well as the screws 3 and 4 and the chamber 2 practically remain not filled with condensate, and the efficiency of the machine is minimal due to steam leakage, and when m ₃ > 0.8 • m ₁ there is an excess of condensate, and part of the steam energy is expended in order to unscrew and remove with screws 3 and 4 l excessive condensate from the chamber 2 to the exhaust pipe 12, overcoming the frictional resistance of the screws 3 and 4. During the operation of the steam screw machine, the pressure and volume of the supplied coolant are regulated, and the total initial volume V _{2 of the} coolant with internal thermal energy E ₁ is changed, which fills the chamber 2 to a volume value of V _{5 the} ratios of which are selected in the range of 1.5≤V ₅ / V ₂ ≤8, and the thermal energy E ₂ is selected, the value of which is selected in the range of 0.01≤E ₂ / E ₁ ≤0 , 3 and transform due to the rotation of the screws 3, 4 of the steam tovoy machines of thermal energy into mechanical energy E ₃ selected within 0,4≤E ₃ / E ₂ ≤0,9 - this value characterizes the selected performance steam screw machine. With a minimum value of the E ₂ / E ₂ ratio, the installation is practically unprofitable, and the maximum value is limited by the technological requirements for the seals of the heat engine.

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 0,05≤V₁/V₂≤0,3, 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 2≤n≤10, причем при n=2 КПД не высокий, при n=10 появляется избыточный конденсат, увеличивается трение и падает КПД.During the operation of a steam screw machine, steam under high pressure is supplied to the inlet pipe 10 and drives the screws 3 and 4. In this case, if the screws 3, 4 have several blades, then the coolant will lose a certain part of pressure on each of them. The work performed also depends on the value of the volume V _{1 of the} chamber 2, filled with the bodies of the screws 3, 4, which with respect to the value of the volume V _{2 of the} cavity for the passage of the coolant formed by n channels between the side surfaces of the blades of the screws 3, 4 and the gaps between the inner surfaces of all the walls chamber 2 and the end surfaces of the propeller blades 3, 4, are selected in the range of 0.05≤V ₁ / V ₂ ≤0.3, where a smaller limit indicates a low power installation and the ratio V ₁ / V _{2 is} close to 0.3 and about the fact that a small amount of steam enters the machine and is not used form a constructive opportunities to achieve its optimum efficiency. At the same time, between the side surfaces of n screw blades 3 and 4 channels of successive decrease in coolant pressure are formed, where n is selected within 2≤n≤10, moreover, at n = 2 the efficiency is not high, at n = 10 there is excess condensate, friction increases and efficiency drops.

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):V₂≤1,05. Минимальные значения V₃ невозможно получить из-за технологического несовершенства оборудования; максимальное значение - конденсат не уплотняет зазоры.Of great importance to achieve the claimed technical result is the total volume of V ₃ channels, which is associated with the volume V _{2 of the} cavity for the passage of the coolant ratio of 1.0001≤ (V ₃ + V ₂ ): V ₂ ≤1.05. The minimum values of V ₃ cannot be obtained due to technological imperfection of the equipment; maximum value - condensate does not seal the gaps.

В качестве уплотняющего элемента использован конденсат, выделяемый теплоносителем, объем V₄ которого выбран по отношению к объему V₃ зон уплотнения в пределах 0,1≤V₄/V₃≤5, при этом минимальное значение соотношения практически не обеспечивает уплотнение зазоров, а максимальное - создает избыток конденсата, что приводит к потере мощности машины.As the sealing element, condensate is used, emitted by the heat carrier, the volume of V _{4 of} which is selected in relation to the volume of V ₃ of the sealing zones within 0.1≤V ₄ / V ₃ ≤5, while the minimum value of the ratio practically does not provide the seal of the gaps, and - creates an excess of condensate, which leads to a loss of machine power.

Зазор h между цилиндрической стенкой камеры 2 и торцевыми поверхностями лопастей винтов 3, 4 по отношению к диаметру D лопастей выбран в пределах 0,0002≤h/D≤0,002, где максимальные значения зазоров h обеспечивают получение показателей работы машины на уровне известных машин, а минимальные - технологически неосуществимыми. The gap h between the cylindrical wall of the chamber 2 and the end surfaces of the blades 3, 4 with respect to the diameter D of the blades is selected in the range 0.0002≤h / D≤0.002, where the maximum values of the gaps h provide the performance of the machine at the level of known machines, and minimal - technologically unfeasible.

