Турбіна тертя

Реферат: Безлопатева бездискова турбіна тертя, робоче колесо якої розміщено в циліндричному корпусі з щілинним соплом, закріплене на коаксіальному з корпусом валу обертання, встановленому уздовж поздовжньої лінії щілини сопла, і містить роторну контактну поверхню, вигин якої визначається спіраллю. Для підвищення ефективності пристрою проточна частина турбіни розширюється до виходу, контактна поверхня ротора виконана у формі спіралі Ферма з двох згорнутих уздовж однієї зі сторін прямокутних листів, якою вони нерухомо закріплені на лінії установки на циліндричному трубчатому валу суміжно з двома прорізами. Прорізи утворюють отвори для виходу робочого тіла, виконані уздовж твірної в трубній поверхні вала, з охоплюючою згорнуту контактну поверхню співвісними валу обмежувальними обводовими обичайками. UA 108716 C2 (12) UA 108716 C2 UA 108716 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до турбінобудування, а саме до турбін, які приводять у рух завдяки дії гідравлічного, газового, парового, парогідравлічного та інших робочих тіл і використовуються для привода насосів, електрогенераторів тощо. Технічний результат застосування різних турбін полягає в перетворенні кінетичної енергії робочого тіла (газу, рідини, двофазного потоку та ін.), що подається в пристрій ззовні, в енергію обертання ротора турбіни для подальшого перетворення цієї енергії і її використання для виконання механічної роботи. Відомі турбіни, обертання ротора яких здійснюється за рахунок тиску робочого тіла на укріплені на роторі лопатки (лопаті). До таких турбін належить лопаткова турбіна за схемою Лаваля. Можливість вібрації лопаток значно ускладнює виготовлення таких роторів і знижує надійність пристрою. Відомі також безлопатеві турбіни (турбіни тертя), обертання роторів у яких здійснюється завдяки обертанню робочого тіла в циліндричному корпусі і ротора, що захоплюється робочим тілом, внаслідок дії сил поверхневого тертя приповерхневого шару робочого тіла об безлопатеві елементи ротора. До таких турбін належить дискова турбіна Тесли, в якій здійснюється тангенціальна подача робочого тіла, що приходить в обертання в циліндричній камері корпусу і приводить в обертання ротор з доцентровим спіралевидним переміщенням робочого тіла в проточній частині ротора і з виходом робочого тіла за межі корпусу в центральній частині ротора. Диски таких турбін з вирізами, що примикають до вала, при складанні ротора вимагають складного прецизійного кріплення - і є елементами, які знижують надійність пристрою. При необхідності використання турбін для приводу відповідальних споживачів механічної енергії обертання - недостатня надійність лопаткових і дискових турбін становить технічну та економічну проблему. Для усунення цієї проблеми можуть застосовуватися безлопатні і при цьому одночасно бездискові турбіни. З рівня техніки відомі аналоги - турбіна тертя з ротором з вигнутих стрічок і дисків (SU 128235, 1960 p.), турбомашина зі спіральним напрямним пристроєм і доцентровим переміщенням робочого тіла (SU 165039, 1964 p.), турбіни, що мають конструкцію, що забезпечує доцентровий рух робочого тіла (рідини або газу), що приводить у рух вал (див., наприклад, US 4530640, 1985 р. або US 4835960, 1989 p.), а також лабіринтно-вихрова машина з осьовою турбіною (RU 2041384 С1, 1995 p.), що містить корпус з впускним і випускним патрубками і розміщеним всередині нього нерухомим і закріпленим на валу рухливим диском з виїмками й виступами на поверхнях, що утворюють робочі канали, в якій впускний патрубок розташований по периферії і виконаний тангенціальним, а випускний розташований по центру і виконаний осьовим і в якій роторним елементом є закріплені на валу диски. Всі вищеназвані пристрої-аналоги мають загальний недолік - зони містять значну кількість конструктивних елементів і (або) не мають властивості безударної взаємодії робочого тіла з ротором в пускових режимах, особливо при використанні як робочого тіла вологої пари, двофазного (парорідинного) потоку або потоку, що містить тверді частки, що