СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ И РАДИАЛЬНЫЙ РЕАКТИВНО-РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С РОТОРАМИ ПРОТИВОПОЛОЖНОГО ВРАЩЕНИЯ ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2011 года по МПК F01D1/32 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к гидравлическим, пневматическим и паровым турбинам, и промышленно применимо в промышленности и транспорте для двигателей, приводов электрогенераторов, компрессоров холодильных установок, насосов и тому подобного.

Известен способ получения механической энергии в турбине («Турбина без выходного вала» (патент РФ №2156864, МПК F01D 1/32) и «Радиальная турбомашина» (патент РФ №2189450, МПК F01D 1/32)), включающий подачу рабочего тела в замкнутое пространство и его разгон и расширение в расположенных по окружности реактивных лопатках с истечением радиально, причем последующий ряд лопаток вращается в противоположную сторону от ряда предыдущего. Предложенные турбомашины имеют колеса встречного вращения, как и турбина Юнгстрема, но не имеют выходных валов. Генераторы располагаются снаружи самой турбины, а магниты ротора генераторов крепятся к самому колесу, причем магниты одного генератора крепятся к одному колесу, магниты второго - к другому. Катушки статора генераторов крепятся к корпусу турбины. Каждое колесо с ротором своего генератора вращается в подшипниках, установленных на неподвижной трубе статора. По этой трубе и осуществляется подвод пара к колесам турбины.

Недостатками этих аналогов являются:

- сложность регулирования мощности, так как для максимальной эффективности способа угловые скорости колес турбины должны быть одинаковыми, что требует специальную систему регулирования частоты вращения и распределения энергии потребителей, подключенных к обоим генераторам;

- недопустимость разгона рабочего тела на каждой, кроме последней ступени, до сверхзвуковой скорости, а следовательно, невозможность получения большей механической энергии в ступени и меньшего числа ступеней, а следовательно, лучших массогабаритных характеристик двигателя, невозможность использования образовавшегося скачка уплотнения за каждой сверхзвуковой ступенью, для восстановления части кинетической энергии рабочего тела в статическое давление и последующего преобразования его в механическую работу;

- трудности охлаждения подшипников и генераторов механизма.

Наиболее близкими к предложенным являются способ получения механической энергии в турбине, турбина и сегнерово колесо для его реализации (патент РФ №2280168, МПК F01D 1/32, 2004)).

В известном способе получения механической энергии в турбине, содержащей сегнерово колесо, включающем подачу рабочего тела в отверстия в сегнеровом колесе, разгон рабочего тела при истечении из отверстий с обеспечением вращения вала турбины, рабочее тело, по меньшей мере, однократно разгоняют до сверхзвуковой скорости с образованием скачка уплотнения в замкнутом пространстве за сегнеровым колесом, при этом разогнанное рабочее тело выводят в замкнутое пространство за сегнеровым колесом под прямым углом к радиусу колеса и под острым углом к оси его вращения. При этом рабочее тело от входа к выходу можно пропускать через сегнеровые колеса как в одном направлении, так и в противоположных от входа направлениях по оси вращения.

В известной турбине (см. там же), имеющей вход и выход рабочего тела, оболочку и сегнеровы колеса, установленные внутри цилиндра соосно с валом и с возможностью вращения, в сегнеровых колесах выполнены отверстия в виде сопел Лаваля под прямым углом к радиусу кольца и под острым углом к оси его вращения, содержится, по меньшей мере, одно дополнительное сегнерово колесо с отверстиями в виде сужающихся сопел, расположенных по кольцу под прямым углом к радиусу кольца и под острым углом к оси его вращения, и торцевые неподвижные элементы, сегнеровы колеса выполнены в виде колец, причем сегнеровы колеса установлены между цилиндром и оболочкой таким образом, что между ними формируется замкнутое кольцевое пространство. В частности, вход рабочего тела может быть расположен между торцевым неподвижным элементом и сегнеровым колесом, а вход рабочего тела может быть расположен между сегнеровыми колесами.

Известное сегнерово колесо (см. там же) содержит симметрично выполненные отверстия в виде сопел Лаваля под прямым углом к радиусу колеса и под острым углом к оси его вращения.

