Осевой турбинный двигатель Советский патент 1933 года по МПК F03B3/04 

В предлагаемом осевом турбинном двигателе внутренним направляющим поверхностям, как со стороны впуска, так и со стороны выпуска рабочей среды, придана сферическая или элипсоидальная форма, ограничивающая ступицу мотора средней суживающейся с внешней стороны частью. Означенные поверхности, совместно с коноидальными чашеобразными внешними поверхностями или при радиальном выпуске со спиральным каналом, ограничивают поток рабочей среды с целью достижения центростремительного впуска и центробежного выпуска ее и получения максимальной скорости в суженной части кольцевого канала, образованного указанными поверхностями.

Вследствие очертания канала в виде кольцевого сопла с обеи.х сторон зона максимальной скорости течения совпадает с серединой сечения поверхности лопатки ротора. Благодаря коноидал{ ной поверхности ступицы ротора и поверхности такой же формы, ограничивающей наружную оболочку сопла, центростремительный впуск и центробежный выпуск жидкости производят замедление скорости течения с каждой

(111)

стороны зоны максимальной скорости внутри поверхности ротора, что делает возможным получение двойного изменения скорости течения. Это вызывает уменьшение угла наклона поверхности лопатки ротора, соответственно замедлению течения, в сечении, относительна обоих краев ротора, и потому этот угол гораздо меньше угла наклона к осн., образуемого в той же точке в сечении. цилиндра поперечной плоскостью.

Расположение и положение сферических поверхностей вращ,ения лопаток ротора внутри протока сопла требуют определенного геометрического соотношения между принятыми за главные сечения поперечными сечениями, в которых расположены центры поверхностей вращения, сгруппированных вокруг оси вращения и образующи.ч правильный многоугольник, а также сечением зоны максимальной скорости протока сопла. Удаление по оси этих двух сечений друг от друга определяется проекцией круга, вписанного в многоугольник, на полусферическую поверхность, построенную над главным сечением на диаметре круга, описанного около многоугольника, в котором площадь проекции

жруга представляет собой сечение зоны максимальной скорости протока, назы.ваемое направляющей плоскостью.

Точка пересечения направляющей поперечной плоскости, определенной таким образом по числу лопаток, с осью вращения системы дает третью точку прямоугольного треугольника, вершина этрямого угла которого в поперечной .плоскости, равно как и в продольном сечении системы, находится в центре Д1ногоугольника на оси вращения ротора, -И в котором длинный катет представляет собой радиус круга, описанного около многоугольника, гипотенуза--радиус самого большого круга поверхностей ротора и направляющего колеса, а малый катет, служащий для определения размеров коноида; ступицы ротора, длиной равный половине стороны многоугольника, представляет собой радиус двух касательных сферических поверхностей, имеющих точку касания на оси сопла.

Этот треугольник назван треугольником наклона, потому что оба угла, смеж:аые с гипотенузой, соответствуют в то же время углам наклона относительно оси поверхностей ротора, образующихся в определенном сечении цилиндра и через которые проходят кривые, ограиичивающие лопатки ротора.

Образование кольцевого капала, равно жак и разграничение и положение поверхностей ротора и направляющего .колеса, подчиняются воображаемой направляющей геометрической системе, заключающейся в цилиндре, проходящем через все поверхности направляющего .колеса и ротора, параллельно продольной оси сопла, проекция которого в по.Перечных сечениях представляет собой жруг, вписанный в многоугольник, и в двойном конусе, который, будучи :помещен по оси сопла, имеет высоту, равную диаметру сопла, а основание-- равное поперечному сеаению цилиндра, а плоскости направляющего поперечного сечения.

-На фаг. I -- 4 чертежа изображена зависимость геометрических отношений Числа лопаток ротора при числе углов многоугольника/ равном десяти и шести, ;а именно: фит. 1 йзобраисает поперечщый разрез десятиугольника; фиг. 2-

продольный его разрез; фиг. 3 - поперечный разрез шестиугольника; фиг. 4- продольный его разрез; фиг. 5 - продольный разрез двигателя; фиг. 6 - поперечный разрез,его.

