ТУРБИНА Российский патент 2003 года по МПК F01D1/32 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к гидравлическим, пневматическим и паровым турбинам для привода электрогенераторов, компрессоров холодильных установок, тепловых насосов и тому подобное.

Известна струйная реактивная турбина, содержащая рабочее колесо, выполненное в виде трубы с закрытым концом, скрепленной соосно с валом, установленной с возможностью вращения, на трубе радиально закреплена с противоположных сторон по крайней мере одна пара патрубков с открытыми концами, оболочку, установленную с возможностью вращения и охватывающую колесо, охватывающий колесо и оболочку корпус с отверстиями для размещения вала и со штуцерами для подачи и выхода рабочего тела. На оболочке закреплена с противоположных сторон по крайней мере одна пара патрубков с открытыми концами. Оболочка и рабочее колесо установлены на одном валу (патент США №3282560, НКИ 415-80, 1965).

Недостатком известной турбины является жесткая связь оболочки и рабочего колеса, установленных на едином валу, и вращение рабочего колеса и оболочки в одну сторону, что обеспечивает получение механической энергии только от одной оболочки, а патрубки рабочего колеса являются лишь дросселирующими давление подачи рабочего тела элементами турбины, приводящими к бесполезным потерям энергии и низкому коэффициенту полезного действия.

Кроме того, низкая прочность длинной цилиндрической оболочки с многими отверстиями на ее поверхности ограничивает окружную скорость оболочки и еще больше понижает коэффициент полезного действия турбины.

Известна двухвальная радиальная турбина, содержащая сегнерово колесо, выполненное в виде трубы с закрытым концом, скрепленной соосно с валом, установленной с возможностью вращения, на трубе радиально закреплена с противоположных сторон по крайней мере одна пара патрубков с отогнутыми в противоположные стороны от их оси открытыми концами, причем оси отогнутых открытых концов патрубков перпендикулярны плоскости, проходящей через оси пары патрубков и ось трубы, а в стенке трубы соответственно патрубкам выполнены отверстия, оболочку, скрепленную соосно с валом, установленным с возможностью вращения, и охватывающую сегнерово колесо, охватывающий сегнерово колесо и оболочку корпус с отверстиями для размещения трубы сегнерова колеса и валов сегнерова колеса и оболочки и со штуцером для выхода рабочего тела. Оболочка выполнена в виде лопаточной турбины ( патент Швейцарии №669428, МПК F 01 D 1/28, 1989, ближайший аналог).

Недостатком известной турбины является то, что в оболочке, выполненной в виде лопаточной турбины, лопатки крепятся к диску по его торцу, что увеличивает центробежную нагрузку на лопатки за счет дополнительного момента, а узел крепления лопаток не способен нести высокую нагрузку, что требует понижения окружных скоростей лопаточной турбины и снижает коэффициент полезного действия лопаточной турбины.

Для прохода между лопатками поток рабочего тела от сопел ротора должен быть направлен на лопатки под определенным углом, определяемым формой лопаток и формой потока из сопел. В известной турбине поток рабочего тела из сопел попадает на лопатки под разными углами, что в среднем приведет к увеличенным углам, принятым в турбинах с отдельным сопловым аппаратом, и падению коэффициента полезного действия.

Использование полого ротора (сегнерова колеса) приводит к потерям на трение за счет возникновения в полости ротора циркуляции рабочего тела, увлекаемого за счет вязкости на стенках и обратного течения в средней части полости ротора (сегнерова колеса), то есть образованию парного вихря. В результате теряется мощность, отбираемая от ротора с полостью.

При парциальном подводе рабочего тела к оболочке (лопаточной турбине) от четырех сопел ротора (сегнерова колеса), которое само вращается в обратную сторону, рабочее тело, находящееся между лопатками при низком давлении, в момент соприкосновения с потоками от сопел ротора выталкивается - “выколачивается”, разгоняясь до скорости потока, попадающего из сопел ротора, на что затрачивается часть энергии потока.

В оболочке (лопаточной турбине) существуют потери на ускорение рабочего тела в радиальных лопатках от центробежных сил.

Кроме того, есть потери на вентиляцию за счет циркуляции рабочего тела между лопатками при истечении через отверстия в оболочке.

Также из вращающейся оболочки в виде лопаточной турбины рабочее тело истекает со скоростью, значительно отличающейся от скорости вращения оболочки, что приводит к потерям энергии.