Недостатки этого ближайшего аналога:

- жесткая связь оболочки и рабочего колеса, установленных на едином валу, приводит к вращению рабочих колес и оболочки в одну сторону, что влечет потери энергии внутри двигателя из-за торможения потока рабочего тела на набегающей стороне колес и потери на выходе из сопел последнего колеса со скоростью, и, следовательно, к низкому коэффициенту полезного действия;

- поскольку в сегнеровых колесах выполнены отверстия в виде сопел под прямым углом к радиусу кольца и под острым углом к оси его вращения, в работу преобразуется только часть механической энергии, доля которой пропорциональна косинусу этого угла;

- ограниченная прочность цилиндрической оболочки из-за множества отверстий на ее поверхности ограничивает окружную скорость оболочки и еще больше понижает коэффициент полезного действия двигателя.

Техническим результатом изобретения является устранение перечисленных недостатков, а именно снижение потерь энергии и повышение КПД, уменьшение массы двигателя.

Технический результат достигается тем, что в способе получения механической энергии с использованием роторов противоположного вращения с соплами, включающий подачу рабочего тела в сопла Лаваля в роторе первой ступени с обеспечением разгона рабочего тела в соплах до сверхзвуковой скорости с обеспечением создания реактивной силы и крутящего момента, действующего на ротор и передаваемого на вал, и вывод разогнанного рабочего тела в замкнутое пространство между роторами первой и второй ступени с образованием скачка уплотнения рабочего тела в этом замкнутом пространстве, затем подачу рабочего тела в сужающиеся сопла ротора второй ступени с обеспечением разгона рабочего тела в соплах с обеспечением создания реактивной силы и крутящего момента, действующего на ротор второй ступени и передаваемого на тот же вал, согласно изобретению используют роторы, по меньшей мере, часть каждого из которых выполнена в виде кольца, и одно из этих колец охватывает другое, входы и выходы сопел находятся на цилиндрических поверхностях колец, а центральные линии сопел лежат в плоскости, перпендикулярной оси вращения роторов, разгон рабочего тела в соплах каждого ротора осуществляют с поворотом потока в каждом сопле в противоположную сторону относительно направления потока на входе в это сопло, а разгон рабочего тела в соплах ротора второй ступени осуществляют с поворотом потока в противоположную сторону по отношению к направлению поворота потока в соплах ротора первой ступени.

При этом передачу крутящего момента с роторов на вал осуществляют, в частности, путем передачи вращения с каждого ротора на соответствующий эпицикл, передающий вращение колесам сателлитов, связанных с водилом, вращающим вал.

Технический результат также достигается тем, что в устройстве для получения механической энергии, содержащем роторы первой и второй ступени противоположного вращения и кинематически связанный с ними выходной вал, ротор первой ступени выполнен с соплами Лаваля, ротор второй ступени - с сужающимися соплами, расположенными по окружности, а между роторами образовано замкнутое кольцевое пространство, согласно изобретению, по меньшей мере, часть каждого ротора выполнена в виде кольца и одно кольцо охватывает другое, а каждое сопло Лаваля и каждое сужающееся сопло выполнено с входом и выходом на цилиндрических поверхностях соответствующего кольца, центральные линии сопел лежат в плоскости, перпендикулярной оси вращения роторов и изогнуты таким образом, чтобы обеспечить поворот потока рабочего тела с сохранением направления потока перпендикулярным оси вращения, причем направление поворота потока в сужающихся соплах ротора второй ступени противоположно направлению поворота потока в соплах Лаваля ротора первой ступени.

Кинематическая связь каждого ротора с выходным валом может быть осуществлена, в частности, посредством соответствующего эпицикла, связанного с соответствующим сателлитом, связанным посредством водила с выходным валом.

Кроме того, роторы могут быть установлены на трубе для подвода рабочего тела с возможностью вращения вокруг ее оси.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 и 2 представлено сечение плоскостью, перпендикулярной оси вращения, части ротора 1 первой ступени, в котором расположены сопла Лаваля 2 с изгибом центральной линии в противоположную вращению ротора 1 сторону, и показаны треугольники скоростей на входе в сопла Лаваля 2 (фиг.1) и на его выходе (фиг.2). Ускоренное течение рабочего тела в сопле 2 создает реактивную силу, действующую на ротор 1. В расширяющейся части сопла 2 поток рабочего тела разгоняется до сверхзвуковой скорости W_cdl и выходит из сопла под углом α₃ к касательной окружности радиусом R₄.

