Гібридна турбіна з двозахідним робочим колесом

Реферат: Винахід належить до турбінобудування. Турбіна має двозахідне робоче колесо з контактними поверхнями тертя з профілем на периферичній ділянці, який визначається спіраллю Ферма. Робоче колесо закріплене на валу, який являє собою порожнисту трубу з поздовжньою проріззю для виходу робочого тіла і утворює разом з валом ротор турбіни. Ротор розташований в циліндричному корпусі статора турбіни з вхідними соплами. На ділянці наближених до вала витків контактна поверхня виконана з рифленням, що профілюється зростаючою у міру наближення до вала нутацією лінії спіралі, чим формуються лопаті робочого колеса. Турбіна є гібридною, бо поєднує конструктивні елементи турбіни тертя та лопатевої турбіни. UA 110739 C2 (12) UA 110739 C2 UA 110739 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 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 роторів яких здійснюється за рахунок тиску робочого тіла на укріплені на роторі лопатки (лопаті). До таких турбін належать, наприклад, лопаткова турбіна Лаваля. Вібрації лопаток як наслідок ударних навантажень можуть бути факторами невисокої ефективності 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 об безлопатеві елементи ротора. До таких турбін належать, наприклад, 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 спіралеподібним 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, працюють безударно, але ефективність дії робочого тіла на ротор невисока. При необхідності використання турбін для приводу відповідальних споживачів механічної енергії обертання (наприклад, доцентрових насосів) - недостатня ефективність лопаткових і дискових турбін становить технічну та економічну проблему. Для усунення цієї проблеми слід було б поєднати переваги лопатевих турбін і турбін тертя. З досягнутого рівня техніки відомі аналоги - турбіна тертя з ротором з вигнутих стрічок і дисків (а.с. № 128235 СРСР), турбомашина зі спіральним направляючим пристроєм і доцентровим переміщенням робочого тіла (а.с. СРСР № 165039), турбіни, що мають конструкцію, яка забезпечує доцентровий рух робочого тіла (рідини або газу), що приводить у рух вал (наприклад, патент США US 4530640 або патент США US 4835960), а також лабіринтновихрова машина з осьовою турбіною (патент РФ RU 2041384), що містить корпус з впускним і випускним патрубками з розміщенням всередині нього нерухомого і 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 в якості робочого тіла вологої пари, двохфазного (парорідинного) потоку або потоку, що містить тверді частки, що обумовлює недостатню ефективність роботи цих пристроїв. Як прототип вибрано аналог, найбільш близький за призначенням і досягненням технічного результату до заявлюваного технічного рішення - а саме турбіна тертя, призначена для перетворення кінетичної енергії рідини чи газу в механічну роботу (патент РФ RU 2263814, МПК F03B, опубл. 10.11.2005). Прототип складається: з корпусу, який має циліндричну камеру, крім того - з розташованого по периферії камери тангенціального впускного патрубка і з розташованого по центру осьового випускного патрубка, а також з встановленого на валу роторного колеса. Тангенціальний впускний патрубок прототипу 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 лінійну 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 осьової випускний патрубок. Недоліком прототипу є невисока ефективність пристрою. Також недостатньо ефективним був би пристрій з іншою гладкою поверхнею ротора з числа відомих. 1 UA 110739 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Для удосконалення прототипу можна було б з метою підвищення ефективності пристрою за допомогою виконання проточної частини турбіни з розширенням при наближенні до виходу робочого тіла, контактну поверхню ротора виконати 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, виконаних уздовж твірної в трубній поверхні вала, з охоплюючими згорнуту контактну поверхню співвісними валу обмежувальними окружними обичайками. Але можна запропонувати і більш удосконалене вирішення, саме тому як технічна задача заявленого винаходу була поставлена задача підвищення ефективності пристрою шляхом конструктивного забезпечення поліпшеної взаємодії робочого тіла з поверхнею ротора. Вирішення поставленої задачі досягається тим, що пропонується турбіна з двозахідним робочим колесом, яке має контактні поверхні тертя з профілем на периферичній ділянці, який визначається спіраллю Ферма, що закріплене на валу, який являє собою порожнисту трубу з поздовжньою проріззю для виходу робочого тіла і утворює разом з валом ротор турбіни, розташований в циліндричному корпусі статора турбіни. Статор має вхідне сопло (сопла). Важливо, що при цьому, з метою підвищення ефективності приладу задля забезпечення додаткового впливу робочого тіла на ротор, на ділянці наближених до вала витків контактна поверхня виконана з рифленням, що профілюється з наближенням до вала зростаючою нутацією (зі зростаючою амплітудою коливання) лінії спіралі. Така турбіна по суті є гібридною, тому що поєднує конструктивно елементи турбіни тертя і лопатевої турбіни, а саме: робоче колесо на периферичній ділянці працює за рахунок тертя робочого тіла у приповерхневому шарі, а на наближеній до вала ділянці має рифлення, які виступають як лопатеві елементи турбіни. Рифлення, як зрозуміло, забезпечуються нутацією спіралеподібної поверхні - коливанням лінії спіралі, і саме за рахунок цього формуються своєрідні лопаті. 