РАДИАЛЬНАЯ БИРОТАТИВНАЯ АКТИВНО-РЕАКТИВНАЯ ТУРБИНА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2021 года по МПК F01D1/32 

Изобретения относятся к машиностроению, а именно к турбинам и турбоустановкам на их основе для привода валов электрогенераторов, компрессоров, насосов и других устройств.

В качестве рабочего тела в предлагаемой роторной радиальной активно-реактивной турбине может быть использован атмосферный сжатый воздух, а так же любое поддающееся сжатию газообразное вещество, например: водяной пар, углекислотный газ, продукты сгорания углеводородов, или других компонентов, и т.п.

Анализ уровня техники конструкций известных осевых турбин показывает, что всем этим турбинам присущи существенные недостатки, а именно:

- высокая сложность их конструкций;

- высокая сложность и стоимость их изготовления, эксплуатации и ремонта;

- большие габаритные и массовые характеристики турбин из-за наличия в них большого количества рабочих и вспомогательных ступеней;

- недостаточная мощность, в том числе и удельная;

- трудность обеспечения равнозначности характеристик ступеней турбины по мощности в процессе работы.

Эти недостатки обусловлены тем, что в осевых турбинах рабочее тело течет, как правило, вдоль их вала/валов, и поступает на лопатки рабочих колес фронтально, по нормали к рабочим колесам, при этом:

- на каждом рабочем колесе осевой турбины срабатывается не большой теплоперепад рабочего тела, что приводит к значительному увеличению количества рабочих колес, и, как следствие, к существенному увеличению габаритов, массы, и стоимости осевой турбины;

- лопатки рабочих колес осевой турбины, вращающиеся с большой частотой разрезают («подрубают») поток рабочего тела, делая его течение не стационарным, не устойчивым, что приводит к существенным потерям энергии потока рабочего тела на каждой ступени турбины, и, как следствие, к снижению мощности турбины;

- поток рабочего тела на входе в рабочее колесо осевой турбины распределяется по всей площади, описываемой лопатками, при этом вся энергия потока прикладывается ни к максимальному значению плеча лопаток рабочего колеса, а рассеивается по всей их длине, начиная от ступицы, и до конца лопатки, что приводит к уменьшению средне-интегрального значения момента вращения на валу турбины;

- лопатки рабочего колеса осевой турбины развернуты к входящему на них и выходящему из них потоку рабочего тела на определенные углы, что так же приводит к снижению момента вращения на валу рабочего колеса турбины из-за учета значения косинуса этих углов.

Наряду с осевыми турбинами созданы конструкции радиальных турбин, в которых рабочее тело течет в плоскости, перпендикулярной оси турбины. Наиболее интересной и успешной из них является радиальная турбина, предложенная в 1912 г. в Швеции братьями Юнгстрем (представленная, например, см., «Юнгстрем - Большая Энциклопедия Нефти и Газа» (статья). [он-лайн] [найдено 02.04.2018]. Найдено из Интернет (ngpedia.ru > id625570p4.html), а так же, см. «Юнгстрем - Технический словарь Том VI». [он-лайн] [найдено 05.04.2018]. Найдено из Интернет (ai08.org>index.php/term…slovar-tom…yungstrem.html), а так же yandex.ru/images > радиальная паровая турбина Юнгстрема), на одной ступени которой срабатывается теплоперепад рабочего тела в четыре раза больший, чем на ступени осевой турбины, причем при одинаковом теплосодержании рабочего тела и при той же окружной скорости вращения.

Принципиальная схема этой турбины заключается в следующем. На боковой поверхности дисков колес кольцами постепенно возрастающего диаметра располагаются лопатки реактивных ступеней. Рабочее тело (пар) в турбину подводится по трубопроводу, и далее через отверстия в дисках направляется к центральной камере. Отсюда оно течет к периферии через каналы лопаток, укрепленных на обоих дисках. В турбине Юнгстрем нет неподвижных лопаток. Оба диска вращаются во встречных направлениях, так, что мощность, развиваемая турбиной, должна передаваться двумя валами. Встречное вращение роторов позволяет эту турбину выполнить очень компактной. Однако сложная конструкция и большие напряжения в лопатках (см., А.В. Щегляев "Паровые турбины", Энергия, Москва, 1976 г., стр. 9), а так же быстрое развитие сетей высоковольтных линий по всей стране, диспетчеризация снабжения электроэнергией всей страны, переброска излишней электроэнергии с Востока на Запад и обратно, заставили отказаться от развития и эксплуатации всех малых и средних паровых турбин, в том числе и турбин Юнгстрем. Развитие получили только сверхмощные осевые турбины.

Конструктивно и функционально радиальная турбина Юнгстрем является ближайшим аналогом предлагаемой роторной радиальной активно-реактивной турбины.