На фиг.3 представлены треугольники скоростей на входе и выходе сужающихся сопел 3 ротора 4 второй ступени предлагаемого устройства (двигателя) и направления вращения роторов 1 и 4.

На фиг.1-3 также представлены расчетные значения углов и скоростей потока рабочего тела, полученных для исходных данных: начальное давление и паросодержание насыщенного пара Р₀=0,497 МПа, х₀=0,997, конечное давление пара Р₂=0,1 МПа.

На фиг.4 показана диаграмма "s-h", иллюстрирующая процессы расширения насыщенного водяного пара в двухступенчатом радиальном реактивно-роторном двигателе с роторами встречного вращения (жирная линия выше) и в трехступенчатой активной турбине (тонкая линия ниже), построенная по результатам расчета при одинаковых граничных условиях, представленным в табл.1 и 2. В табл.3 представлены расчетные значения эффективности работы турбины и двухступенчатого радиального реактивно-роторного двигателя с роторами встречного вращения

На фиг.5 показана кинематическая схема предложенного устройства на примере двухступенчатого радиального реактивно-роторного двигателя с роторами встречного вращения, в котором объединена механическая энергия роторов первой и второй ступени.

Устройство для получения механической энергии содержит роторы 1 и 5 первой и второй ступени и кинематически связанный с ними выходной вал. Ротор 1 первой ступени выполнен с соплами Лаваля 2, ротор 4 второй ступени - с сужающимися соплами 3, расположенными по окружности. По меньшей мере часть каждого из роторов 1 и 4 имеет форму кольца, одно из которых охватывает другое с образованием между роторами 1 и 4 замкнутого кольцевого пространства. Каждое сопло Лаваля 2 и каждое сужающееся сопло 3 выполнены с входом и выходом на цилиндрических поверхностях соответствующего кольца. Центральная линия каждого сопла лежит в плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора и изогнута таким образом, чтобы обеспечить поворот потока рабочего тела с сохранением направления потока перпендикулярным оси вращения, причем направление поворота потока в сужающихся соплах 3 ротора 4 второй ступени противоположно направлению поворота потока в соплах Лаваля 2 ротора 1 первой ступени.

Способ получения механической энергии осуществляется следующим образом.

Рабочее тело подается в сопла Лаваля 2 ротора 1 первой ступени со скоростью, близкой к окружной скорости ротора 1 первой ступени. Дальнейший разгон рабочего тела до сверхзвуковых скоростей осуществляется в соплах 2 с поворотом потока в противоположную сторону по отношению к направлению потока на входе в сопло 2, что обеспечивает вращение ротора 1 первой ступени за счет реактивной силы и вращающего момента. Рабочее тело из сопел Лаваля 2 ротора 1 первой ступени подается в образованное роторами 1 и 4 первой и второй ступени замкнутое пространство, где оно, взаимодействуя с ротором 4 второй ступени, тормозится с образованием скачка уплотнения, что приводит к преобразованию кинетической энергии потока рабочего тела в потенциальную энергию с увеличением давления, температуры и энтальпии рабочего тела. Далее рабочее тело поступает в суживающиеся сопла 3 ротора 4 второй ступени, поворачивающие поток перпендикулярно оси вращения в противоположную сторону по отношению к первой ступени и позволяющие выходить рабочему телу по касательной к цилиндрической поверхности ротора 4 второй ступени, который вращается в противоположном по отношению к ротору 1 первой ступени направлении. Во второй ступени происходят разгон рабочего тела до скорости, равной звуковой либо меньшей звуковой скорости, и совершение работы за счет реактивной тяги сопел 3.

