RU181041U1 - Силовая турбина с двухступенчатым ротором - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к энергетическому и транспортному машиностроению. Сущность полезной модели: силовая турбина содержит: статор с выпускным патрубком, кольцевую камеру направления силового потока с кольцевым соплом, вал или два вала на подшипниках, центральную втулку или две центральные втулки, не связанные между собой, и две ступени ротора. Каждая ступень ротора состоит: из диска, рабочих лопаток и покрывной шайбы. Обе ступени ротора концентрично, шайба к шайбе, установлены на валу или двух валах турбины, при этом диски жестко связаны с валом и центральной втулкой, расположенной между ними, или каждый диск жестко связан со своим валом и со своей центральной втулкой. Между дисками и покрывными шайбами расположены рабочие лопатки, прочно прикрепленные к ним по боковым кромкам. Рабочие лопатки равномерно размещены по внешним окружностям дисков и закреплены между ними так, что внешние и внутренние кромки лопаток параллельны оси вращения вала, и обеспечивают наличие равных зазоров между внутренними кромками лопаток и центральной втулкой или втулками. Каждая ступень ротора имеет свою функциональную степень наклона рабочих поверхностей лопаток к векторам направления силовых потоков рабочего тела и свое количество рабочих лопаток. Покрывные шайбы соединены между собой втулкой-обтекателем, установленной в отверстиях шайб, при этом втулка прочно крепится к шайбе первой ступени и свободно перемещается внутри шайбы второй ступени, внутренняя поверхность втулки имеет полусферическую форму. Покрывные шайбы разделяют ступени ротора по потокам рабочего тела - на первую ступень - входящих потоков и вторую ступень - исходящих потоков. Кольцевое пространство между втулкой-обтекателем и центральной втулкой или втулками образует канал перетока рабочего тела из первой во вторую ступень ротора. Кольцевая камера направления силовых потоков с кольцевым соплом размещается по периферии первой ступени ротора. Статор объединен с выпускным патрубком, размещенным по периферии второй ступени ротора. Полезная модель позволяет повысить эффективность силовой турбины. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

Description

Полезная модель относится к энергетическому и транспортному машиностроению.

Известна радиально-осевая турбина марки ТКР1207 для турбонаддува дизельного двигателя, выпускаемая производственным объединением «Минский моторный завод», состоящая из корпуса, вала на подшипниках, жестко связанного с валом турбинного и насосного колеса. Недостатками этой турбины являются: потери энергии от утечек потока из межлопаточных каналов, в зазор между рабочим колесом и ограничивающей стенкой корпуса турбины, малоэффективное срабатывание теплового перепада, ограниченная мощность.

Известна силовая роторная турбина патент РФ №164736, опубликовано 10.09.16, МПК F01D/08 (2006.01). Турбина состоит из статора, направляющих сопел и ротора. Ротор содержит вал на подшипниках, на котором жестко установлено не менее двух дисков, центральную втулку, зажатую между дисками и рабочие лопатки. Лопатки закреплены между дисками так, что наружные и внутренние кромки рабочих лопаток параллельны оси вращения вала ротора, а боковые кромки лопаток, прилегающие к дискам, тангенциально направлены на окружность центральной втулки и обеспечивают при этом наличие пространства между внутренними кромками лопаток и центральной втулкой. Сопла направлены тангенциально ротору на рабочие лопатки и в пространство между центральной втулкой, внутренними кромками рабочих лопаток и дисками. Выпускной патрубок совмещен со статором турбины. Эта турбина имеет следующие недостатки: большие нагрузки на вал турбины при одном направляющем сопле, ограничения по площади сечения направляющих сопел.

Технической задачей полезной модели является - создание энергетически эффективной силовой турбины с большой единичной мощностью и широким диапазоном применения.

Технический результат от использования полезной модели заключается в повышении эффективности силовой турбины с двухступенчатым ротором, за счет: увеличения степени срабатывания энергетического перепада рабочего тела по ступеням ротора, снижения внутренних потерь в турбине.