Предлагаемой турбиной решается задача увеличения механической энергии, получаемой в турбине путем увеличения коэффициента полезного действия вследствие минимальных потерь энергии при истечении рабочего тела из оболочки с последующей передачей энергии одному потребителю с заданной угловой скоростью.

Задача создания турбины решается тем, что в турбине, содержащей сегнерово колесо, выполненное в виде трубы с закрытым концом, скрепленной соосно с валом, установленной с возможностью вращения, на трубе радиально закреплена с противоположных сторон по крайней мере одна пара патрубков с отогнутыми в противоположные стороны от их оси открытыми концами, причем оси отогнутых открытых концов патрубков перпендикулярны плоскости, проходящей через оси пары патрубков и ось трубы, а в стенке трубы соответственно патрубкам выполнены отверстия, оболочку, скрепленную соосно с валом, установленным с возможностью вращения, и охватывающую сегнерово колесо, охватывающий сегнерово колесо и оболочку корпус с отверстиями для размещения трубы сегнерова колеса и валов сегнерова колеса и оболочки и со штуцером для выхода рабочего тела, согласно изобретению оболочка выполнена в виде цилиндрического барабана, цилиндрический поясок барабана примыкает к отогнутым концам патрубков сегнерова колеса с зазором, на цилиндрическом пояске барабана радиально закреплена с противоположных сторон по крайней мере одна пара патрубков с открытыми концами, отогнутыми в разные стороны от их оси, противоположные сторонам патрубков сегнерова колеса, причем оси отогнутых открытых концов патрубков барабана перпендикулярны плоскости, проходящей через оси пары патрубков барабана и ось трубы, в стенке пояска соответственно патрубкам выполнены отверстия, а турбина снабжена вторым корпусом с расположенными в нем валами сегнерова колеса и барабана и размещенными на них шестернями и выходящим из второго корпуса валом отбора мощности, установленным с возможностью вращения, с размещенными на нем шестернями кинематически связанными с шестернями валов сегнерова колеса и барабана и обеспечивающими встречное вращение валов сегнерова колеса и барабана.

Выполнение оболочки в виде цилиндрического барабана, примыкание цилиндрического пояска барабана к отогнутым концам патрубков сегнерова колеса с зазором, закрепление на цилиндрическом пояске барабана радиально с противоположных сторон по крайней мере одной пары патрубков с открытыми концами, отогнутыми в разные стороны от их оси, противоположные сторонам патрубков сегнерова колеса, причем оси отогнутых открытых концов патрубков барабана перпендикулярны плоскости, проходящей через оси пары патрубков барабана и ось трубы, а в стенке пояска соответственно патрубкам выполнены отверстия, и также снабжение вторым корпусом с расположенными в нем валами сегнерова колеса и барабана и размещенными на них шестернями и выходящим из второго корпуса валом отбора мощности, установленным с возможностью вращения, с размещенными на нем шестернями, кинематически связанными с шестернями валов сегнерова колеса и барабана и обеспечивающими встречное вращение валов сегнерова колеса и барабана, позволяют отработанному рабочему телу, выходящему из сегнерова колеса, взаимодействовать с цилиндрическим пояском барабана, установленным очень близко на расстоянии зазора от отогнутых концов патрубков сегнерова колеса, приводя его во вращение, и при истечении из открытых концов патрубков барабана усиливать вращение барабана с последующей передачей вращательного движения на вал отбора мощности одному потребителю с заданной угловой скоростью.

Кроме того, истечение из открытых концов цилиндрического барабана рабочего тела происходит со скоростью, близкой к окружной скорости цилиндрического барабана в обратном направлении, так что абсолютная скорость потока рабочего тела близка к нулю, что повышает коэффициент полезного действия турбины.

Использование одной и более пар патрубков позволяет приводить во вращение барабан и получать от него дополнительную механическую энергию.

Таким образом появляется дополнительная механическая энергия от вращения барабана, что повышает коэффициент полезного действия турбины.

На фиг. 1 изображен общий вид турбины в разрезе; на фиг. 2 - вид по А на фиг. 1.