На фиг.5 показана кинематическая схема устройства на примере двигателя и передачи механической энергии к генератору. Роторы 1 и 4 приводят во вращение каждый свой эпицикл 5 и 6, которые через опорные и упорные подшипники закреплены в статоре двигателя и передают вращение, направленное в противоположные стороны, сателлитам 7, которые связаны посредством водила с выходным валом, вращающим якорь синхронного генератора. Размеры зубчатых зацеплений и частоты подобраны таким образом, чтобы на номинальной мощности генератор вырабатывал стандартную частоту электрического тока. Роторы установлены на трубе 8 для подвода рабочего тела с возможностью вращения вокруг ее оси.

Подобная конструкция, сохраняя все преимущества турбины Юнгстрема, позволяет при меньшем числе ступеней существенно увеличить срабатываемый рабочим телом теплоперепад и, соответственно, увеличить внутренний кпд турбины, существенно уменьшив габариты, массу и стоимость двигателя

Использование предлагаемого способа преобразования потенциальной энергии сжимаемой текущей среды - рабочего тела в механическую энергию и конструкции реактивно-роторного двигателя позволяет, по сравнению с существующими паровыми турбинами при меньшем числе ступеней (см. фиг.4) заметно увеличить вырабатываемый рабочим телом теплоперепад и, соответственно, механическую работу и тепловую эффективность, увеличить внутренний кпд двигателя, существенно уменьшив его габариты, массу и стоимость.

Уменьшение влажности отработанного пара (см. табл.2) обеспечивает мелкодисперсность (гомогенность) двухфазного потока, отсутствие скольжения фаз при трансзвуковой скорости течения рабочего тела в соплах и между ступенями дает двигателю, по сравнению с паровыми турбинами, лучшую тепловую экономичность, минимум потерь на трение и более высокую безотказность.

Отсутствие рабочих лопаток и вала в роторе реактивно-роторного двигателя и трансзвуковое течение рабочего тела в соплах и между ступенями делает его работоспособным при любой влажности рабочего тела, вплоть до насыщенной жидкости, не требует высокой чистоты рабочего тела по растворенным и механическим примесям, уменьшает массогабаритные характеристики, повышает маневренность и экономичность двигателя по сравнению с известными конструкциями паровых и газовых турбин.

Простота заявляемой конструкции снижает ее стоимость и делает двигатель конкурентоспособным даже на начальных стадиях реализации.

Таблица 1 Параметры пара в трехступенчатой активной турбине Наименование точки на s-h диаграмме Обозначение точки p, МПа x h, кДж/кг s, кДж/кг·К вход в направляющий аппарат 1-й ступени 0 0,497 0,997 2742,0913 6,8092 выход из направляющего аппарата и вход в рабочие лопатки 1-й ступени 1 т 0,288 0,968 2652,9370 6,8330 выход из рабочих лопаток 1-ой ступени и вход в направляющий аппарат 2-й ступени 2 т 0,288 0,970 2658,1759 6,8459 выход из направляющего аппарата и вход в рабочие лопатки 2-й ступени 3 т 0,166 0,944 2573,78 6,8694 выход из рабочих лопаток 2-ой ступени и вход в направляющий аппарат 3-й ступени 4 т 0,166 0,946 2578,737 6,8822 выход из направляющего аппарата и вход в рабочие лопатки 3-й ступени 5 т 0,1 0,9248 2505,237 6,9035 выход из турбины 6 т 0,1 0,9267 2509,556 6,9151

Таблица 2 Параметры пара в двухступенчатом РРД Наименование точки на s-h диаграмме Обозначение точки на s-h диаграмме p, МПа x h, кДж/кг s, кДж/кг·К вход в 1-ю ступень 0 0,497 0,997 2742,0913 6,8092 выход из 1-й ступени 1 0,105 0,928 2515,602 6,9090 скачок и вход во 2-ю ступень 2 0,116 0,933 2531,002 6,9091 выход из 2-й ступени и РРД 3 0,1 0,927 2510,588 6,9179

Таблица 3 Расчетные значения эффективности работы турбины и радиального
реактивно-роторного двигателя Наименование параметра Обозначение РРД Турбина Располагаемый теплоперепад H_а, кДж/кг 327,691 327,691 Работа на валу L_вал, кДж/кг 307,343 232,535 КПД η_i 0,938 0,710

