RU2133381C1

RU2133381C1 - Toroidal turbine

Info

Publication number: RU2133381C1
Application number: RU97119796A
Authority: RU
Inventors: Ю.А. Гришин
Original assignee: Гришин Юрий Аркадьевич
Priority date: 1997-12-05
Filing date: 1997-12-05
Publication date: 1999-07-20

Abstract

FIELD: mechanical engineering; small-size turbine drive. SUBSTANCE: device has housing with projection and impeller enclosing the projection with clearance, forming together a toroidal working channel consisting of inner and outer parts, working blades and divider with shaped surface installed, respectively, in outer and inner parts of channel, intake straight branch pipe with cutoff and exhaust branch pipe, both placed in communication with channel at different sides of divider. Toroidal fairing of solid make or consisting of two parts, outer and inner, can be installed inside working channel. EFFECT: provision of high efficiency and low working speed. 10 cl, 8 dwg

Description

Изобретение относится к турбомашинам и предназначено для работы в качестве малоразмерного турбопривода. The invention relates to turbomachines and is intended to operate as a small turbo drive.

Известны турбомашины [1, 2] тороидального (вихревого) типа, в которых поток газа, жидкости или пара, обладающий высокой потенциальной и кинетической энергией, многократно взаимодействуя с облопаченным рабочим колесом в торообразном канале, постепенно отдает ему свою энергию подобно тому, как это происходит в многоступенчатой турбине. Благодаря этому обстоятельству такие турбины, рассчитанные на невысокие расходы рабочего тела, являются тем не менее низкооборотными в отличие от турбин обычного типа (осевых и центростремительных), частота вращения рабочих колес которых достигает сотен тысяч оборотов в минуту. Это очень затрудняет использование турбин обычного типа в качестве приводов. Современные малорасходные вихревые турбины имеют сравнительно невысокий КПД (0,2 - 0,45), обусловленный неорганизованностью течения. Примерно такой же уровень КПД имеют малорасходные турбины обычного типа, что в первую очередь связано с уменьшением числа Рейнольдса и применением принципа парциальности. There are known turbomachines [1, 2] of the toroidal (vortex) type, in which a gas, liquid or vapor stream having a high potential and kinetic energy, interacting repeatedly with a bladed impeller in a toroidal channel, gradually gives it its energy like this in a multi-stage turbine. Due to this circumstance, such turbines, designed for low flow rates of the working fluid, are nevertheless low-speed in contrast to conventional type turbines (axial and centripetal), whose rotational speed reaches hundreds of thousands of revolutions per minute. This makes it very difficult to use conventional type turbines as drives. Modern low-vortex vortex turbines have a relatively low efficiency (0.2 - 0.45), due to the disorganization of the flow. Approximately the same level of efficiency has low-flow turbines of the usual type, which is primarily associated with a decrease in the Reynolds number and the application of the principle of partiality.

Из известных технических решений наиболее близким к заявляемой является машина (А. С. 979716, МКИ F 04 D 17/06, опубл. 7.12.82. в бюл. N 45). Она содержит корпус с выступом и охватывающее его с зазором рабочее колесо, совместно образующие тороидальный рабочий канал из двух частей, внутренней и внешней. Во внешней части канала, на рабочем колесе, установлены рабочие лопатки. Во внутренней части, в корпусе, установлен разделитель. По разные стороны от разделителя с внутренней частью канала сообщаются впускной патрубок со срезом и выпускной патрубок. Of the known technical solutions, the closest to the claimed one is a machine (A. S. 979716, MKI F 04 D 17/06, publ. 7.12.82. In bull. N 45). It contains a housing with a protrusion and an impeller covering it with a gap, together forming a toroidal working channel of two parts, internal and external. In the outer part of the channel, on the impeller, working blades are installed. In the inner part, in the housing, a separator is installed. On different sides of the separator with the inner part of the channel, the inlet pipe with a cut and the outlet pipe are communicated.

При работе машины рабочее тело подается через срез впускного патрубка и, совершая спиральное движение в тороидальном рабочем канале, многократно взаимодействует с лопатками рабочего колеса. Отдав энергию колесу, рабочее тело выходит через выпускной патрубок. When the machine is working, the working fluid is fed through a slice of the inlet pipe and, making a spiral motion in the toroidal working channel, repeatedly interacts with the blades of the impeller. Having given energy to the wheel, the working fluid exits through the exhaust pipe.

КПД турбины составляет около 0,3. Ее невысокая эффективность обусловлена в первую очередь отсутствием организации течения как на начальном участке взаимодействия с рабочим колесом, где поток имеет наиболее высокие энергетические характеристики, так и при последующем течении. The turbine efficiency is about 0.3. Its low efficiency is primarily due to the lack of flow organization both in the initial section of interaction with the impeller, where the flow has the highest energy characteristics, and in the subsequent flow.

