PL239434B1

PL239434B1 - Pressure turbine vane with rotary wheels

Info

Publication number: PL239434B1
Application number: PL426712A
Authority: PL
Inventors: Artur Sobczak
Original assignee: Artur Sobczak
Priority date: 2018-08-19
Filing date: 2018-08-19
Publication date: 2021-11-29
Also published as: PL426712A1

Abstract

Turbina łopatkowo-ciśnieniowa z wirującymi kołami zbudowana jest z tłoka (1) na kształt walca z naniesionymi równomiernie łopatkami (3), współpracującymi z prostopadłymi i stycznymi do tłoka kołami wirującymi (5), posiadającymi szczeliny (6). Tłok wraz z kołami wirującymi obudowany jest korpusem turbiny, tworząc tym samym komory. Każda komora turbiny posiada otwór wlotowy i wylotowy. Do otworów wlotowego turbiny doprowadza się sprężony płyn, który oddziaływuje na łopatki turbiny, tworząc moment obrotowy na wale napędowym tłoka (4). Łopatki turbiny wspomagają wydostanie się rozprężonego płynu otworami wylotowymi z turbiny. Koła wirujące są napędzane z wału napędowego poprzez system przekładni zębatych.A blade-pressure turbine with rotating wheels is composed of a piston (1) in the shape of a cylinder with evenly placed blades (3), cooperating with rotating wheels (5) perpendicular and tangential to the piston, having slots (6). The piston and the rotating wheels are enclosed in the turbine body, thus creating chambers. Each turbine chamber has an inlet and outlet port. Compressed fluid is supplied to the turbine inlet ports, which acts on the turbine blades, creating torque on the piston drive shaft (4). The turbine blades help the expanded fluid escape through the turbine outlet holes. The rotating wheels are driven from the drive shaft through a gear system.

Description

Przedmiotem wynalazku jest turbina łopatkowo-ciśnieniowa z wirującymi kołami, która szczególne zastosowanie znajduje w przemyśle energetycznym. Wynalazek ma na celu dostarczenie nowego sposobu przetwarzania energii przepływającego oraz rozprężającego się płynu na energię mechaniczną.The subject of the invention is a blade-pressure turbine with rotating wheels, which is especially used in the energy industry. The invention aims to provide a new method of converting the energy of the flowing and expanding fluid into mechanical energy.

Turbina łopatkowo-ciśnieniowa z wirującymi kołami jest przedstawiona na zdjęciu poglądowym fig. 1 przedstawiający wygląd koncepcyjny turbiny oraz rysunkach technicznych fig. 2, fig. 3, fig. 4, fig. 5, fig. 6 oraz fig. 7. Turbina składa się z tłoka [1] na kształt walca. Wał napędowy [4] umieszczony jest w osi tłoka. Na powierzchni walcowej tłoka, zostały równomiernie względem siebie naniesione łopatki turbiny [3]. Do powierzchni walcowej tłoka przylegają powierzchnie walcowe kół wirujących [5] które są również zbudowane na kształt walca - w taki sposób, że ich powierzchnie walcowe są styczne i prostopadłe do siebie. Fig. 5 przedstawia rzut z góry tłoka w raz z jednym kołem wirującym. Koła wirujące są równomiernie względem siebie rozmieszczone na powierzchni walcowej tłoka. Fig. 2 przedstawia zrzut z przodu oraz z góry tłoka wraz z czterema kołami wirującymi. Kształt powierzchni walcowej tłoka i kół wirujących, są względem siebie ukształtowane w taki sposób, że są styczne pomiędzy sobą, zapewniając szczelność pomiędzy powierzchniami. Kształt powierzchni walcowej tłoka posiada promień koła wirującego [13], natomiast powierzchnia walcowa koła wirującego posiada promień tłoka, dzięki czemu styczność powierzchni jest zapewniona.The rotating blade-pressure turbine is shown in the pictorial picture of Fig. 1 showing a conceptual view of the turbine and the technical drawings of Fig. 2, Fig. 3, Fig. 4, Fig. 5, Fig. 6 and Fig. 7. The turbine consists of cylinder [1] of the piston. The drive shaft [4] is located in the axis of the piston. The turbine blades are evenly placed on the cylindrical surface of the piston [3]. Adjacent to the cylindrical surface of the piston are the cylindrical surfaces of the rotating wheels [5], which are also constructed in the shape of a cylinder - in such a way that their cylindrical surfaces are tangent and perpendicular to each other. Fig. 5 shows a top view of the piston with one rotating wheel. The rotating wheels are evenly distributed to each other on the cylindrical surface of the piston. Fig. 2 shows the front and top discharge of the piston with four rotating wheels. The shape of the cylindrical surface of the piston and the rotating wheels are shaped with respect to each other in such a way that they are tangent to each other, ensuring tightness between the surfaces. The shape of the cylindrical surface of the piston has the radius of the rotating wheel [13], while the cylindrical surface of the rotating wheel has the radius of the piston, thanks to which the contact of the surface is ensured.