Основными существенными недостатками радиальной турбины Юнгстрема являются:

1. Сложность конструкции, обуславливающая сложность и высокую стоимость изготовления, эксплуатации и ремонта этой турбины.

2. Наличие двух разнонаправленно выходящих валов, что обуславливает использование дополнительного редуктора, особенно для привода винтов водных судов, работающим, как с реверсом, так и без него.

3. Низкие обороты рабочих колес (рабочих дисков), не позволяющие использовать турбину без редуктора для привода валов компрессоров.

4. Осевая схема поступления рабочего тела на последовательно расположенные роторы обуславливает неравнозначные условия работы и рабочие характеристики этих роторов, что в свою очередь требует применения дросселирующего устройства.

5. В турбине используются сложные лабиринтные уплотнения.

6. В каналах рабочих лопаток происходит расширение рабочего тела, что не позволяет использовать работу турбины при низких давлениях рабочего тела, а так же снижает мощность ее работы при использовании рабочего тела со средним и высоким значением давления.

Техническим результатом заявляемых роторных радиальных активно-реактивных турбин является повышение их абсолютной и удельной мощности за счет сжатия поступающего в нее рабочего тела в каналах закрытого центробежного колеса первого ротора с повышением давления и энтальпии рабочего тела, а так же за счет последующего тангенциально -радиального реактивного истечения рабочего тела со сверхзвуковой скоростью с периферии первого ротора через тангенциально установленные сопла Лаваля на профилированные лопатки ее второго ротора, установленного коаксиально с первым ротором, вращающегося относительно него в противоположную сторону на отдельном валу, и использующего кинетическую энергию потоков рабочего тела, истекающих из сопел Лаваля первого ротора.

Для достижения указанного технического результата предложены технические решения, заключающиеся в следующем.

В первом варианте технического решения роторная радиальная активно-реактивная турбина содержит корпус с трубопроводом, подводящим рабочее тело, при этом в корпусе установлены два ротора, жестко закрепленные, каждый на своем валу, с возможностью вращения в противоположные стороны в подшипниковых опорах за счет подачи рабочего тела на лопатки роторов, при этом ее первый ротор соединен коаксиально и подвижно с трубопроводом, подводящим рабочее тело, и выполнен в виде однопоточного закрытого центробежного колеса с профилированными лопатками, образующими закрытые центробежные каналы, жестко соединенного с корпусом полого коллектора торообразной формы, охватывающим коаксиально центробежное колесо по его периферии так, что выходные сечения центробежных каналов центробежного колеса герметично соединены с полостью коллектора, разделенной внутри поперечными перегородками на отдельные полости, с образованием рабочих камер, каждая из которых оснащена тангенциально установленным соплом Лаваля, при этом оба конца вала первого ротора связаны с соответствующими полезными нагрузками, а второй ротор выполнен в виде двух, установленных с двух сторон первого ротора, дисков с диаметром, превышающим диаметр первого ротора, соединенных жестко, каждый со своим валом и между собой по периферии лопатками, расположенными по окружности вокруг первого ротора, и выполненными в виде профилированных в поперечном сечении желобов, ось которых параллельна его валам, а своими торцами лопатки жестко закреплены по нормали и с заданным углом разворота относительно дисков второго ротора, с охватом сопел Лаваля первого ротора, при этом валы второго ротора расположены соосно и в противоположные стороны, коаксиально с валом первого ротора, причем один вал второго ротора установлен с упором на подшипниковую опору, закрепленную на корпусе трубопровода, а другой вал второго ротора установлен с упором на подшипниковую опору, закрепленную на корпусе турбины, и оба вала второго ротора связаны через соответствующие передачи с полезными нагрузками.

Во втором варианте технического решения роторная радиальная активно-реактивная турбина содержит корпус с подводом в него рабочего тела, при этом в корпусе установлены два ротора, жестко закрепленные, каждый на своем валу, с возможностью вращения в противоположные стороны в подшипниковых опорах за счет подачи рабочего тела на лопатки роторов, при этом ее первый ротор соединен коаксиально и подвижно с расположенными в противоположные стороны трубопроводами, подводящими к нему рабочее тело с двух сторон, и состоит из двух идентичных, выполненных зеркально, жестко закрепленных на одном валу, и жестко соединенных между собой фланцами при помощи рамы кольцеобразной формы, однопоточных закрытых центробежных колес с профилированными лопатками, образующими закрытые центробежные каналы, жестко соединенных с соответствующими корпусами полых коллекторов торообразной формы, охватывающими коаксиально центробежные колеса по их периферии так, что выходные сечения центробежных каналов центробежных колес герметично соединены с полостями соответствующих коллекторов, разделенных внутри поперечными перегородками на отдельные полости, с образованием рабочих камер, каждая из которых оснащена тангенциально установленным соплом Лаваля, при этом оба конца вала первого ротора связаны с соответствующими полезными нагрузками, а второй ротор выполнен в виде двух, установленных с двух сторон первого ротора, дисков с диаметром, превышающим диаметр первого ротора, соединенных жестко, каждый со своим валом и между собой по периферии лопатками, жестко скрепленными разделительным силовым кольцом, расположенными по окружности вокруг первого ротора, и выполненными в виде профилированных в поперечном сечении желобов, ось которых параллельна его валам, а своими торцами лопатки жестко закреплены по нормали и с заданным углом разворота относительно дисков второго ротора, с охватом сопел Лаваля первого ротора, при этом валы второго ротора расположены соосно и в противоположные стороны, коаксиально с валом первого ротора, а каждый вал второго ротора связан через соответствующие передачи с полезными нагрузками.