Предлагаемое изобретение направлено на повышение КПД тороидальной турбины, что является его техническим результатом и обеспечивает повышенные потребительские свойства. The present invention is aimed at increasing the efficiency of a toroidal turbine, which is its technical result and provides enhanced consumer properties.

Технический результат достигается за счет того, что в турбине, содержащей корпус с выступом и охватывающее его с зазором рабочее колесо, совместно образующие тороидальный рабочий канал из двух частей, внутренней и внешней, рабочие лопатки и разделитель, установленные соответственно во внешней и внутренней частях канала, впускной патрубок со срезом и выпускной патрубок, сообщенные с каналом по разные стороны от разделителя, впускной патрубок выполнен прямым, обращен срезом к зазору и в меридиональном сечении турбины смещен так, что одна из его внутренних стенок примыкает к образующей внутренней части тороидального рабочего канала в месте раздела частей зазором, а ось патрубка параллельна касательной к образующей внешней части канала также в месте раздела частей зазором. The technical result is achieved due to the fact that in a turbine containing a housing with a protrusion and an impeller covering it with a gap, together forming a toroidal working channel of two parts, internal and external, working blades and a separator installed respectively in the external and internal parts of the channel, the inlet pipe with a cut and the exhaust pipe communicated with the channel on opposite sides of the separator, the inlet pipe is made straight, faces the gap with a cut and is displaced in the meridional section of the turbine so that one and h of its inner walls adjoins the generatrix of the inner part of the toroidal working channel at the point of separation of the parts by the gap, and the axis of the nozzle is parallel to the tangent to the generatrix of the outer part of the channel also at the point of separation of the parts by the gap.

Кроме того, выступ на корпусе может быть выполнен коническим с углом наклона образующей конуса α = 0-90^o.
Кроме того, внутри канала может быть размещен тороидальный обтекатель так, что к его образующей в месте раздела зазором частей рабочего канала примыкает одна из внутренних стенок впускного патрубка.In addition, the protrusion on the housing can be made conical with an angle of inclination of the generatrix of the cone α = 0-90 ^o .
In addition, a toroidal fairing can be placed inside the channel so that one of the internal walls of the inlet pipe adjoins its generatrix at the point of separation by the gap of the parts of the working channel.

Кроме того, обтекатель может быть выполнен из двух частей, внешней и внутренней, размещенных соответственно во внешней и внутренней частях канала. In addition, the fairing can be made of two parts, external and internal, located respectively in the external and internal parts of the channel.

Кроме того, канал может быть выполнен диффузорным за счет постепенного уменьшения по его длине сечения внутренней части обтекателя. In addition, the channel can be made diffuser due to the gradual reduction along its length of the cross section of the inner part of the fairing.

Кроме того, выступ на корпусе может быть выполнен ступенчатым. In addition, the protrusion on the housing can be made stepwise.

Кроме того, обтекатель может быть размещен во внешней части тороидального рабочего канала. In addition, the fairing can be placed in the outer part of the toroidal working channel.

Кроме того, обтекатель может быть размещен во внутренней части канала. In addition, the fairing can be placed in the inner part of the channel.

Кроме того, срез впускного патрубка может быть выполнен в форме параллелограмма так, что его передняя и задняя кромки параллельны входным кромкам лопаток. In addition, the cut of the inlet pipe can be made in the form of a parallelogram so that its front and rear edges are parallel to the input edges of the blades.

Кроме того, поверхность разделителя со стороны среза впускного патрубка для придания потоку плотного спирального движения в рабочем канале может быть выполнена с поднутрением и шагом, равным сумме длины среза и шага рабочих лопаток и смещена назад против вращения колеса на величину одного шага лопаток. In addition, the surface of the separator on the cut side of the inlet pipe to give the flow a tight spiral motion in the working channel can be made with an undercut and a step equal to the sum of the length of the cut and the pitch of the working blades and shifted back against the rotation of the wheel by one step of the blades.