Koła wirujące, tak samo jak łopatki tłoka, są rozmieszczone równomiernie na powierzchni walcowej tłoka. W osiach kół wirujących znajdują się wały obrotowe [12], wprowadzające koła wirujące w ruch obrotowy przekazywany poprzez system kół zębatych, z wału napędowego tłoka. Tłok w raz z kołami wirującymi jest obudowany szczelnie korpusem turbiny [2], w taki sposób aby umożliwić ruch obrotowy tłoka wraz z łopatkami oraz ruch obrotowy kół wirujących, jednocześnie zachowując szczelność pomiędzy powstałymi komorami [7] i podkomorami [10] [11]. (Komora turbiny podczas pracy turbiny jest podzielona łopatką turbiny na dwie szczelne podkomory). Fig. 3 przedstawia rzut z przodu turbiny wraz z korpusem, natomiast Fig. 4 przedstawia rzut z przodu przekroju turbiny, gdzie można zaobserwować budowę komór turbiny. Ilość komór turbiny jest taka sama jak ilość kół wirujących. Z korpusu turbiny wyprowadzony jest wał napędowy tłoka oraz wały obrotowe kół wirujących, które ślizgają się po łożyskach zintegrowanych z korpusem turbiny. Łożyska stanowią również punkty oparcia tłoka i kół wirujących, dzięki temu tłoka wraz z kołami wirującymi są trwale umocowane względem siebie i korpusu turbiny, niepowodująca tarć pomiędzy elementami ruchomymi. Umocowanie to, oraz odpowiedni proces technologiczny pozwalają stycznym elementom turbiny pracować bez tarcia.The rotating wheels, as well as the piston blades, are evenly distributed over the cylindrical surface of the piston. In the axes of the rotating wheels there are rotating shafts [12], which introduce the rotating wheels into a rotary motion transmitted through a system of gears from the piston drive shaft. The piston, together with the rotating wheels, is sealed with the turbine body [2], in such a way as to enable the rotational movement of the piston with the blades and the rotation of the rotating wheels, while maintaining the tightness between the resulting chambers [7] and sub-chambers [10] [11]. (During the operation of the turbine, the turbine chamber is divided into two sealed chambers by the turbine blade). Fig. 3 shows a front view of the turbine together with the body, while Fig. 4 shows a front view of a cross section of the turbine, where the structure of the turbine chambers can be observed. The number of turbine chambers is the same as the number of rotating wheels. The piston drive shaft and rotating shafts of rotating wheels are led out of the turbine body and slide on bearings integrated with the turbine body. Bearings are also the support points of the piston and rotating wheels, thanks to which the piston and rotating wheels are permanently attached to each other and the turbine body, preventing friction between the moving parts. This fixation and the appropriate technological process allow the tangential elements of the turbine to work without friction.