В частном случае данные технические решения могут содержать:

- профилированные лопатки однопоточного закрытого центробежного колеса первого ротора, выполненные на выходе с углом наклона от радиального направления в сторону, противоположную его вращения, при этом угол наклона определяется путем комплексного моделирования, из условия безударного и безотрывного втекания рабочего тела в рабочие камеры;

- лопатки второго ротора с кривизной профиля в поперечном сечении с заданной функцией логарифмической спирали, определяемой путем комплексного моделирования, из условия безударного и безотрывного их обтекания рабочим телом;

- лопатки второго ротора с размером и углом разворота относительно его дисков, определяемые путем комплексного моделирования, из условия безударного и безотрывного их обтекания рабочим телом.

При этом в данных технических решениях полезная нагрузка может представлять собой электродвигатели-электрогенераторы, компрессоры, насосы и валы двигательных установок.

Технические решения поясняются следующими графическими материалами, не охватывающими, и тем более, не ограничивающими весь объем притязаний данных технических решений, а являющимися частными примерами выполнения изобретений.

На чертеже фиг.1 изображен вариант роторной радиальной активно-реактивной турбины с первым ротором, содержащим однопоточное закрытое центробежное колесо (аксонометрия, общий вид турбины).

На чертеже фиг.2 изображен вариант роторной радиальной активно-реактивной турбины с первым ротором, содержащим однопоточное закрытое центробежное колесо (аксонометрия, диаметральный разрез).

На чертеже фиг.3 изображен вариант роторной радиальной активно-реактивной турбины с первым ротором, содержащим однопоточное закрытое центробежное колесо (диаметральный разрез).

На чертеже фиг.4 изображен вариант роторной радиальной активно-реактивной турбины с первым ротором, содержащим однопоточное закрытое центробежное колесо (аксонометрия, радиальный разрез).

На чертеже фиг.5 изображен вариант роторной радиальной активно-реактивной турбины с первым ротором, содержащим два однопоточных закрытых центробежных колеса (аксонометрия, общий вид).

На чертеже фиг.6 изображен вариант роторной радиальной активно-реактивной турбины с первым ротором, содержащим два однопоточных закрытых центробежных колеса (аксонометрия, диаметральный разрез).

На чертеже фиг.7 изображен вариант роторной радиальной активно-реактивной турбины с первым ротором, содержащим два однопоточных закрытых центробежных колеса (диаметральный разрез).

Роторная радиальная активно-реактивная турбина (фиг.1, 2, 3 и 4) установлена в корпусе (1), выполненном с трубопроводом (2) для подвода рабочего тела, и содержит первый ротор (3), закрепленный жестко, например, с помощью шлицов на валу (4), выполненном с возможностью вращения в подшипниковых опорах (5) и (6), и проходящем коаксиально через центр трубопровода (2), при этом первый ротор (3) выполнен в виде однопоточного закрытого центробежного колеса (7) с профилированными лопатками (8), образующими с обечайкой (9), покрывающей их по всей длине сверху, закрытые сверху центробежные каналы (10), выполненные на выходе с расширением в форме диффузоров (11), выходные сечения которых закрыты дроссельной решеткой (12), а так же содержащего корпус (13) полого, торообразной формы, коллектора с отверстием (14) по периметру его внутреннего диаметра, ширина которого не меньше ширины решетки (12), жестко и с обеспечением герметичности прикрепленный коаксиально к центробежному колесу (7) так, что выходные отверстия центробежных каналов (10) открыты через дроссельную решетку (12) во внутреннюю полость корпуса (13) коллектора, снабженную перегородками (15), перекрывающими внутреннюю полость корпуса (13) в поперечном сечении с образованием отдельных полостей, представляющих собой тангенциально расположенные рабочие камеры (16), выполненные с отверстиями на выходе, в которые установлены тангенциально сверхзвуковые сопла (17) Лаваля.

