ГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ТУРБИНА Российский патент 1997 года по МПК F03B13/00 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к гидравлическим турбинам и может быть использовано на транспорте, в спортивных средствах передвижения, глубоководных аппаратах, торпедах.

Известен турбинный двигатель торпеды (см. Сереженков С.Н. Титов В.А. Ракетное противолодочное и торпедное оружие. -: М. Военное изд. 1986. с. 28). Недостатком данной турбины является, высокая температура и обороты при которых работают лопатки.

Известна также однокорпусная турбина для атомного ледокола (см. Слободянюк П.И. Поляков В.И. Судовые паровые и газовые турбины и их эксплуатация. -: Л. Судостроение. 1983. с. 77) выбранная автором в качестве прототипа, состоящая из корпуса, дисков с рабочими лопатками, рабочего вала.

Недостатком всех паровых турбин является то, что это двигатель высоких скоростей истечения пара и частоты вращения, в результате, условия турбинных лопаток очень тяжелые. Рабочие лопатки вращаются с очень высокой скоростью, это вызывает большие центробежные силы, стремящиеся разорвать лопатку. Высокие температуры, при которых работают лопатки, вызывают в материале явления ползучести.

Лопатки турбины атомных подводных лодок, работают с влажным паром, это вызывает их эрозию и коррозию. Из-за большой частоты вращения турбины, приходится использовать понижающие редукторы, т. к. гребной винт должен вращаться на крупных судах со скоростью 80 200 об/мин.

Кроме того, работа турбинной установки, сопровождается повышенным шумом, все это способствует обнаружению атомных подводных лодок при движении в подводном положении.

Изобретение обеспечивает: создание малошумных, мощных гидравлических турбин не требующих применения редуктора, роторы которых размещены соосно и вращаются в противоположные стороны с одинаковой скоростью. При этом один выходной рабочий вал размещен внутри другого.

Указанный результат достигается тем, что в гидротурбине возвратно-поступательное движение поршня через жидкость преобразуется во вращательное движение выходных рабочих валов, т.е. потенциальная энергия жидкости преобразуется в кинетическую за счет скоростного напора, которая в рабочем аппарате превращается в механическую работу вращения соосных валов турбины. Пар, вырабатываемый парогенератором, или углекислый газ, находящийся в резервуаре в сжиженном состоянии, под большим давлением, подается через (машинный регулятор) редукционный клапан, подогреватель, амортизатор-форсунку в обогреваемый цилиндр, давит на поршень, перемещающийся в цилиндре, расположенном соосно с выходным рабочими валами гидротурбины, при движении поршень оказывает давление на жидкость в корпусе турбины, перетекая из цилиндра, через лопатки направляющего аппарата жидкость "закручивается". Вращающийся поток жидкости, перетекая из цилиндра между торцовой частью первого ротора турбины и торцовой стенкой корпуса, оказывает воздействие на серпообразные углубления в торцевой части первого ротора, заставляя ротор вращаться в направлении потока жидкости. Далее поток меняет свое направление на 90^o, "закрученная" жидкость, проходя между полукруглыми рабочими лопатками первого ротора турбины, создает дополнительный вращающий момент на рабочем валу и, изменив направление движения, воздействует на рабочие лопатки второго ротора турбины, заставляя его вращаться в направлении, противоположном вращению первого ротора.

Затем "закрученный" в направлении противоположном вращению ротора поток жидкости, проходя между торцевой часть второго ротора и торцевой переборкой буферной полости, создавая некоторый тормозящий момент ротору в результате воздействия на серпообразные углубления в торцовой части ротора, снижает скорость, попадает в буферную полость, частично заполненную воздухом и сжимает его. После открытия выпускных окон давление в цилиндре резко падает, находящийся под давлением в буферной полости воздух, вытесняя жидкость через лопатки направляющего аппарата, закручивающего поток в направлении вращения второго ротора, заставляет ее перетекать в обратном направлении, воздействуя на серпообразные углубления и лопатки роторов турбины, заставляя роторы вращаться в том же направлении. При этом поршень под давлением жидкости перемещается в обратном направлении, к в.м.т. к крышке цилиндра.

Затем цикл повторяется.

Двигатель обеспечивает лучшие технические показатели за счет устранения понижающего редуктора и использования в качестве рабочего тела углекислого газа или пара при использовании его в качестве главного двигателя для торпед.

На фиг. 1 представлена схема гидротурбины; на фиг. 2 направляющий аппарат в цилиндре; на фиг. 3 переборка буферной полости с лопатками направляющего аппарата в центральном отверстии, и уровень жидкости в буферной полости, во время нахождения поршня в верхней мертвой точке (в.м.т.); на фиг. 4 уровень жидкости в буферной полости, во время нахождения поршня в нижней мертвой точке (н.м.т.); на фиг. 5 схема амортизатора-форсунки; на фиг. 6 - торцовая часть ротора со стороны серпообразных углублений.

Гидротурбина состоит из цилиндрического корпуса 1, разделенного внутренней переборкой 2 с центральным отверстием 3 на две полости: 4 и 5. В полости 4 размещены с возможностью вращения вокруг своей оси два ротора 6 и 7 с жестко закрепленными на них рабочими лопатками 8.