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. The operation of the steam screw machine is as follows. Steam under high pressure is supplied to the inlet pipe 10 and drives the screws 3 and 4. The spent steam exits through the exhaust pipe 12 at a pressure higher than atmospheric. High pressure steam is supplied to the piston space of the cylinder 14, and the resulting force of the piston 13 provides unloading of the driving screw 3 in the axial direction. High pressure steam is also fed into the cavity 16 (Fig. 2) and provides the creation of a radial force F, unloading the bearing bearings 7, 8 (Fig. 1). When the steam flows through the channels 35 (Fig. 2) from the cavity 16 into the cavity 17, condensation occurs. The resulting condensate fills the gaps and reduces steam leakage. Thus, an effective radial unloading of the support 7, 8 (Fig. 1) is ensured with a minimum steam consumption. The oil pump 22 draws oil from the tank 21 and pressurizes it through the filter 24 and cooler 23 into the discharge oil line 20, from which it is supplied to the bearing bearings 7 and 8, to the gearbox 28 and to the synchronizing gears 9. Then the oil is drained into the tank 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. When the machine is inadmissible, oil is not allowed to enter chamber 2, and steam to chambers 18, 19. High-pressure steam passes through the o-rings 25 and enters the steam exhaust cavity 26 into the exhaust pipe 12. Considering that the pressure in the pipe 10 exceeds atmospheric, then small the amount of steam through the seal then enters the drainage cavity 27 associated with the atmosphere. On the opposite side of the sealing rings 22, the oil passes through the seal and enters the drainage cavity 27. The diaphragm 30 prevents contact of the steam and oil in the drainage cavity 27, in which case the oil is drained into the container 21 through the channel 31, and the steam is vented to the atmosphere through the channel 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. When the shaft 5 and 6 rotate, threads with opposite directions on the surface of the shaft 5 and 6 work like screw pumps, sucking air into the channel 43 and driving it towards the oil flow into the channel 31 and towards the 25 steam stream into the channel 32. Moreover, a reliable insulation of oil and steam volumes and ensures the operability of the steam screw machine.

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). As studies have shown, the specified technical result is confirmed, in particular, by examples of practical implementation of the invention, in the description of which it is impractical to repeat in each example the information common to them, reflected in the claims and description of the invention. When describing practical examples, it is advisable to give only quantitative information that distinguishes one example from another, which, for the convenience of comparison, is set out in tables 1 (option 1) and 2 (option 2) below.

Для сопоставления возможностей достижения указанного технического результата в каждом из примеров оказалось целесообразным использовать параметр ε, характеризующий получение более высокого коэффициента полезного действия паровой винтовой машины, в процессе экспериментального осуществления примеров заявляемого технического решения и прототипа. To compare the possibilities of achieving the specified technical result in each of the examples, it turned out to be advisable to use the parameter ε, characterizing the receipt of a higher efficiency of the steam screw machine, in the process of experimental implementation of the examples of the claimed technical solution and prototype.

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 ε₃= 4,8 - табл. 1 и ε₃= 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.Consider the examples of studies, the results of which are achieved on the basis of statistical processing of experimental data. The lower and upper values reflected in tables 1 and 2 of the claimed limits (example 1 and 2) were obtained mainly on the basis of the condition of approximation of the parameter

tab. 2), and also taking into account other known circumstances that impose restrictions on the claimed limits. In the optimal examples 3 of the practical implementation of the claimed object, the highest values of the parameters ε ₃ = 4.8 were achieved - table. 1 and ε ₃ = 4.95 - tab. 2. In optimal embodiments, the implementation of the claimed object, a positive result was achieved in comparison with the known machines by selecting the totality of the design solutions shown in tables 1 and 2 (examples 3), which ensured the maximum energy transfer by the heat carrier and the achievement of minimal losses along the entire path of work performed by the heat carrier .

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 ε = 1 и составляет

тaбл. 2. В произвольном примере 4 при использовании значений существенных параметров внутри заявляемых пределов было получено промежуточное значение технического результата ε₄= 3,5÷3,7 (табл.1,2).
Промышленная рименимость.When going beyond the lower (example 5) and upper (example 6) values of the claimed limits, the indicated technical result, as follows from tables 1 and 2, does not reach ε = 1 and amounts to

table 2. In an arbitrary example 4, when using the values of the essential parameters within the claimed limits, an intermediate value of the technical result was obtained ε ₄ = 3.5 ÷ 3.7 (Table 1.2).
Industrial Applicability.

Настоящее изобретение с успехом может быть использовано в энергетических установках, наземных и водных транспортных средствах. The present invention can be successfully used in power plants, land and water vehicles.