Первый ротор (3) соосно и подвижно со стороны входа в центробежное колесо (7) соединен с трубопроводом (2) с помощью лабиринтного соединения (18). Концы вала (4) соединены с полезной нагрузкой, например, с электродвигателями-электрогенераторами, осуществляющими предварительную раскрутку первого ротора (3) до заданной скорости вращения при ускоренном запуске турбины.

Так же роторная радиальная активно-реактивная турбина содержит второй ротор (19), выполненный в виде двух, установленных с двух сторон первого ротора (3), дисков (20) и (21) с диаметром, превышающим диаметр первого ротора (3), соединенных жестко, например, с помощью сварки, каждый со своим валом (22) и (23) соответственно, и между собой по периферии лопатками (24), расположенными по окружности вокруг первого ротора (3), и выполненными в виде профилированных в поперечном сечении желобов, ось которых параллельна валам (22) и (23). Своими торцами лопатки (24) жестко закреплены по нормали и с заданным углом разворота относительно дисков (20) и (21), с охватом сопел (17) Лаваля первого ротора (3). Валы (22) и (23) выполнены с наружными зубчатыми венцами, и установлены соосно и коаксиально с валом (4) первого ротора (3), на подшипниковых опорах (25) и (26) соответственно, с возможностью их вращения в противоположную вращению вала (4) сторону. При этом вал (23), установленный на корпусе (1), соединен с полезной нагрузкой через соответствующую передачу, которая может быть выполнена в виде простого редуктора или иного, известного из уровня техники передаточного устройства, а вал (22), установленный на трубопроводе (2) соединен с полезной нагрузкой через соответствующую передачу, содержащую ведомое зубчатое колесо (27) на вспомогательном валу (28). Полезной нагрузкой может быть, например, электродвигатель-электрогенератор для осуществления перед ускоренным запуском турбины предварительной раскрутки второго ротора (19) до заданной скорости вращения.

С целью упрощения конструкции первого ротора (3) и повышения эффективности его работы однопоточное центробежное колесо (7) выполнено закрытым, при этом обечайка (9) жестко соединена с верхними кромками профилированных лопаток (8), например, с помощью пайки или диффузионной сварки, с образованием центробежных каналов (10) закрытыми сверху.

С целью минимизации потерь энергии потока рабочего тела в первом роторе (3) профилированные лопатки (8) центробежного колеса (7) выполнены на выходе с углом наклона от радиального направления в сторону, противоположную его вращения, а угол наклона определяется путем комплексного многопараметрического моделирования, из условия обеспечения наибольшей мощности и эффективности работы первого ротора (3) для конкретного рабочего тела, при этом центробежные каналы (10) выполнены на выходе с расширением в виде диффузоров (11), выполняющих в работе первого ротора (3) функцию предкамерных диффузоров рабочих камер (16).

Сверхзвуковые сопла (17) Лаваля выполнены плоскими, и по сравнению с традиционными круглыми, осесимметричными соплами являются более предпочтительными, так как обеспечивают:

- наилучшую компоновку с корпусом (13) коллектора;

- наибольшую прочность конструкции первого ротора (3), и как следствие, наибольшую скорость его вращения;

- наибольшую площадь критического сечения, и степень расширения;

- оптимизацию профилирования с учетом скорости вращения роторов (3) и (19);

- минимизацию потерь энергии на трение при обтекании внешней средой корпуса вращающегося первого ротора (3).

С целью повышения мощности работы второго ротора (19) его лопатки (24) выполнены профилированными, с профилем в поперечном сечении, представляющем собой логарифмическую спираль. Такой профиль обеспечивает увеличение площади лопаток (24), воспринимающих силовое давление потока рабочего тела, истекающего из сопел (17) первого ротора (3), а так же увеличивает плечо приложения силы этого потока рабочего тела.

Далее по тексту описания и на чертежах для второго технического решения через «'» обозначены тождественные детали, выполненные зеркально.