С торцов роторов 6 и 7, обращенных к торцам переборок, выполнены по периметру серпообразные углубления 9. Ротор 6 насажен на цилиндрический рабочий вал 10, проходящий сквозь пустотелый рабочий вал 11 ротора 7, проходящий сквозь втулку 12 торцовой крышки 13, буферной полости 5, сообщающейся с полостью 4 центральным отверстием 3 с направляющими лопатками 14. С наружной стороны крышки 15, полости 4 жестко закреплен по центру цилиндр 16, сообщающийся патрубком 17 через выпускное окно 18 с конденсатором 19. Цилиндр 16 закрыт крышкой 20 с вспомогательным клапаном 21 и ароматизатором-форсункой 22 подачи рабочего тела в цилиндр 16. С открытой стороны в цилиндре 16 закреплены лопатки направляющего аппарата 23, а коренные концы лопастей закреплены на ступице амортизаторов 24, в отверстии которой размещен конец рабочего вала 10 ротора 6. С наружной стороны цилиндра 16 размещен кольцевой обогреватель 25. В цилиндре 16 размещен пустотелый поршень 26 с возможностью возвратно-поступательного движения. Часть буферной полости 5, полость 4 и подпоршневая полость цилиндра 16 заполнены жидкостью (например маслом). При неработающем двигателе, поршень 26, всегда будет находится в верхней мертвой точке а клапан амортизатора-форсунки 22, будет открыт.

При подаче (рабочего тела) углекислого газа в цилиндр 16, через амортизатор-форсунку 22, в крышке цилиндра 20, поршень 26 будет перемещаться к крышке 15 под давлением CO₂, воздействуя на жидкость, заставляя ее перетекать из подпоршневой полости в цилиндре 16 через лопатки направляющего аппарата 23 в полость 4. "Закрученный" поток жидкости воздействует на серпообразные углубления 9, заставляя ротор 6 вращаться в сторону потока жидкости, а затем воздействует на рабочие лопатки 8 ротора 6 и ротора 7, заставляя роторы вращаться в противоположные стороны. Затем жидкость, изменив направление потока, проходит между внутренней переборкой 2 и торцовой частью ротора 7 с серпообразными углублениями, создавая некоторый тормозящий момент ротору 7, попадает в буферную полость 5, сжимая находящийся там воздух.

После открытия выпускного окна 18 отработавший пар или газ через патрубок 17 выходит в конденсатор 19, давление в цилиндре 16 резко падает, сжатый жидкостью воздух в буферной полости 5, расширяясь, воздействует на жидкость, заставляя ее перетекать из буферной полости 5 через отверстие 3 в полость 4, при этом поток закручивается направляющими лопатками 14 в сторону вращения ротора 7 и, воздействуя на серпообразные углубления в торцовой части ротора 7, создавая дополнительный крутящий момент на валу 11, ротора 7, заставляя ротор 7 вращаться в первоначальном направлении. Затем, проходя рабочие лопатки 8 роторов 7 и 6, заставляет роторы вращаться в противоположных направлениях и, изменив направление закрутки, создавая некоторый тормозящий момент ротору 6, пройдя через направляющий аппарат 23, воздействуя на поршень 26, заставляя его двигаться к крышке 20 цилиндра 16 (к в.м.т.), заполняя объем под поршнем 26 в цилиндре 16. При подходе к в.м.т. поршень 26 своим днищем сжимает амортизатор-форсунку 22 подачи рабочего тела, и рабочий цикл повторяется. Клапан 21 служит как дополнительный, вспомогательный.

Гидротурбина проста по устройству, надежна в работе.

В основном предназначена как главный двигатель для торпеды, работающий на углекислом газе.

Использование: в машиностроении. Сущность изобретения: возвратно-поступательное движение поршня, через жидкость, воздействующую на рабочие лопатки роторов, преобразуется во вращательное движение рабочих валов. Гидротурбина состоит из корпуса 1, разделенного перегородкой 2 на полости 4 и 5. В полости 4 размещены соосно два ротора 6 и 7, полость 5 буферная. Цилиндр 16 содержит поршень 26. Гидротурбина позволяет создать большой вращающий момент при любых оборотах. Не нужен понижающий обороты редуктор, бесшумность при работе. 6 ил.

Гидравлическая турбина, содержащая корпус, ротор с рабочими лопатками и рабочий вал, отличающаяся тем, что она снабжена цилиндром с впускным клапаном, выпускным патрубком и поршнем, установленным в цилиндре с образованием рабочей и приводной полостей, в рабочей полости установлен направляющий аппарат, корпус разделен внутренней переборкой с центральным отверстием и размещенными в нем направляющими лопатками на буферную полость и роторную полость, сообщенную с рабочей полостью цилиндра, закрепленного на корпусе со стороны роторной полости соосно роторам, установленным соосно в роторной полости, причем каждый ротор имеет свой рабочий вал, на торцах роторов, обращенных к переборкам, выполнены серпообразные углубления, при этом часть буферной полости, роторная и рабочая полости заполнены маслом.