Указанный технический результат достигается тем, что силовая турбина с двухступенчатым ротором содержит: статор с выпускным патрубком, кольцевую камеру направления силовых потоков с кольцевым соплом, вал или два вала на подшипниках, центральную втулку или две центральные втулки, несвязанные между собой и две ступени ротора. Каждая ступень ротора состоит: из диска, рабочих лопаток и покрывной шайбы. Обе ступени ротора концентрично, шайба к шайбе установлены на валу или двух валах турбины, при этом диски жестко связаны с валом и центральной втулкой, расположенной между ними, или каждый диск жестко связан со своим валом и своей центральной втулкой. Между дисками и покрывными шайбами расположены рабочие лопатки, наглухо прикрепленные к ним по боковым кромкам. Рабочие лопатки равномерно размещены по внешним окружностям дисков и закреплены так, что внешние и внутренние кромки лопаток параллельны оси вращения вала, и обеспечивают наличие равных зазоров между внутренними кромками лопаток и центральной втулкой или втулками. Каждая ступень ротора имеет свою, функциональную степень наклона рабочих поверхностей лопаток к векторам направления силовых потоков рабочего тела и свое количество рабочих лопаток. Покрывные шайбы соединены между собой втулкой-обтекателем, установленной в отверстиях шайб, при этом втулка-обтекатель прочно крепится к шайбе первой ступени и свободно перемещается внутри шайбы второй ступени, внутренняя поверхность втулки имеет полусферическую форму. Покрывные шайбы разделяют ступени ротора по потокам рабочего тела - на первую ступень входящих потоков и вторую ступень исходящих потоков. Кольцевое пространство между втулкой-обтекателем и центральной втулкой или втулками образует канал перетока рабочего тела из первой во вторую ступень ротора. Кольцевая камера направления силовых потоков с кольцевым соплом размещается по периферии первой ступени ротора. Статор объединен с выпускным патрубком, размещенным по периферии второй ступени ротора.

Силовая турбина с двухступенчатым ротором может иметь две, механически независимые друг от друга ступени ротора, два вала нагрузки, входящие один в другой, жестко связанные, соответственно с первой и второй ступенью, направленные в одну сторону.

Силовая турбина с двухступенчатым ротором может иметь две, механически независимые друг от друга ступени ротора, два вала нагрузки, находящихся на одной оси, жестко связанные, каждый со своей ступенью и направленные в противоположные стороны.

Силовая турбина с двухступенчатым ротором может иметь конструкцию, когда на боковой периферии второй ступени ротора, дополнительно, размещены осевые лопатки.

Описание сущности силовой турбины с двухступенчатым ротором поясняется чертежами: на фиг. 1-3 представлена силовая турбина с двухступенчатым ротором на одном валу. На фиг. 4 - с двумя механически независимыми ступенями, с двумя валами, направленными в одну сторону. На фиг. 5 - с двумя механически независимыми ступенями, с двумя валами, направленными в разные стороны. На фиг. 4 - с осевыми лопатками, дополнительно установленными по боковой периферии второй ступени.

Устройство. Силовая турбина с двухступенчатым ротором фиг. 1-3 содержит: статор 1 с выпускным патрубком 2, кольцевую камеру 3 направления силовых потоков с кольцевым соплом 4, вал 5 на подшипниках, центральную втулку 6 и две ступени 7; 8 ротора. Каждая ступень 7; 8 ротора фиг. 3 состоит: из диска 9, рабочих лопаток 10 и покрывной шайбы 11. Обе ступени 7; 8 ротора концентрично, шайба 11 к шайбе 11 установлены на валу 5 турбины. Диски 9 жестко связаны с валом 5 и центральной втулкой 6, расположенной между ними. Между дисками 9 и покрывными шайбами 11 расположены рабочие лопатки 10, наглухо прикрепленные к ним по боковым кромкам. Рабочие лопатки 10 фиг. 1-2 равномерно размещены по внешним окружностям дисков 9 и закреплены между ними так, что внешние и внутренние кромки лопаток 10 параллельны оси вращения вала 5, и обеспечивают наличие равных зазоров между внутренними кромками лопаток 10 и центральной втулкой 6. Каждая ступень 7;8 ротора фиг. 1-2 имеет свою, функциональную степень наклона рабочих поверхностей лопаток 10 к векторам направления (векторы показаны стрелками) силовых потоков рабочего тела и свое количество рабочих лопаток. Покрывные шайбы 11 соединены между собой втулкой-обтекателем 12 фиг. 3, установленной в отверстиях шайб 11, при этом втулка 12 прочно крепится к шайбе первой ступени 7 и свободно перемещается внутри шайбы второй ступени 8, внутренняя поверхность втулки 12 имеет полусферическую форму. Покрывные шайбы 11 разделяют ступени 7; 8 ротора по потокам рабочего тела - на первую ступень 7 входящих потоков и вторую ступень 8 исходящих потоков. Кольцевое пространство между втулкой-обтекателем 12 и центральной втулкой 6 образует канал 13 перетока рабочего тела из первой 7 во вторую ступень 8 ротора. Кольцевая камера 3, направления силовых потоков с кольцевым соплом 4 фиг. 3-5, размещается по периферии первой ступени 7 ротора. Статор 1 объединен с выпускным патрубком 2, размещенным по периферии второй ступени 8 ротора, соединяет все элементы конструкции турбины и обеспечивает стационарное крепление.