Роторная радиальная активно-реактивная турбина (фиг.5, 6 и 7) установлена в корпусе (1), выполненном с двумя, расположенными в противоположные стороны трубопроводами (2 и 2') для подвода рабочего тела в коаксиально установленный по отношению к ним первый ротор (3), подвижно соединенный с трубопроводами (2 и 2') через лабиринтные соединения (18 и 18'), и жестко закрепленный на валу (4), например, с помощью шлицов, с возможностью вращения в подшипниковых опорах (5 и 5'), и состоящий из двух идентичных, выполненных зеркально, жестко соединенных между собой фланцами при помощи рамы (29) кольцеобразной формы однопоточных закрытых центробежных колес (7 и 7') с профилированными лопатками (8 и 8') соответственно, образующими с помощью обечаек (9 и 9') соответственно закрытые центробежные каналы (10 и 10'), выходные сечения которых жестко соединены с соответствующими корпусами (13 и 13') коллекторов торообразной формы, охватывающими коаксиально центробежные колеса (7 и 7') по их периферии так, что выходные сечения центробежных каналов (10 и 10') герметично соединены с полостями корпусов (13 и 13') соответствующих коллекторов, разделенных внутри поперечными перегородками (15 и 15') на отдельные полости, с образованием рабочих камер (16 и 16'), каждая из которых оснащена тангенциально установленным соплом (17 и 17') Лаваля, а второй ротор (19) выполнен в виде двух, установленных с двух сторон первого ротора, дисков (20 и 20') с диаметром, превышающим диаметр первого ротора (3), соединенных жестко, каждый со своим валом (22 и 22') соответственно, и между собой по периферии лопатками (24), жестко скрепленными силовым кольцом (30), и расположенными по окружности вокруг первого ротора (3), и выполненными в виде профилированных в поперечном сечении желобов, ось которых параллельна его валам (22 и 22'), а своими торцами лопатки (24) жестко закреплены по нормали и с заданным углом разворота относительно дисков (20 и 20') второго ротора (19), с охватом сопел (17 и 17') Лаваля первого ротора (3), при этом валы (22 и 22') выполнены с наружными зубчатыми венцами, расположены соосно и в противоположные стороны, на подшипниках (26 и 26') коаксиально валу (4) первого ротора (3), при этом концы вала (4) соединены с соответствующей полезной нагрузкой, представляющей собой, например, электродвигатели-электрогенераторы для осуществления при ускоренном запуске турбины предварительной раскрутки первого ротора (3) до заданной скорости вращения. Каждый из валов (22 и 22') через соответствующую передачу, содержащую ведомое зубчатое колесо (27 и 27') на вспомогательном валу (28 и 28'), соединен с соответствующей полезной нагрузкой, представляющей собой, например, электродвигатели-электрогенераторы для осуществления при ускоренном запуске турбины предварительной раскрутки второго ротора (19) до заданной скорости вращения.

Запуск и работа роторной радиальной активно-реактивной турбины в зависимости от величины давления рабочего тела, поступающего на ее вход, осуществляют по двум вариантам:

- обычный, естественный запуск (без использования предварительной, принудительной раскрутки ее роторов с помощью внешнего привода, представляющего собой, например, электродвигатель-электрогенератор);

- ускоренный запуск (с использованием предварительной, принудительной раскрутки ее роторов с помощью внешнего привода).

Обычный, естественный запуск и работа роторной радиальной активно-реактивной турбины выполняется при использовании рабочего тела, поступающего на ее вход с давлением, достаточным для раскрутки ее первого ротора (3), и при отсутствии возможности использовать предварительную, принудительную раскрутку ее роторов (3) и (19) с помощью внешнего привода. В исходном положении первый ротор (3) и второй ротор (19) турбины находятся в состоянии покоя. Рабочее тело под высоким давлением подается через трубопровод (2) только на вход первого ротора (3), и далее поступает в центробежные каналы (10) его однопоточного закрытого центробежного колеса (7). Воздействуя своим давлением на профилированные лопатки (8) центробежных каналов (10) рабочее тело создает момент вращения первого ротора (3) на валу (4).

Из центробежных каналов (10), выполненных на выходе с расширением в форме диффузоров (11), и закрытых дроссельной решеткой (12), рабочее тело поступает в рабочие камеры (16), и затем под действием собственного давления истекает из первого ротора (3) через тангенциально установленные сопла (17) Лаваля, с образованием дополнительного момента вращения первого ротора (3) на валу (4). Моменты вращения первого ротора (3) на валу (4), полученные от работы профилированных лопаток (8) и сопел (17) Лаваля суммируются, ускоряя вращение ротора (3).

По мере увеличения скорости вращения первого ротора (3) под действием давления поступающего в него рабочего тела, в центробежных каналах (10) происходит сжатие этого рабочего тела, с повышением его давления и энтальпии, и последующим повышением давления рабочего давления в рабочих камерах (16) до заданного значения. При этом сопла (17) Лаваля выходят на заданный, расчетный режим работы, и обеспечивают максимальную скорость истечения рабочего тела из первого ротора (3), и соответственно максимальный момент его вращения на валу (4). Так как истекающий с максимальной скоростью из сопел (17) Лаваля первого ротора (3) поток рабочего тела обладает высокой кинетической энергией, то попадая на лопатки (24) второго ротора (19), он обеспечивает максимальный момент вращения второго ротора (19) на валах (22) и (23) в сторону, противоположную вращению первого ротора (3).

