РОТОР ТУРБИНЫ ТРЕНИЯ Российский патент 2024 года по МПК F01D1/36 F01D1/08 

Изобретение относится к турбинным установкам, в частности, к устройству роторного узла турбины трения, которая может быть применена в качестве двигательной установки транспортного средства или силовой установки электрогенератора.

Известен ротор фрикционной паровой турбины, выполненный в виде расположенных концентрически и укрепленных на дисках кольцевых пластин, на внутренние и наружные поверхности которых направлены сопла, подводящие пар через систему трубопроводов. Пар обтекает установленные с необходимыми зазорами кольцевые пластины, собранные в пачки, и, таким образом, приводит ротор во вращение. Отработавший пар через отверстия в дисках и полость между ними поступает в отводную трубу.

(см. авторское свидетельство №26305, F01D 1/36, 1932 г.).

В результате анализа известного решения следует отметить, что результирующая точка приложения сил вязкого трения находится не на периферии ротора, а между наружными и внутренними пачками кольцевых пластин и на рычаге от оси вращения развивает ограниченный крутящий момент.

Известен ротор многодисковой турбины трения, содержащий пакет дисков, установленных с небольшими промежутками на валу. Наличие буртиков на торцевых поверхностях дисков придает оптимальную длину траектории потока рабочего тела. При движении потока рабочего тела в зазоре между каждой парой дисков возникают силы вязкого трения, которые воздействуют на боковые поверхности дисков от их внешней кромки до окон для отвода рабочего тела.

(см. авторское свидетельство №128235, F01D 1/36, 1960 г.)

В результате анализа известного решения следует отметить, что результирующая точка приложения сил вязкого трения находится не в периферийной области дисков, а ближе к середине радиуса ротора и рычаг от оси вращения до результирующей точки приложения сил вязкого трения является ограниченным для ротора, не развивающего по этой причине максимально возможный крутящий момент.

Известен ротор турбины трения, состоящий из двух дисков, между которыми закреплены изогнутые ленты. Рабочее тело подводится к ротору через тангенциально расположенные сопла и движется по спиральным каналам, образованным поверхностями лент. Трение движущегося рабочего тела о поверхности лент преобразует кинетическую энергию потока в механическую работу на валу.

(см. авторское свидетельство №128234, F01D1/36, 1960 г.).

Недостаток ротора такой конструкции заключен в невозможности обеспечить прохождение всего потока рабочего тела внутри пограничного слоя в периферийной области ротора из-за избыточно большого расстояния между входными кромками соседних лент, что в итоге снижает результирующую силу вязкого трения, и, как следствие, уменьшает создаваемый ею крутящий момент ротора.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является турбинный узел, состоящий из корпуса, с размещенной в нем ступицей, связанной с полым валом турбины, сопла, двумя группами дисков, прикрепленных друг к другу с осевым зазором и приводимых во вращение текучей средой и по меньшей мере одного выпуска. На периферийной части смежных торцевых поверхностей дисков размещены буртики, выполненные по замкнутым концентрическим окружностям с радиальным шагом равным удвоенной сумме толщины буртика и разницы осевого зазора между дисками и высотой буртиков меньше междискового осевого расстояния. На одной торцевой поверхности смежных дисков, прилегающей к их выходному центральному отверстию расположены лопатки с высотой равной междисковому осевому зазору, таким образом, что образуют собой в междисковом пространстве этих дисков выходные каналы с равным шагом по окружности, в которых, поток текучей среды изменяет направление тангенциальной составляющей своей скорости на противоположное.

(см. патент №195337, F01D 1/36, F01D 1/08, 2019 г.).