Сравнительный анализ предложенной турбины с прототипом позволил выявить в первой наличие новых существенных признаков, а именно: впускной патрубок выполнен прямым, что обеспечивает снижение потерь высокоскоростного потока рабочего тела на входе по сравнению с изогнутым исполнением патрубка, представленным в схеме прототипа; в отличие от прототипа, где впускной патрубок вводит поток во внутреннюю часть рабочего канала под прямым углом к плоскости вращения колеса, имея срез на ее боковой образующей и никак не обеспечивая организованного характера течения на начальном участке, где потери особенно велики, в предложенной турбине срез патрубка обращен непосредственно к зазору, что обеспечивает наилучшие условия подачи рабочего тела к лопаткам рабочего колеса, в меридиональном сечении турбины впускной патрубок смещен так, что одна из его внутренних стенок примыкает к образующей внутренней части тороидального рабочего канала в месте раздела частей зазором, а ось патрубка BC параллельна касательной ED к образующей внешней части канала также в месте раздела частей зазором. Это обеспечивает плавный безотрывный переход потока из патрубка непосредственно в рабочее колесо и последующее организованное спиральное течение, выступ на корпусе может быть выполнен коническим с углом наклона образующей конуса α = 0-90^o. При этом зазор становится коническим, касательная ED и ось патрубка BC увеличивают свои углы наклона к плоскости вращения колеса, и организация прямого подвода рабочего тела значительно упрощается, внутри канала может быть размещен тороидальный обтекатель так, что к его образующей в месте раздела зазором частей рабочего канала примыкает одна из внутренних стенок впускного патрубка. Наличие обтекателя исключит возможность появления "паразитного" обратного течения в тороидальном рабочем канале. Примыкание одной из внутренних стенок впускного патрубка к образующей обтекателя в месте раздела зазором частей рабочего канала обеспечит безотрывный и плотный характер "навивки" спирального потока на обтекатель на начальном высокоскоростном участке течения, обтекатель может быть выполнен из двух частей, внешней и внутренней, размещенных соответственно во внешней и внутренней частях канала. Это обеспечит упрощение сборки турбины; рабочий канал может быть выполнен диффузорным за счет постепенного уменьшения по его длине сечения внутренней части обтекателя. Это обеспечит необходимое геометрическое воздействие на поток и повысит эффективность его расширения и срабатывания в турбине, выступ на корпусе может быть выполнен ступенчатым. Такое исполнение подобно коническому варианту с точки зрения возможности увеличения углов наклона касательной ED и оси патрубка BC к плоскости вращения колеса. Это, как отмечалось выше, упрощает прямой подвод рабочего тела к турбине, но при этом упрощается согласование величин радиального и торцевых зазоров между корпусом и колесом, обеспечивающих уплотнение и уменьшение утечек рабочего тела из канала, при наличии ступенчатого выступа обтекатель может быть размещен во внешней части тороидального рабочего канала. Наряду с упрощением конструкции это упростит и сборку турбины, при наличии ступенчатого выступа обтекатель может быть размещен во внутренней части тороидального рабочего канала. В этом случае также упрощается конструкция и сборка турбины, срез впускного патрубка может быть выполнен в форме параллелограмма так, что его передняя KN и задняя МО кромки, параллельны входным кромкам лопаток FG. Это обеспечит плотную "навивку" витков спирального течения при переходе из патрубка в тороидальный канал и тем самым улучшит характеристики турбины, поверхность разделителя со стороны среза впускного патрубка может быть выполнена с поднутрением и шагом, равным сумме длины среза и шага рабочих лопаток и смещена назад против вращения рабочего колеса на величину одного шага лопаток. Это обеспечит плавный разворот потока, выходящего в первом витке из внешней части канала во внутреннюю, а также плотную, безотрывную "навивку" последующих витков, что повышает эффективность турбины.A comparative analysis of the proposed turbine with the prototype made it possible to identify the presence of new significant features in the first one, namely: the inlet pipe is straightforward, which reduces the loss of high-speed flow of the working fluid at the inlet in comparison with the curved version of the pipe presented in the prototype circuit; unlike the prototype, where the inlet pipe introduces the flow into the inner part of the working channel at right angles to the plane of rotation of the wheel, having a cut on its lateral generatrix and not providing an organized flow pattern in the initial section, where the losses are especially large, in the proposed turbine the pipe cut facing directly to the gap, which provides the best conditions for supplying the working fluid to the blades of the impeller; in the meridional section of the turbine, the inlet pipe is offset so that one of its inner walls is adjacent leads to the generatrix of the inner part of the toroidal working channel at the point of separation of the parts by the gap, and the axis of the nozzle BC is parallel to the tangent ED to the generatrix of the outer part of the channel also at the point of separation of the parts by the gap. This ensures a smooth continuous transfer of the flow from the pipe directly into the impeller and the subsequent organized spiral flow, the protrusion on the housing can be made conical with a tilt angle of the generatrix of the cone α = 0-90 ^o . In this case, the gap becomes conical, the tangent ED and the axis of the nozzle BC increase their inclination angles to the plane of rotation of the wheel, and the organization of the direct supply of the working fluid is greatly simplified, a toroidal fairing can be placed inside the channel so that it forms a gap at the point of separation of the parts of the working channel adjacent to one of the inner walls of the inlet pipe. The presence of a fairing eliminates the possibility of a "spurious" reverse flow in the toroidal working channel. The adjacency of one of the inner walls of the inlet pipe to the cowl generatrix at the point of separation by the gap of the parts of the working channel will ensure an unbroken and dense nature of the "winding" of the spiral flow on the cowl at the initial high-speed flow section, the cowl can be made of two parts, the external and internal, respectively located in external and internal parts of the channel. This will simplify the assembly of the turbine; the working channel can be made diffuser due to the gradual reduction along its length of the cross section of the inner part of the fairing. This will provide the necessary geometric effect on the flow and increase the efficiency of its expansion and actuation in the turbine, the protrusion on the body can be made stepwise. This design is similar to the conical version in terms of the possibility of increasing the angles of inclination of the tangent ED and the axis of the nozzle BC to the plane of rotation of the wheel. This, as noted above, simplifies the direct supply of the working fluid to the turbine, but it also simplifies the coordination of the values of the radial and end gaps between the casing and the wheel, providing sealing and reducing leakage of the working fluid from the channel, in the presence of a stepped protrusion, the fairing can be placed in the outer part toroidal working channel. Along with simplifying the design, this will simplify the assembly of the turbine, in the presence of a stepped protrusion, the cowl can be placed in the inner part of the toroidal working channel. In this case, the design and assembly of the turbine is also simplified, the inlet pipe cut can be made in the form of a parallelogram so that its front KN and rear MO edges are parallel to the input edges of the FG vanes. This will ensure tight "winding" of the coils of the spiral flow during the transition from the nozzle to the toroidal channel and thereby improve the characteristics of the turbine; rotation of the impeller by the value of one step of the blades. This will ensure a smooth turn of the flow exiting in the first turn from the external part of the channel to the internal, as well as a dense, continuous "winding" of subsequent turns, which increases the efficiency of the turbine.