Силовая турбина с двухступенчатым ротором фиг. 4 может иметь две, механически независимые друг от друга ступени 7 и 8 ротора, две центральные втулки 6, не связанные между собой, два вала нагрузки 14 и 15, входящие один в другой, жестко связанные, соответственно, с первой 7, и второй 8 ступенью ротора, направленные в одну сторону.

Силовая турбина с двухступенчатым ротором фиг. 5 может иметь две, механически независимые друг от друга ступени ротора 7 и 8, две центральные втулки 6, несвязанные между собой, два вала нагрузки 16; 17, находящиеся на одной оси, жестко связанные, соответственно, с первой 7 и второй 8 ступенью ротора, направленные в противоположные стороны.

Силовая турбина с двухступенчатым ротором может иметь конструкцию, когда на боковой периферии второй ступени 8 ротора фиг. 4, дополнительно, размещены осевые лопатки 18.

Принцип работы силовой турбины с двухступенчатым ротором. Силовые потоки различных классов рабочего тела могут подводиться к кольцевой камере 3 направления потоков фиг. 1, а так же в тепловых газовых турбинах вырабатываться непосредственно в кольцевой камере 3, являющейся в данном случае кольцевой камерой сгорания, широко применяемой в ГТД. Камера 3 направления потоков и кольцевое сопло 4 формируют направление силовых потоков рабочего тела, в сторону вращения ротора и непрерывно направляет их через первую ступень 7 ротора на канал 13. Далее силовые потоки фиг. 3, перетекают из первой ступени 7 ротора во вторую ступень 8 через кольцевое пространство между втулкой-обтекателем 12 и центральной втулкой 6 по каналу 13 перетока рабочего тела (показано стрелкой). Векторы направления силовых потоков, входящих в первую ступень 7 ротора фиг. 1, направлены тангенциально каналу 13 перетока рабочего тела. Переход силовых потоков по каналу 13 осуществляется так же тангенциально по отношению к этому каналу, с боковым смещением между первой 7 и второй ступенью 8 фиг. 3. Силовые потоки, исходящие из канала 13 и второй ступени фиг. 2 имеют ту же тангенциальную траекторию. На пути движения тангенциально направленных силовых потоков установлены рабочие лопатки 10 обеих 7-8 ступеней ротора фиг. 1-2. Эти потоки, воздействуя на рабочие лопатки 10, приводят ротор во вращение, на валу 5 турбины возникает полезная работа.

Таким образом: принцип работы силовой турбины с двухступенчатым ротором основан на том, что кольцевая камера 3 и кольцевое сопло 4 формируют множество силовых потоков, направленных в сторону вращения ротора. Эти потоки, проходя через первую ступень 7, тангенциально направлены на канал 13. Выходят из канала 13 через вторую ступень 8 так же тангенциально, воздействуют на все рабочие лопатки 10 первой 7 и второй 8 ступени, создают полезную работу на валу 5 турбины.

Эффективность работы турбины зависит от: давления в камере 3, соотношения площади сечения сопла 4 и площади сечения канала 13, а так же каждого из них и площади сечения выходных каналов второй ступени 8. Площадь сечения канала 13 перетока рабочего тела является базовой для определения параметров всей турбины.

Принцип работы силовой турбины с двухступенчатым ротором фиг. 4 и независимыми друг от друга ступенями 7;8 ротора, с двумя валами 14; 15 нагрузки, направленными в одну сторону, отличается тем, что первая ступень 7 и вторая ступень 8 не связаны механически между собой, поэтому могут иметь разные скорости и разные нагрузки и передавать их на разные валы 14; 15, направленные в одну сторону, например: авиадвигатель - первая ступень связана с турбокомпрессором, вторая с вентилятором.

