РЕАКТИВНАЯ ТУРБИНА Российский патент 1994 года по МПК F01D1/18 

Изобретение относится к турбостроению и может быть использовано на тепловых электрических станциях, в автомобильном транспорте, в авиации и других областях народного хозяйства.

Известна реактивная турбина, состоящая из барабанного ротора с рабочими лопатками, размещенного в корпусе с неподвижными лопатками. Лопатки образуют на входе кольцевую камеру для питания турбины паром, откуда он идет на неподвижные направляющие лопатки первой ступени. В междулопаточных каналах пар расширяется, скорость его возрастает, и он попадает в первый ряд первичных (рабочих) лопаток, где его давление продолжает падать, а скорость возрастает. Проходя последовательно межлопаточные каналы, объем пара по мере понижения давления возрастает и для съема энергии длину лопаток в турбине увеличивают.

По достижении большой длины лопаток увеличивают уже диаметр барабана, что позволяет разместить большое количество рабочих лопаток.

Недостатком турбины является ее громоздкость и потеря пара через зазоры между подвижными лопатками и корпусом турбины.

Известна турбина Юнгстрема, работающая по чисто реактивному принципу с радиальным протоком пара, направленного от центра к периферии торцовых дисков. Турбина содержит два независимых вала, на концах которых насажены диски с кольцевыми рядами лопаток, размещенными между лопатками второго диска и вращающимися в противоположные стороны.

Конструкция позволяет уменьшить количество ступеней, т.е. она компактнее, но она сложнее, подвержена большим осевым усилиям. Кроме того, в турбине усложнена система уплотнения деталей для уменьшения потерь пара.

Наиболее близкой по конструктивным признакам является паровая турбина, содержащая корпус с тангенциально установленным соплом, ротор с радиальными каналами, сообщающими полую ступицу с периферийной кольцевой полостью постоянного поперечного сечения, при этом вход каналов расположен в одной плоскости поперечного сечения корпуса, а выход - по меньшей мере в трех параллельных плоскостях поперечного сечения полой ступицы.

Недостаток турбины - потери энергии, связанные с вихревым движением частиц пара при выходе из сопла, и потери, характерные для активных турбин.

При изменении потока движения пара в известной турбине на радиальное от центра к периферии и выводе пара через кольцевую полость будет использоваться только реактивная сила струи и не используется остаточная активная сила пара (газа).

Целью изобретения является улучшение использования энергии рабочего тела (пара или газа) за счет повышения эффективности использования активной составляющей в реактивной турбине.

Цель достигается тем, что в реактивной турбине, содержащей статор, размещенный на полом валу ротор с закрепленными торцевыми дисками и изогнутыми радиальными каналами, периферийную кольцевую полость, средства ввода и вывода рабочего тела, статор снабжен радиальными отражателями, диски ротора имеют сегментные окна, сообщающие полости между отражателями с кольцевой полостью, а межоконными перемычками образующие с указанными полостями и цилиндрической образующей ротора замкнутую систему.

Сравнение заявляемого решения с прототипом позволяет сделать вывод о соответствии его критерию "новизна", так как предлагаемое устройство характеризуется наличием новых элементов - отражателями и новой связью между каналами ротора и кольцевой полостью.

Анализ других известных решений показал, что в корпусе турбины (статоре) используются элементы, внешне подобные отражателям - неподвижные лопатки. Однако в известном решении они выполняют функцию направляющих, а взаимное расположение с подвижными лопатками ротора их такое, что они образуют канал для рабочего тела.

В предлагаемом решении при наталкивании активной массы на отражатель скорость понижается до нуля, а кинетическая энергия потока преобразуется в силу реакции, которая на валу ротора образует крутящий момент. От силы реакции ротор с каналами приходит в движение и движется со скоростью, равной скорости потока внутри канала, но в обратном направлении. Отраженный поток выполняет уже роль активной массы с вектором скорости, совпадающим по направлению с вращением ротора, благодаря чему наиболее полно используется энергия рабочего тела. В совокупности с признаком "размещение окон", позволяющих организовать выход рабочего тела при повороте ротора, предлагаемое решение можно признать соответствующим критерию "существенные отличия".

На фиг.1 изображена реактивная турбина; на фиг.2 - то же, вид с торца; на фиг. 3 - узел замкнутой системы; на фиг.4 - разрез статора и дисков по выпускному окну; на фиг. 5 - разрез статора и дисков по межоконной перемычке; на фиг.6 - разновидность формы выполнения отражателей.

Реактивная турбина состоит из полого вала 1, прижимного кольца 2, торцовых покрывных дисков 3 с перемычками 4 и глухой частью 5 между выпускными сегментными окнами 6, закрепленных на роторе 7, наружная цилиндрическая поверхность 8 которого проходит по нижней границе выпускных окон 6. От полого вала 1 по ротору 7 в радиальном направлении идут расширяющиеся к периферии ротора каналы 9.

Корпус турбины выполнен в виде статора 10 с радиально размещенными отражателями 11 и с периферийной кольцевой полостью 12, соединяющейся с выходным патрубком 13, а через окна 6 - с полостями 14 между отражателями 11. Полости между отражателями 11 и подвижной частью ротора, ограничивающиеся частью цилиндрической поверхности 8 и межоконными перемычками 4 дисков 3, образуют замкнутую систему, соединяющуюся при повороте ротора через окна 6 с кольцевой выпускной полостью 12.

Турбина работает следующим образом.

По полому валу рабочее тело (пар или газ) поступает в каналы 9 ротора 7. При выходе из каналов образуется реактивная сила, создающая крутящий момент. При выходе рабочего тела из каналов оно наталкивается на отражатели 11, где скорость потока понижается до нуля, а далее при повороте ротора рабочее тело, выходя из замкнутой системы, сообщает активную энергию, совпадающую с основным крутящим моментом, образованным реактивной силой. Отработавшая масса рабочего тела выводится через кольцевую полость 12 и патрубок 13.

Использование предлагаемого изобретения позволит с помощью замкнутой системы преобразовать кинетическую энергию скорости потока в силу реакции и дополнительную активную энергию, совпадающую по направлению с основным крутящим моментом, что создает предпосылки для создания одноступенчатой турбины при полном использовании энергии рабочего тела.

Использование: в качестве первичного источника механической энергии в стационарных и транспортных установках. Сущность изобретения: реактивная турбина с ротором, установленным на полом валу, радиальными отражателями, закрепленными в статоре, и выходным патрубком, снабжена торцевыми дисками, закрепленными на роторе, имеющими сегментные окна с разделительными перемычками, так, что поверхность между радиальными отражателями, разделительные перемычки и поверхность ротора образуют замкнутые полости. 6 ил.

РЕАКТИВНАЯ ТУРБИНА, содержащая статор с выходным патрубком, закрепленный на полом валу ротор с размещенными в нем рабочими каналами, периферийную кольцевую полость, соединенную с выходным патрубком, отличающаяся тем, что, с целью увеличения эффективности, статор снабжен радиальными отражателями с полостями между ними, ротор - торцевыми дисками, имеющими сегментные окна с установленными в них межоконными перемычками, соединяющие полости между радиальными отражателями с периферийной кольцевой полостью, причем межоконные перемычки, радиальные отражатели и ротор расположены с образованием замкнутой полости.