Турбина содержит сегнерово колесо, выполненное в виде трубы 1 с закрытым концом, скрепленной соосно с валом 2, труба 1 с валом 2 установлены с возможностью вращения на подшипниках. На трубе 1 закреплены радиально с противоположных сторон по крайней мере одна пара патрубков 3 с отогнутыми в противоположные стороны открытыми концами 4, оси отогнутых открытых концов 4 патрубков 3 перпендикулярны плоскости, проходящей через оси пары патрубков 3 и ось трубы 1, а в стенке трубы 1 соответственно патрубкам 3 выполнены отверстия 13. Открытые концы 4 могут быть выполнены в виде сопел. Цилиндрический барабан 5, скрепленный соосно с валом 6, установлен соосно трубе 1 с возможностью вращения на подшипниках и охватывает сегнерово колесо. Цилиндрический поясок 7 цилиндрического барабана 5 примыкает к отогнутым открытым концам 4 патрубков 3 сегнерова колеса с зазором. На цилиндрическом пояске 7 цилиндрического барабана 5 закреплены радиально с противоположных сторон по крайней мере одна пара патрубков 8 с открытыми концами 9, отогнутыми в разные стороны от их оси, противоположные сторонам патрубков 3 сегнерова колеса. Оси отогнутых открытых концов 9 патрубков 8 цилиндрического барабана 5 перпендикулярны плоскости, проходящей через оси пары патрубков 8 цилиндрического барабана 5 и ось трубы 1. В стенке цилиндрического пояска 7 цилиндрического барабана 5 соответственно патрубкам 8 выполнены отверстия 10. Имеется корпус 11, охватывающий сегнерово колесо и цилиндрический барабан 5, с отверстиями для размещения трубы 1 сегнерова колеса и валов 6 и 2 цилиндрического барабана 5 и сегнерова колеса и со штуцером 12 для выхода рабочего тела. Корпус 11 соединен с входным патрубком 14 подачи рабочего тела. Труба 1 сегнерова колеса имеет на входной его части многочисленные проточки, образуя вместе с входным патрубком 14 лабиринтные уплотнения, обеспечивающие минимальные утечки рабочего тела, подаваемого в турбину.

Во втором корпусе 15 расположены вал 2 сегнерова колеса и вал 6 цилиндрического барабана 5, выходящие из корпуса 11. На валу 2 сегнерова колеса и валу 6 цилиндрического барабана 5 размещены соответственно шестерни 17 и 16. Вал 18 отбора мощности расположен во втором корпусе 15 с возможностью вращения и выходит из него для соединения с потребителем. На валу 18 отбора мощности размещена шестерня 19, кинематически соединенная с шестерней 16 вала 6 цилиндрического барабана 5, и шестерня 20 кинематически соединенная через шестерню 21 с шестерней 17 вала 2 сегнерова колеса, обеспечивающие встречное вращение валов 2 и 6 сегнерова колеса и цилиндрического барабана 5.

Турбина работает следующим образом.

Рабочее тело подают во входной патрубок 14 и трубу 1 сегнерова колеса и далее подают в каналы каждой пары патрубков 3. Рабочее тело истекает с высокой скоростью из противоположных открытых концов 4 патрубков 3, разгоняясь в одном направлении вдоль окружности перпендикулярно радиусу сегнерова колеса с обеспечением его вращения за счет создания момента реактивных сил.

Отработанный поток рабочего тела из открытых концов 4 патрубков 3 с высокой скоростью попадает в полость закрытого пространства вокруг сегнерова колеса, создаваемого цилиндрическим барабаном 5, и взаимодействует с трением со стенкой цилиндрического барабана 5, приводя его во вращение. Далее рабочее тело попадает в пару патрубков 8 цилиндрического барабана 5 и истекает через открытые концы 9 с высокой скоростью, разгоняясь и приводя во вращение цилиндрический барабан 5 за счет создания момента реактивных сил.

В процессе вращения цилиндрического барабана 5 истекающий из открытых концов 4 поток рабочего тела затормаживается внутри цилиндрического барабана 5 силами трения до его окружной скорости, создавая момент трения, вращающий цилиндрический барабан 5. Одновременно при вращении цилиндрического барабана 5 внутри него на рабочее тело действуют центробежные силы, создавая центробежное давление, под действием которого происходит истечение рабочего тела из открытых концов 9 цилиндрического барабана 5, создавая добавочный момент, суммирующийся с моментом трения.