Для построения поверхностей, ограничивающих проточный кольцевой канал, главное поперечное сечение //-Я принимается за исходное. Оно определяет радиус окружности f/, (фиг. 1 и 3), описанной около правильного многоугольника, с числом сторон, равным числу лопаток. Сечение/ -Я определяет также катет HI прямоугольного треугольника и радиус полушария К (фиг. 2 и 4). Вписанная же в указанный многоугольник окружность Д принимаемая за сечение поверхности, параллельной плоскости Н-П, определяет тюложение плоскости L - L и положение самого узкого сечения кольцевого канала, своим диаметром определяк)щее положение и размеры цилиндра Z с осью, совпадающей с осью двигателя, а своим расстояпием от сечения Н-Я определяющее величину катета ас, а следовательно, и гипотенузы / треугольника Ьас, стороны которого дают возможность определить формы производящих поверхностей,ограничивающих пропускной канал, а также лопатки н положение входных кромок лопаток статора.

Цилиндр Z, составляющий направляющую систему (фиг. 2 и 4), проходит через двигатель параллельно оси вращения и в виде проекции на поперечных сечениях, изображенных на фиг. 1 и 3, дает круги Д вписанные в многоугольники и двойной конус с вершиной D, У (фиг. 2 и 4), высота которого, лежащая на оси вращения системьг, равна диаметру основания, лежащего в направляющем поперечном сечении и образующего поперечное сечение цилиндра Z.

Оси М сферических или эллипсоидальных поверхностей GviG-, при помощи которых образуются поверхности направляющего колеса, находятся в поперечных плоскостях Q, проходящих через вершины конусов (фиг. 2 и 4). Продольное сечение поверхностей G и G равно продольному сечению сферических или эллипсоидальных поверхностей В ротора, и центр или центры тяжести поверхностей G н tf, образующие правильный а1ногоуголъник, расположены в кругах, могущих иметь своим радиусом либо радиус окружности U, описанной около многоугольника поверхностей ротора, -либо радиус вписанного круга Е.

На фиг. 2 и 4 центры М поверхностей О и С расположены в кругах, радиусы которых равны осям поверхностей ротора. Впускная и выпускная кромки ротора, имеющие вид кривых в поперечном сечении поверхности оболочки д в продольном сечении системы, изображеш ой на фиг. 2 и 4, пересекают линию пересечения цилиндра Z с двумя поперечными плоскостями, идупдими от плоскости Н -Н и лежащими пд одну от нее сторону, из которых первая, находящаяся на расстоянии, равном длине KopOTKOiQ катета прямоугольного треугольника (фиг. 1 и 3), образующего с кругом наклонения г, дает точку пересечения Р, тогда как вторая, находящаяся на расстоянии, равном длинному ;катету //, указанного треугольника, дает точку пересечения S, называемую кульминациоЕной точкой.

Так как. разграничение лопаток ротора, равно как и размер его ступицы определяются треугольником наклона, который ;:йвисит от числа лопаток, то отсюда следует, что такая система построения дает двекрайности, а именно: .многоугольник с бесчисленным числом сторон, в котором ступица исчезает, и двухугольник, в котором исчезает поверхность лопаток и где все представляет одну ступицу.

Между этими двумя крайними возможностями построения должна находиться наиболее выгодная форма, которая и была найдена в.шестиугольнике U; при этой форме больщой катет треугольника наклона равен стороне шестиугольника и потому имеет длину вдвое большую, .чем малая сторона.

Так как это соотношение сторон в трезгольнике наклона дает соотношение разделения линии в крайнем и среднем отношении, то шестиугольную систему, при которой соотношение между кольцевым притоком сопла и скоростями циркулировання жидкости и между окружностью ротора в диаметре направляющего цилиндра и наклоном к оси

впуска и выпуска, находятся также в соотношении разделения длины в край«ем и среднем отношении, можно считать разреп1ающей вопрос.