Все вышеизложенное убедительно доказывает наличие причинно-следственной связи каждого отличительного признака с техническим результатом, выступающим в качестве цели (повышение КПД), и позволяет сделать вывод о соответствии предложенного технического решения как критерию "новизна" - поскольку заявленные признаки отсутствуют в прототипе, так и критерию "изобретательский уровень" - поскольку на рассматриваемый класс технических устройств заявленная совокупность признаков неизвестна. All of the above convincingly proves the existence of a causal relationship of each distinguishing feature with a technical result acting as a goal (increasing efficiency), and allows us to conclude that the proposed technical solution meets the criterion of "novelty" - since the claimed features are absent in the prototype, and the criterion "inventive step" - since the claimed set of features is unknown for the class of technical devices under consideration.

Предложенная тороидальная турбина соответствует условию патентноспособности "промышленная применимость", поскольку: - имеется принципиальная возможность использования изобретения в качестве турбопривода малой и средней мощности во многих отраслях народного хозяйства: в качестве средства малой механизации и для привода электрогенераторов, насосов, вентиляторов и пр., в строительстве и сельском хозяйстве, на электростанциях и промышленных предприятиях, на нефтяных и газовых промыслах, при этом в качестве рабочего тела высокого давления могут быть использованы сжатый газ, пар, различные жидкости; в двигателях внутреннего сгорания в качестве пускового агрегата и силовой турбины для получения дополнительной мощности при работе на выхлопных газах: - материалы заявки достаточно убедительно при необходимом количестве сведений доказывают возможность реализации заявленного объекта в том виде и объеме, как он охарактеризован в предложенной к рассмотрению формуле изобретения. The proposed toroidal turbine meets the condition of patentability "industrial applicability", because: - there is a fundamental possibility of using the invention as a turbo drive of small and medium power in many sectors of the economy: as a means of small mechanization and to drive electric generators, pumps, fans, etc., in construction and agriculture, in power plants and industrial enterprises, in oil and gas fields, while high pressure is used as a working fluid I can be used a compressed gas, steam, various liquid; in internal combustion engines as a starting unit and a power turbine to obtain additional power when working on exhaust gases: - the application materials convincingly enough with the necessary amount of information prove the possibility of implementing the claimed object in the form and volume as described in the proposed claims for consideration .

