Одноступенева гібридна турбіна

Реферат: Одноступенева гібридна турбіна з однозахідним робочим колесом у формі скрученого у просторову спіраль прямокутного тонкого листового елемента, витки якого дистанціоновані між собою і який закріплений на трубчатому валу з повздовжньою проріззю для виходу в порожнину вала та за її межі робочого тіла, яке відпрацювало в робочому колесі, з розташуванням ротора, що утворений робочим колесом і валом, в циліндричному корпусі, який має соплові входи для подачі робочого тіла і утворює статор турбіни. Для підвищення ефективності використання енергії робочого тіла в порожнині трубчатого вала розташовані і укріплені на його внутрішній поверхні лопаті, які сприймають дію робочого тіла і спрямовують робоче тіло, що відпрацювало, до протилежних кінців вала і за межі корпусу турбіни. UA 95079 U (12) UA 95079 U UA 95079 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Пристрій 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 належать лопаткова турбіна Лаваля. Вібрації лопаток і складність виготовлення таких роторів можуть бути факторами невисокої надійності і 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 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 ефективність пристрою. При необхідності використання турбін для приводу відповідальних споживачів механічної енергії обертання - недостатня ефективність лопаткових і дискових турбін становить технічну та економічну проблему. Для усунення цієї проблеми можуть застосовуватися турбіни, що поєднують 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, 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 (парорідинного) потоку або потоку, що містить тверді частки, що обумовлює недостатню ефективність роботи цих пристроїв. Як прототип вибраний аналог (патент РФ 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 (порожнистого трубного стакану), 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 1 UA 95079 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 осьовій випускний патрубок. Недоліком прототипу, незважаючи на його простоту, є відносно невисока функціональна ефективність пристрою. Технічною задачею даного технічного рішення є підвищення ефективності пристрою завдяки конструктивному забезпеченню можливості безударного руху робочого тіла в первинній проточній частині робочого колеса ротора, а також конструктивне забезпечення додаткової можливості впливу робочого тіла на ротор. Рішення поставленої задачі досягається тим, що конструкція одноступеневої гібридної турбіни з однозахідним робочим колесом у формі скрученого у просторову спіраль прямокутного тонкого листового елемента, витки якого дистанціоновані між собою і який закріплений на трубчатому валу з повздовжньою проріззю для виходу в порожнину вала та за її межі робочого тіла, яке відпрацювало в робочому колесі, з розташуванням ротора, що утворений робочим колесом і валом, в циліндричному корпусі, який має соплові входи для подачі робочого тіла і утворює статор турбіни, додатково - в порожнині трубчатого вала, містить розташовані на його внутрішній поверхні лопаті, які сприймають дію робочого тіла і спрямовують робоче тіло, що відпрацювало, до кінців вала і за межі корпусу турбіни. 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 мети, - і це вказує на відповідність корисної моделі критерію "новизна". 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 "Одноступенева гібридна турбіна" є промислово придатним. Таким чином, корисна модель задовольняє всім умовам патентоспроможності. Суть технічного рішення, 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 фігурі 1, фігурі 2 та фігурі 3. 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-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, зробленому 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 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, які виготовлені так, що мають профіль у формі пласкої 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 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 дистанціонуючими елементами (зберігаючими незмінну відстань між витками) і надають конструкції робочого колеса жорсткість. В порожнині трубчатого вала, на його внутрішніх стінках розташовані лопатеві елементи 10, які сприймають робоче тіло, що відпрацювало на поверхні тертя робочого колеса та потрапило у прорізь валу. 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) шляхом прокатки 2 UA 95079 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 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). Обичайки листового елемента, з якого виготовляється робоче колесо, можуть бути виконані при прокатці (або з попереднім штампуванням) самого листа або виготовлені зі смужок металу або суцільнотягнутої проволоки 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. 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 (колес, шестерень, черв'яків і т.п.), в той час як внутрішня частина труби вала служитиме каналом для виходу відпрацьованого робочого тіла: тому труба, що обирається 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. В порожнині труби лопаті, на які повинно діяти робоче тіло після проходження прорізі в стінці вала, можуть бути виготовлені з листових елементів (смужок) і бути привареними. Лопаті розташовані так, що робоче тіло після дії на них спрямовується до кінців трубного вала і потрапляє за межі турбіни - а саме, лопаті закріплені під гострим кутом до осі вала і до лінії потрапляння на них робочого тіла (найбільший ефект досягається при куті 45 градусів). При цьому для спрямовування робочого тіла, що відпрацювало, до кінців вала рівними порціями лопаті доцільно розташовувати симетрично відносно його середини і відносно середини прорізі в стінці вала. 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. 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 архімедову спіраль. Відповідно до цієї геометричної форми і виконано спіральний вигин поверхні робочого колеса, тому потік, що рухається в ньому, ковзає в кожному витку уздовж спіралеподібних поверхонь без нормального (ортогонального) впливу на них, тобто безударно. Після виходу робочого тіла крізь прорізь в порожнину вала, воно діє на лопаті і докручує ротор, втрачаючи залишок енергії. Після дії на лопаті робоче тіло спрямовується до кінців вала і виходить за межі турбіни. Таким чином забезпечується безударність дії робочого тіла на ротор, повноцінне перетворення енергії робочого тіла в механічну роботу, додаткова дія робочого тіла на внутрішні (в порожнині валу) лопаті, забезпечується ефективне кручення ротора турбіни і вирішення поставленої задачі для досягнення мети. Цей корисний ефект виникає завдяки поєднанню елементів турбіни тертя і елементів лопатевої турбіни в єдиному роторі однієї камери, тобто завдяки гібридності конструкції. Гібридна турбіна, що пропонується, може знайти корисне застосування в багатьох областях техніки завдяки своїй високій функціональній ефективності. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 60 Одноступенева гібридна турбіна з однозахідним робочим колесом у формі скрученого у просторову спіраль прямокутного тонкого листового елемента, витки якого дистанціоновані між 3 UA 95079 U 5 собою і який закріплений на трубчатому валу з повздовжньою проріззю для виходу в порожнину вала та за її межі робочого тіла, яке відпрацювало в робочому колесі, з розташуванням ротора, що утворений робочим колесом і валом, в циліндричному корпусі, який має соплові входи для подачі робочого тіла і утворює статор турбіни, яка відрізняється тим, що з ціллю підвищення ефективності використання енергії робочого тіла, в порожнині трубчатого вала додатково розташовані і укріплені на його внутрішній поверхні лопаті, які сприймають дію робочого тіла і спрямовують робоче тіло, що відпрацювало, до протилежних кінців вала і за межі корпусу турбіни. Комп’ютерна верстка І. Мироненко 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