Ступица ротора очерчена коноидальной поверхностью, производящая которой представляет собой дугу круга g (фиг. 2 и 4), касательную к обеим сферическим окружностям / ступицы, центр которой, лежащий на окружности поперечного сечения направляющего цилиндра Z, скользит вместе с направляющей поперечной плоскостью, образуя коноидальную поверхность.

Ступицы направляющего колеса образуются еферическнми поверхностяии N, которые присоединяются к ступице ротора в круге пересечения коноидальнрй поверхности с поверхностью, образуемой двумя кругами, центры которых, по обе стороны главного поперечного сечения, расположены в вершинах D к J (фиг. 2 и 4), двойного конуса, при чем центр одной из этих поверхностей может также находиться в точке пересечения главного сечения с продольной осью и иметь размеры сфер F ступицы. Внешнее разграничение канала сопла получается вращением сферических или эллипсоидальных поверхностей S (фиг. 6), равных продольному сечению поверхностей ротора и центры т которого расположены на направляющих окружностях, диаметр которых равен наименьшему диаметру коноидальной поверхности ступицы, в поперечной плоскости перпендикулярной к оси А сопла и которые з-далены с каждой стороны от поперечной направляющей плоскости на величину, равную высоте верщины кривой; или же чашеобразной поверхностью О, имеющей центр в точке пересечения а поперечной направляющей плоскости Н-Н с продольной осью.

Эти две кривые F и О соединены между собою дугами кругов 7, касательных к кривым F и О таким образом, чтобы когюидальная поверхность, образуемая вращением этих дуг круга околс оси сопла, образовала круглое сечение, равное плои;ади круга О, описанного около многоугольника ротора.

Проток сопла имеет такую форму, что он впускает жидкость и выпускает ее в направлении, указанном стрелкатии; /5 и /5 (фиг. 2), под острым углом по отношению к продольной оси системы. Вследствие такого изменения направления канала сопла жидкость подводится к ротору таким образом, что углы наклона впуска и выхода в сечении образующегося при этом течения гораздо меньше тех же углов наклона, которые Образуются в том же сечении впускной кромки поперечного сечения цилиндра.

Для применения описанной ротативной по оси системы к воздуходувным машинам, насосам, равно как и к воздушным, паровы и водяным турбинам, можно применить выгодный радиальный впуск и вь1ход жидкости, с,-одной или обеих сторон ротора. Для этой цели, коноидальные поверхности ротора, равно как и поверхность оболочки сопла, могут быть продолжены соответственно тем поверхностям, которые необходимо иметь для соединения их с данным сечением. Такой способ осуществления системь указан в виде продольного разреза на фиг. 5 и в поперечном сечении на фиг. 6, при чем впуск и выход жидкости , происходит по спиральному Sp. В этой системе жидкость течет Вокруг продольной оси, совершая вращение в сторону Л, противоположную направлению 4 вращения ротора.

Кривые, ограничивающие лопатки ротора в кульминационной точке S, разно как и в направляющей точке Р, (фиг. 2, 4 и 5), могут быть определены согласно отношению угла наклона к скорости на окружности, так же как относительно угла наклона точек в направляющем цилиндре, так что кривая, проходящая через кульминационную точку S в продольном разрезе сопла (фиг. 2, 4 и 5), переходит к окрунсности через точку пересечения образующей оболочки с кругом поперечного сечения поверхности ротора, а у ступицы--через точку Р пересечения коноида G ступицы с двойным конусом D.

Кривая у направляющей точки, почлроенная таким же образом, приближается к кривой, проходящей через кульминационную точку S, как по направлению, так и по форме. Так как лопатки ротора, изготовленные согласно этому способу построения, были бы слишком остры, то необходимо, чтобы

роторы соответственно форме канала сопла, были снабжены на своей периферии и по всей ширине лопатки кольцами, которые двигались бы вместе с ними. Для того, чтобы избавиться от этих колец, лопатки ротора могут быть сделаны с вырезом со стороны кульминационной точки S; сечение этого выреза должно проходить через центр ступицы так, чтобы кривая в продольном сечении дала прямую линию / (фиг. 2, 4 и 5), и соответствующую дугу круга в поперечном разрезе (фиг. 6).