На фиг. 1 представлено меридиональное сечение тороидальной турбины; на фиг. 2 - ее фронтальный вид с вырезами, показывающими организацию входа и выхода потока; на фиг. 3 - меридиональное сечение рабочего канала с тороидальным обтекателем: на фиг. 4 - меридиональное сечение канала с тороидальным обтекателем, состоящим из двух частей, внешней и внутренней, размещенных соответственно во внешней и внутренней частях канала; на фиг. 5 - фронтальное сечение рабочего канала с диффузорным исполнением за счет постепенного уменьшения по его длине сечения внутренней части обтекателя; на фиг. 6 - меридиональное сечение канала при ступенчатом исполнении выступа на корпусе турбины и размещении обтекателя во внешней части канала; на фиг. 7 - меридиональное сечение канала также при ступенчатом исполнении выступа на корпусе и размещении обтекателя во внутренней части канала. На фиг. 8 изображен вид на развертку внутренней части рабочего канала по зазору. In FIG. 1 shows a meridional section of a toroidal turbine; in FIG. 2 - its front view with cutouts showing the organization of the entrance and exit of the stream; in FIG. 3 - meridional section of the working channel with a toroidal cowl: in FIG. 4 - meridional section of the channel with a toroidal cowl, consisting of two parts, external and internal, located respectively in the external and internal parts of the channel; in FIG. 5 - frontal section of the working channel with diffuser design due to the gradual reduction along its length of the section of the inner part of the fairing; in FIG. 6 - meridional section of the channel with a stepwise execution of the protrusion on the turbine housing and the location of the fairing in the outer part of the channel; in FIG. 7 - meridional section of the channel also with a stepwise execution of the protrusion on the housing and the location of the fairing in the inner part of the channel. In FIG. 8 shows a view of the scan of the inner part of the working channel by the gap.

Турбина (фиг. 1, 2) состоит из корпуса 1 с выступом 2, охватывающего его с зазором рабочего колеса 3, совместно образующих тороидальный рабочий канал из двух частей, внутренней 4 и внешней 5. В канале соответственно во внешней и внутренней частях, т. е. на колесе и в корпусе установлены рабочие лопатки 6 и разделитель 7. По разные стороны от разделителя рабочий канал сообщается с впускным 8 и выпускным 10 патрубками. The turbine (Fig. 1, 2) consists of a housing 1 with a protrusion 2, covering it with a clearance of the impeller 3, together forming a toroidal working channel of two parts, inner 4 and outer 5. In the channel, respectively, in the outer and inner parts, t. E. On the wheel and in the casing there are working blades 6 and a separator 7. On either side of the separator, the working channel communicates with inlet 8 and outlet 10 nozzles.

Впускной патрубок выполнен прямым, что по сравнению с изогнутым исполнением повышает КПД турбины вследствие повышения равномерности параметров рабочего тела по сечению и отсутствия зон отрыва потока. The inlet pipe is made straight, which, compared with the curved version, increases the turbine efficiency due to the increased uniformity of the parameters of the working fluid over the cross section and the absence of flow separation zones.

Патрубок обращен своим срезом 9 к зазору между выступом корпуса и рабочим колесом. Это обеспечивает организованную подачу рабочего тела непосредственно к лопаткам рабочего колеса, согласует поля скоростей потока в абсолютном и относительном движении, обеспечивает безударный вход потока в рабочее колесо с минимальными потерями. The pipe faces its slice 9 to the gap between the protrusion of the housing and the impeller. This ensures an organized supply of the working fluid directly to the blades of the impeller, coordinates the fields of flow velocities in absolute and relative motion, and provides an unshocked flow inlet into the impeller with minimal losses.

В меридиональном сечении турбины впускной патрубок смещен так, что одна из его внутренних стенок примыкает к образующей внутренней части тороидального рабочего канала в месте раздела частей зазором, а ось патрубка BC параллельна касательной ED к образующей внешней части канала также в месте раздела частей зазором (фиг. 1). Поскольку средняя линия тока спирального движения рабочего тела в тороидальном канале будет эквидистантна к образующей канала в меридиональном сечении, а средняя линия тока в патрубке совпадает с его осью, такое исполнение обеспечит плавный безотрывный переход потока из патрубка во внешнюю часть рабочего канала, т. е. непосредственно в рабочее колесо, и дальнейшее организованное спиральное течение, что повышает КПД турбины. In the meridional section of the turbine, the inlet pipe is displaced so that one of its inner walls is adjacent to the generatrix of the inner part of the toroidal working channel at the interface between the parts, and the axis of the nozzle BC is parallel to the tangent ED to the generatrix of the outer part of the channel at the interface between the parts of the gap (Fig. 1). Since the middle streamline of the spiral motion of the working fluid in the toroidal channel will be equidistant to the channel generatrix in the meridional section, and the middle streamline in the pipe coincides with its axis, this design will ensure a smooth, continuous flow transition from the pipe to the external part of the working channel, i.e. directly into the impeller, and further organized spiral flow, which increases the efficiency of the turbine.

В турбине выступ 2 на корпусе может быть выполнен коническим с углом наклона образующей конуса α = 0-90^o (фиг.1). В этом случае зазор становится коническим, касательная ED и ось патрубка BC увеличивают свои углы наклона к плоскости вращения колеса. Организация прямого подвода рабочего тела при этом значительно упрощается, впускной патрубок может быть укорочен.In the turbine, the protrusion 2 on the housing can be made conical with an angle of inclination of the generatrix of the cone α = 0-90 ^o (figure 1). In this case, the gap becomes conical, the tangent ED and the axis of the nozzle BC increase their angles of inclination to the plane of rotation of the wheel. The organization of the direct supply of the working fluid is greatly simplified, the inlet pipe can be shortened.

