ОСЕВАЯ ПРОТОЧНАЯ ТУРБИНА Российский патент 2007 года по МПК F01D1/26 

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в прямоточных турбинах, преобразующих кинетическую энергию потока рабочей среды в механическую энергию на валу.

Известна осевая проточная турбина с двумя встречно вращающимися рабочими колесами, в которой вал одной турбины располагается внутри вала другой турбины. К валам рабочих колес, вращающихся в разные стороны, могут присоединяться валы роторов генераторов или валы ротора и контрротора контрроторного агрегата (см. Политехнический словарь, под редакцией А.Ю.Ишлинского, М., БРЭ, 2000 г., с.500).

Недостатком известной турбины является ограниченная выходная мощность из-за невозможности увеличения числа рабочих колес, вращаемых в разные стороны, в силу самой конструкции, имеющей соосные валы (один внутри другого), на которых жестко закреплены каждый на своем валу рабочие колеса.

Известна также многоступенчатая осевая турбина с противоположным направлением вращения рабочих дисков на двух валах (см. а.с. 72439 от 1948 г.).

Конструкция также сложна со сложной зубчатой передачей работы на один общий вал.

Наиболее близкой к заявляемой является многоступенчатая осевая турбина с входным каналом и рабочими дисками встречного вращения, установленными на двух соосных валах, один из которых - ротор - выполнен лопатками наружу, а другой - контрротор, выполненный с лопатками вовнутрь, установлен по отношению к ротору так, что лопатки ротора и контрротора чередуются в осевом направлении (см. Жирицкий Г.С. Газовые турбины авиационных двигателей. М., «Оборонгиз», 1963 г., с.29-30, фиг.1.13). В этой турбине специальные сопловые аппараты отсутствуют, все расширение газа происходит в рабочих лопатках. Входной угол лопаток каждой ступени определяется вектором относительной скорости рабочего тела, направление которого задано лопатками предыдущей ступени

Преимущество такой турбины - ее многоступенчатость, позволяющая снимать с выходного вала большую мощность по сравнению с аналогом, не опасаясь за прочность турбины, и простота. Все расширение газа происходит в рабочих лопатках и весь располагаемый перепад срабатывает на рабочих лопатках, степень реактивности ступеней равна единице. Однако это является и недостатком. Современным тенденциям в турбостроении соответствует степень реактивности около 0,5, когда расширение рабочего тела происходит как в сопловых, так и в рабочих лопатках. Снижение степени реактивности в осевой турбине решается также конструкцией входного канала. Однако использование известных из уровня техники стационарных конструкций входных устройств (сопло, инжектор) сопряжено с большими вентиляционными потерями между неподвижным корпусом и вращающимися ротором и контрротором.

Поставлена задача расширения арсенала осевых турбин с улучшенными условиями работы для вращающихся колес и повышенным кпд турбины за счет уменьшения вентиляционных потерь.

Технический результат связан с использованием входного канала для подачи и расширения рабочего тела, в результате чего улучшены условия работы турбины на каждой отдельной рабочей лопатке, разность давлений получается небольшой, а скорости потока умеренными. Кроме того, за счет конструкции входного канала для подачи рабочего тела снижены вентиляционные потери.

Поставленная задача достигается тем, что в осевой турбине с входным каналом и рабочими соосными колесами встречного вращения, одно из которых - ротор - выполнено лопатками наружу, а другое - контрротор - выполнено с лопатками вовнутрь, при этом лопатки ротора и контрротора чередуются в осевом направлении, согласно изобретению входной канал для подачи рабочего тела состоит из кольцевого конфузора, образованного кольцевым конусным отверстием в крышке-опоре, и кольцевого диффузора, образованного двумя конусными кольцами, жестко прикрепленными порознь к ротору и контрротору либо только к контрротору.

На фиг.1 изображена заявляемая турбина.

На фиг.2 показан вид А.

На фиг.3 показан вариант выполнения заявляемой турбины с неодинаковым числом секций с правыми/левыми лопатками ротора и секций с левыми/правыми лопатками контрротора.

На фиг.4 показан вид Б.