Способ и устройство для получения механической энергии с использованием роторов противоположного вращения с соплами включает подачу рабочего тела в сопла Лаваля в роторе первой ступени, разгон рабочего тела в соплах до сверхзвуковой скорости с обеспечением создания реактивной силы и крутящего момента, действующего на ротор и передаваемого на вал, и вывод разогнанного рабочего тела в замкнутое пространство за ротором первой ступени с образованием скачка уплотнения рабочего тела в этом замкнутом пространстве между роторами первой и второй ступени. Затем рабочее тело подается в сужающиеся сопла ротора второй ступени и разгоняется в соплах с обеспечением создания реактивной силы и крутящего момента, действующего на ротор второй ступени и передаваемого на вал. По меньшей мере, часть каждого ротора выполнена в виде кольца. Одно из этих колец охватывает другое. Входы и выходы сопел находятся на цилиндрических поверхностях колец, а центральные линии сопел лежат в плоскости, перпендикулярной оси вращения роторов. Разгон рабочего тела в соплах каждого ротора осуществляют с поворотом потока в каждом сопле в противоположную сторону относительно направления потока на входе в это сопло. Разгон рабочего тела в соплах ротора второй ступени осуществляют с поворотом потока в противоположную сторону по отношению к направлению поворота потока в соплах ротора первой ступени. Устройство может приводить во вращение вал генератора. Достигается снижение потерь энергии и повышение КПД, уменьшение массы. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 3 табл., 5 ил.

1. Способ получения механической энергии с использованием роторов противоположного вращения с соплами, включающий подачу рабочего тела в сопла Лаваля в роторе первой ступени с обеспечением разгона рабочего тела в соплах до сверхзвуковой скорости и создания реактивной силы и крутящего момента, действующего на ротор и передаваемого на вал, и вывод разогнанного рабочего тела в замкнутое пространство между роторами первой и второй ступени с образованием скачка уплотнения рабочего тела в этом замкнутом пространстве, затем подачу рабочего тела в сужающиеся сопла ротора второй ступени и разгон рабочего тела в соплах с обеспечением создания реактивной силы и крутящего момента, действующего на ротор второй ступени и передаваемого на вал, отличающийся тем, что используют роторы, по меньшей мере часть каждого из которых выполнена в виде кольца, и одно из этих колец охватывает другое, входы и выходы сопел находятся на цилиндрических поверхностях колец, а центральные линии сопел лежат в плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора, разгон рабочего тела в соплах каждого ротора осуществляют с поворотом потока в каждом сопле в противоположную сторону относительно направления потока на входе в это сопло, а разгон рабочего тела в соплах ротора второй ступени осуществляют с поворотом потока в противоположную сторону по отношению к направлению поворота потока в соплах ротора первой ступени.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что передачу крутящего момента с роторов на вал осуществляют путем передачи вращения с каждого ротора на соответствующий эпицикл, передающий вращение сателлиту, который посредством водила передает вращение на вал.

3. Устройство для получения механической энергии, содержащее роторы первой и второй ступени противоположного вращения и кинематически связанный с ними выходной вал, ротор первой ступени выполнен с соплами Лаваля, ротор второй ступени - с сужающимися соплами, расположенными по окружности, а между роторами образовано замкнутое кольцевое пространство, отличающееся тем, что по меньшей мере часть каждого ротора выполнена в виде кольца и одно кольцо охватывает другое, а каждое сопло Лаваля и каждое сужающееся сопло выполнено с входом и выходом на цилиндрических поверхностях соответствующего кольца, и центральная линия каждого сопла лежит в плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора, и изогнута таким образом, чтобы обеспечить поворот потока рабочего тела с сохранением направления потока перпендикулярным оси вращения, причем направление поворота потока в сужающихся соплах ротора второй ступени противоположно направлению поворота потока в соплах Лаваля ротора первой ступени.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что кинематическая связь роторов с выходным валом осуществлена посредством эпициклов, связанных каждый с соответствующим сателлитом, связанным посредством водила с выходным валом.

5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что роторы установлены на трубе для подвода рабочего тела с возможностью вращения вокруг ее оси.