Korpus turbiny można wykonać, wycinając w bryle obracające się w osiach swoich wałów obrotowych koła wirujące oraz obracający się w osi tłoka wał. Tłok oraz koła wirujące powinny być połączone tak jak jest to opisane powyżej oraz współpracować ze sobą. Następnie, z korpusu turbiny należy wyprowadzić wał obrotowy turbiny oraz wały obrotowe kół wirujących. Należy również w korpusie turbiny wykonać otwory wlotowe [8] oraz wylotowe [9] doprowadzające i odprowadzające odpowiednio sprężony lub rozprężony płyn do odpowiednich miejsc w komorach turbiny. Rysunek Fig. 3 prze dstawia turbinę z widocznymi otworami wlotowymi i wylotowymi. Otwory mogą być dowolnego kształtu, natomiast rekomendowane są okrągłe o wielkości pozwalającej na efektywne doprowadzenie sprężonego płynu do komory większego ciśnienia oraz efektywnego wyprowadzania rozprężonego płynu przez otwór wylotowy. Otwór wlotowy powinien być umieszczony na początku komory, gdzie początek komory jest zdefiniowany przez kierunek obrotu tłoka i jest po stronie koła wirującego po której łopatka tłoka wydostaje się przez szczelinę. Natomiast otwór wylotowy jest umieszczony na końcu komory po stronie kół wirujących, gdzie łopatki wsuwają się w szczeliny. Umiejscowienie otworów wlotowych i wylotowych można zaobserwować na rysunku poglądowym Fig. 7, który przedstawia rzut z góry rozłożonej powierzchni walcowej tłoka wraz z naniesionymi symbolicznie elementami turbiny. Strzałki oznaczają kierunek obrotu kół wirujących [15] od strony powierzchni walcowej tłoka oraz kierunku poruszania się powierzchni walcowe tłoka turbiny [14]. Otwór wlotowy winien zostać umiejscowiony w korpusie od strony komory, do której, szczelina obracającego się koła wirującego wpada pomiędzy sąsiadujące między sobą komory. Otwór wylotowy powinien natomiast zostać umiejscowiony po przeciwległej stronie korpusu, gdzie szczelina koła wirującego wydostaje się z pomiędzy komór i wpada w korpus turbiny. Fig. 6 przedstawia fragment przekroju powierzchni walcowej tłoka w momencie przejścia łopatki turbiny przez szczelinę koła wirującego. Takie umiejscowienie otworów wlotowych i wylotowych maksymalizuje sprawność turbiny.The turbine body can be made by cutting the rotating wheels rotating in the axes of their rotating shafts and the shaft rotating in the axis of the piston. The piston and rotating wheels should be connected as described above and cooperate with each other. Then, the turbine rotating shaft and rotating shafts of rotating wheels should be led out of the turbine body. It is also necessary to make inlet [8] and outlet [9] openings in the turbine body, supplying and discharging the compressed or expanded fluid, respectively, to the appropriate places in the turbine chambers. Figure 3 shows the turbine with the inlet and outlet openings visible. The openings may be of any shape, but circular openings are recommended, of a size that allows for the efficient introduction of the pressurized fluid into the higher pressure chamber and for the efficient discharge of the expanded fluid through the outlet opening. The inlet should be located at the beginning of the chamber, where the beginning of the chamber is defined by the direction of rotation of the piston and is on the side of the rotating wheel where the piston blade exits through the slot. The outlet, on the other hand, is located at the end of the chamber on the side of the rotating wheels, where the blades slide into the slots. The location of the inlet and outlet openings can be seen in the illustrative drawing of Fig. 7, which shows a top plan view of the cylindrical surface of the piston with symbolically marked elements of the turbine. The arrows indicate the direction of rotation of the rotating wheels [15] from the side of the cylindrical surface of the piston and the direction of movement of the surface of the cylindrical piston of the turbine [14]. The inlet opening should be located in the body from the chamber side, into which the slot of the rotating rotating wheel falls between adjacent chambers. The outlet, on the other hand, should be located on the opposite side of the body, where the slot of the rotating wheel emerges from between the chambers and falls into the turbine body. Fig. 6 shows a fragment of the cross-section of the cylindrical surface of the piston at the moment when the turbine blade passes through the slot of the rotating wheel. This positioning of the inlet and outlet openings maximizes the efficiency of the turbine.

