Безлопатева бездискова турбіна тертя

Реферат: Винахід належить до турбін. Робоче колесо турбіни розміщено в прямому круговому циліндричному корпусі з щілинним соплом, розташованим на його бічній поверхні паралельно осі корпусу. Робоча поверхня тертя ротора утворена скручено-зігнутим прямокутним листовим елементом з контактною спіральною поверхнею, який закріплений на коаксіальному з корпусом валу обертання у вигляді витків, які концентрично охоплюють вал. Листовий елемент робочого колеса однією зі своїх сторін закріплений на трубчатому валу паралельно наскрізному прорізу, який виконаний в стінці вала поздовжньо його осі. На контактній поверхні робочого колеса, у тому числі безпосередньо у крайок листа, що примикають до закріпленої сторони скрученовигнутого листового елемента є паралельні один одному дистанціонуючі обмежувальні буртики. Незакріплений і немаючий буртиків край листового елемента ротора виконаний загостреним. UA 110732 C2 (12) UA 110732 C2 UA 110732 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до турбінобудування, а саме до турбін, які приходять у рух завдяки дії гідравлічного, газового, парового, парогідравлічного та інших робочих тіл і використовуються для приводу у рух роторів 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 Лаваля. Вібрації лопаток і складність виготовлення таких роторів можуть бути факторами невисокої надійності пристрою. Відомі також безлопатеві турбіни (турбіни тертя), обертання роторів у яких здійснюється завдяки обертанню робочого тіла в циліндричному корпусі і ротора, що приводиться в рух робочим тілом внаслідок дії сил поверхневого тертя приповерхневого шару робочого тіла о 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 виготовленні ротора, вимагають складного прецизійного кріплення і можуть служити 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 безлопаточні і при цьому одночасно бездискові турбіни. З досягнутого рівня техніки відомі аналоги - турбіна тертя з ротором з вигнутих стрічок і дисків [а.с. № 128235 СРСР, 1960 p.], турбомашина зі спіральним направляючим пристроєм і доцентровим переміщенням робочого тіла [а.с. СРСР № 165039, МПК F 02 С 3/09, 1964 p.], турбіни, що мають конструкцію, що забезпечує доцентровий рух робочого тіла (рідини або газу), що приводить у рух вал [див., наприклад, патент US 4530640, МПК 7 F 02 В 39/00, 1985 р. або патент US 4835960, МПК 7 F 02 С 3/16, 1989 p.], a також лабіринтно-вихрова машина з осьовою турбіною [патент RU 2041384 С1, МПК 7 F 03 В 3/02, 1995 p.], що містить корпус з впускним і випускним патрубками і розміщенням всередині нього нерухомого і закріпленого на валу рухливого дисків з виїмками й виступами на поверхнях, що утворюють робочі канали, в якому впускний патрубок розташовано по периферії і виконано тангенціальним, а випускний розташовано по центру і виконано осьовим, і в якому роторним елементом є закріплені на валу диски. Всі вищеназвані пристрої-аналоги мають загальний недолік - вони містять значну кількість конструктивних елементів і (або) не мають властивість безударної взаємодії робочого тіла з ротором в пускових режимах, особливо при використанні як робочого тіла вологої пари, двофазного (паро-рідинного) потоку або потоку, що містить тверді частки, що обумовлює недостатню надійність роботи цих пристроїв. Як прототип вибрано аналог [за патентом RU 2263814, МПК F03B, опубл. 10.11.2005], найбільш близький за призначенням і досягненню технічного результату до заявлюваного технічного рішення - а саме турбіна тертя, призначена для перетворення кінетичної енергії рідини чи газу в механічну роботу. Прототип складається з корпуса, який має циліндричну камеру, і розташованого по периферії камери тангенціального впускного патрубка, а також з розташованого по центру осьового випускного патрубка, а також встановленого на валу роторного колеса. Тангенціальний впускний патрубок забезпечений осьовим спіральним напрямним елементом з можливістю тангенціальної подачі робочого тіла на стінку циліндричного ротора у формі стакана, 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 пристрою-прототипу 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 (стакана), 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 1 UA 110732 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 накопичене у центрі ротора робоче тіло виходить через циліндричний осьової випускний патрубок. Недоліком прототипу, незважаючи на його простоту, є