обумовлює недостатню надійність роботи цих пристроїв. Як найближчий аналог (RU 2263814, 10.11.2005), найбільш близький за призначенням і досягненню технічного результату до заявленого технічного рішення - турбіна тертя, призначена для перетворення кінетичної енергії рідини чи газу в механічну роботу. Найближчий аналог містить циліндричний корпус, розташований по його периферії тангенціальний впускний патрубок і розташований по центру осі випускний патрубок, а також встановлений на валу ротор. Тангенціальний впускний патрубок забезпечений осьовим спіральним напрямним елементом з можливістю тангенціальної подачі робочого тіла на стінку циліндричного ротора у формі склянки, поблизу його відкритого торця, а осьовий випускний патрубок розміщений своїм вхідним отвором в порожнині стакана ротора, причому впускний патрубок має прямокутний переріз, а випускний - круглий переріз. Принцип дії даного пристрою заснований на тому, що обертання ротора турбіни відбувається за рахунок утворення радіально-вихрової закрутки потоку в пристінній області елемента тертя ротора. Робоче тіло, потрапляючи в робочу порожнину циліндричного елемента ротора (склянки), забезпечує передачу своєї енергії ротору. У процесі надходження в корпус турбіни робоче тіло, приходячи в обертання, втрачає швидкість і новою порцією робочого тіла витісняється по спіралеподібній траєкторії в радіальному напрямку до центру (осі) ротора, а накопичене у центрі ротора робоче тіло виходить через циліндричний осьовий випускний патрубок. Недоліком найближчого аналога, незважаючи на його простоту, є відносно невисока функціональна надійність пристрою, яка проявляється за рахунок того, що циліндрична 1 UA 108716 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 поверхня стакана ротора може відчувати ударні навантаження в пускових режимах через рух робочого тіла по неоптимальним траєкторіям після його надходження через вхідний патрубок. Таким чином, зазначені відомі турбіни тертя принципово не забезпечують надійного функціонування пристроїв в пускових режимах, що особливо важливо при використанні як робочого тіла вологої пари, двофазного парорідинного потоку або потоку, що містить тверді частки. Технічною задачею даного винаходу є підвищення ефективності пристрою за допомогою виконання проточної частини турбіни такою, що розширюється до виходу, збільшення числа входів в проточну частину і дзеркальному їх розташуванні щодо осі турбіни. Задача вирішується тим, що в заявленій турбіні тертя, робоче колесо якої розміщено в прямому круговому циліндричному корпусі з щілинним соплом, розташованим на його бічній поверхні паралельно осі корпусу, і утворено скручено-вигнутими прямокутними листовими елементами з контактною спіральною поверхнею тертя, при цьому заявлений пристрій відрізняється тим, що контактна поверхня ротора виконана у формі спіралі Ферма з двох згорнутих уздовж однієї зі сторін прямокутних листів, якою вони нерухомо закріплені на лінії установки на циліндричному трубчатому валу суміжно з двома прорізами, що утворюють отвори для виходу робочого тіла, виконані уздовж твірної в трубній поверхні вала, з охоплюючими згорнуту контактну поверхню співвісними валу обмежувальними обводовими обичайками, а незакріплений на валу край листових елементів ротора виконаний гострозаточеним. Результати пошуку та аналізу відомих технічних рішень в даній і суміжних областях техніки з метою виявлення ознак, сукупність яких збігалася б з відмінними ознаками заявленого пристрою, показали, що в загальнодоступних джерелах інформації не виявлено відомостей про рішення, які мають ознаки, що за сукупністю співпадають з його відмінними ознаками, що забезпечують досягнення поставленої мети, - і це вказує на відповідність винаходу критерію "новизна". Оскільки сукупність нових відмінних ознак з відомого рівня техніки не виявлено, і оскільки сукупність нових відмінних ознак з рівня техніки явно не випливає, а також оскільки з рівня техніки не знайдено відомостей впливу сукупності характерних ознак заявленого пристрою на поставлену технічну