ТУРБИНА Российский патент 2022 года по МПК F01D1/32 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к пневматическим и паровым турбинам для привода электрогенераторов, компрессоров, тепловых насосов и пр., используемых в автомобилях и другой технике.

Уровень техники

Известен способ получения механической энергии в турбине, включающий подачу рабочего тела в каналы ротора турбины и разгон рабочего тела при истечении из каналов в одном направлении с обеспечением вращения ротора, рабочее тело из каналов ротора подают в образованное оболочкой закрытое пространство вокруг ротора и оно взаимодействует с трением с оболочкой и истекает через отверстия в оболочке, разгоняясь в одном направлении. Истечение из каналов ротора и оболочки осуществляется в одну сторону. Ротор и оболочка приводят во вращение один вал, на котором они жестко закреплены (патент США 3282560, НКИ: 415-80, 1965).

Недостатком известного способа является невозможность получения механической энергии для турбины от ее ротора, так как момент, создаваемый на роторе при истечении из его каналов рабочего тела, по закону сохранения момента количества движения, компенсируется обратным моментом, создаваемым при торможении отработанного рабочего тела в роторе на внутренней поверхности оболочки, а полезный момент создается лишь при истечении рабочего тела из отверстий оболочки под давлением, оставшимся после расширения рабочего тела в каналах ротора, что приводит к большим потерям энергии (~ 50%).

В качестве ближайшего аналога выбрано решение RU 2200848 С1 раскрывающее турбину, содержащую 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 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 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 патрубков барабана и ось трубы, а в стенке пояска соответственно патрубкам выполнены отверстия.

Недостатком известного решения, выбранного в качестве прототипа, является его низкое КПД, обусловленное тем, что в отверстиях патрубков такой формы при прохождении рабочего тела возникает дополнительное сопротивление.

Задачей предложенного изобретения является устранение указанного недостатка.

Раскрытие сущности изобретения

Техническим результатом является повышение КПД турбины, экономия приводящей ее в действие энергии.

Данный результат обеспечивается тем, что турбина содержит сегнерово колесо, выполненное в виде трубы (1) фиг. 1, 2, 4, 5 с, по меньшей мере, одним боковым отверстием и закрытым торцевым концом, указанная труба (1) скреплена соосно с валом (2), установленным соосно на диске (3) на, по меньшей мере, одном подшипнике качения (4) для обеспечения вращения указанной трубы (1) фиг. 1, при этом на трубе (1), в месте расположения бокового отверстия, радиально закреплен, по крайней мере, один патрубок (5) с обеспечением прохождения в него рабочей среды через отверстие из указанной трубы (1), а на конце патрубка (5) установлена лопатка (6), одной из торцевых стенок жестко закрепленная на диске (3) фиг. 1, и выполненная в виде Г-образного элемента с углом 90 градусов, сглаженным в месте изгиба, при этом в корпусе лопатки имеется щелевое отверстие (7), повторяющее форму лопатки (6) фиг. 2-5.

Количество подшипников (4) может быть и больше, в зависимости от длины вала, скорости вращения и прочих факторов.

Количество патрубков (5) равно количеству боковых отверстий на трубе (1).

Патрубок (5) имеет на всем своем протяжении полость/канал (5.1) для прохождения сквозь него рабочей среды.

Корпус лопатки (6) фиг. 2-5, как правило, выполняется из двух частей, а именно из передней (6.1) и задней (6.2) стенок, скрепленных между собой. Задняя стенка (6.2) лопатки (6) может иметь в поперечном сечении обтекаемую скругленную форму профиля для уменьшения коэффициента аэродинамического сопротивления при ее вращении. При этом скругление может иметь различную форму, например в виде полусферы, каплевидной формы или иных других форм, уменьшающих аэродинамическое сопротивление лопатки (6) при вращении. Угол лопатки (6) может быть чуть больше или чуть меньше 90 градусов, однако находится в диапазоне 75-105 градусов.

Ширина лопатки (6), по меньшей мере, в два раза больше ширины патрубка (5). Предпочтительно в 5-10 раз.

Задняя стенка (6.2) лопатки имеет в поперечном сечении обтекаемую скругленную форму профиля для уменьшения коэффициента аэродинамического сопротивления.

В частном случае исполнения корпус лопатки (6) может быть изготовлен и цельным (монолитным).

Щелевое отверстие (7) лопатки может быть как закрытое по торцевой стенке фиг. 4-5, так и открытое фиг. 2-3.

В качестве рабочей среды может применяться любой состав текучей среды (сжатый воздух, газ, и пр.), не ограниченный чем либо. Предпочтительно количество патрубков (5) два и более, для исключения дисбаланса конструкции при ее работе. Механизм стыковки отверстия с патрубком (5) может быть любым, например винтовым, клеевым, с помощью сварки или крепежных элементов или иным другим.

Прохождение щелевого отверстия (7) с плавным (скругленным) поворотом обеспечивает исключение силы сопротивления создаваемого потоком рабочей среды при повороте на 90 градусов, то есть поток не теряет (или потери минимальные) своей кинетической силы при изменении направления его прохождения. Кроме того, поток рабочей среды дополнительно создает импульс за счет воздействия струи рабочей среды на увеличенную площадь лопатки (6), то есть поток обеспечивает дополнительное воздействие на лопатку (6), что дополнительно усиливает скорость вращения всей конструкции. Таким образом, помимо создания момента инерционных реактивных сил от потока рабочей среды создаются дополнительные возможности для ускорения вращения лопасти(ей) (патрубок (5) с лопаткой (6) образуют лопасть) турбины для решения задачи увеличения механической энергии, получаемой в турбине, путем увеличения коэффициента полезного действия вследствие более эффективного использования потока рабочей среды, что позволяет увеличить механическую энергию, получаемую в заявленной турбине. Таким образом, происходит полезное использование энергии с большим КПД и получение дополнительной мощности и экономии приводящей ее в действие энергии.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - конструкция турбины с двумя патрубками в разрезе.