відносно невисока функціональна надійність пристрою, яка проявляється за рахунок того, що циліндрична поверхня стакана ротора може отримувати ударні навантаження в пускових режимах через рух робочого тіла по неоптимальних траєкторіях 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 надійності пристрою завдяки конструктивному забезпеченню можливості безударного руху робочого тіла в проточній частині робочого колеса ротора в усіх режимах. Рішення поставленої задачі досягається тим, що в безлопатевій бездисковій турбіні, робоче колесо якої розміщено в прямому круговому циліндричному корпусі зі щілинним соплом, розташованим на його бічній поверхні паралельно осі корпусу, і утворено скручено-зігнутим прямокутним листовим елементом з контактною спіральною поверхнею тертя, який закріплено на коаксіальному з корпусом валу обертання у вигляді концентрично охоплюючих вал витків, при цьому заявлюваний пристрій відрізняється тим, що листовий елемент робочого колеса однією зі своїх сторін закріплений на трубчатому валу паралельно наскрізному прорізу, виконаному в стінці вала поздовжньо його осі, і на контактній поверхні, у тому числі безпосередньо у крайок листа, що примикають до закріпленої сторони скручено-вигнутого листового елемента, містить паралельні один одному дистанціонуючі (тобто зберігаючі певну дистанцію між витками) обмежувальні буртики, виготовлені з профілем у формі спіралі, площина якої перпендикулярна осі вала і геометричний центр якої належить його осі, а незакріплений край листового елемента ротора, що не має буртиків, виконаний загостреним, тобто 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 заявлюваного пристрою, показали, що в загальнодоступних джерелах інформації не виявлено відомостей про рішення, які мають ознаки, за сукупністю співпадаючих з його відмінними ознаками, що забезпечують досягнення поставленої задачі, - 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 заявлюваного 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 заявлюваного пристрою може бути використано відомі матеріали та стандартне обладнання і виходячи з того, що запропонований пристрій на цій підставі може бути використаний у промисловості, заявлюваний пристрій "безлопатева бездискова турбіна" 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 корпусі вала обертання з робочим колесом, що утворюють ротор турбіни, як це показано на кресленні. Геометрична вісь (ось) 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-зігнутим прямокутним листовим елементом 7 у вигляді концентрично охоплюючих вал витків з контактною спіральною поверхнею тертя. Скручено-зігнутий лист закріплений на трубчатому валу однією зі своїх сторін. Лінія кріплення зазначеної сторони паралельна наскрізному прорізу 8, виконаному в стінці трубчастого вала 6, на його бічній поверхні поздовжньо його осі (уздовж твірної). Цей проріз служить отвором для проходу робочого тіла, що надходить з камери статора - в трубу і далі за її межі. Контактна 2 UA 110732 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 листова поверхня тертя робочого колеса, у тому числі безпосередньо у крайок листа, що примикають до закріпленої сторони скручено-зігнутого листового елемента, містить паралельні один одному дистанціонуючі обмежувальні буртики 9. Буртики 9 виготовлені так, що мають профіль у формі плоскої спіралі, розміри і форма якої повторює конфігурацію профілю спіральної згортки листового елемента ротора. Площини спіралей буртиків паралельні між собою і перпендикулярні геометричній осі вала, уявні геометричні центри цих спіралей належать цій осі. Число спіральних буртиків в сумі - три і більше, в принципі їх число може бути різним в залежності від довжини відрізка вала, що припадає на внутрішньокорпусний простір, тобто залежно від ширини робочого колеса. Буртики є дистанціюючими елементами (зберігаючими незмінну відстань між витками) і надають конструкції робочого колеса жорсткість; вони також разом з поверхнями згорнутого листового елемента утворюють канали 10 руху робочого тіла, збільшуючи поверхню тертя робочого тіла об робоче колесо, що спонукається до руху. Не маючий буртиків і не закріплений край 11 листового елемента 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, тобто для мінімізації опору робочому тілу. Для реалізації даного технічного рішення може бути використано стандартне промислове обладнання і матеріали, що широко застосовуються 