В турбине внутри канала может быть размещен тороидальный обтекатель 11 так, что к его образующей в месте раздела зазором частей 4 и 5 рабочего канала примыкает одна из внутренних стенок впускного патрубка 8 (фиг. 3). Из экспериментов со спиральным течением в тороидальных каналах известно, что в центральной части их меридионального сечения образуется "паразитный" обратный поток, резко увеличивающий газодинамические потери. Установка в центральной части сечения канала тороидального обтекателя, "загромождающего" обратное течение, увеличивает КПД турбины. Примыкание одной из внутренних стенок впускного патрубка к образующей обтекателя в месте раздела зазором частей 4 и 5 рабочего канала обеспечит безотрывный и плотный характер "навивки" спирального потока на обтекатель на начальном высокоскоростном участке течения, что дополнительно повысит КПД турбины. Однако в этом варианте исполнения затрудняется сборка турбины, поскольку зазор между внутренней и внешней частями канала будет иметь сложную конфигурацию и не допустит осевого перемещения колеса относительно выступа корпуса. In the turbine inside the channel, a toroidal radome 11 can be placed so that one of the inner walls of the inlet pipe 8 adjoins its generatrix at the point of separation by the gap of parts 4 and 5 of the working channel (Fig. 3). From experiments with spiral flow in toroidal channels, it is known that a “parasitic” reverse flow is formed in the central part of their meridional section, which sharply increases gas-dynamic losses. The installation in the central part of the channel section of the toroidal fairing, "cluttering" the reverse flow, increases the efficiency of the turbine. The adjacency of one of the inner walls of the inlet pipe to the cowl generatrix at the point of separation of the working channel parts 4 and 5 by the gap will provide an unbroken and dense nature of the "winding" of the spiral flow onto the cowl at the initial high-speed flow section, which will further increase the turbine efficiency. However, in this embodiment, it is difficult to assemble the turbine, since the gap between the internal and external parts of the channel will have a complex configuration and will not allow axial movement of the wheel relative to the protrusion of the housing.

В турбине обтекатель может быть выполнен из двух частей, внешней 12 и внутренней 13, размещенных соответственно во внешней 5 и внутренней 4 частях канала (фиг. 4). Очевидно, что по сравнению с предыдущим вариантом исполнения сборка турбины значительно упрощается, так как зазор выпрямляется. In the turbine, the fairing can be made of two parts, external 12 and internal 13, located respectively in the external 5 and internal 4 parts of the channel (Fig. 4). Obviously, in comparison with the previous embodiment, the assembly of the turbine is greatly simplified, since the gap is straightened.

В турбине рабочий канал может быть выполнен диффузорным за счет постепенного уменьшения по его длине сечения внутренней части обтекателя 13 (фиг. 5). Это геометрическое воздействие на поток обеспечит улучшение условий его расширения при срабатывании в турбине и повысит КПД [3, 4]. In the turbine, the working channel can be made diffuser due to the gradual reduction along its length of the cross section of the inner part of the fairing 13 (Fig. 5). This geometric effect on the flow will provide improved conditions for its expansion when triggered in the turbine and increase the efficiency [3, 4].

В турбине выступ 2 на корпусе может быть выполнен ступенчатым. Такая схема аналогична коническому исполнению выступа с точки зрения возможности увеличения углов наклона касательной ED и оси патрубка BC к плоскости вращения колеса. Это, как уже было отмечено выше, упрощает прямой подвод рабочего тела к турбине и укорачивает впускной патрубок. Но, очевидно, что в этом случае по сравнению с коническим исполнением проще согласовать величины радиального и торцевых зазоров между корпусом и колесом, обеспечивающих необходимое уплотнение и снижение утечек рабочего тела из тороидального канала. In the turbine, the protrusion 2 on the housing can be made stepwise. Such a scheme is similar to the conical design of the protrusion in terms of the possibility of increasing the angles of inclination of the tangent ED and the axis of the nozzle BC to the plane of rotation of the wheel. This, as already noted above, simplifies the direct supply of the working fluid to the turbine and shortens the inlet pipe. But, obviously, in this case, in comparison with the conical design, it is easier to coordinate the radial and end gaps between the housing and the wheel, which provide the necessary seal and reduce leakage of the working fluid from the toroidal channel.