Принцип работы силовой турбины с двухступенчатым ротором фиг. 5 и независимыми ступенями 7; 8 ротора, с двумя валами 16; 17 нагрузки, направленными в противоположные стороны, отличается тем, что первая ступень 7 и вторая ступень 8 не связаны механически между собой, поэтому могут иметь разные скорости и разные нагрузки и передавать их на разные валы 16; 17, направленные в противоположные стороны, например: наземные транспортные машины - первая ступень связана с турбокомпрессором, вторая ступень связана с внешней нагрузкой.

Баланс между ступенями по скоростям и нагрузкам определяется отношением наклона рабочих поверхностей лопаток 10 к векторам направления силовых потоков в каждой ступени и количеством рабочих лопаток.

Принцип работы силовой турбины с двухступенчатым ротором фиг. 4 и с дополнительными осевыми лопатками 18, установленными по боковой периферии второй ступени 8 ротора, отличается тем, что силовые потоки, исходящие из второй ступени 8, изгибаются и переходят на выход в осевом направлении через осевые лопатки 18, например: гидротурбины, авиадвигатели.

Заявляемая силовая турбина позволяет:

- повысить степень срабатывания энергетического перепада за счет: разделения силовых потоков рабочего тела и высокой степени срабатывания перепада давления входящих и исходящих потоков;

- сократить внутренние потери в турбине за счет срабатывания основной части рабочего тела внутри ротора;

- получить высокоэффективную силовую турбину с большой удельной мощностью и высокой динамикой набора ускорения и мощности за счет механического разделения ступеней.

Заявляемая турбина проста, технологична, менее металлоемка и более компактна, при наличии турбокомпрессора и камеры сгорания может использоваться как газотурбинный двигатель, может эффективно применяться как гидравлическая и паровая турбина, а так же, как гидравлический и пневматический привод.

Claims (4)

1. Силовая турбина с двухступенчатым ротором, характеризующаяся наличием статора с выпускным патрубком, кольцевой камеры направления потоков рабочего тела с кольцевым соплом, вала или двух валов на подшипниках, центральной втулки или двух центральных втулок, не связанных между собой, и двух ступеней ротора, каждая состоящая из диска, рабочих лопаток и покрывной шайбы, обе ступени ротора концентрично, шайба к шайбе, установлены на валу или двух валах турбины, при этом диски жестко связаны с валом и центральной втулкой, расположенной между ними, или каждый диск жестко связан со своими валом и центральной втулкой, между дисками и покрывными шайбами расположены рабочие лопатки, наглухо прикрепленные к ним по боковым кромкам, рабочие лопатки равномерно размещены по внешним окружностям дисков и закреплены между дисками и шайбами так, что внешние и внутренние кромки лопаток параллельны оси вращения вала или валов и обеспечивают наличие равных зазоров между внутренними кромками лопаток и центральной втулкой или втулками, каждая ступень имеет свою функциональную степень наклона рабочих поверхностей лопаток к векторам направления силовых потоков рабочего тела и свое количество лопаток, покрывные шайбы соединены между собой втулкой-обтекателем, установленной в отверстиях покрывных шайб, при этом втулка жестко крепится к шайбе первой ступени и свободно перемещается внутри шайбы второй ступени, покрывные шайбы разделяют ступени ротора по потокам рабочего тела, на первую ступень - входящих потоков и вторую ступень - исходящих потоков, кольцевое пространство между втулкой-обтекателем и центральной втулкой или втулками образует канал перетока рабочего тела из первой во вторую ступень ротора, кольцевая камера направления потоков рабочего тела, размещенная по периферии первой ступени ротора, имеет кольцевое сопло, статор объединен с выпускным патрубком, размещенным по периферии второй ступени ротора.

2. Силовая турбина с двухступенчатым ротором по п. 1, отличающаяся тем, что ступени ротора выполнены механически не зависимыми друг от друга, а два вала нагрузки входят один в другой и направлены в одну сторону.

3. Силовая турбина с двухступенчатым ротором по п. 1, отличающаяся тем, что ступени ротора выполнены механически не зависимыми друг от друга, а два вала нагрузки находятся на одной оси и направлены в противоположные стороны.

4. Силовая турбина с двумя ступенями ротора по п. 1, отличающаяся тем, что на боковой периферии второй ступени ротора размещены дополнительно осевые лопатки.

Images