Ротор такой конструкции имеет следующие недостатки:

- применение второй группы дисков означает недостаточно эффективную передачу кинетической энергии потока текучей среды вращающимся дискам первой группы, то есть диски первой группы на самом большом плече не развивают максимально возможный крутящий момент;

- прилегающие к выходному центральному отверстию лопатки, разворачивают поток на 180 градусов, и реактивная сила действует на малом плече, вследствие чего создаваемый крутящий момент меньше, чем в случае установки лопаток непосредственно у буртиков;

- конструкция ограничивает крутящий момент, определяемый в основном величиной суммарной силы вязкого трения на поверхностях буртиков, для роста которой требуется увеличение количества буртиков, и, соответственно, увеличение количества дисков, что нецелесообразно из-за роста общей массы и габаритов ротора.

Техническим результатом изобретения является получение высокого крутящего момента турбины трения.

Указанный технический результат достигается тем, что ротор турбины трения состоит вала, с зафиксированными на нем, по меньшей мере, двумя дисками, и тонких лопаток, имеющих изогнутую форму и установленных между дисками таким образом, что входная кромка каждой лопатки находится у внешнего края дисков, новым является то, что верхняя поверхность каждой лопатки находится под нижней поверхностью предыдущей лопатки и эти поверхности эквидистантны и движение потока рабочего тела между ними осуществляется по двум смежным пограничным слоям, при этом отношение диаметров двух условных окружностей, находящихся на плоскости, перпендикулярной оси вращения ротора и проходящих, соответственно, через внешние и внутренние кромки лопаток не превышает величины 1,1, а у выходной кромки каждой лопатки может быть установлен реверсный элемент, который разворачивает поток рабочего тела в направлении, противоположном вращению ротора для создания дополнительного крутящего момента за счет реактивной силы.

Данная конструкция ротора турбины трения обеспечивает поставленный технический результат, так как силы вязкого трения, действующие между поверхностей каждой пары лопаток вдоль от их входных кромок, вместе с реактивными силами на уровне выходных кромок реверсного элемента, развивают на самом большом плече от периферии ротора до оси его вращения максимальный крутящий момент.

Сущность заявленного изобретения поясняется графическим материалом: на фиг. 1 - поперечное сечение ротора турбины трения, на фиг. 2 - увеличенный фрагмент поперечного сечения ротора турбины трения.

Ротор, установленный на подшипниках (не показаны) в корпусе 1 турбины, состоит из полого вала 2 с центральным отверстием (не нумеровано) для отвода рабочего тела 3, зафиксированными на нем двумя дисками 4, между которыми закреплены лопатки 5 изогнутой, преимущественно, дугообразной формы. У каждой лопатки 5 входная кромка находится у внешнего края дисков 4, и в сравнении с ней, выходная кромка находится ближе к оси вращения ротора на расстоянии меньшем с разницей, не превышающей 0,1.

Верхняя поверхность каждой лопатки заходит под нижнюю поверхность предыдущей лопатки и эти поверхности эквидистантны и сближены так, что поток рабочего тела, поступающий из сопла 6 движется по двум смежным пограничным слоям.

У выходной кромки каждой лопатки может быть установлен реверсный элемент 7, обеспечивающий разворот потока рабочего тела в направлении, противоположном вращению ротора и таким образом увеличивающий крутящий момент ротора за счет появляющейся реактивной силы.

Возможно изготовление лопаток с реверсными элементами и с дисками, вместе с валом в виде единой детали из, например, керамического или металлокерамического материала.

Сопоставление существенных признаков предлагаемого технического решения и существенных признаков аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».

Работа устройства осуществляется следующим образом (фиг. 1 и фиг. 2).

Из камеры сгорания (не показана) рабочее тело 3 в виде газов, являющихся продуктами сгорания с температурой от 1700°С до 2300°С и с давлением от 6 МПа до 9 МПа, устремляется через плоское сопло 6 потоком по направлению вращения ротора касательно к его условной цилиндрической поверхности, образуемой на уровне входа в пространство между лопатками при вращении и поступает в него в момент совпадения срединной линии сопла 6 со срединной линией между двумя соседними лопатками 5. При этом течение потока рабочего тела 3 осуществляется только по двум смежным пограничным слоям, чем достигается самое интенсивное действие силы вязкого трения, которая на максимально возможном рычаге развивает крутящий момент, приводящий лопатки 5 в круговое движение относительно оси ротора, то есть ротор начинает вращаться. В этот момент поток рабочего тела 3 оказывает кратковременное давление на торцевую часть (входную кромку) лопатки 5 и тем самым создает дополнительный крутящий момент.