PL 239 434 B1PL 239 434 B1

Koła wirujące mają wyżłobione szczeliny [6] o kształcie, szerokości i długości pozwalającej na utworzenie łopatki podczas ruchu obrotowego tłoka oraz kół wirujących. Łopatki turbiny wraz ze szczelinami kół wirujących współpracują ze sobą podczas ruchu obrotowego tłoka i kół wirujących, wpasowując się w siebie. Kształt przestrzenny łopatek turbiny zapewnia, szczelną współpracę ze szczelinami kół wirujących. Kształt łopatek turbiny można wyznaczyć poprzez ścięcie naniesionego materiału na powierzchni walcowej obracającego się tłoka, szczeliną obracającą się wraz z kołem wirującym. Obracająca się szczelina pozostawi wyciętą na obracającym się tłoku łopatkę turbiny. Kształt łopatek turbiny jest zależny od kształtu szczelin kół wirujących, stosunku średnic oraz prędkości kątowej kół wirujących i tłoka. Podstawa szczeliny może mieć kształt trapezu, tak jak zostało to przedstawione na rysunku poglądowym fig. 6. Zakładając że dla danego przekroju przez komorę turbiny, punkt naniesiony na łopatkę turbiny tego przekroju, która znajduje się w szczelinie, ma identyczną prędkość jak ten sam punkt tego przekroju dla szczeliny, tylko inny zwrot i kierunek, kąt A, dla łopatki dla tego punktu tego przekroju przyjmie 45 stopni. Dla różnych punktów w różnych chwilach czasowych te kąty się zmieniają i determinują zakrzywienie przestrzenne łopatki tłoka. Długość odcinka D, determinuje grubość łopatki tłoka. Szczeliny są równomiernie naniesione na kołach wirujących, a ich liczba jest zależna od stosunku prędkości kątowej kół wirujących i tłoka (prędkość kątową można dostosować poprzez system przekładni zębatych) oraz stosunku średnicy tłoka i kół wirujących.The rotating wheels have grooves [6] of the shape, width and length allowing for the formation of a scapula during the rotational movement of the piston and the rotating wheels. The turbine blades together with the rotating wheel slots cooperate with each other during the rotational movement of the piston and rotating wheels, adjusting to each other. The spatial shape of the turbine blades ensures tight cooperation with the rotating wheel slots. The shape of the turbine blades can be determined by cutting the applied material on the cylindrical surface of the rotating piston with a slot rotating with the rotating wheel. The rotating slit will leave a turbine blade cut into the rotating piston. The shape of the turbine blades depends on the shape of the slots of the rotating wheels, the ratio of diameters and the angular velocity of the rotating wheels and the piston. The base of the slit may have a trapezoidal shape, as it is shown in the illustrative drawing of Fig. 6. Assuming that for a given cross-section through the turbine chamber, the point marked on the turbine blade of this cross-section, which is located in the slit, has the same speed as the same point of this cross-section. section for the slot, only a different sense and direction, angle A, for the blade for this point of this section, it will be 45 degrees. For different points at different time points, these angles change and determine the spatial curvature of the piston blade. The length of the segment D determines the thickness of the piston blade. The slots are uniformly plotted on the rotating wheels, and their number depends on the ratio of the angular velocity of the rotating wheels and the piston (angular velocity can be adjusted through a gear system) and the ratio of the diameter of the piston and rotating wheels.

Tłok wraz z łopatkami i kołami wirującymi jest przedstawiony na rysunkach fig. 2, które prezentuje odpowiednio rzut z przodu oraz z góry. Ilość kół wirujących odpowiada takiej samej ilości łopatek na tłoku. Tłok wraz z kołami wirującymi umieszczony jest wewnątrz korpusu turbiny, co powoduje powstanie zamkniętych komór [7]. Turbina wraz z korpusem zaprezentowana jest na rysunku fig. 3. Do prawidłowego działania turbiny wymagane jest przynajmniej jedno koło wirujące i w zależności od wariantu konstrukcyjnego, ilość kół wirujących może być inna. Na rysunkach fig. 1, fig. 2, fig. 3 i fig. 4 przedstawiony jest wariant z czterema kołami wirującymi oraz czterema łopatkami tłoka - ilość kół wirujących jest taka sama jak ilość łopatek naniesionych na tłoku.The piston with blades and rotating wheels is shown in Fig. 2, which shows a front and top view, respectively. The number of rotating wheels corresponds to the same number of vanes on the piston. The piston with rotating wheels is placed inside the turbine body, which creates closed chambers [7]. The turbine with the body is shown in Fig. 3. For the correct operation of the turbine, at least one rotating wheel is required and depending on the design variant, the number of rotating wheels may be different. Figures 1, 2, 3 and 4 show a variant with four rotating wheels and four piston blades - the number of rotating wheels is the same as the number of blades applied to the piston.