Таким образом, в первом роторе (3) потенциальная энергия давления поступающего в турбину рабочего тела сначала повышается за счет сжатия его в центробежных каналах (10), а затем полностью эффективно преобразуется в кинетическую энергию с помощью сопел (17) Лаваля. При этом в создании момента вращения первого ротора (3) на валу (4) принимает участие, как потенциальная энергия давления рабочего тела, так и кинетическая энергия рабочего тела, истекающего из сопел (17) Лаваля, что способствует повышению мощности работы первого ротора (3), который по сути своей является активно-реактивной ступенью турбины, в которой центробежное рабочее колесо (7) и сопла (17) Лаваля вносят существенный вклад в создание момента вращения первого ротора (3).

Сжатие потока рабочего тела в центробежном колесе (7) первого ротора (3) с энергетической точки зрения является наиболее эффективным (КПД процесса сжатия составляет порядка 84-86%, см., например, Н. Кампсти, «Аэродинамика компрессоров», глава 2.2, М, изд. «Мир», 2000 г, с. 98, и Ю.А Чумаков, «Газодинамический расчет центробежных компрессоров», «МАМИ», М, 2009 г, с. 2) по сравнению с со сжатием, например, в осевом колесе. Причем 58% сжатия потока в центробежном колесе (7) является «даровым», так как происходит за счет центробежных сил, и лишь только 42% сжатия осуществляется за счет работы профилированных лопаток (8), при этом потери энергии в потоке рабочего тела определяются от 42% (см., например, Н. Кампсти, «Аэродинамика компрессоров», глава 2.2, М, «Мир», 2000 г, с. 101, 105). Поэтому, существенное увеличение энтропии потока рабочего тела при сжатии его в центробежном колесе (7), в основном за счет центробежных сил, в конечном счете, повышает эффективность работы первого ротора (3) по мощности.

Из универсального уравнения термо-газодинамики - «Уравнения обращение воздействия» («УОВ») в дифференциальной форме известно (см., уравнение (1)), что наиболее эффективно поток сжимаемого рабочего тела разгоняется (преобразуется) за счет воздействия на него геометрии проточного тракта (геометрическое воздействие), поэтому истечение рабочего тела из первого ротора (3) через сопла (17) Лаваля является наиболее эффективным для достижения максимально возможных сверхзвуковых скоростей истечения (КПД процесса истечения из сверхзвукового сопла составляет порядка 94.5-97.5%, см., например, А.П. Васильев, В.М. Кудрявцев, В.А. Кузнецов, и др. «Основы теории и расчета ЖРД», Высшая школа, 1967 г., с. 313). Поэтому сверхзвуковые сопла (17) Лаваля так же повышают эффективность работы первого ротора (3) по мощности.

,

где

Μ, V, а - число Маха, скорость и скорость звука в потоке рабочего тела;

F - площадь характерного сечения проточного тракта

(геометрическое воздействие на поток рабочего тела);

ρ, h_ps, Τ - плотность, энтальпия, температура рабочего тела;

ξ - коэффициент гидравлического сопротивления в проточном тракте;

R - радиус канала в проточном тракте;

q_x - тепловая энергия, подводимая к потоку рабочего тела извне, или отбираемая у потока рабочего тела (тепловое воздействие);

Q - расходная функция (расходное воздействие);

ƒ_x - внешняя сила, воздействующая на поток рабочего тела.

Эффективное сжатие поступающего в турбину рабочего тела в первом роторе (3) в совокупности с эффективным истечением сжатого рабочего тела обеспечивают существенное повышение эффективности его работы по мощности.

Истекая из сопел (17) Лаваля первого ротора (3) потоки рабочего тела с высокой кинетической энергией воздействуют на профилированные лопатки (24) второго ротора (19) с силой (согласно третьему закону о равенстве сил действия и противодействия), с которой они воздействуют на сопла (17) Лаваля первого ротора (3), что обуславливает высокую мощность работы второго ротора (19).

Таким образом, эффективность работы турбины, определяемая совокупностью совместной работы первого ротора (3) и второго ротора (19) значительно превышает эффективность работы турбины Юнгстрем по мощности.

Ускоренный запуск и работа роторной радиальной активно-реактивной турбины (с предварительной, принудительной раскрутки ее роторов с помощью внешнего привода) выполняется при использовании рабочего тела, поступающего на вход турбины с давлением, как достаточным, так и не достаточным для раскрутки ее первого ротора. При этом запуск турбины начинается с предварительной, принудительной раскрутки первого ротора (3) и второго ротора (19) до требуемой заданной скорости для каждого из них. Скорость раскрутки первого ротора (3) определяется условиями запуска сверхзвуковых сопел (17) Лаваля, а скорость раскрутки второго ротора (19) определяется условиями безударного вхождения потоков рабочего тела, истекающих со сверхзвуковой скоростью из сопел (17) Лаваля первого ротора (3) на профилированные лопатки (24) второго ротора (19). При этом изначально рабочее тело подается только на вход первого ротора (3). Дальнейший процесс работы турбины аналогичен процессу работы турбины без предварительной раскрутки первого ротора (3) и второго ротора (19).