При дальнейшем повороте ротора поток рабочего тела 3 из сопла 6 поступает в пространство между следующей парой лопаток 5 и так далее.

На выходе из пространства между лопатками 5 поток рабочего тела 3 создает давление на реверсный элемент 7, вызывающее на рычаге от оси вращения ротора дополнительный крутящий момент, и разворачивается в направлении, противоположном вращению ротора, вследствие чего появляется реактивная сила, которая на рычаге от оси вращения ротора также развивает крутящий момент.

В итоге развиваемый ротором крутящий момент, формируется на периферии дисков 4 под воздействием четырех сил: вязкого трения в пространстве между лопатками 5, давления на торцевую часть лопатки 5, давления на реверсный элемент 7 и реактивных сил и передается через диски 4 на вал 2 турбины, а поток рабочего тела 3, кинетическая энергия которого преобразовалась во вращение ротора отводится через полый вал 2.

Основное преимущество ротора тангенциальной турбины трения перед прототипом того же диаметра - превосходство в величине развиваемого крутящего момента так как суммарная площадь поверхности буртиков существенно меньше, чем, например, суммарная площадь поверхности лопаток ротора тангенциальной турбины, которая может достигать за счет габаритов лопаток и их количества многократно большей величины, и, следовательно, создавать существенно большую суммарную силу вязкого трения, определяющую максимально высокий крутящий момент на предельно большом плече. Кроме того, максимально возможный крутящий момент достигается наиболее эффективным расположением реверсных элементов у выходной кромки лопаток, а не на меньшем диаметре, как это реализовано в прототипе.

Ротор турбины трения несложен в изготовлении и в минимальной комплектации включает вал со шпонкой либо со шлицами, два диска с фиксаторами и два комплекта однотипных деталей: лопаток и реверсных элементов.

Изобретение относится к области турбостроения и может быть использовано в конструкции роторного узла турбины трения, которая может быть применена в качестве двигательной установки транспортного средства или силовой установки электрогенератора. Ротор турбины трения содержит вал с дисками, между которыми установлены лопатки. Каждая пара соседних лопаток сближена так, что течение потока рабочего тела осуществляется по двум смежным пограничным слоям. Отношение диаметров двух условных окружностей, проходящих, соответственно, через внешние и внутренние кромки лопаток, не превышает величины 1,1. У выходной кромки каждой лопатки установлен элемент, разворачивающий поток рабочего тела в направлении, противоположном вращению ротора. Лопатки, реверсные элементы, диски и вал выполнены в виде единой детали. Технический результат заключается в достижении высокого крутящего момента ротора. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Ротор турбины трения, состоящий из вала, с зафиксированными на нем по меньшей мере двумя дисками, между которыми по периферии закреплены лопатки в виде тонких изогнутых пластин, отличающийся тем, что верхняя поверхность каждой лопатки расположена эквидистантно под нижней поверхностью предыдущей лопатки, а прохождение потока рабочего тела между ними осуществляется по двум смежным пограничным слоям, при этом отношение диаметров двух условных окружностей, проходящих, соответственно, через внешние и внутренние кромки лопаток, не превышает величины 1,1.

2. Ротор по п. 1, отличающийся тем, что перед выходной кромкой каждой лопатки установлен реверсный элемент для разворота потока рабочего тела в направлении, противоположном вращению ротора.

3. Ротор по п. 2, отличающийся тем, что лопатки, реверсные элементы, диски и вал выполнены в виде единой детали.