В турбине со ступенчатым выступом обтекатель может быть размещен во внешней части 5 тороидального рабочего канала. Конструкция турбины упрощается, т.к. обтекатель состоит из одной внешней части 12 (фиг. 6). Сборка турбины, требующая осевого перемещения рабочего колеса вправо, не затрудняется. In a turbine with a stepped protrusion, the fairing can be placed in the outer part 5 of the toroidal working channel. The design of the turbine is simplified because the fairing consists of one outer part 12 (Fig. 6). Assembly of the turbine, requiring axial movement of the impeller to the right, is not difficult.

В турбине со ступенчатым выступом обтекатель может быть размещен во внутренней части 4 рабочего канала. Конструкция турбины и в этом случае упрощается, т. к. обтекатель состоит из одной внутренней части 13 (фиг. 7). Сборка турбины, как и в предыдущем случае, не затрудняется. In a turbine with a stepped protrusion, the fairing can be placed in the inner part 4 of the working channel. The design of the turbine in this case is also simplified, because the fairing consists of one inner part 13 (Fig. 7). Assembly of the turbine, as in the previous case, is not difficult.

В турбине срез впускного патрубка 9 может быть выполнен в форме параллелограмма так, что его передняя KN и задняя МО кромки параллельны входным кромкам лопаток FG (фиг. 8). Это обеспечит плотную "навивку" витков спирального течения рабочего тела при переходе из патрубка в тороидальный канал и повысит КПД турбины. In the turbine, the cut of the inlet pipe 9 can be made in the form of a parallelogram so that its front KN and rear MO edges are parallel to the input edges of the blades FG (Fig. 8). This will ensure a tight "winding" of the turns of the spiral flow of the working fluid during the transition from the nozzle to the toroidal channel and increase the efficiency of the turbine.

В турбине поверхность 14 разделителя 7 со стороны среза 9 впускного патрубка может быть выполнена с поднутрением и шагом, равным сумме длины среза и шага рабочих лопаток и смещена назад против вращения рабочего колеса на величину одного шага лопаток (фиг. 2,8). Поднутрение обеспечивает плавный разворот потока, выходящего в первом витке из внешней части канала во внутреннюю. Вследствие наличия зазора между внешней и внутренней частями поток рабочего тела, выходящий из среза патрубка, расширяясь, будет попадать не только в межлопаточные каналы, находящиеся в данный момент времени против него, но и в соседние. Чтобы рабочее тело, попавшее в межлопаточный канал, расположенный назад по отношению к вращению колеса, при запуске турбины и небольшой скорости вращения не оказывалось "запертым" поверхностью разделителя, обращенной к зазору, поверхность 14 должна быть смещена назад на величину одного шага лопаток. И если ее шаг будет равен сумме длины среза впускного патрубка и шага лопаток, поток, направляемый ею, выйдет на второй виток из-под впускного патрубка сразу впереди его среза 9. Таким образом второй виток, не накладываясь на первый, будет плотно примыкать к нему. Эти конструктивные мероприятия также приведут к повышению КПД турбины. In the turbine, the surface 14 of the separator 7 from the side of the cut 9 of the inlet pipe can be made with an undercut and a step equal to the sum of the length of the cut and the pitch of the blades and is shifted back against the rotation of the impeller by one step of the blades (Fig. 2.8). The undercut provides a smooth turn of the stream exiting in the first turn from the external part of the channel to the internal. Due to the presence of a gap between the external and internal parts, the flow of the working fluid coming out of the section of the nozzle, expanding, will fall not only into the interscapular channels located at a given time against it, but also into the neighboring ones. So that the working fluid that has fallen into the interscapular channel located backward relative to the rotation of the wheel, when the turbine is started and the rotation speed is low, does not turn out to be “locked” by the separator surface facing the gap, the surface 14 should be shifted backward by one step of the blades. And if its step is equal to the sum of the length of the cut of the inlet pipe and the pitch of the blades, the flow guided by it will go out to the second turn from under the inlet pipe immediately in front of its cut 9. Thus, the second turn, without overlapping the first, will be closely adjacent to it . These design measures will also lead to increased turbine efficiency.

Тороидальная турбина (фиг. 1, 2) работает следующим образом. Рабочее тело под высоким давлением направляется впускным патрубком 8, подается через срез 9 во внешнюю часть рабочего канала 5 и, взаимодействуя с лопатками 6, отдает часть импульса и энергии рабочему колесу 3. При этом на колесе создается крутящий момент. Совершив полуоборот во внешней части рабочего канала, поток попадает во внутреннюю 4, где, опираясь на поверхность 14 разделителя 7, совершает еще полуоборот и снова выходит во внешнюю часть канала уже впереди впускного патрубка. Виток за витком рабочее тело совершает сложное спиралеобразное движение по тороидальному рабочему каналу от среза впускного патрубка к выпускному патрубку 10 и выходит по нему из турбины. Toroidal turbine (Fig. 1, 2) operates as follows. The working fluid is directed under high pressure by the inlet pipe 8, is fed through a slice 9 to the outer part of the working channel 5 and, interacting with the blades 6, gives part of the impulse and energy to the impeller 3. In this case, a torque is created on the wheel. Having made a half-turn in the outer part of the working channel, the flow enters the inner 4, where, resting on the surface 14 of the separator 7, makes another half-turn and again goes into the outer part of the channel already in front of the inlet pipe. Turn by turn, the working fluid makes a complex spiral motion along the toroidal working channel from a cut of the inlet pipe to the outlet pipe 10 and exits from it from the turbine.