Фиг. 2 - вариант выполнения устройства с четырьмя патрубками и лопаткой с открытым по торцевой стороне щелевым отверстием.

Фиг. 3 - общий вид лопатки с открытым по торцевой стороне щелевым отверстием.

Фиг. 4 - вариант выполнения устройства с четырьмя патрубками и лопаткой с закрытым по торцевой стороне щелевым отверстием.

Фиг. 5 - общий вид лопатки с закрытым по торцевой стороне щелевым отверстием.

Краткое описание конструктивных элементов:

1 - труба;

2 - вал 2;

3 - диск;

4 - подшипник качения;

5 - патрубок;

5.1 - полость/канал;

6 - лопатка;

6.1 - передняя стенка лопатки;

6.2 - задняя стенка лопатки;

7 - отверстие.

Турбина работает следующим образом.

Поток рабочей среды (А) фиг. 1, образованный от любого источника текучей среды (сжатый воздух, газ, и пр.). поступает в трубу (1) и далее через отверстие(ия) попадает в патрубок (5). Пройдя через патрубок (5), рабочая среда попадает в лопатку (6), пройдя через которую поток рабочей среды с высокой скоростью выходит из щелевого отверстия (7) лопатки (6) наружу, приводя ее во вращение, создавая кинетическую энергию. Вращение осуществляется посредством вала (2), установленного в подшипнике (4) для обеспечения легкого скольжения. Вращающаяся турбина создает энергию, которая через вал (2) передается для создания нужной работы (функционирования) чего либо.

Пример 1 реализации устройства.

Турбина работает на сжатом воздухе. Труба (1), имеющая четыре равноудаленные боковые отверстия (через каждые 90 градусов), скреплена соосно с валом, установленным в основании на двух шариковых подшипниках качения, при этом на трубе (1) в месте расположения боковых отверстий радиально закреплены четыре патрубка (5) с обеспечением - прохождения в них воздуха из указанной трубы (1), а на конце каждого патрубка установлена лопатка (6) с закрытым щелевым отверстием. Поперечное сечение задней стенки каждой лопатки (6) выполнено прямое.

Пример 2 реализации устройства.

Турбина работает на выхлопных газах двигателя. Труба (1), имеющая восемь равноудаленных боковых отверстий (через каждые 45 градусов), скреплена соосно с валом, установленным в основании на трех роликовых подшипниках качения, при этом на трубе (1) в месте расположения боковых отверстий радиально закреплены восемь патрубков (5) с обеспечением прохождения в них выхлопных газов из указанной трубы (1), а на конце каждого патрубка установлена лопатка (6) с открытым щелевым отверстием. Поперечное сечение задней стенки каждой лопатки (6) выполнено в виде полусферы.

Предложенное решение обеспечивает повышение КПД турбины и экономию приводящей ее в действие энергии.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к пневматическим и паровым турбинам для привода электрогенераторов, компрессоров, тепловых насосов и пр., используемых в автомобилях и другой технике. Турбина содержит сегнерово колесо, выполненное в виде трубы с, по меньшей мере, одним боковым отверстием и закрытым торцевым концом. Указанная труба скреплена соосно с валом, установленным в основании на, по меньшей мере, одном подшипнике качения для обеспечения вращения указанной трубы. При этом на трубе в месте расположения бокового отверстия радиально закреплен, по крайней мере, один патрубок с обеспечением прохождения в него рабочей среды из указанной трубы. На конце патрубка установлена лопатка, одной из торцевых сторон жестко закрепленная на диске и выполненная в виде Г-образного элемента с углом в диапазоне 75-105°, и состоящего из передней и задней стенок, скрепленных между собой. При этом в корпусе лопатки имеется скругленное щелевое отверстие. Техническим результатом является повышение КПД турбины, экономия приводящей ее в действие энергии. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Турбина, характеризующаяся тем, что сегнерово колесо, выполненное в виде трубы с, по меньшей мере, одним боковым отверстием и закрытым торцевым концом, указанная труба скреплена соосно с валом, установленным в основании на, по меньшей мере, одном подшипнике качения для обеспечения вращения указанной трубы, при этом на трубе в месте расположения бокового отверстия радиально закреплен, по крайней мере, один патрубок с обеспечением прохождения в него рабочей среды из указанной трубы, отличающаяся тем, что на конце патрубка установлена лопатка, одной из торцевых стенок жестко закрепленная на диске, и выполненная в виде Г-образного элемента с углом в диапазоне 75-105 градусов, сглаженным в месте изгиба, и состоящего из передней и задней стенок, скрепленных между собой, при этом в корпусе лопатки имеется щелевое отверстие, повторяющее форму лопатки.

2. Турбина по п. 1, характеризующаяся тем, что щелевое отверстие лопатки выполнено закрытым по торцевой стенке.

3. Турбина по п. 1, характеризующаяся тем, что щелевое отверстие лопатки выполнено открытым по торцевой стенке.

4. Турбина по п. 1, характеризующаяся тем, что ширина лопатки, по меньшей мере, в два раза больше ширины патрубка.

5. Турбина по п. 1, характеризующаяся тем, что задняя стенка лопатки имеет в поперечном сечении обтекаемую скругленную форму профиля.