задачу, - є підстави вважати, що технічне рішення, яке заявляється, задовольняє умові патентоспроможності "винахідницький рівень". Оскільки сукупність ознак, що характеризують технічне рішення, яке заявляється, забезпечує можливість його здійснення, працездатність і відтворюваність, з урахуванням того, що для реалізації заявленого пристрою може бути використано відомі матеріали та стандартне обладнання і виходячи з того, що запропонований пристрій на цій підставі може бути використаний у промисловості, заявлений пристрій "турбіна тертя" є промислово придатним. Таким чином, винахід задовольняє всім умовам патентоспроможності. Суть винаходу, як роз'яснюється далі, полягає в наявності, складі і конструктивному зв'язку вузлів і деталей. Конструкція пристрою являє собою наступне технічне рішення. Пристрій складається з корпусу з круговою циліндричною камерою, який є статором турбіни, і встановленого в корпусівала обертання з робочим колесом, що утворюють ротор турбіни, як це показано на кресленні. Геометрична вісь циліндричної камери 1 збігається з геометричною віссю вала 2. Вхідний патрубок 3 для впуску робочого тіла в циліндричну камеру розташований на бічній поверхні корпусу 4 і містить сопло 5, щілина якого орієнтована поздовжньо (паралельно) осі. Для виходу робочого тіла служить труба, що виконує функцію вала 6, на якому кріпиться робоче колесо турбіни. Робоче колесо утворено скручено-вигнутими прямокутними листовими елементами 7 у вигляді концентрично охоплюючих вал витків з контактною спіральною поверхнею тертя. Скручено-вигнуті листи закріплені на трубчатом валу на одній зі своїх сторін. Лінія кріплення зазначеного боку паралельна наскрізним прорізам 8, виконаним в стінці трубчастого вала 6, на його бічній поверхні поздовжньо його осі (уздовж твірної). Ці прорізи служать отворами для проходу робочого тіла, що надходить з камери статора - в трубу і далі за її межі. Контактна листова поверхня тертя робочого колеса укладена в кругові обичайки 9. Обичайки 9 надають конструкції робочого колеса жорсткість. Незакріплений край 10 листових елементів ротора, що приймає потік робочого тіла, що надходить в робоче колесо, виконаний гострозаточеним для мінімізації крайнього перерізу листового елемента в уявній січній площині, орієнтованій радіально щодо геометричної осі ротора. Для реалізації даного технічного рішення може бути використано стандартне промислове обладнання і матеріали, що широко використовуються в промисловості. Так, наприклад, всі деталі пристрою можуть бути виконані зі сталі. Щілина вхідного (соплового) патрубка може бути виконана у вигляді вузької прямокутної прорізі або довгастого отвору іншої форми у вставці, 2 UA 108716 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 вміщеній в патрубок. Листові елементи ротора доцільно згорнути в спіраль (спіраль Ферма - для оптимізації форми проточної частини ротора) шляхом прокатки заготовки прямокутного листа або шляхом формування заготовки за допомогою шаблону (з розігрівом і охолодженням). Закріплення листових елементів на валу може бути виконано зварюванням по металу або затисненням у вузькій (відповідно товщині листа) проточці труби валу. Отвори для виходу робочого тіла після проходження листового елемента - уздовж лінії кріплення в трубі вала можуть бути виконані у вигляді сегмента бічної поверхні циліндра (при тому, що вал являє собою круглу трубу) або, як варіант, у формі прямокутника (якщо вал являє собою багатогранник). Обводові обичайки виготовлені зі смужок металу або суцільнотягнутого дроту прямокутного перерізу з приварюванням електрозварюванням або шляхом кріплення іншим способом (скажімо, паянням або клеєм для металу) до листової поверхні. Заточення незакріпленого краю листових елементів ротора може бути виконане з боку листа, більш віддаленого від осі вала, що виявиться технологічно простіше. Установка вала ротора в торцевих стінках циліндра корпусу може бути здійснена за допомогою герметизованих підшипників. Виступаючі за межі корпусу і підшипників частини вала можуть механічно кріпитися зовнішньою поверхнею труби вала до передавальних механічних елементів (колесам, шестерням, черв'якам і т.