В результате многократного взаимодействия с лопатками рабочего колеса срабатывается запас энергии рабочего тела, колесо получает значительный крутящий момент. Данный процесс аналогичен процессу расширения в многоступенчатой турбине, что обеспечивает тороидальной турбине высокую эффективность и низкие рабочие обороты. As a result of repeated interaction with the impeller blades, the energy reserve of the working fluid is activated, the wheel receives significant torque. This process is similar to the expansion process in a multi-stage turbine, which provides the toroidal turbine with high efficiency and low operating speeds.

Источники информации
1. Байбаков О. В. Вихревые гидравлические турбины. Ивуз. Машиностроение, N 9, 1974.- с. 72-76.Sources of information
1. Baibakov O. V. Vortex hydraulic turbines. Ivuz. Engineering, N 9, 1974.- p. 72-76.

2. Хмара В. Н. , Сергеев В. Н., Ванеев С. М. Работа вихревой машины в режиме пневмопривода. Ивуз. Машиностроение, N 9, 1985.- с. 59-62. 2. Khmara V.N., Sergeev V.N., Vaneev S.M. Work of a vortex machine in a pneumatic drive mode. Ivuz. Engineering, N 9, 1985.- p. 59-62.

3. Жирицкий Г. С., Локай В. И., Максутова М.К., Стрункин В. А. Газовые турбины двигателей летательных аппаратов. - М. : Машиностроение. 1971.- 620 с. 3. Zhiritsky G. S., Lokai V. I., Maksutova M. K., Strunkin V. A. Gas turbines of aircraft engines. - M.: Engineering. 1971.- 620 p.

4. Анохин В.Д., Богатырев А. Г. Теория и расчет вихревых турбома-шин. - М.: ВЗМИ, 1986.- 75 с. 4. Anokhin VD, Bogatyrev A. G. Theory and calculation of vortex turbo-tires. - M .: VZMI, 1986.- 75 p.

Claims

1. A toroidal turbine comprising a housing with a protrusion and an impeller enclosing it with a gap, together forming a toroidal working channel of two parts, internal and external, working blades and a separator installed respectively in the external and internal parts of the channel, the inlet pipe with a cut and the exhaust a pipe connected with the channel on opposite sides of the separator, characterized in that the inlet pipe is made straight, faces the gap with a cut and is displaced in the meridional section of the turbine so that one of its internal the walls are adjacent to the generatrix of the inner part of the working channel in the place of separation of the parts by the gap, and the axis of the pipe is parallel to the tangent to the generatrix of the outer part of the channel also in the place of the separation of the parts by the gap.

2. The turbine according to claim 1, characterized in that the protrusion on the casing is made conical with an angle of inclination of the generatrix of the cone α = 0 - 90 ^o .

3. The turbine according to one of paragraphs. 1 and 2, characterized in that a toroidal fairing is placed inside the channel so that one of the inner walls of the inlet pipe is adjacent to its generatrix at the point of separation by the gap of the parts of the working channel.

4. The turbine according to claim 3, characterized in that the fairing is made of two parts, external and internal, located respectively in the external and internal parts of the channel.

5. The turbine according to claim 4, characterized in that the channel is made diffuser due to the gradual reduction along its length of the section of the inner part of the fairing.

6. The turbine according to one of claims 3 to 5, characterized in that the protrusion on the casing is made stepwise.

7. The turbine according to claim 6, characterized in that the fairing is located in the outer part of the toroidal working channel.

8. The turbine according to claim 6, characterized in that the fairing is located in the inner part of the channel.

9. The turbine according to one of claims 1 to 8, characterized in that the cut of the inlet pipe is made in the form of a parallelogram so that its front and rear edges are parallel to the input edges of the blades.

10. The turbine according to one of paragraphs.1 to 9, characterized in that the surface of the separator from the inlet side of the inlet pipe to give the flow a tight spiral motion in the working channel is made with an undercut and a step equal to the sum of the length of the cut and the pitch of the working blades, and is shifted back against rotation of the wheel by the value of one step of the blades.