Claims

\ \\ 1 1. A steam screw machine, comprising a housing with a high-pressure chamber located inside it, in which the drive and driven screws are located with gaps relative to its walls, which engage with each other and are mounted on shafts that are installed at both ends in the supports and are connected by means of synchronizing gears, while the high-pressure chamber is in communication with the inlet pipe connected to the coolant collector and the outlet pipe, characterized in that the volume V <Mv> 1 <D> of the high-pressure chamber is filled with bodies leading and driven screws, selected with respect to the volume V <Mv> 2 <D> of the cavity for the passage of the coolant formed by n channels between the side surfaces of the screw cavities, where 2 <$ E << => n <$ E << => 10 , and the gaps between the inner surfaces of all the walls of the high-pressure chamber and the end surfaces of the screw blades within \\\ 6.05 <$ E >> => V <Mv> 1 <D> / V <Mv> 2 <D> < $ E << => 0.3, \\\ 1 and the total volume of V <Mv> 3 <D> channels between the side surfaces of the screw blades is connected with the volume V <Mv> 2 <D> of the cavity for the passage of the coolant with the ratio \\\ 6 1.0001 <$ E << => (V <Mv> 3 <D> + V <Mv> 2 <D>): V <Mv> 2 <D> <$ E << => 1.05,\\\ 1 and the volume V <Mv> 4 <D> of the annular gap formed between the inner surface of the cylindrical wall of the high-pressure chamber and the end surfaces of the screw blades facing this wall and bounded by the length of the screws is selected with respect to the total volume V <Mv > 3 <D> channels between the lateral surfaces of the screw blades within \\\ 6 0.1 <$ E << => V <Mv> 4 <D> / V <Mv> 3 <D> <$ E << = > 5, \\\ 1 and the value of h of the specified annular gap with respect to the diameter D of the blades is selected within \\\ 6 0.0002 <$ E << => h / D <$ E << => 0.002 \\ \ 1 and, in addition, in the inner cavity chambers are additionally formed chambers for oil circulation, in one of which there are bearings of one ends of the shafts of both screws and an output gear, and in the other chamber there are bearings of the other ends of the shafts and synchronizing gears, while the chambers for oil circulation and the high-pressure chamber are separated from each other using seals, and the machine is additionally equipped with a means of unloading the drive screw from axial forces and a means of unloading the shaft bearings from radial forces. \\\ 2 2. The machine according to claim 1, characterized in that the seals separating the high-pressure chamber from the oil circulation chambers are made in the form of rings mounted in groups on each shaft at both ends and connected to the walls of the housing, and the groups of rings placed at a distance from each other with the formation between them of the cavity of the removal of the coolant associated with the exhaust pipe, and a drainage cavity associated with the atmosphere. \\\ 2 3. The machine according to claim 2, characterized in that it further comprises a separating diaphragm located in the drainage cavities and having contact surfaces with corresponding shafts. \\\ 2 4. The machine according to claim 3, characterized in that an annular groove is made in the body of each separation diaphragm in the middle of the contact surface of the diaphragm with the cavity, the cavity of which is in communication with the atmosphere, while on the portion of the shaft surface in contact with the surface of the diaphragm thread with the opposite direction of its turns on opposite sides of the groove. \\\ 2 5. The machine according to claim 3, characterized in that an annular groove is made in the body of each dividing diaphragm in the middle of the contact surface of the diaphragm with the shaft, the cavity of which is in communication with the atmosphere, while the thread is made on the surface of the diaphragm in contact with the shaft with the opposite direction of its turns on different sides of the groove. \\\ 2 6. The machine according to claim 1, characterized in that the means of unloading the lead screw from axial forces are made in the form of a piston installed in the cavity of the cylinder, which is in communication with the collector of the coolant, and connected with the shaft of the lead screw. \\\ 2 7. The machine according to p. 1, characterized in that the means of unloading the shaft supports from radial forces are made in the form of two cavities enclosed between each shaft and the walls of the housing and diametrically located, while one cavity is in communication with the inlet pipe, and the other with graduation. \\\ 2 8. A method of converting thermal energy into mechanical energy, carried out in a steam screw machine, and including the accumulation of thermal energy in a heat carrier, which is used as steam, transporting high-pressure coolant to the screw mechanism of a steam engine and converting thermal energy into mechanical, characterized in that a coolant with internal thermal energy E <Mv> 1 <D> is supplied to the screw mechanism of the steam engine in the initial state, the condensate mass m <Mv> 1 <D> is extracted from it, which is taken relative to the total mass m <Mv> 2 <D> of the coolant within \\\ 6 1.001 <$ E << => (m <Mv> 1 <D> + m <Mv> 2 <D>): m < Mv> 2 <D> <$ E << => 1,2, \\\ 1 part of the condensate with mass m <Mv> 3 <D> is used to seal the gaps between the screws and the machine body, choosing the mass m <Mv> 3 < D> of the indicated part of the condensate with respect to its total mass m <Mv> 1 <D> within \\\ 6 1.0001 <$ E << => (m <Mv> 3 <D> + m <Mv> 1 <D>): m <Mv> 1 <D> <$ E << => 1.8, \\\ 1 while the total initial volume V <Mv> 2 <D> of the coolant is changed to the volume V <Mv> 5 <D>, the ratio of which is selected within \\\ 1.5 <$ E << => V <Mv> 5 <D> / V <Mv> 2 <D> <$ E << => 8, \ \\ 1 simultaneously emit thermal energy E <Mv> 2 <D>, the value of cat swarm is selected within \\\ 6 0.01 <$ E << => E <Mv> 2 <D> / E <Mv> 1 <D> <$ E << => 0.3 \\\ 1 and transform this energy into mechanical energy, the value of E <Mv> 3 <D> of which is chosen within the limits \\\ 6 0.4 <$ E << => E <Mv> 3 <D> / E <Mv> 2 <D> <$ E << => 0.9.