Ограничивающие кривые, проходящие через направляющую точку Р (фиг. 5),. могут быть получены проекцией, винтовой линии с постоянным щагом идущей вокруг цилиндра, построенного на окружностях поверхности ротора, что дает кривую п (фиг. 5 и 6), начинающуюся у точки А (фиг. 5 и 6), очень схожую с кривой, получаемой при обычном построении винта.

Кривые, ограничивающие лопатки направляющего колеса с обеих сторон по краям ротора, получаются пересечением поверхности оболочки ротора и сферических- или эллипсоидальных поверхностей направляющих Kaiec, тогда как со стороны впуска или выхода жидкости, в случае циркуляции по ,оси; ограничивающие поверхности получаются сечениями, в которых находятся центры направля;опл.их поверхностей М (фиг. 2, 4 и 5).

В случае, когда впуск и выход жидкости происходит радиально, построение ограничивающих поверхностей основывается на вытекании жидкости из сопла и на необходимых размерах угла касательной к впуску и выходу. Направление выхода направляющих лопатки для радиального течения вызывает само по себе, внутри оболочки, спиральное течение, обратное направлению вращения ротора (фиг. 6).

Задние поверхности лопаток ротора над кульминационной точкой S могут быть ограничены сферической или эллипсоидальной поверхностью с наибольшой кривизной, т.-е. большего радиуса, тогда как поверхности лопаток, связывающие их с противоположными краями ротора, получаются, исходя из того, что кривая пересечения двух сферических

поверхностей ротора, одинаково расположенных и вращающихся вокруг оси сопла, в :точке пересечения с краем ротора в рассматриваемый момент,-гобразует края этих соединительных iio верхностей. Получаемая таким образом совокупность краев соединений дает, между прочим, дуги круга g. (фиг. 2, 4 и 5), внутри поверхностей поперечного сечения поверхности оболочки лопаток ротора.

Предмет патента.

1. Осевой турбинный двигатель, отличающийся тем, что внутренним направляющим поверхностям N, g, N (фиг. 2, 4 и 5) как со стороны впуска, так и со стороны выпуска рабочей среды придана сферическая или эллипсоидальная, грущевидная форма, среднею, суживающеюся частью g ограничивающая с внещней стороны ступицу помещенного в этом месте мотора, каковые поверхности совместно с коноидальными, чашеобразными внешнилш поверхностями 5 и О или при радиальном выпуске со спиральным каналом 5/ (фиг. 5) ограничивают поток рабочей среды-с целью достижения центростремительного впуска и центробежного выпуска ее и получения максимальной скорости в суженной части образованного указанными поверхностями кольцевого канала. 2. Форма выполнения охарактеризованного в п. 1 двигателя, отличающаяс тем, что для построения поверхностей,, ограничивающих проточный кольцевой кйнал, принимается за исходное главное поперечное сечение-сечение//-Я, определяющее радиус описанной около правильного многоугольника с числом сторон равным числу лопаток, окружности U (фиг. 1 и 3), катет HI прямоугольного треугольника ас и радиус полущария К (фиг. 2 и 4); вписанная же в указанный многоугольник окружность , принимаемая за сечение поверхности указанного полушария К плоскостью, параллельною плоскости Н-Н, определяет положение плоскости L -Z. и положение самого узкого сечения кольцевого канала, своим диаметром определяющее положение и размеры цилиндра Z с осью, совпадающей с осью двигателя, а своим расстоянием от сечения Я-Д определяющее величину катета ас, а следовательно и величину гипотенузы К вышеуказанного прямоугольного треугольника, стороны которого дают возможность определить формы производящи: поверхностей ограничивающих кольцевой. пропускной канал, а также лопатки и положение входных кромок лопаток статора, а вышеупомянутыйцилиндр Z дает возможность определить размеры вписанного в него двойного, в осевом сечении дающего квадрат, конуса, вершины и У коего определяют положения центров поверхностей N.

фиг 2