Работа турбины с первым ротором, выполненным с двумя однопоточными закрытыми центробежными колесами, осуществляется аналогичным образом. Использование в турбине первого ротора (3), выполненного в виде моноблока, состоящего из двух идентичных, выполненных зеркально, жестко закрепленных на одном валу и жестко соединенных между собой фланцами при помощи рамы кольцеобразной формы, закрытых однопоточных центробежных колес с профилированными лопатками позволяет:

- полностью снять осевые нагрузки на подшипники (5 и 5') ее вала (4), что в данном случае является принципиально важным;

- при несущественном увеличении габаритов и массы турбины повысить, практически в два раза, мощность турбины.

Компактная конструкция проточных трактов заявленных турбин в совокупности с эффективным сжатием в центробежных каналах (10 и 10') первого ротора (3) потока рабочего тела, с повышением его давления и энтальпии, и с последующим его тангенциально-радиальным истечением через тангенциально установленные сверхзвуковым сопла (17 и 17') Лаваля, и его кинетическим воздействием на лопатки (24) второго ротора (19), вращающегося в противоположную сторону, позволяют с максимальной эффективностью преобразовывать энергию рабочего тела из одного вида в другой, тем самым эффективно использовать его в работе турбин. При этом во всем проточном тракте турбин поток рабочего тела остается стационарным, не разрушается, и осуществляет свою работу с минимальными потерями энергии, что в совокупности с тангенциально-радиальным сверхзвуковым истечением рабочего тела из сопел (17 и 17') Лаваля первого ротора (3), и тангенциальным воздействием истекающего из этих сопел рабочего тела на лопатки (24) второго ротора (19) обеспечивает максимальную концентрацию усилия потока рабочего тела на наибольшем плече роторов (3) и (19), что обеспечивает существенное повышение мощности, в том числе удельной предлагаемых турбин. Наличие в заявленных турбинах дополнительных валов позволяет избирательно, дифференцировано подключать к турбинам полезную нагрузку.

Изобретения относятся к машиностроению, а именно к турбинам для привода валов электрогенераторов, компрессоров, насосов и других устройств. В первом варианте роторной радиальной активно-реактивной турбины (фиг.1, 2, 3 и 4) рабочее тело поступает через трубопровод (2) в однопоточное закрытое центробежное колесо (7) ротора (3) с тангенциально установленными на его периферии соплами (17) Лаваля, в котором осуществляется сжатие рабочего тела с повышением его давления и энтальпии и его последующее сверхзвуковое истечение через сопла (17) на профилированные лопатки (24) ротора (19), выполненного в виде двух дисков (20 и 21), расположенных соосно с двух сторон ротора (3), жестко соединенных по периферии лопатками (24) и жестко с соосными валами (22) и (23) с возможностью вращения в сторону, противоположную вращению ротора (3). Валы соединены с полезной нагрузкой. Во втором варианте турбины (фиг.5, 6 и 7) рабочее тело поступает через трубопроводы (2 и 2'), расположенные в противоположные стороны, в два идентичных, выполненных зеркально, жестко закрепленных на валу (4) и жестко соединенных между собой фланцами при помощи рамы (29) кольцеобразной формы однопоточных закрытых центробежных колеса (7 и 7') ротора (3) с тангенциально установленными на его периферии соплами (17 и 17') Лаваля. Сжатое рабочее тело истекает через сопла (17 и 17') на профилированные лопатки (24) второго ротора (19), выполненного в виде двух дисков (20 и 20'), соединенных жестко, каждый со своим валом (22 и 22') соответственно, и между собой жестко по периферии лопатками (24), выполненными в виде желобов, ось которых параллельна его валам (22 и 22'), и скрепленными жестко силовым кольцом (30). Валы (22 и 22') расположены соосно и в противоположные стороны, коаксиально с валом (4) ротора (3), при этом они связаны через соответствующую передачу с полезной нагрузкой. Техническим результатом заявляемых роторных радиальных активно-реактивных турбин является повышение их абсолютной и удельной мощности. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Роторная радиальная активно-реактивная турбина, содержащая корпус с трубопроводом, подводящим рабочее тело, при этом в корпусе установлены два ротора, жестко закрепленные, каждый на своем валу, с возможностью вращения в противоположные стороны в подшипниковых опорах за счет подачи рабочего тела на лопатки роторов, отличающаяся тем, что ее первый ротор соединен коаксиально и подвижно с трубопроводом, подводящим рабочее тело, и выполнен в виде однопоточного закрытого центробежного колеса с профилированными лопатками, образующими закрытые центробежные каналы, жестко соединенного с корпусом полого коллектора торообразной формы, охватывающим коаксиально центробежное колесо по его периферии так, что выходные сечения центробежных каналов центробежного колеса герметично соединены с полостью коллектора, разделенной внутри поперечными перегородками на отдельные полости, с образованием рабочих камер, каждая из которых оснащена тангенциально установленным соплом Лаваля, при этом оба конца вала первого ротора связаны с соответствующими полезными нагрузками, а второй ротор выполнен в виде двух установленных с двух сторон первого ротора дисков с диаметром, превышающим диаметр первого ротора, соединенных жестко, каждый со своим валом и между собой по периферии лопатками, расположенными по окружности вокруг первого ротора и выполненными в виде профилированных в поперечном сечении желобов, ось которых параллельна его валам, а своими торцами лопатки жестко закреплены по нормали и с заданным углом разворота относительно дисков второго ротора с охватом сопел Лаваля первого ротора, при этом валы второго ротора расположены соосно и в противоположные стороны, коаксиально с валом первого ротора, причем один вал второго ротора установлен с упором на подшипниковую опору, закрепленную на корпусе трубопровода, а другой вал второго ротора установлен с упором на подшипниковую опору, закрепленную на корпусе турбины, и оба вала второго ротора связаны через соответствующие передачи с полезными нагрузками.