Obracający się tłok turbiny, współpracuje z obracającymi się kołami wirującymi w taki sposób że, łopatki turbiny wpasowują się idealnie w szczeliny kół wirujących. Koła wirujące wprowadzane są w ruch obrotowy wykorzystując ruch obrotowy tłoka. Napęd na koła wirujące może zostać przeniesiony z tłoka, np. przy pomocy kół zębatych o odpowiedniej przekładni. Poglądowe rozwiązanie można zaobserwować na fig. 1.The rotating turbine piston cooperates with the rotating rotating wheels in such a way that the turbine blades fit perfectly into the rotating wheel slots. The rotating wheels are put into rotation using the rotary motion of the piston. The drive to the rotating wheels can be transferred from the piston, e.g. by means of gears with a suitable gearing. An illustrative solution can be seen in Fig. 1.

W korpusie turbiny, dla każdej komory umiejscowione są otwory wlotowe [8] i wylotowe [9] do których odpowiednio trafia sprężony płyn i wydostaje się rozprężony. Wewnątrz komór przemieszczają się łopatki turbiny. Łopatka turbiny w przemieszczającej się komorze dzieli ja na dwie podkomory. Podkomorę do której trafia płyn przez wlot, będziemy nazywać podkomorą większego ciśnienia [10], natomiast podkomorę z której płyn znajduje ujście przez wylot turbiny, podkomorą mniejszego ciśnienia [11]. Podkomory w trakcie pracy silnika zmieniają swoją objętość. Rysunek fig. 4 przedstawia przekrój poprzeczny turbiny na którym dokładnie można zaobserwować budowę komór. Łopatki turbiny przemieszczają się w komorze od otworu wlotowego do otworu wylotowego komory, nadając tym samem kierunek obrotu wału napędowego turbiny.In the turbine body, for each chamber, there are inlet [8] and outlet [9] openings, to which the pressurized fluid is transferred and the expanded fluid is released. Turbine blades move inside the chambers. The turbine blade in the moving chamber divides it into two sub-chambers. The sub-chamber into which the fluid enters through the inlet will be called the higher pressure sub-chamber [10], while the sub-chamber from which the fluid ends through the turbine outlet is called the lower pressure sub-chamber [11]. During engine operation, the sub-chambers change their volume. Figure 4 shows the cross-section of the turbine in which the structure of the chambers can be clearly observed. The turbine blades move in the chamber from the inlet to the outlet of the chamber, thus giving the direction of rotation of the turbine drive shaft.

Do otworów wlotowych turbiny dostarczany jest sprężony płyn, który wykorzystując różnice ciśnień pomiędzy podkomorą większego ciśnienia, a podkomorą mniejszego ciśnienia, oddziałowuje na łopatki turbiny, wprawiając jej tłok w ruch obrotowy w osi wału napędowego (podkomory są obudowane tłokiem, korpusem i kołem wirującym turbiny, co powoduje, że sprężony gaz rozpręża się poruszając łopatką w taki sposób że komora większego ciśnienia zwiększa swoją objętość). Po rozprężeniu, płyn z pomocą kolejnej łopatki turbiny jest wypychany do otworów wylotowych w korpusie turbiny.Compressed fluid is supplied to the turbine inlet holes, which, using the pressure differences between the higher pressure sub-chamber and the lower pressure sub-chamber, acts on the turbine blades, making its piston rotate in the axis of the drive shaft (the chambers are encased with a piston, body and rotating wheel of the turbine, which causes the compressed gas to expand, moving the paddle in such a way that the chamber of greater pressure increases its volume). After expansion, the fluid is pushed with the help of another turbine blade into the outlet openings in the turbine housing.

Claims

1. Pressure-blade turbine with rotating wheels, characterized in that the number of rotating wheels [5] with slots [6] cooperating with the turbine blades [3] is equal to the number of turbine blades applied to the cylindrical surface of the turbine piston [1].