п.), в той час як внутрішня частина труби вала служитиме каналом для виходу відпрацьованого робочого тіла - тому вибрана при інженерній реалізації пристрою труба може бути досить широкою, по можливості тонкостінною, але міцною для оптимізації маси ротора з урахуванням допустимого вигину вала залежно від розмірів турбіни і її конкретного застосування. Пристрій працює наступним чином. За допомогою вхідного патрубка корпусу турбіни робоче тіло плоским струменем через щілинне сопло, ширина якого відповідає ширині ротора, надходить в циліндричну камеру по дотичній до її бічної поверхні (при розгляді камери в профіль - тангенціально). Подальший, рух робочого тіла - завдяки його взаємодії з бічною поверхнею циліндра камери - виявляється обертальним рухом (при розгляді циліндра в профіль - рухом по колу). Доцентровою силою, що викликає рух елементарних порцій робочого тіла, виступає сила реакції бічної поверхні. Доцентрові сили, спрямовані радіально, до осі циліндра, закручують пристінний периферичний шар робочого тіла. Кручення робочого тіла, внаслідок його контакту з поверхнею робочого колеса, викликає обертання ротора. Перша порція робочого тіла, що надходить в циліндр з деякою початковою швидкістю, після проходження першого витка зміщується до центру, витісняючись другою порцією робочого тіла, і продовжує здійснювати круговий рух з меншим радіусом кривизни і з меншою швидкістю. Аналогічним чином третя порція робочого тіла зміщує другу, а друга - першу: при цьому зміщення порцій до осі пропорційно куту повороту. Таким чином, траєкторія руху кожної точки робочого тіла (елементарного об’єму) що переміщується і розширюється геометрично являє собою спіраль. Відповідно до цієї геометричної форми і виконаний спіральний вигин поверхні робочого колеса, тому потік , що в ньому рухається ковзає в кожному витку уздовж спіралеподібних поверхонь без нормального (ортогонального) впливу на них. Цим забезпечується безударність впливу робочого тіла на ротор. При цьому сили тертя ковзання захоплюють ротор в обертання і забезпечують передачу кінетичної енергії обертового потоку ротора. Після граничного зміщення робочого тіла до вала ротора воно витісняється в проріз, виконаний в трубній стінці ротора і через внутрішньотрубний простір виходить назовні, за межі камери корпусу турбіни. Таким чином, досягається ефект обертання вала ротора, який далі здатний передавати свій рух, здійснюючи механічну роботу. Цей корисний ефект виникає, завдяки описаним оптимальним (спіральним) траєкторіям руху робочого тіла, без зайвих вібрацій елементів турбіни і без непродуктивних навантажень, що особливо важливо, якщо робоче тіло є двофазним (наприклад, пap-вода або димові гази, що містять зольні частинки) або трифазним (наприклад, пар-вода-частинки). Пропонована безлопатева бездискова турбіна тертя може знайти корисне застосування в багатьох областях техніки завдяки своїй високій функціональній надійності, простоті виготовлення та ефективній роботі. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 55 60 Безлопатева бездискова турбіна тертя, робоче колесо якої розміщено в циліндричному корпусі з щілинним соплом, закріплене на коаксіальному з корпусом валу обертання, встановленому уздовж поздовжньої лінії щілини сопла, і містить роторну контактну поверхню, вигин якої визначається спіраллю, яка відрізняється тим, що для підвищення ефективності пристрою проточна частина турбіни розширюється до виходу, контактна поверхня ротора виконана у 3 UA 108716 C2 5 формі спіралі Ферма з двох згорнутих уздовж однієї зі сторін прямокутних листів, якою вони нерухомо закріплені на лінії установки на циліндричному трубчатому валу суміжно з двома прорізами, що утворюють отвори для виходу робочого тіла, виконаними уздовж твірної в трубній поверхні вала, з охоплюючою згорнуту контактну поверхню співвісними валу обмежувальними обводовими обичайками. Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4