2. Роторная радиальная активно-реактивная турбина, содержащая корпус с подводом в него рабочего тела, при этом в корпусе установлены два ротора, жестко закрепленные, каждый на своем валу, с возможностью вращения в противоположные стороны в подшипниковых опорах за счет подачи рабочего тела на лопатки роторов, отличающаяся тем, что ее первый ротор соединен коаксиально и подвижно с расположенными в противоположные стороны трубопроводами, подводящими к нему рабочее тело с двух сторон, и состоит из двух идентичных, выполненных зеркально, жестко закрепленных на одном валу и жестко соединенных между собой фланцами при помощи рамы кольцеобразной формы, однопоточных закрытых центробежных колес с профилированными лопатками, образующими закрытые центробежные каналы, жестко соединенных с соответствующими корпусами полых коллекторов торообразной формы, охватывающими коаксиально центробежные колеса по их периферии так, что выходные сечения центробежных каналов центробежных колес герметично соединены с полостями соответствующих коллекторов, разделенных внутри поперечными перегородками на отдельные полости, с образованием рабочих камер, каждая из которых оснащена тангенциально установленным соплом Лаваля, при этом оба конца вала первого ротора связаны с соответствующими полезными нагрузками, а второй ротор выполнен в виде двух установленных с двух сторон первого ротора дисков с диаметром, превышающим диаметр первого ротора, соединенных жестко, каждый со своим валом и между собой по периферии лопатками, жестко скрепленными разделительным силовым кольцом, расположенными по окружности вокруг первого ротора и выполненными в виде профилированных в поперечном сечении желобов, ось которых параллельна его валам, а своими торцами лопатки жестко закреплены по нормали и с заданным углом разворота относительно дисков второго ротора с охватом сопел Лаваля первого ротора, при этом валы второго ротора расположены соосно и в противоположные стороны, коаксиально с валом первого ротора, а каждый вал второго ротора связан через соответствующие передачи с полезными нагрузками.

3. Роторная радиальная активно-реактивная турбина по пп. 1, 2, отличающаяся тем, что профилированные лопатки однопоточного закрытого центробежного колеса первого ротора выполнены на выходе с углом наклона от радиального направления в сторону, противоположную его вращения, при этом угол наклона определяется путем комплексного моделирования из условия безударного и безотрывного втекания рабочего тела в рабочие камеры.

4. Роторная радиальная активно-реактивная турбина по пп. 1-3, отличающаяся тем, что кривизна профиля лопаток второго ротора в поперечном сечении задается функцией логарифмической спирали и определяется путем комплексного моделирования из условия безударного и безотрывного их обтекания рабочим телом.

5. Роторная радиальная активно-реактивная турбина по пп. 1-4, отличающаяся тем, что размер и угол разворота лопаток второго ротора относительно его дисков определяются путем комплексного моделирования из условия безударного и безотрывного их обтекания рабочим телом.

6. Роторная радиальная активно-реактивная турбина по пп. 1-5, отличающаяся тем, что полезная нагрузка представляет собой электродвигатели-электрогенераторы, компрессоры, насосы и валы двигательных установок.