На фиг.1 изображена заявляемая турбина, содержащая корпус 1 с двумя боковыми крышками-опорами 2, 3, ротор 4 и контрротор 5. Ротор 4 состоит из жестко связанных n-секций правых/левых (далее правых) лопаток 6, направленных наружу, и вала 7. Вал 7 - ступенчатый, для технологичности выполнен составным. Контрротор 5 состоит из жестко связанных n-секций левых/правых (далее левых) лопаток 8, направленных вовнутрь, и выходного вала 9. Вал 7 ротора 4 установлен на подшипниках 10 в крышке-опоре 2, а выходной вал 9 контрротора 5 установлен на подшипниках 11 в крышке-опоре 3. Контрротор 5 установлен соосно с ротором 4 на подшипниках 12 так, что секции с левыми и правыми лопатками в осевом направлении чередуются. Количество секций в роторе 4 и в контрроторе 5 в общем случае должно быть одинаковым, хотя в некоторых случаях, например турбомашина, может работать и с неодинаковым числом секций с правыми и левыми лопатками. Первая секция ротора 4 конструктивно установлена отдельно от других секций, но жестко закреплена на валу 7, поэтому также является секцией ротора 4. В двух боковых крышках-опорах 2,3 выполнены кольцевые конусные отверстия, впускное в форме конфузора 13 и выпускное в форме диффузора 14 для впуска и выпуска соответственно рабочей среды - пара, газа, воды. Кольцевой диффузор 15 образован двумя конусными кольцами - внутренним 16, жестко прикрепленным к ротору 4, и наружным 17, жестко прикрепленным к контрротору 5. Входной канал для поступления рабочего тела образует неподвижный кольцевой конфузор 13 и кольцевой диффузор 15, вращающийся вместе с ротором 4 и контрротором 5. На фиг.3 показан вариант конструкции с неодинаковым числом секций ротора 4 и контрротора 5, когда турбина начинается с первой секции контрротора 5. В этом случае выходной вал 9 контрротора 5 установлен на подшипниках 11 в крышке-опоре 3 и на подшипниках 18 в крышке-опоре 2, а оба конусных кольца 16, 17 диффузора 15 прикреплены к контрротору 5.

Работает турбина следующим образом. Рабочая среда под давлением через конфузор 13 и диффузор 15 подается под прямым углом к плоскости вращения на правые лопатки 6 первой секции ротора 4 (или на левые лопатки 8 контрротора 5, если число секций с правыми и левыми лопатками неодинаково). Рабочая среда толкает правые лопатки. Раскручивая первую секцию ротора 4 вправо, рабочая среда одновременно закручивается в противоположную сторону и падает на левые лопатки 8 первой секции контрротора 5 по ходу их вращения. Раскручивая левые лопатки контрротора 5, отражаясь одновременно от них в противоположную сторону, рабочее тело падает на правые лопатки 6 второй секции ротора 4 по ходу их вращения и так далее. В осевом направлении секции с правыми и левыми лопатками чередуются, поэтому каждая предыдущая лопатка является направляющей потока для следующей за ней лопаткой. Таким образом, рабочая среда, последовательно огибая правые 6 и левые 8 лопатки и продвигаясь в осевом направлении, раскручивает секции турбины. Конфузор 13 и диффузор 15, помимо основной функции нагнетания рабочей среды, решают задачу герметизации подачи рабочей среды при неподвижном конфузоре 13 и вращающемся диффузоре 15. Общее количество секций ротора 4 и контрротора 5 расчитывается исходя из назначения, требуемой мощности и мощности и технологических возможностей. Ограничивается количество секций прочностными характеристиками материалов конструкции.

Вариант по фиг.3 имеет равновесную конструкцию с двусторонними симметричными выходами валов, на которые устанавливаются генераторы.

Заявляемая осевая проточная турбина, по сравнению с прототипом, имеет конструкцию с улучшенными условиями работы лопаток вращающихся колес и повышенный кпд за счет герметизации подачи рабочего тела во входном канале.

Осевая турбина выполнена с входным каналом и рабочими соосными колесами встречного вращения, одно из которых - ротор, выполнено с лопатками наружу, а другое - контрротор с лопатками вовнутрь. Лопатки ротора и контрротора чередуются в осевом направлении. Входной канал для подачи рабочего тела состоит из кольцевого диффузора, образованного кольцевым конусным отверстием в крышке-опоре, и кольцевого диффузора, образованного двумя конусными кольцами, жестко прикрепленными порознь к ротору и контрротору, либо только к контрротору. Изобретение повышает кпд за счет уменьшения вентиляционных потерь. 4 ил.

Осевая турбина с входным каналом и рабочими соосными колесами встречного вращения, одно из которых - ротор - выполнено с лопатками наружу, а другое - контрротор - с лопатками вовнутрь, при этом лопатки ротора и контрротора чередуются в осевом направлении, отличающаяся тем, входной канал для подачи рабочего тела состоит из кольцевого конфузора, образованного кольцевым конусным отверстием в крышке-опоре, и кольцевого диффузора, образованного двумя конусными кольцами, жестко прикрепленными порознь к ротору и контрротору либо только к контрротору.