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, за сукупністю співпадаючих 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 тастандартне обладнання і виходячи з того, що запропонований пристрій на цій підставі може бути використаний у промисловості, заявлений 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 вирішення. 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 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 (з проріззю), 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, яка на периферії робочого колеса є поверхнею тертя, а при наближенні до вала завдяки нутації профілю поступово трансформується в рифлену поверхню, що працює вже як лопаті. Скручено-вигнуті листи закріплені на трубчатому валу однією зі своїх сторін. Лінія кріплення зазначеної сторони паралельна наскрізним прорізам 8, зробленим в стінці трубчастого вала 6, на його бічній поверхні поздовжньо його осі (уздовж твірної). Саме ці прорізи служать отворами для проходу робочого тіла, що надходить з камери статора - в трубу і 2 UA 110739 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 далі за її межі. Контактна листова поверхня тертя робочого колеса закріплена обичайками 9, які надають конструкції робочого колеса жорсткість. Край 10 листових елементів ротора, що приймає потік робочого тіла, яке надходить в робоче колесо, виконаний загостреним для мінімізації крайового перерізу кожного листового елемента в (уявній) січній площині, орієнтованій радіально щодо геометричної осі ротора. Використання форми просторової поверхні саме з профілем спіралі Ферма має той сенс, що зростання міжвиткових дистанцій при наближенні до вала дає можливість просторового розміщення рифлень-лопатей 11 для ефективного впливу робочого тіла на ротор турбіни. Для реалізації даного технічного вирішення 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. Листові елементи ротора доцільно згорнути в спіраль шляхом прокатки заготовок прямокутних листів або шляхом формування заготовок 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 вала. Отвори для виходу робочого тіла після проходження листових елементів - уздовж лінії кріплення в трубі вала можуть бути виконаними у вигляді сегмента бічної поверхні циліндра (при тому, що вал являє собою круглу трубу). Жорсткість робочого колеса може бути забезпечена двостороннім кріпленням буртиків до поверхні витків спірального листового елемента. Заточення незакріпленого краю листових елементів 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, шестерень, 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 валу 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 доцентрова сила, що викликає рух елементарних порцій робочого тіла, виступає сила реакції бічної поверхні циліндра. 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 перших витків зміщується до центру, витісняючись наступною (другою) порцією робочого тіла, і продовжує здійснювати круговий рух. Таким чином, траєкторія руху кожної точки робочого тіла (елементарного об'єму), що переміщується, геометрично являє собою спіраль. Відповідно до цієї геометричної форми і виконано вигин поверхонь робочого колеса, тому потік, що рухається в ньому, контактує в кожному витку уздовж спіралеподібних поверхонь: спочатку, після входу через сопло, - без нормального (ортогонального) впливу на поверхню (що забезпечує безударність), а при наближенні до вала - з ортогональним впливом на поверхню завдяки рифленню (нутації) поверхні. Таким чином забезпечується ефективність впливу робочого тіла на ротор, вирішення поставленої задачі і досягнення мети. Гібридна турбіна, що пропонується як винахід, може знайти корисне застосування в багатьох областях техніки завдяки своїй високій ефективності, простоті виготовлення та функціональній надійності. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 55 60 Гібридна турбіна з двозахідним робочим колесом, яке має контактні поверхні тертя з профілем на периферичній ділянці, який визначається спіраллю Ферма, що закріплене на валу, який являє собою порожнисту трубу з подовжньою проріззю для виходу робочого тіла і утворює разом з валом ротор турбіни, розташований в циліндричному корпусі статора турбіни зі вхідними соплами, яка відрізняється тим, що, з метою підвищення ефективності приладу за рахунок забезпечення додаткового впливу робочого тіла на ротор, на ділянці наближених до 3 UA 110739 C2 вала витків контактна поверхня виконана з рифленням, що профілюється зростаючою у міру наближення до вала нутацією лінії спіралі, для формування лопатей робочого колеса. Комп’ютерна верстка І. Скворцова 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