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 продовгуватого отвору іншої форми. Листовий елемент ротора доцільно згорнути в спіраль (архімедову спіраль - для оптимізації форми проточної частини ротора) шляхом прокатки заготовки прямокутного аркуша або шляхом формування заготовки за допомогою шаблона (з розігрівом і охолодженням). Закріплення листового елемента на валу може бути виконано зварюванням по металу або затисненням у вузькій (відповідно товщині листа) проточці труби вала. Отвір для виходу робочого тіла після проходження листового елемента - уздовж лінії кріплення в трубі вала - може бути виконаним 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). Буртики листового елемента, з якого виготовляється робоче колесо, можуть бути виконані при прокатці (або з попереднім штампуванням) самого листа або 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. Жорсткість робочого колеса може бути забезпечена двостороннім кріпленням буртиків до поверхні витків спірального листового елемента. Заточення незакріпленого краю листового елемента ротора, що не містить буртиків, може бути виконано лише з одного боку листа, який є більш віддалений від осі вала. Це є технологічно простіше. Встановлення вала ротора в торцевих стінках циліндра корпусу може бути здійснено за допомогою герметизованих підшипників. Виступаючі за межі корпусу і підшипників частини вала можуть механічно кріпитися зовнішньою поверхнею труби вала до передатних механічних елементів (коліс, шестерен, черв'яків і т.п.), в той час як внутрішня частина труби вала служитиме каналом для виходу відпрацьованого робочого тіла: тому труба, що вибирається при інженерній реалізації пристрою, має 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 таким 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). Як доцентрової сили, 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. Початкова (перша) порція робочого тіла, що надходить в циліндр з деякою початковою швидкістю, після проходження першого витка зміщується до центру, витісняючись наступною (другою) порцією робочого тіла, і продовжує здійснювати круговий рух з меншим радіусом кривизни і з меншою швидкістю. Аналогічним чином наступна (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, геометрично являє собою архимедову спіраль. Відповідно до цієї геометричної форми і виконано спіральний вигин 3 UA 110732 C2 5 10 15 поверхні робочого колеса, тому потік, що рухається в ньому, ковзає в кожному витку уздовж спіралеподібних поверхонь без нормального (ортогонального) впливу на них, тобто безударно. Таким чином забезпечується безударність впливу робочого тіла на ротор, вирішення поставленої задачі і досягнення мети. При цьому сили тертя ковзання захоплюють ротор в обертання і забезпечують передачу кінетичної енергії обертового потоку - ротору. 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, пар-вода або димові гази, що містять зольні частинки) або трифазним (наприклад, пар-вода-частинки). Безлопатева бездискова турбіна тертя, що пропонується як винахід, може знайти корисне застосування в багатьох областях техніки завдяки своїй високій функціональній надійності, простоті виготовлення та ефективній роботі. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 25 30 Безлопатева бездискова турбіна, робоче колесо якої розміщено в прямому круговому циліндричному корпусі з щілинним соплом, розташованим на його бічній поверхні паралельно осі корпусу, і утворено скручено-зігнутим прямокутним листовим елементом з контактною спіральною поверхнею тертя, який закріплено на коаксіальному з корпусом валу обертання у вигляді концентрично охоплюючих вал витків, яка відрізняється тим, що з метою підвищення надійності пристрою, завдяки можливості безударного руху робочого тіла в проточній частині робочого колеса ротора, листовий елемент робочого колеса однією зі своїх сторін закріплений на трубчатому валу паралельно наскрізному прорізу, виконаному в стінці вала поздовжньо його осі, і на контактній поверхні, у тому числі безпосередньо у крайок листа, що примикають до закріпленої сторони скручено-вигнутого листового елемента, містить паралельні один одному дистанціонуючі обмежувальні буртики, виготовлені з профілем у формі спіралі, площина якої перпендикулярна осі вала і геометричний центр якої належить його осі, а незакріплений і немаючий буртиків край листового елемента ротора виконано загостреним. Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4