От вращающихся сегнерова колеса и цилиндрического барабана 5 вращения передаются соответственно валам 2 и 6 и далее через шестерни 17, 16, и 19, 20, 21 на вал 18 отбора мощности к потребителю. Подбор соответствующих шестерен позволяет стыковать турбину с различными потребителями на заданные угловые скорости.

Таким образом, происходит полезное использование энергии отработанного в сегнеровом колесе рабочего тела и получение дополнительной мощности.

Далее рабочее тело поступает в корпус 11 и выходит через штуцер 12 для выхода рабочего тела.

В качестве рабочего тела в турбине могут использоваться жидкость, газ или пар.

Предложенная турбина прошла успешно испытания.

Турбина содержит сегнерово колесо, выполненное в виде трубы с закрытым концом, скрепленной соосно с валом, установленной с возможностью вращения. На трубе радиально закреплена с противоположных сторон, по крайней мере, одна пара патрубков с отогнутыми в противоположные стороны от их оси открытыми концами. Оси отогнутых открытых концов патрубков перпендикулярны плоскости проходящей через оси пары патрубков и ось трубы. В стенке трубы соответственно патрубкам выполнены отверстия. Турбина также содержит оболочку, скрепленную соосно с валом, установленным с возможностью вращения, и охватывающую сегнерово колесо, и охватывающий сегнерово колесо и оболочку корпус с отверстиями для размещения трубы сегнерова колеса и валов сегнерова колеса и оболочки и со штуцером для выхода рабочего тела. Оболочка выполнена в виде цилиндрического барабана. Цилиндрический поясок барабана примыкает к отогнутым концам патрубков сегнерова колеса с зазором. На цилиндрическом пояске барабана радиально закреплена с противоположных сторон, по крайней мере, одна пара патрубков с открытыми концами, отогнутыми в разные стороны от их оси, противоположные сторонам патрубков сегнерова колеса. Оси отогнутых открытых концов патрубков барабана перпендикулярны плоскости, проходящей через оси пары патрубков барабана и ось трубы. В стенке пояска соответственно патрубкам выполнены отверстия. Турбина снабжена вторым корпусом с расположенными в нем валами сегнерова колеса и барабана и размещенными на них шестернями и выходящим из второго корпуса валом отбора мощности, установленным с возможностью вращения, с размещенными на нем шестернями, кинематически связанными с шестернями валов сегнерова колеса и барабана и обеспечивающими встречное вращение валов сегнерова колеса и барабана. Изобретение позволяет увеличить механическую энергию, получаемую в турбине за счет полезного использования избыточной кинетической энергии потока рабочего тела, с последующей передачей энергии одному потребителю с заданной угловой скоростью. 2 ил.

Турбина, содержащая сегнерово колесо, выполненное в виде трубы с закрытым концом, скрепленной соосно с валом, установленной с возможностью вращения, на трубе радиально закреплена с противоположных сторон, по крайней мере, одна пара патрубков с отогнутыми в противоположные стороны от их оси открытыми концами, причем оси отогнутых открытых концов патрубков перпендикулярны плоскости, проходящей через оси пары патрубков и ось трубы, а в стенке трубы соответственно патрубкам выполнены отверстия, оболочку, скрепленную соосно с валом, установленным с возможностью вращения, и охватывающую сегнерово колесо, охватывающий сегнерово колесо и оболочку корпус с отверстиями для размещения трубы сегнерова колеса и валов сегнерова колеса и оболочки и со штуцером для выхода рабочего тела, отличающаяся тем, что оболочка выполнена в виде цилиндрического барабана, цилиндрический поясок барабана примыкает к отогнутым концам патрубков сегнерова колеса с зазором, на цилиндрическом пояске барабана радиально закреплена с противоположных сторон, по крайней мере, одна пара патрубков с открытыми концами, отогнутыми в разные стороны от их оси, противоположные сторонам патрубков сегнерова колеса, причем оси отогнутых открытых концов патрубков барабана перпендикулярны плоскости, проходящей через оси пары патрубков барабана и ось трубы, а в стенке пояска соответственно патрубкам выполнены отверстия, а турбина снабжена вторым корпусом с расположенными в нем валами сегнерова колеса и барабана и размещенными на них шестернями и выходящим из второго корпуса валом отбора мощности, установленным с возможностью вращения, с размещенными на нем шестернями, кинематически связанными с шестернями валов сегнерова колеса и барабана и обеспечивающими встречное вращение валов сегнерова колеса и барабана.